Forscher machen starke, 3D gedruckte erweiterbare Origami-Strukturen für technische Anwendungen

Ein Team von Forschern des Georgia Institute of Technology, des Beijing Institute of Technology und der Universität Peking verwendet 3D-Druck, um direkt rekonfigurierbare Origami-Assemblagen zu erstellen, die sich ausdehnen und falten können. Aber noch besser, die 3D-gedruckten Strukturen haben auch genug Tragfähigkeit und Festigkeit, um in technischen Anwendungen verwendet zu werden.

In einem in “Soft Matters” veröffentlichten Artikel mit dem Titel “3D printing of complex origami assemblages for reconfigurable structures” erläuterten die Forscher, wie sie den DLP-3D-Druck (Digital Light Processing) zur Herstellung von Strukturen mit hohlen Strukturen verwendeten.

Bei diesem Verfahren ist für das 3D-Drucken von hohlen Merkmalen viel weniger Trägermaterial erforderlich, und weichere Materialien, die für flexible Strukturen erforderlich sind, können verwendet werden.

In der Zusammenfassung des Artikels heißt es: “Die Prinzipien des Origami-Engineerings wurden in jüngster Zeit auf eine Vielzahl von Anwendungen angewendet, einschließlich soft Robotics, dehnbarer Elektronik und mechanischer Metamaterialien. Um die 3D-Natur konstruierter Strukturen (z. B. Tragfähigkeit) zu erreichen und die gewünschte Kinematik (z. B. Faltbarkeit) zu erfassen, werden viele Origami-inspirierte Konstruktionsentwürfe aus kleineren Teilen zusammengesetzt und erfordern oft Bindemittel oder zusätzliche Elemente zur Verbindung. Versuche zur direkten Herstellung von 3D-Origami-Strukturen waren durch verfügbare Herstellungstechnologien und Materialien begrenzt. Hier schlagen wir eine neue Methode vor, um Origami-Assemblagen (die das Verhalten ihrer Gegenstücke aus Papier nachahmen) direkt in 3D mit akzeptabler Festigkeit und Tragfähigkeit für technische Anwendungen zu drucken. Unser Ansatz stellt Scharnierplattenelemente vor, bei denen die Scharnierbereiche mit einer endlichen Dicke und Länge konstruiert sind. Das geometrische Design dieser Scharnier-Paneele, das sowohl durch experimentelle als auch theoretische Analysen beeinflusst wird, liefert das gewünschte mechanische Verhalten. Um die Faltbarkeit und Wiederholbarkeit sicherzustellen, wird ein neuartiges photohärtbares Elastomersystem entwickelt und die Designs werden unter Verwendung der 3D-Drucktechnologie auf der Grundlage von digitaler Lichtverarbeitung hergestellt. Verschiedene Origami-Assemblagen werden hergestellt, um die Designflexibilität und Fertigungseffizienz zu demonstrieren, die unsere 3D-Druckmethode für Origami-Strukturen mit erhöhter Tragfähigkeit und selektiven Verformungsmodi bietet.”

Viele 3D-gedruckte Strukturen mit einzigartigen Eigenschaften wurden von Origami inspiriert und eröffnen Anwendungen im Bereich der soft Robotik und selbstfalzenden Strukturen. Während die meisten Origami-Strukturen dünne Bleche mit Bindeelementen wie Leim verbinden, hat das Forscherteam eine Möglichkeit gefunden, mehrere 3D-Baugruppen in einem Schritt zu erstellen, ohne dass kleinere Teile miteinander verbunden werden müssen. Das Team, angeführt von Zeang Zhao, entwickelte ein neues Polymer und verwendete geometrisches Design, um Origami für Konstruktionsstrukturen zu verwenden.

Um das Origami zu bauen, entwickelte das Team ein neuartiges Elastomer, das es ermöglicht, die Struktur aus einem einzigen Bauteil zu erstellen. Das elastische Polymermaterial kann bei Raumtemperatur 3D-bedruckt und mit UV-Licht fixiert werden, wodurch ein weiches, faltbares Material entsteht, das bis zu 100% gedehnt werden kann. Dieses Material wurde für die gesamte 3D-Montage verwendet. DLP 3D-Druck wurde verwendet, um Strukturen zu erstellen, die aus verschiedenen Kombinationen einzelner Origami-Einheiten bestehen, ohne dass zusätzliche Montageschritte erforderlich sind.

Durch die Veränderung der Art und Weise, wie die einzelnen Origami-Einheiten miteinander verbunden sind, können die Strukturen so entworfen werden, dass sie unterschiedliche Tragfähigkeiten haben. Dies ist von entscheidender Bedeutung für technische Anwendungen. Eine der Teststrukturen war sogar in der Lage, eine Last zu tragen, die 100 mal mehr wog als die Struktur selbst. Aber hier ist der wirklich interessante Teil – nur durch die Neuanordnung derselben einzelnen Einheiten auf eine andere Art und Weise konnte das Team eine Brücke bauen, die unter der gleichen schweren Last flach zusammenfalten würde.

Die Strukturen wurden mit dicken Platten entworfen, die durch Scharniere getrennt waren, die den Falten in einem Stück Papier nicht unähnlich waren. Die Scharniere ermöglichen, dass der Winkel zwischen den Paneelen zwischen 0° und 90° variieren kann. Die Stärke des Scharniers ist wichtig für die mechanischen Eigenschaften einer Struktur: Wenn sie zu dick ist, wird sie nicht gut gefaltet, während sie, wenn sie zu dünn ist, das Gewicht der Struktur möglicherweise nicht tragen kann. Darüber hinaus haben die Forscher sichergestellt, dass die hohe Belastung und Beanspruchung der Strukturen, die während des Faltens auftreten, spezifisch auf die Scharniere ausgerichtet sind, so dass die Platten nicht verformt werden.

Autoren dieser Arbeit sind Zeang Zhao, Xiao Kuang, Jiangtao Wu, Qiang Zhang, Glaucio H. Paulino, H. Jerry Qi und Daining Fang.