一种容器结构及其设计方法与流程

本发明涉及一种可折叠、便于携带、易于回收的容器结构及其设计方法，尤其涉及一种基于折纸结构的容器结构及其设计方法。

背景技术：

生活中存在一类易废弃、可回收的容器，例如塑料瓶、纸箱和纸盒等，由于其具有轻质、低成本与可回收的特点，被广泛用于饮料的存储、快递货物的运输以及生活用品的包装。这类可回收容器一般具有圆柱、圆锥或正多面体的形状，表现出较大的扭转刚度与拉压刚度，难以对其进行压缩处理。因此，这类容器废弃后一般表现出较大的运输负担和较高的回收成本。除此之外，生活中还存在一类可重复多次利用的容器，如水杯、行李箱等。此类容器一般结构形式固定，无法对其进行结构变形。即使容器在闲置状态时，仍占据了不必要的携带空间和存放空间。因此，迫切需要研制开发新型的容器构型，以实现便捷的压缩、回收、携带与存放。

近年来，折纸结构因其具有良好的可展开性、可调性以及可重构性，为工程师们提供了制作、组装和变形结构的新方法。折纸结构的潜在优势包括：大规模压缩可展开结构的能力(例如，安全气囊)、结构可重构的能力以及降低结构制造复杂性的能力(仅通过可折叠可展开的结构便可实现复杂装配结构的功能)，因而被广泛应用于智能和功能结构的开发中。以期实现具有多稳态、易变形等优异性能的智能结构。

利用折纸结构优势有望改善容器在压缩、回收、携带或存放方面的困扰，但是，如何将折纸结构与容器的设计结合起来实现容器的高效折叠，这对我们来说既是一个机遇，也是一个挑战。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对上述存在的问题，本发明提供了基于折纸结构的容器结构及其设计方法，以实现容器的可折叠和易折叠，进而达到便于携带、易于回收的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种容器结构，该容器结构至少具有一侧壁，该侧壁包括依次首尾相连的多个矩形单胞，每个矩形单胞包括用于支撑容器的第一部分和用于作为折痕的第二部分，其中第一部分绕第二部分长轴方向的弯曲刚度大于第二部分绕其长轴方向的弯曲刚度。

在本发明的一个实施例中，所述第一部分包括两个全等的直角三角形结构，该两个全等的直角三角形结构共用一条斜边。

在本发明的一个实施例中，所述第二部分为细长窄条，包括该两个全等的直角三角形结构的直角边及共用的斜边。

在本发明的一个实施例中，所述矩形单胞的数量为n，所述第一部分中两个全等的直角三角形结构斜边与轴向之间夹角为θ，则n与θ之间需满足θ＝180°/n，其中n为大于等于3的自然数。

在本发明的一个实施例中，对于杯状容器，所述矩形单胞的数量n大于4，使得容器的三维结构趋向于圆柱状。

在本发明的一个实施例中，对于盒状容器，所述矩形单胞的数量n为4，使得容器的立体结构具有矩形截面。

在本发明的一个实施例中，所述第一部分中直角三角形结构在轴向的直角边的长度为所述第二部分中折痕宽度的20倍以上。

在本发明的一个实施例中，所述第一部分的弹性模量比所述第二部分的弹性模量大，所述第一部分采用硬质树脂材料，弹性模量约为2gpa；所述第二部分采用软质类橡胶材料，弹性模量约为625kpa。

