折紙原理在三維盒裝結構織物造型設計中的應用研究*

朱 紅 馬 琴

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術學院，常州，213164;2.常州市新型紡織材料重點實驗室，常州，213164; 3.常州環(huán)球地毯廠，常州，213022)

折紙原理在三維盒裝結構織物造型設計中的應用研究*

朱 紅1，2馬 琴3

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術學院，常州，213164;2.常州市新型紡織材料重點實驗室，常州，213164; 3.常州環(huán)球地毯廠，常州，213022)

通過對盒狀結構折紙工藝原理分析，將其設計原理和成型方法，應用于三維盒狀織物結構件的設計與研制。結果表明:采用角聯(lián)編織結構為基礎組織結構，通過合理的緯紗路徑設計，分區(qū)域、分層設計織物結構，可以實現(xiàn)三維結構紡織品在普通提花織機上的成型織造，達到特殊結構的三維織物一次成型要求;為角聯(lián)編織組織結構的復雜造型織物預制件提供設計參考。

三維機織物，折紙原理，角聯(lián)編織組織，緯紗路徑

隨著工業(yè)設計技術和加工技術的發(fā)展，以配套工業(yè)應用為目的的產業(yè)用紡織品研發(fā)已成為技術紡織品的開發(fā)熱點，三維織物結構件在高性能紡織復合骨架材料、交通運輸、過濾材料、建筑墻體等領域有著大量的應用需求。三維結構織物制作是通過合理的緯紗路徑設計，完成各種較為復雜的立體結構織物設計，并在普通提花織機上實現(xiàn)復雜造型織物的一次成型加工，其一次成型結構無接縫，可以使織物結構更加穩(wěn)定［1］。

借鑒折紙設計原理及制作方法，為復雜造型織物預制件設計和制作提供一種新的設計思路和方法。以技術紡織品中所涉及的盒狀結構設計為例，進行了分析研究，詳細比較了盒狀結構局部變化規(guī)律，準確完成盒狀結構局部結構設計和層聯(lián)結構設計，采用普通提花織機完成織造，通過三維結構件的定型方法和工藝，最終達到了三維盒狀織物結構件的設計與研制的要求。

1 三維結構折紙原理及工藝設計分析

(1)折紙原理分析;折紙技術源于兒童折紙手工智力游戲。折紙原理是利用平面紙張或其他可折疊平面材質為主要原料，以產品立體造型為設計目標，通過折線、折角、層疊、翻轉、穿套、黏貼等設計與制作方法，完成產品制作。折紙產品具有一次成型的完整立體結構和一定的審美功能和使用性能，并達到立體成型要求。

(2)三維織物造型設計運用:分析借鑒三維結構折紙產品結構形成方法，可通過合理設計經緯紗交織方式和集結路徑，簡化產品結構設計，在普通織機上即可完成復雜三維織物結構件設計與制作，織物下機后，根據折紙設計成型原理復原立體造型，這種設計技術原理和方法可以廣泛用于產業(yè)用紡織品特殊結構件的設計。

(3)以常見的折紙紙盒結構為例，其結構簡單實用，適用面廣。該結構件可廣泛用于航空航天領域中的物品收納裝置，火車的地面，橫梁和卡車的承重托架，小汽車和卡車的防震構件，各種船體、船甲板以及各類集裝箱，還可用于損傷船體的修補。在軍用領域，用于如裝甲車、防爆盾、反恐防爆箱等;以及建筑領域中各種承梁材、墻體等加強件［2-3］。紙盒的折疊設計及其成型方法見以下分析。

2 三維盒狀結構折紙工藝設計分析

2.1 折紙工藝操作表示方法

在折紙工藝設計技術中，常見的術語及表示方法如下:

(1)折紙使用圖形表示方法:灰色幾何形表示紙張的正面，白色幾何形表示紙張的反面，如圖1所示。

圖1 折紙正反面表示方法

(2)不同線條表示不同的折疊方式，如圖2(a)表示紙張由反面向正面折疊，如圖2(b)表示紙張由正面向反面折疊，其中彎曲箭頭表示了折線的折疊方向。

圖2 折紙折疊方式表示方法

2.2 三維紙盒的成型設計及制作方法

圖3標識出三維紙盒折疊成型工藝方法與步驟。依次操作圖序:a→b→c→d→e→f→g→h，完成紙盒制作;實物照片見圖i。

圖3 紙盒的折疊步驟示意圖

3 三維盒狀織物結構設計案例

3.1 三維盒狀結構織物各區(qū)域組織結構設計

(1)根據工藝設計要求，繪制符合要求的紋樣，設計織物尺寸，并根據織物各部分結構特點把織物劃分為9個區(qū)域，如圖4所示，是一個根據盒狀折紙結構轉化的三維盒狀結構的“船狀”六邊形結構織物的正、反面示意圖。

