传统模具的制造成本高、采购周期长，还需要专门的存放空间。零件形状一旦确定就被锁死，设计改动往往意味着模具修改或重做。对于小批量或需要频繁迭代的应用，这种成本结构很难承受。

橡树岭国家实验室的科学家们最近把折纸的想法和3D打印结合起来，开发出一种新的混合制造工艺，直接从源头上消灭了模具。他们用增材技术把复合材料往柔性织物基底上打印，然后沿着预先设计好的折痕折叠成最终的三维零件，全程不需要任何模具。

这个基底可以是尼龙、玻璃纤维或者树脂浸渍过的复合纤维。中间有一层热塑性聚氨酯，从分子层面把加强材料和基底粘在一起。外层材料可以是轻量结构用的热塑性碳纤维ABS，或者需要刚度和几何控制时用的苯乙烯基或环氧基热固性材料。这些材料在分子层面就结合了，出来就是一个完整的部件，不需要后处理，也不需要模具。

整个平板沿着事先设计好的折痕折叠，变成最终的三维形状。折痕从一开始就设计在打印文件里。通过这种方式，可以做出比打印机本身还大的零件，因为从平板开始，折叠后的尺寸不再受机器限制。资本成本也降下来了，能做的几何形状宽了很多。零件上可以同时存在刚性部分和柔性部分，这借鉴了折纸的原理——把平面的东西精准折叠成能用的立体结构。

和传统模具相比，制造时间减少了95%，成本直接降低了90%。而且这项工艺兼容热塑性和热固性材料，能快速从平板板材部署成三维结构，完全不需要专门的模具存放空间。

领导这个项目的是橡树岭国家实验室制造科学部的科学家史蒂文·古佐雷克，团队成员还包括艾哈迈德·阿拉比·哈森、凯蒂·科彭哈弗、邓肯·弗雷泽、布莱恩·波斯特和泰勒·史密斯。研究是在制造示范设施那边做的，得到美国能源部先进材料和制造技术办公室的资金支持。

古佐雷克说，这个开创性方法重新定义了先进制造，把材料科学和变革性设计原则结合到一起。通过把折纸那套原理用在混合复合材料上，大型结构制造的效率和可扩展性一下就上去了，能做出传统方法做不出的形态，解决方案既坚固又省钱。他还指出，材料选择是可靠界面结合的核心，懂材料科学才能选到本来就能结合的材料，这样出来才是真正一体化的部件。他们现在的目标是让这项技术能扩展，拓宽制造商获取无模具混合复合材料的渠道，让他们能探索新的设计可能性，并在全行业解锁全新的应用。

橡树岭国家实验室已经为这个工艺申请了专利，正准备对外许可。近期的重点是把实验室里的成果扩展到生产级别的体积和形状。当然，从实验室到工厂还有不少坎要迈，这也是为什么下一步要重点搞可扩展性。

用折纸来设计结构材料最近很火。南方科技大学和香港城市大学的一个团队在《自然·通讯》上发表论文，他们用多材料FDM打印出了厚板的折纸结构，不需要任何后处理就能通过几何本身控制刚度和抗冲击性，打印过程直接完成了模具的活儿。美国国防部也很看好这个方向，给了佐治亚理工学院1400万美元的MURI奖项，专门研究用折纸和剪纸原理制造可部署的结构，3D打印是其中的关键技术之一。机构层面的认可说明，可折叠几何不是看着新奇，而是一种严肃的工程策略。

橡树岭国家实验室的无模具混合复合材料工艺正好踩在这个趋势上。它的独特之处在于把织物基底、分子级粘合和折叠设计一步到位。

传统上需要很多步才能完成的制造过程，现在一次平板打印就搞定了，打完就是零件。