朱 紅 馬 琴

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州，213164;2.常州市新型紡織材料重點(diǎn)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(jié)構(gòu)織物造型設(shè)計中的應(yīng)用研究*

朱 紅1，2馬 琴3

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

通過對盒狀結(jié)構(gòu)折紙工藝原理分析，將其設(shè)計原理和成型方法，應(yīng)用于三維盒狀織物結(jié)構(gòu)件的設(shè)計與研制。結(jié)果表明:采用角聯(lián)編織結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)組織結(jié)構(gòu)，通過合理的緯紗路徑設(shè)計，分區(qū)域、分層設(shè)計織物結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)紡織品在普通提花織機(jī)上的成型織造，達(dá)到特殊結(jié)構(gòu)的三維織物一次成型要求;為角聯(lián)編織組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜造型織物預(yù)制件提供設(shè)計參考。

三維機(jī)織物，折紙原理，角聯(lián)編織組織，緯紗路徑

隨著工業(yè)設(shè)計技術(shù)和加工技術(shù)的發(fā)展，以配套工業(yè)應(yīng)用為目的的產(chǎn)業(yè)用紡織品研發(fā)已成為技術(shù)紡織品的開發(fā)熱點(diǎn)，三維織物結(jié)構(gòu)件在高性能紡織復(fù)合骨架材料、交通運(yùn)輸、過濾材料、建筑墻體等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用需求。三維結(jié)構(gòu)織物制作是通過合理的緯紗路徑設(shè)計，完成各種較為復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)織物設(shè)計，并在普通提花織機(jī)上實現(xiàn)復(fù)雜造型織物的一次成型加工，其一次成型結(jié)構(gòu)無接縫，可以使織物結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定［1］。

借鑒折紙設(shè)計原理及制作方法，為復(fù)雜造型織物預(yù)制件設(shè)計和制作提供一種新的設(shè)計思路和方法。以技術(shù)紡織品中所涉及的盒狀結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，進(jìn)行了分析研究，詳細(xì)比較了盒狀結(jié)構(gòu)局部變化規(guī)律，準(zhǔn)確完成盒狀結(jié)構(gòu)局部結(jié)構(gòu)設(shè)計和層聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用普通提花織機(jī)完成織造，通過三維結(jié)構(gòu)件的定型方法和工藝，最終達(dá)到了三維盒狀織物結(jié)構(gòu)件的設(shè)計與研制的要求。

1 三維結(jié)構(gòu)折紙原理及工藝設(shè)計分析

(1)折紙原理分析;折紙技術(shù)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(zhì)為主要原料，以產(chǎn)品立體造型為設(shè)計目標(biāo)，通過折線、折角、層疊、翻轉(zhuǎn)、穿套、黏貼等設(shè)計與制作方法，完成產(chǎn)品制作。折紙產(chǎn)品具有一次成型的完整立體結(jié)構(gòu)和一定的審美功能和使用性能，并達(dá)到立體成型要求。

(2)三維織物造型設(shè)計運(yùn)用:分析借鑒三維結(jié)構(gòu)折紙產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形成方法，可通過合理設(shè)計經(jīng)緯紗交織方式和集結(jié)路徑，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，在普通織機(jī)上即可完成復(fù)雜三維織物結(jié)構(gòu)件設(shè)計與制作，織物下機(jī)后，根據(jù)折紙設(shè)計成型原理復(fù)原立體造型，這種設(shè)計技術(shù)原理和方法可以廣泛用于產(chǎn)業(yè)用紡織品特殊結(jié)構(gòu)件的設(shè)計。

(3)以常見的折紙紙盒結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)簡單實用，適用面廣。該結(jié)構(gòu)件可廣泛用于航空航天領(lǐng)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(gòu)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(bǔ)。在軍用領(lǐng)域，用于如裝甲車、防爆盾、反恐防爆箱等;以及建筑領(lǐng)域中各種承梁材、墻體等加強(qiáng)件［2-3］。紙盒的折疊設(shè)計及其成型方法見以下分析。

2 三維盒狀結(jié)構(gòu)折紙工藝設(shè)計分析

2.1 折紙工藝操作表示方法

在折紙工藝設(shè)計技術(shù)中，常見的術(shù)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(shè)計及制作方法

圖3標(biāo)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(jié)構(gòu)設(shè)計案例

3.1 三維盒狀結(jié)構(gòu)織物各區(qū)域組織結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)根據(jù)工藝設(shè)計要求，繪制符合要求的紋樣，設(shè)計織物尺寸，并根據(jù)織物各部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)把織物劃分為9個區(qū)域，如圖4所示，是一個根據(jù)盒狀折紙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的三維盒狀結(jié)構(gòu)的“船狀”六邊形結(jié)構(gòu)織物的正、反面示意圖。

圖4 平面結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 三維盒狀結(jié)構(gòu)織物緯紗路徑設(shè)計