为达到上述目的，本发明还提供了一种容器结构的设计方法，用于设计上述容器结构。

为达到上述目的，本发明还提供了一种容器结构的制造方法，该方法采用3d打印技术制造上述容器结构。

(三)有益效果

本发明提供的基于折纸结构的容器结构及其设计方法，容器结构的侧壁包括依次首尾相连的多个矩形单胞，每个矩形单胞包括用于支撑容器的第一部分和用于作为折痕的第二部分，所述第一部分包括两个全等的直角三角形结构，该两个全等的直角三角形结构共用一条斜边，所述第二部分为细长窄条，包括该两个全等的直角三角形结构的直角边及共用的斜边。该容器侧壁结构存在两种稳态，其中，完全立体柱状结构时为一个稳态，称为第一稳态，将柱状结构折叠为二维平面结构时为另一个稳态，称为第二稳态。当容器结构从第一稳态跨越到第二稳态的过程中，折纸结构需要克服折板与折痕变形所需的能量势垒，此部分能量由外界对柱体的扭转作用力与轴向压力提供。当容器结构从第一稳态跨越到第二稳态后，由于能量势垒的存在，在自由放置的情况下，折纸结构无法自发地从第二稳态回复到第一稳态。因此，在将折纸结构折叠成二维平面结构后，此状态将会保持不变。也就是说，本发明提供的基于折纸结构的容器结构可以保持稳定的折叠状态，进而实现了容器的可折叠和易折叠，达到了便于携带、易于回收的目的。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1a示意性示出了本发明提供的容器结构中侧壁的斜视图；

图1b示意性示出了本发明提供的容器结构中侧壁的正视图；

图1c示意性示出了本发明提供的容器结构中侧壁的展开图；

图2是依照本发明实施例的可折叠饮料瓶结构中部分侧壁的展开图；

图3a是依照本发明实施例的可折叠饮料瓶结构装水前的示意图；

图3b是依照本发明实施例的可折叠饮料瓶结构装水后的示意图；

图3c是依照本发明实施例的可折叠饮料瓶结构部分扭转压缩的示意图；

图3d是依照本发明实施例的可折叠饮料瓶结构全部扭转压缩的示意图；

图4a是依照本发明实施例的可完全折叠饮料瓶在压缩前的正视图；

图4b是依照本发明实施例的可完全折叠饮料瓶在压缩后的正视图；

图5是依照本发明实施例的可折叠纸盒结构中侧壁的展开图；

图6a是依照本发明实施例的可折叠纸盒结构封盖后的斜视图；

图6b是依照本发明实施例的可折叠纸盒结构开盖后的斜视图；

图6c是依照本发明实施例的可折叠纸盒结构部分压缩的正视图；

图6d是依照本发明实施例的可折叠纸盒结构全部压缩的正视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但应该理解的是，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

现在将描述的发明概念在下文中更全面参照附图，在示出的示例性实施例的本发明概念。本发明的优点和特征的概念和方法，实现从以下示例性它们是显而易见的将描述的实施例更详细地参考附图。应当注意的是，然而，本发明的概念不局限于以下示例性实施例，可以实现在不同的形式。因此，示例性实施例，提供仅公开的发明概念，让本领域的技术人员了解本发明的概念的类别。在附图中，本发明构思的实施方案不限于该特定为了清楚起见，此处提供的实施例和被放大。相同的数字表示相同的元件。

应该理解的是，尽管术语“第一”，“第二”等特点。可用于此处以描述各种组件，组分，区域，层和/或段，这些组件，部件，区域，层和/或段应该不限于这些术语。这些术语仅用于区分一个元素，组件，区域，层或者段与另一个元件，组件，区域，层或者段。这样，第一组件，区域，层或者段可以说成是下面所讨论的第二组件，区域，层或者段，而不背离的教导的示例实施例。

空间上的相对术语，如“下面，”“以下，”“下，”“上方，”“上”，等，可用于为了便于描述这里描述一个元件或特征的关系到另一元件或特征在附图中所示。可以理解，空间上的相对术语旨在涵盖使用不同的取向的装置或操作，除了在附图中所示的方向。例如，如果图中的装置翻转，所描述的元件为“以下，”或“在”其它元件或特征然后，将取向“上方，”其它元件或特征。因此，示例性的术语“以下，”可以包括上方和下方的取向。该装置可以其它方向(旋转90度或在其它方位上)和空间上的相对本文描述符相应地解释。

这里使用的术语用于只描述具体实施方案的目的和不希望是限制性的的示例实施例的。如这里所使用的，单数形式“a，”“一”和“该”旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示，。如本文所用的术语“和/或”包括任何和所有组合的一个或多个列出的相关的项目。应该进一步理解，术语“包括”，“包括”，“包括”和/或“包括，”如果用在此处，所述特征指定的存在下，整数，步骤，操作，元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征，整数，步骤，操作，元素，组件和/或它们的组。

