ORNL开发无模具复合材料3D打印工艺，时间缩短95%、成本降低90%

2026年6月22日，南极熊获悉，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）制造示范设施（MDF）的研究人员开发出一种混合增材制造方法，将折纸原理与复合材料打印相结合，无需模具即可制造大型轻量化结构。





将复合材料直接沉积在织物基材上



传统复合材料制造虽然能生产高强度的耐用部件，但往往涉及漫长的模具制作周期和高昂的模具成本，限制了设计灵活性。ORNL的方法直接将复合材料沉积到柔性织物基材上，构建可折叠成三维形状的平面结构。



材料体系采用分层设计：高强度的织物基材（尼龙、玻璃纤维或树脂浸渍复合纤维）作为底层，热塑性聚氨酯（TPU）等材料作为粘合层，然后在织物基材上沉积增强复合材料层，可以是热塑性碳纤维ABS，也可以是苯乙烯基或环氧基热固性树脂。这些材料在分子层面结合，形成一个无需后处理或模具的单一集成部件。



该工艺还支持打印比设备本身更大的物体，降低了资本成本，拓展了可生产的几何形状范围。





新工艺将刚性与柔性融为一体



设计逻辑借鉴了折纸原理，将平面材料精确折叠成功能性的三维几何形状，应用于复合结构，将刚性和柔性元素融合在一个结构中。



ORNL首席研究员兼材料科学家Steven Guzorek表示：“这种开创性的方法将材料科学与变革性的设计原则相结合，重新定义了先进制造。通过将折纸原理应用于混合复合材料，我们正在提高大型结构制造的效率和可扩展性，并实现传统增材制造方法无法达到的形状。”



Guzorek强调，材料选择是实现可靠界面结合的关键：“通过对材料科学的深入了解，我们选择了能够有效粘合的材料，从而打造出真正一体化的组件。”



测试结果显示，与传统基于模具的复合材料制造方法相比，无模具工艺将特定设计的制造时间缩短了95%，成本降低了90%。此外，这种方法还消除了模具存储问题，支持快速部署，并兼容热塑性和热固性两种材料体系。



ORNL已就该技术申请专利，并正在为未来的许可转让做准备。这项研究在MDF进行，由美国能源部先进材料与制造技术办公室提供支持。