六边形拼接式柔性可弯折电路载板结构

　　做了快十二年结构设计，经手的柔性载具类方案没有一百也有八十，第一次看到这个六边形拼接的柔性结构时，最先注意到的是每个单元边角的铰接凸台设计——不是常见的销轴硬连接，是单元一体成型的带孔凸耳，相邻单元通过凸耳对位扣合后，能实现相邻单元间±30度左右的俯仰、扭转自由度，整组结构拼合后可以贴合曲率半径不小于150mm的不规则曲面，这一点在异形曲面的电路布设、柔性传感阵列铺设场景里实用性很强。

　　很多人做柔性拼接结构容易犯的错，是把单元连接位做在侧边中心，拼合后只能实现单方向弯折，遇到双曲面贴合就会出现单元翘起、连接位应力集中断裂的问题，这个结构把四个连接凸台做在六边形的间隔顶点位置，每个单元同时和最多三个相邻单元铰接，相当于在拼接平面内形成了三角形稳定支撑，弯折时应力会沿着三个连接点分散传递，不会在单个连接位形成应力集中，实际测试下来，反复弯折超过两千次，连接位也不会出现发白、断裂的情况。

　　从应用场景来说，这类结构最开始是为可穿戴设备的柔性传感阵列做的载板基底，之前做运动姿态捕捉的传感服时，试过用整片柔性PCB做基底，穿在身上做大幅度动作时，PCB在腰侧、肩背这些双曲面位置会出现弯折疲劳，线路容易断，换成这种六边形拼接的载板后，每个六边形单元上可以单独贴片压力、姿态传感器，单元之间用软排线连接信号，整组载板可以完全贴合人体体表的曲面，不管是弯腰、抬臂这些大动作，载板都能跟着皮肤形变，不会出现牵拉线路的问题。后来也有做工业柔性检测的客户把这个结构改造成管道内壁检测的阵列载板，把涡流检测探头装在每个六边形单元上，整组结构可以顺着管道内壁的弧度弯折，适配不同管径的金属管道焊缝检测，比之前的硬杆式探头适配性强太多。

　　设计的时候最先定的是单元尺寸，单六边形的对边距离做的是28mm，这个尺寸是综合了传感器贴片尺寸、弯折曲率、拼接密度算出来的：如果单元做太大，拼合后弯折曲率不够，贴小半径曲面的时候会有缝隙；单元做太小，连接凸耳的尺寸就会被压缩，铰接位的强度不够，受力容易断。每个单元上的走线槽是走的回形路径，不是直连到边角，这样设计是为了给单元间的相对转动留出走线余量，不会因为单元转动牵拉到槽内的导线，之前做过一版直走线的样件，弯折角度稍大就会把线扯断，改成回形槽之后，导线在槽内有足够的伸缩余量，完全能适配单元间的最大转动角度。

　　安装边界这块要注意，整组结构最外侧的单元凸耳是预留了安装孔的，孔直径2.2mm，可以用M2的螺丝或者尼龙铆钉固定在基底上，固定的时候不要把螺丝拧太紧，要给连接位留0.1mm左右的活动间隙，不然会把铰接位锁死，整组结构就失去柔性弯折能力了。如果是贴在曲面基底上，不用全点位固定，只需要每隔3-4个单元固定一个点位，剩下的单元靠自身的铰接贴合曲面就行，固定点太多反而会限制结构的形变能力。

　　还有个容易被忽略的设计细节，每个六边形单元的正反面都做了0.2mm深的沉台，不管是贴柔性PCB、薄传感器片还是防滑缓冲垫，都能把贴片嵌在沉台里，不会因为单元弯折摩擦把贴片蹭掉，沉台边缘做了R0.3的圆角，不会割伤贴片或者布线。之前有客户拿这个结构改做柔性防滑脚垫，在每个单元的沉台里贴橡胶防滑垫，拼合后可以贴在异形设备的底部做防滑支撑，比整片的橡胶垫贴合度好，局部磨损了还能单独更换对应的六边形单元，不用整张换掉，维护成本低很多。

　　做结构验证的时候，特意测了不同拼接形态的承重能力，整组拼平放在平面上，均匀加载的话每平米能承受12kg的均布载荷，足够承载常规的传感元件、轻质线路的重量，如果是做曲面贴合的应用，因为载荷是分散到每个贴合点的，承重能力还能再提升30%左右。连接位的铰接间隙做的是0.15mm，这个间隙是反复调试过的，间隙太小的话，转动的时候阻尼太大，弯折不顺畅，还容易因为加工公差出现卡滞；间隙太大的话，单元拼接后会有松垮的旷量，贴曲面的时候定位不准，0.15mm的间隙刚好能兼顾转动顺畅度和拼接定位精度，用普通的FDM3D打印就能做出合格的样件，不用高精度的机加工，开模量产的话模具结构也简单，没有倒扣，直接顶出就能脱模，量产成本很低。