发明概念的示例实施例描述了这里参考以横截面的示意图说明来理想化的实施例(实施例)和中间结构的实施例。这样，从图例的形状变化作为结果，例如，制造技术和/或公差，是预期的。这样，本发明概念的示例性实施例不应该被解释为限于在此示出的区域的特定形状但包括偏差而产生的形状，例如，从制造。这样，在附图中示意性示出的区域在性质和它们的形状并不旨在说明实际区域的形状的装置，不打算限制示例性实施例的范围。

除非另有定义，所有术语(包括技术和科学术语)这里使用的具有通常理解的相同的含义一普通的本领域技术人员对发明概念的示例性实施例。应该进一步理解，术语，如那些常用字典中定义，应当解释为具有一致的含义与它们的相关上下文中的技术且本说明书且不会被解释为理想化或过分正式的意义中的除非明确地这样如本文所定义。

本发明提供的容器结构，至少具有一侧壁，如图1a至图1c所示，图1a示意性示出了本发明提供的容器结构中侧壁的斜视图，图1b示意性示出了本发明提供的容器结构中侧壁的正视图，图1c示意性示出了本发明提供的容器结构中侧壁的展开图。

本发明提供的容器结构的侧壁沿环向展开如图1c所示，该侧壁包括依次首尾相连的多个矩形单胞，图中省略号表示单胞的延续，单胞的数量由实际需要确定。其中，每个矩形单胞包括用于支撑容器的第一部分1和用于作为折痕的第二部分2，其中第一部分绕第二部分长轴方向的弯曲刚度大于第二部分绕其长轴方向的弯曲刚度。

第一部分1包括两个全等的直角三角形结构，该两个全等的直角三角形结构共用一条斜边。第一部分1充当折纸结构中折板的角色，用来支撑容器结构，使容器结构具有较大的承载能力。

第二部分2为细长窄条，包括该两个全等的直角三角形结构的直角边及共用的斜边。第二部分2充当折纸结构中折痕的角色。由于第二部分2的弯曲刚度较小，当容器受到外力作用(扭转作用力以及轴向压力)时，2部分容易产生较大的变形，进而引导第一部分1随着第二部分2的排布方向发生变形与运动。

在本发明提供的容器结构的侧壁中，矩形单胞的数量为n，第一部分1中两个全等的直角三角形结构斜边与轴向之间夹角为θ，则n与θ呈反比例关系，即θ＝180°/n，其中n为大于等于3的自然数。在具体应用中，可以根据不同的工况需求来选择相应的单胞数量，进而再确定三角形的几何参数。例如，对于杯状容器，可以适当选择较多的单胞数量，例如矩形单胞的数量n大于4，使得容器的三维结构趋向于圆柱状。对于盒状容器，矩形单胞的数量n可以为4，使得容器的立体结构具有矩形截面。

图1a至图1c所示的容器结构中侧壁存在两种稳态，其中，完全立体柱状结构时为一个稳态，称为第一稳态，将柱状结构折叠为二维平面结构时为另一个稳态，称为第二稳态。当容器结构从第一稳态跨越到第二稳态的过程中，折纸结构需要克服折板与折痕变形所需的能量势垒，此部分能量由外界对柱体的扭转作用力与轴向压力提供。当容器结构从第一稳态跨越到第二稳态后，由于能量势垒的存在，在自由放置的情况下，折纸结构无法自发地从第二稳态回复到第一稳态。因此，在将折纸结构折叠成二维平面结构后，此状态将会保持不变。也就是说，本发明提供的容器结构可以保持稳定的折叠状态，进而实现了容器的可折叠和易折叠，达到了便于携带、易于回收的目的。