圖4 平面結構示意圖

3.2 三維盒狀結構織物緯紗路徑設計

(1)設計思路:將立體盒狀結構變形處理為一個平面多層三維結構的織物，采用角聯(lián)編織組織為基礎組織，運用多層層聯(lián)織物的設計原理［4］，設計合理的緯紗路徑。紗線通過分層、分區(qū)域織造;織物下機后將多層織物按其預先設計的三維結構折疊成型，完成立體預制件結構制作。

(2)設計方法:將立體織物變形為特殊的“船狀”六邊形+中心左右開口式雙層織物，如圖4(a)、圖4(b)所示，其斜邊邊緣部分上下連結不分層。圖4中，表層經紗分成左右兩個區(qū)域，從六邊形底部起織，緯紗按一定順序與左右兩區(qū)經紗分層分區(qū)交織，緯紗織造路徑設計如圖5所示:圖5(a)表示第1、2、3 區(qū)域內、圖5(b)表示第 4、5、6 區(qū)域內、圖5(c)表示第7、8、9區(qū)域內緯紗與經紗交織路徑，通過增加或減少經紗和緯紗的交織點可以改變緯紗行程，最終實現(xiàn)六邊形斜邊輪廓。

(2)三維盒狀織物結構設計采用角聯(lián)編織為基礎組織，可使織物整體增厚。根據緯紗路徑設計分析織物，將織物分為上下兩層，每一層織物由4組經緯紗構成;其中上層分左右兩區(qū)，由3組固結緯紗和1組填芯緯紗與經紗相交織，按照緯紗路徑設計實現(xiàn)織物分左右兩區(qū)、分別織造的工藝要求。圖6(a)、6(b)分別表示第1、2區(qū)、圖6(c)為織物第3區(qū)的經向截面圖;圖6(d)、圖6(e)表示織物第4、5區(qū)、圖6(f)表示織物經向截面圖;圖6(g)、圖6(h)表示織物第7、8區(qū)、圖6(i)為織物第9區(qū)的經向截面圖。

圖5 各區(qū)域緯紗路徑示意圖

(3)斜邊邊緣組結構設計:按區(qū)域鋪組織時，斜邊邊緣部分采用自由勾邊的方式延斜邊輪廓鋪組織［5］。

圖6 各區(qū)域經向截面圖

圖7 各區(qū)域基礎循環(huán)組織

(4)根據織物的分區(qū)、緯紗路徑設計和織物結構規(guī)律分析，設計各區(qū)域基礎循環(huán)組織，見圖7所示。結合使用分區(qū)織造工藝，最終可實現(xiàn)盒狀三維結構織物的織造。其中:圖7(a)表示第1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)組織圖，基礎組織為 RJ=40，RW=18，經紗由中間向兩邊遞增，緯紗由第1根至第400根，共400根;圖7(b)表示4區(qū)、5區(qū)和6區(qū)組織圖，基礎組織為RJ=32、RW=12，緯紗由第401根至第1 400根，共1 000根;圖7(c)表示第7區(qū)、8區(qū)、9區(qū)組織圖，基礎組織為RJ=40，RW=18，經紗由兩邊向中間遞減，緯紗由第1 401根至第1 800根，共400根。圖7中，織造時投緯方向:左→右。

3.3 三維盒狀織物結構的上機工藝設計

3.3.1 三維盒狀結構織物紗線原料選擇

為使織物具有一定的硬挺度和一定的厚度，可選用PVC涂層滌綸長絲，其強度高，織造時不易斷頭，并增強織物的厚度和硬度，有利于終制品達到預期的效果［7］。實驗采用的原料規(guī)格詳見表1。

表1 三維盒狀結構織物原料規(guī)格

3.3.2 三維盒狀結構紋樣設計及上機工藝計算

(1)紋樣的平面設計見圖4(a)，立體盒狀結構的尺寸見圖8所示，成品結構尺寸:長=18 cm，寬=18 cm，高 =9 cm。

圖8 盒狀結構立體尺寸

(2)上機工藝計算

成品經密:710根/10 cm

上機經密:624根/10 cm

成品緯密:第一、二區(qū)緯密:444根/10 cm

第三、四區(qū)緯密:556根/10 cm

每筘齒經紗穿入數(shù)確定為12根/筘齒

成品幅寬=18 cm;緯紗織縮率=12%

(3)使用提花織機為SGA598型半自動大提花織樣機，織機紋針數(shù)1408針。JACD大提花設計軟件中設計的紋樣如圖8(a)所示，織機裝造采用單造雙把吊，根據工藝計算，經紗選用針數(shù)為1 280針，右邊拔頭128針。經紗采用順穿法，每筘穿入數(shù)為12，使用英制30號筘。