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

(2)設(shè)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(jié)不分層。圖4中，表層經(jīng)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(jīng)紗分層分區(qū)交織，緯紗織造路徑設(shè)計如圖5所示:圖5(a)表示第1、2、3 區(qū)域內(nèi)、圖5(b)表示第 4、5、6 區(qū)域內(nèi)、圖5(c)表示第7、8、9區(qū)域內(nèi)緯紗與經(jīng)紗交織路徑，通過增加或減少經(jīng)紗和緯紗的交織點(diǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計采用角聯(lián)編織為基礎(chǔ)組織，可使織物整體增厚。根據(jù)緯紗路徑設(shè)計分析織物，將織物分為上下兩層，每一層織物由4組經(jīng)緯紗構(gòu)成;其中上層分左右兩區(qū)，由3組固結(jié)緯紗和1組填芯緯紗與經(jīng)紗相交織，按照緯紗路徑設(shè)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(jīng)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(jīng)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(jīng)向截面圖。

圖5 各區(qū)域緯紗路徑示意圖

(3)斜邊邊緣組結(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)向截面圖

圖7 各區(qū)域基礎(chǔ)循環(huán)組織

(4)根據(jù)織物的分區(qū)、緯紗路徑設(shè)計和織物結(jié)構(gòu)規(guī)律分析，設(shè)計各區(qū)域基礎(chǔ)循環(huán)組織，見圖7所示。結(jié)合使用分區(qū)織造工藝，最終可實現(xiàn)盒狀三維結(jié)構(gòu)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(chǔ)組織為 RJ=40，RW=18，經(jīng)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(chǔ)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(chǔ)組織為RJ=40，RW=18，經(jīng)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(jié)構(gòu)的上機(jī)工藝設(shè)計

3.3.1 三維盒狀結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高，織造時不易斷頭，并增強(qiáng)織物的厚度和硬度，有利于終制品達(dá)到預(yù)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(jié)構(gòu)織物原料規(guī)格

3.3.2 三維盒狀結(jié)構(gòu)紋樣設(shè)計及上機(jī)工藝計算

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

圖8 盒狀結(jié)構(gòu)立體尺寸

(2)上機(jī)工藝計算

成品經(jīng)密:710根/10 cm

上機(jī)經(jīng)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(jīng)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(jī)為SGA598型半自動大提花織樣機(jī)，織機(jī)紋針數(shù)1408針。JACD大提花設(shè)計軟件中設(shè)計的紋樣如圖8(a)所示，織機(jī)裝造采用單造雙把吊，根據(jù)工藝計算，經(jīng)紗選用針數(shù)為1 280針，右邊拔頭128針。經(jīng)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(jié)構(gòu)織物制作工藝技術(shù)關(guān)鍵

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

(2)選擇的滌綸線的強(qiáng)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(jī)后織物實際尺寸基本符合設(shè)計目標(biāo)。

3.3.4 三維盒狀織物結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)完全浸透，采用定性方法處理達(dá)到預(yù)設(shè)形狀的定型［8］，實物產(chǎn)品照片見圖9。

圖9 三維盒裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)品實物照片

3.4 拓展設(shè)計

根據(jù)紙盒折疊方式所設(shè)計織造的盒狀結(jié)構(gòu)和緯紗路徑設(shè)計，可以拓展設(shè)計到更為復(fù)雜的加蓋盒狀結(jié)構(gòu)造型。

(1)織物在原有基礎(chǔ)上增加一層盒蓋，加蓋結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)的正面如圖10(a)所示，反面如圖10(b)所示，其立體結(jié)構(gòu)尺寸如圖10(c)所示?？椢锔鶕?jù)不同區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計分2層和3層，第4區(qū)、第6區(qū)是加蓋結(jié)構(gòu)部分，其余區(qū)域與盒狀結(jié)構(gòu)相似。

圖10 加蓋結(jié)構(gòu)正、反面和立體結(jié)構(gòu)

(2)結(jié)合織物的分區(qū)設(shè)計、緯紗路徑設(shè)計和織物經(jīng)向截面分析，可以設(shè)計出各區(qū)域基礎(chǔ)循環(huán)組織，組織圖見圖11。其中:圖11(a)表示1、2、3區(qū)經(jīng)紗由中間向兩邊遞增的組織圖，其基礎(chǔ)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(jīng)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(jīng)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(jī)織造方法和盒狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

(1)借鑒折紙原理及工藝成型設(shè)計方法，使用普通提花織機(jī)織造加工工藝方法，運(yùn)用角聯(lián)編織組織，合理設(shè)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(jié)構(gòu)三維織物預(yù)制件的制作。運(yùn)用折紙原理的新的設(shè)計思路和方法可廣泛運(yùn)用于設(shè)計制作三維異形結(jié)構(gòu)織物預(yù)制件。

圖11 各區(qū)域基礎(chǔ)循環(huán)組織

(2)織造工藝技術(shù):根據(jù)緯紗織造路徑設(shè)計，織物預(yù)制件斜邊邊緣輪廓織造時入緯位置控制應(yīng)準(zhǔn)確無誤;三維織物預(yù)制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中各區(qū)域?qū)訑?shù)分布不同，織造過程中會出現(xiàn)區(qū)域性經(jīng)密增大，應(yīng)注意經(jīng)紗張力控制，避免出現(xiàn)經(jīng)紗的滑移。同時，應(yīng)注意開口時經(jīng)紗出現(xiàn)重疊、糾纏、粘結(jié)現(xiàn)象，避免開口不清，保證織造工藝順利進(jìn)行。

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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(diǎn)實驗室重點(diǎn)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(shè)計及其產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用。