第一部分1与第二部分2结构尺寸可根据需求随时进行调整。一般来说，可选择第一部分1中直角三角形结构在轴向的直角边的长度为第二部分2中折痕宽度的20倍以上。

第一部分1的厚度和第二部分2的厚度应在保证侧壁结构足够强度的条件下越薄越好，一般来说，如果第一部分1与第二部分2选择相同材料制作时，可选择第一部分1的厚度为第二部分2的厚度的两倍以上。如果第一部分1与第二部分2选择不同材料制作时，第一部分1的弹性模量需大于第二部分2的弹性模量，例如第一部分1采用硬质树脂材料，第二部分2采用软质类橡胶材料，由于树脂材料的弹性模量为大于类橡胶材料的弹性模量，因此当折痕与折板具有相同厚度时，橡胶同样可以表现出折痕的效果。

基于图1a至图1c所示的容器结构中侧壁的结构示意图，本发明还提供了一种设计该容器结构的方法以及制造该容器结构的方法，在实际设计和制造过程中，可以采用3d打印技术制造容器结构中的侧壁。

以下结合图2至图4b对本发明实施例中提供的可折叠塑料瓶结构进行详细描述。对于传统饮料瓶来说，由于其结构具有较大的扭转刚度与拉压刚度，很难对其进行压缩处理，因而增加了废弃塑料瓶的运输负担和回收成本。为改善这种现状，图2示出了依照本发明实施例的可折叠饮料瓶结构中侧壁的展开图，在该实施例中选择构成侧壁的矩形单胞的数量n为8，则θ＝180°/8＝22.5°。将两个图2所示侧壁结构进行上下叠拼并三维成型组装，然后加上了瓶口瓶盖部分以及瓶底部分，便可得到如图3a至图3d所示的可折叠塑料瓶。图3a至图3d为3d打印的实例，其中，透明部分采用硬质树脂材料，其弹性模量约为2gpa，黑色部分采用软质类橡胶材料，其弹性模量约为625kpa。由于树脂材料的弹性模量约为橡胶弹性模量的3000倍，即相同尺寸下，树脂材料的弯曲刚度约为橡胶材料的3000倍，因此当折痕与折板具有相同厚度时，橡胶同样可以表现出折痕的效果。在3d打印中，将第一部分1和第二部分2的厚度同时设为0.6mm，第一部分1的轴向长度为60mm，第二部分2的宽度为2mm。

另外，上述饮料瓶由于瓶身上端为圆锥状，无法进行折叠压缩，因而压缩后的塑料瓶仍占据一定空间。为了实现饮料瓶的完全压缩，可增加可折叠结构的单元的层数(增加了瓶身高度)、减少不可压缩部分的体积，如图4a和图4b所示，图4a和图4b示出了可完全折叠饮料瓶在压缩前和压缩后的示意图。

以下结合图5至图6d对本发明实施例中提供的可折叠纸盒结构进行详细描述。传统的快递盒与鞋盒侧面由四个整体的矩形纸片组成，上下面通过胶带进行封口。由于盒子侧面无法直接进行折叠，所以在回收快递盒与鞋盒之时，需将盒子底部胶带拆开，进而对盒子进行整体折叠。然而，拆盒子的过程比较费时费力，部分人群在用完纸盒之后选择直接废弃，增加了后续回收纸盒的难度。并且，在对纸盒装载货物之时，为增加纸盒(尤其是快递盒)的稳固性，通常选择在盒子外部包覆多层胶带，这便更增加了纸盒拆卸回收的困难度，并且盒子在拆卸的过程中易损坏。因此，设计一款无需拆卸、容易回收的纸盒具有较大的必要性，本发明提出的容器设计方法便可以解决这个问题。为方便运输，纸盒通常选择为六面体结构，因此在该实施例中选择构成侧壁的矩形单胞的数量n为4，则θ＝180°/4＝45°，纸盒的侧面为4个矩形组成(展开图如图5所示)，然后加上下方底面与上方盒盖便可形成一个可折叠的纸盒结构。图6a至图6d为3d打印的实例，其中，透明部分采用硬质树脂材料，黑色部分采用软质类橡胶材料。在打印中，将第一部分1和第二部分2的厚度同时设为0.6mm，第一部分1的轴向长度为70mm，第二部分2的宽度为3mm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。