折纸原理在三维盒装结构织物造型设计中的应用研究*

朱 红 马 琴

(1.常州纺织服装职业技术学院，常州，213164;2.常州市新型纺织材料重点实验室，常州，213164; 3.常州环球地毯厂，常州，213022)

折纸原理在三维盒装结构织物造型设计中的应用研究*

朱 红1，2马 琴3

(1.常州纺织服装职业技术学院，常州，213164;2.常州市新型纺织材料重点实验室，常州，213164; 3.常州环球地毯厂，常州，213022)

通过对盒状结构折纸工艺原理分析，将其设计原理和成型方法，应用于三维盒状织物结构件的设计与研制。结果表明:采用角联编织结构为基础组织结构，通过合理的纬纱路径设计，分区域、分层设计织物结构，可以实现三维结构纺织品在普通提花织机上的成型织造，达到特殊结构的三维织物一次成型要求;为角联编织组织结构的复杂造型织物预制件提供设计参考。

三维机织物，折纸原理，角联编织组织，纬纱路径

随着工业设计技术和加工技术的发展，以配套工业应用为目的的产业用纺织品研发已成为技术纺织品的开发热点，三维织物结构件在高性能纺织复合骨架材料、交通运输、过滤材料、建筑墙体等领域有着大量的应用需求。三维结构织物制作是通过合理的纬纱路径设计，完成各种较为复杂的立体结构织物设计，并在普通提花织机上实现复杂造型织物的一次成型加工，其一次成型结构无接缝，可以使织物结构更加稳定［1］。

借鉴折纸设计原理及制作方法，为复杂造型织物预制件设计和制作提供一种新的设计思路和方法。以技术纺织品中所涉及的盒状结构设计为例，进行了分析研究，详细比较了盒状结构局部变化规律，准确完成盒状结构局部结构设计和层联结构设计，采用普通提花织机完成织造，通过三维结构件的定型方法和工艺，最终达到了三维盒状织物结构件的设计与研制的要求。

1 三维结构折纸原理及工艺设计分析

(1)折纸原理分析;折纸技术源于儿童折纸手工智力游戏。折纸原理是利用平面纸张或其他可折叠平面材质为主要原料，以产品立体造型为设计目标，通过折线、折角、层叠、翻转、穿套、黏贴等设计与制作方法，完成产品制作。折纸产品具有一次成型的完整立体结构和一定的审美功能和使用性能，并达到立体成型要求。

(2)三维织物造型设计运用:分析借鉴三维结构折纸产品结构形成方法，可通过合理设计经纬纱交织方式和集结路径，简化产品结构设计，在普通织机上即可完成复杂三维织物结构件设计与制作，织物下机后，根据折纸设计成型原理复原立体造型，这种设计技术原理和方法可以广泛用于产业用纺织品特殊结构件的设计。

(3)以常见的折纸纸盒结构为例，其结构简单实用，适用面广。该结构件可广泛用于航空航天领域中的物品收纳装置，火车的地面，横梁和卡车的承重托架，小汽车和卡车的防震构件，各种船体、船甲板以及各类集装箱，还可用于损伤船体的修补。在军用领域，用于如装甲车、防爆盾、反恐防爆箱等;以及建筑领域中各种承梁材、墙体等加强件［2-3］。纸盒的折叠设计及其成型方法见以下分析。

2 三维盒状结构折纸工艺设计分析

2.1 折纸工艺操作表示方法

在折纸工艺设计技术中，常见的术语及表示方法如下:

(1)折纸使用图形表示方法:灰色几何形表示纸张的正面，白色几何形表示纸张的反面，如图1所示。

图1 折纸正反面表示方法

(2)不同线条表示不同的折叠方式，如图2(a)表示纸张由反面向正面折叠，如图2(b)表示纸张由正面向反面折叠，其中弯曲箭头表示了折线的折叠方向。

图2 折纸折叠方式表示方法

2.2 三维纸盒的成型设计及制作方法

图3标识出三维纸盒折叠成型工艺方法与步骤。依次操作图序:a→b→c→d→e→f→g→h，完成纸盒制作;实物照片见图i。

图3 纸盒的折叠步骤示意图

3 三维盒状织物结构设计案例

3.1 三维盒状结构织物各区域组织结构设计

(1)根据工艺设计要求，绘制符合要求的纹样，设计织物尺寸，并根据织物各部分结构特点把织物划分为9个区域，如图4所示，是一个根据盒状折纸结构转化的三维盒状结构的“船状”六边形结构织物的正、反面示意图。