3.3.3 三維盒狀結構織物制作工藝技術關鍵

(1)利用層聯(lián)織物設計制作原理，通過緯紗與經紗交織路徑設計將上、下層織物連接起來，并結合左右分區(qū)織造實現(xiàn)這一特殊的開口式六邊形結構，同時在斜邊區(qū)域處有規(guī)律地增加或減少邊部的經紗，使織物達到預期的斜度與寬度，形成六邊形結構的開口式雙層結構。

(2)選擇的滌綸線的強度和光滑度較高，在織物織造過程中必須注意打緯的力度，要將緯紗打緊同時又符合緯紗密度要求。下機后織物實際尺寸基本符合設計目標。

3.3.4 三維盒狀織物結構整理定型工藝

使用環(huán)氧樹脂與固化劑以1∶1的比例配置混合，使盒狀結構完全浸透，采用定性方法處理達到預設形狀的定型［8］，實物產品照片見圖9。

圖9 三維盒裝結構產品實物照片

3.4 拓展設計

根據紙盒折疊方式所設計織造的盒狀結構和緯紗路徑設計，可以拓展設計到更為復雜的加蓋盒狀結構造型。

(1)織物在原有基礎上增加一層盒蓋，加蓋結構的平面結構的正面如圖10(a)所示，反面如圖10(b)所示，其立體結構尺寸如圖10(c)所示。織物根據不同區(qū)域結構設計分2層和3層，第4區(qū)、第6區(qū)是加蓋結構部分，其余區(qū)域與盒狀結構相似。

圖10 加蓋結構正、反面和立體結構

(2)結合織物的分區(qū)設計、緯紗路徑設計和織物經向截面分析，可以設計出各區(qū)域基礎循環(huán)組織，組織圖見圖11。其中:圖11(a)表示1、2、3區(qū)經紗由中間向兩邊遞增的組織圖，其基礎組織循環(huán)為RJ=36，RW=12，緯紗由第1根至第400根，共400 根;圖11(b)表示4、5、6、7、8 區(qū)組織圖;其組織循環(huán)為RJ=36，RW=20，緯紗數(shù)為1 200根。圖11(c)表示9、10、11區(qū)經紗由兩邊向中間遞減的組織圖，其其組織循環(huán)為RJ=36，RW=12，織物經紗由兩邊向中間減少，緯紗數(shù)為400根。隨著紋樣的變化，采用自由勾邊的方式延斜邊輪廓鋪組織。

(4)上機織造方法和盒狀結構一致，但需特別注意織造過程中因織造縮率不一致而引起紗線張力不勻，建議織造采用雙軸或三軸織造。

(5)使用樹脂整理定型整理得到更加穩(wěn)定的結構。

4 結語

(1)借鑒折紙原理及工藝成型設計方法，使用普通提花織機織造加工工藝方法，運用角聯(lián)編織組織，合理設計緯紗路徑，采用特殊的分區(qū)投緯織造工藝，可實現(xiàn)特殊結構三維織物預制件的制作。運用折紙原理的新的設計思路和方法可廣泛運用于設計制作三維異形結構織物預制件。

圖11 各區(qū)域基礎循環(huán)組織

(2)織造工藝技術:根據緯紗織造路徑設計，織物預制件斜邊邊緣輪廓織造時入緯位置控制應準確無誤;三維織物預制件的結構設計中各區(qū)域層數(shù)分布不同，織造過程中會出現(xiàn)區(qū)域性經密增大，應注意經紗張力控制，避免出現(xiàn)經紗的滑移。同時，應注意開口時經紗出現(xiàn)重疊、糾纏、粘結現(xiàn)象，避免開口不清，保證織造工藝順利進行。

［1］董孚允，王春敏，董娟.三維紡織復合材料的發(fā)展和應用［J］.纖維復合材料，2001，18(3):51-54.

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The research of folding principle in the design of three-dimensional box-shaped structure fabric

Zhu Hong1，2，Ma Qin3
(1.Changzhou Textile Garment Institute;2.Changzhou Key Laboratory of New Textile Materials; 3.Changzhou Globe Carpet Mill)

The article focuses on manufacturing three-dimensional fabrics with principle of folding.It is necessary to carry out an in-depth study into the designing methods and manufacturing process of box-shaped fabrics.The result shows that the structural integrity of three-dimensional fabrics with particular structures can be woven with common jacquard looms on the texture of angle-interlock fabrics as the basic weave structure，and appropriately the routes of picks designed in a multi-layered and multi-regional texture.The study proves to be highly valuable in the application of angle-interlock fabrics in the designing process of other composite fabric preformed units with complicated molding.

three-dimensional fabric，principle of folding，angle-interlock，the route of picks

TB472

A

1004－7093(2011)10－0013－06

*常州市新型紡織材料重點實驗室重點項目資助(項目編號2010－02)。

2011－07－25

朱紅，1966年生，副教授。研究方向:紡織品設計及其產業(yè)化運用。