Door de oude kunst van origami samen te voegen met de technologie van de 21e eeuw, onderzoekers hebben een eenstapsbenadering gecreëerd voor het fabriceren van complexe origamistructuren waarvan het lichte gewicht, uitbreidbaarheid, en kracht kunnen toepassingen hebben in alles, van biomedische apparaten tot apparatuur die wordt gebruikt bij verkenning van de ruimte. Tot nu, het maken van dergelijke structuren omvatte meerdere stappen, meer dan één materiaal, en montage uit kleinere onderdelen.

"Wat we hier hebben is het proof-of-concept van een geïntegreerd systeem voor het vervaardigen van complexe origami. Het heeft enorme potentiële toepassingen, " zei Glaucio H. Paulino, de Raymond Allen Jones-leerstoel en professor aan de School of Civil and Environmental Engineering aan het Georgia Institute of Technology en een leider op het groeiende gebied van origami-engineering, of het gebruik van de principes van origami, wiskunde en meetkunde om nuttige dingen te maken. Afgelopen herfst werd Georgia Tech de eerste universiteit in het land die een cursus origami-engineering aanbood, die Paulino leerde.

De onderzoekers gebruikten een relatief nieuw soort 3D-printen genaamd Digital Light Processing (DLP) om baanbrekende origami-structuren te creëren die niet alleen een aanzienlijk gewicht kunnen dragen, maar ook herhaaldelijk kunnen worden gevouwen en opnieuw gevouwen in een actie vergelijkbaar met de langzame duw en trekkracht van een accordeon. Toen Paulino deze structuren voor het eerst rapporteerde, of "buizen met ritssluiting, " anno 2015, ze waren gemaakt van papier en moesten worden gelijmd. In het huidige werk de buizen met ritssluiting - en de complexe structuren die daaruit zijn gemaakt - zijn samengesteld uit één plastic (een polymeer) en hoeven niet te worden gemonteerd.

Het werk werd gemeld in een recent nummer van Zachte materie , een tijdschrift gepubliceerd door de Royal Society of Chemistry. De primaire auteurs zijn Paulino; H. Jerry Qi, The Woodruff Faculty Fellow in Georgia Tech's George W. Woodruff School of Mechanical Engineering; en Daining Fang van de Universiteit van Peking en het Beijing Institute of Technology. Andere auteurs zijn Zeang Zhao, een gaststudent aan Georgia Tech nu aan de Universiteit van Peking; Qiang Zhang van de Universiteit van Peking; en Xiao Kuang en Jiangtao Wu van Georgia Tech.

Een opkomende technologie

Er zijn veel verschillende soorten 3D-printtechnologieën. De meest bekende, inkjet, bestaat al zo'n 20 jaar. Maar tot nu toe, het was moeilijk om 3D-geprinte structuren te maken met de ingewikkelde holle kenmerken van complexe origami, omdat het verwijderen van de ondersteunende materialen die nodig zijn om deze structuren te printen een uitdaging is. Verder, in tegenstelling tot papier, de 3D-geprinte materialen konden niet meerdere keren worden gevouwen zonder te breken.

Voer DLP en wat creatieve techniek in. Volgens Qi, een leider in het opkomende veld die samenwerkt met de groep van Fang aan de Peking University, DLP is al een tijdje in het lab, maar de commercialisering begon pas ongeveer vijf jaar geleden. In tegenstelling tot andere 3D-printtechnieken, het creëert structuren door opeenvolgende lagen van een vloeibare hars te printen die vervolgens wordt uitgehard, of verhard, door ultraviolet licht.

Voor het huidige werk de onderzoekers ontwikkelden eerst een nieuwe hars die, wanneer genezen, is heel sterk. "We wilden een materiaal dat niet alleen zacht is, maar kan ook honderden keren worden gevouwen zonder te breken, " zei Qi. De hars, beurtelings, is de sleutel tot een even belangrijk element van het werk:kleine scharnieren. Deze scharnieren, die zich voordoen langs de vouwen waar de origami-structuur vouwt, laten vouwen toe omdat ze zijn gemaakt van een dunnere harslaag dan de grotere panelen waarvan ze deel uitmaken. (De panelen vormen het grootste deel van de structuur.)

Samen werkten de nieuwe hars en scharnieren. Het team gebruikte DLP om verschillende origami-structuren te maken, variërend van de individuele origami-cellen waaruit de buizen met ritssluiting zijn samengesteld tot een complexe brug die bestaat uit vele buizen met ritssluiting. Ze werden allemaal onderworpen aan tests die aantoonden dat ze niet alleen in staat waren om ongeveer 100 keer het gewicht van de origami-structuur te dragen, maar kan ook herhaaldelijk worden gevouwen en uitgevouwen zonder te breken. "Ik heb een stuk dat ik ongeveer zes maanden geleden heb afgedrukt en dat ik de hele tijd voor mensen laat zien, en het gaat nog steeds goed, " zei Qi.

Wat is het volgende?

Wat is het volgende? Onder andere, Qi werkt eraan om het printen nog gemakkelijker te maken en onderzoekt ook manieren om materialen met verschillende eigenschappen te printen. In de tussentijd, Paulino's team heeft onlangs een nieuw origamipatroon op de computer gemaakt waar hij enthousiast over is, maar dat hij niet fysiek heeft kunnen maken omdat het zo complex is. "Ik denk dat het nieuwe systeem het tot leven kan brengen, " hij zei.