图4 平面结构示意图

3.2 三维盒状结构织物纬纱路径设计

(1)设计思路:将立体盒状结构变形处理为一个平面多层三维结构的织物，采用角联编织组织为基础组织，运用多层层联织物的设计原理［4］，设计合理的纬纱路径。纱线通过分层、分区域织造;织物下机后将多层织物按其预先设计的三维结构折叠成型，完成立体预制件结构制作。

(2)设计方法:将立体织物变形为特殊的“船状”六边形+中心左右开口式双层织物，如图4(a)、图4(b)所示，其斜边边缘部分上下连结不分层。图4中，表层经纱分成左右两个区域，从六边形底部起织，纬纱按一定顺序与左右两区经纱分层分区交织，纬纱织造路径设计如图5所示:图5(a)表示第1、2、3 区域内、图5(b)表示第 4、5、6 区域内、图5(c)表示第7、8、9区域内纬纱与经纱交织路径，通过增加或减少经纱和纬纱的交织点可以改变纬纱行程，最终实现六边形斜边轮廓。

(2)三维盒状织物结构设计采用角联编织为基础组织，可使织物整体增厚。根据纬纱路径设计分析织物，将织物分为上下两层，每一层织物由4组经纬纱构成;其中上层分左右两区，由3组固结纬纱和1组填芯纬纱与经纱相交织，按照纬纱路径设计实现织物分左右两区、分别织造的工艺要求。图6(a)、6(b)分别表示第1、2区、图6(c)为织物第3区的经向截面图;图6(d)、图6(e)表示织物第4、5区、图6(f)表示织物经向截面图;图6(g)、图6(h)表示织物第7、8区、图6(i)为织物第9区的经向截面图。

图5 各区域纬纱路径示意图

(3)斜边边缘组结构设计:按区域铺组织时，斜边边缘部分采用自由勾边的方式延斜边轮廓铺组织［5］。

图6 各区域经向截面图

图7 各区域基础循环组织

(4)根据织物的分区、纬纱路径设计和织物结构规律分析，设计各区域基础循环组织，见图7所示。结合使用分区织造工艺，最终可实现盒状三维结构织物的织造。其中:图7(a)表示第1区、2区、3区组织图，基础组织为 RJ=40，RW=18，经纱由中间向两边递增，纬纱由第1根至第400根，共400根;图7(b)表示4区、5区和6区组织图，基础组织为RJ=32、RW=12，纬纱由第401根至第1 400根，共1 000根;图7(c)表示第7区、8区、9区组织图，基础组织为RJ=40，RW=18，经纱由两边向中间递减，纬纱由第1 401根至第1 800根，共400根。图7中，织造时投纬方向:左→右。

3.3 三维盒状织物结构的上机工艺设计

3.3.1 三维盒状结构织物纱线原料选择

为使织物具有一定的硬挺度和一定的厚度，可选用PVC涂层涤纶长丝，其强度高，织造时不易断头，并增强织物的厚度和硬度，有利于终制品达到预期的效果［7］。实验采用的原料规格详见表1。

表1 三维盒状结构织物原料规格

3.3.2 三维盒状结构纹样设计及上机工艺计算

(1)纹样的平面设计见图4(a)，立体盒状结构的尺寸见图8所示，成品结构尺寸:长=18 cm，宽=18 cm，高 =9 cm。

图8 盒状结构立体尺寸

(2)上机工艺计算

成品经密:710根/10 cm

上机经密:624根/10 cm

成品纬密:第一、二区纬密:444根/10 cm

第三、四区纬密:556根/10 cm

每筘齿经纱穿入数确定为12根/筘齿

成品幅宽=18 cm;纬纱织缩率=12%

(3)使用提花织机为SGA598型半自动大提花织样机，织机纹针数1408针。JACD大提花设计软件中设计的纹样如图8(a)所示，织机装造采用单造双把吊，根据工艺计算，经纱选用针数为1 280针，右边拔头128针。经纱采用顺穿法，每筘穿入数为12，使用英制30号筘。

3.3.3 三维盒状结构织物制作工艺技术关键

(1)利用层联织物设计制作原理，通过纬纱与经纱交织路径设计将上、下层织物连接起来，并结合左右分区织造实现这一特殊的开口式六边形结构，同时在斜边区域处有规律地增加或减少边部的经纱，使织物达到预期的斜度与宽度，形成六边形结构的开口式双层结构。

(2)选择的涤纶线的强度和光滑度较高，在织物织造过程中必须注意打纬的力度，要将纬纱打紧同时又符合纬纱密度要求。下机后织物实际尺寸基本符合设计目标。

3.3.4 三维盒状织物结构整理定型工艺

使用环氧树脂与固化剂以1∶1的比例配置混合，使盒状结构完全浸透，采用定性方法处理达到预设形状的定型［8］，实物产品照片见图9。

图9 三维盒装结构产品实物照片

3.4 拓展设计

根据纸盒折叠方式所设计织造的盒状结构和纬纱路径设计，可以拓展设计到更为复杂的加盖盒状结构造型。

(1)织物在原有基础上增加一层盒盖，加盖结构的平面结构的正面如图10(a)所示，反面如图10(b)所示，其立体结构尺寸如图10(c)所示。织物根据不同区域结构设计分2层和3层，第4区、第6区是加盖结构部分，其余区域与盒状结构相似。

图10 加盖结构正、反面和立体结构

(2)结合织物的分区设计、纬纱路径设计和织物经向截面分析，可以设计出各区域基础循环组织，组织图见图11。其中:图11(a)表示1、2、3区经纱由中间向两边递增的组织图，其基础组织循环为RJ=36，RW=12，纬纱由第1根至第400根，共400 根;图11(b)表示4、5、6、7、8 区组织图;其组织循环为RJ=36，RW=20，纬纱数为1 200根。图11(c)表示9、10、11区经纱由两边向中间递减的组织图，其其组织循环为RJ=36，RW=12，织物经纱由两边向中间减少，纬纱数为400根。随着纹样的变化，采用自由勾边的方式延斜边轮廓铺组织。

(4)上机织造方法和盒状结构一致，但需特别注意织造过程中因织造缩率不一致而引起纱线张力不匀，建议织造采用双轴或三轴织造。

(5)使用树脂整理定型整理得到更加稳定的结构。

4 结语

(1)借鉴折纸原理及工艺成型设计方法，使用普通提花织机织造加工工艺方法，运用角联编织组织，合理设计纬纱路径，采用特殊的分区投纬织造工艺，可实现特殊结构三维织物预制件的制作。运用折纸原理的新的设计思路和方法可广泛运用于设计制作三维异形结构织物预制件。

图11 各区域基础循环组织

(2)织造工艺技术:根据纬纱织造路径设计，织物预制件斜边边缘轮廓织造时入纬位置控制应准确无误;三维织物预制件的结构设计中各区域层数分布不同，织造过程中会出现区域性经密增大，应注意经纱张力控制，避免出现经纱的滑移。同时，应注意开口时经纱出现重叠、纠缠、粘结现象，避免开口不清，保证织造工艺顺利进行。

［1］董孚允，王春敏，董娟.三维纺织复合材料的发展和应用［J］.纤维复合材料，2001，18(3):51-54.

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［6］顾平.多重纬角联锁三维机织物结构设计［J］.上海纺织科技，2002(4):24-26.

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［8］朱民儒.三维纺织复合材料的结构特点和应用［J］.产业用纺织品，2002，20(6):1-5.

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

*常州市新型纺织材料重点实验室重点项目资助(项目编号2010－02)。

2011－07－25

朱红，1966年生，副教授。研究方向:纺织品设计及其产业化运用。