Badacze tworzą mocne, trójwymiarowe struktury origami do zastosowań inżynierskich

W artykule opublikowanym w Soft Matters, zatytułowanym "Drukowanie 3D złożonych zespołów origami dla rekonfigurowalnych struktur", naukowcy wyjaśnili, w jaki sposób wykorzystują drukowanie 3D przy użyciu cyfrowego przetwarzania światła (DLP) do wytwarzania struktur z pustymi funkcjami CD3D .

Dzięki tej metodzie potrzeba znacznie mniej materiału pomocniczego do drukowania pustych elementów 3D i materiałów miękkich, niezbędnych do budowy elastycznych struktur, można używaj.

Streszczenie artykułu głosi: "Zasady inżynierii Origami zostały ostatnio zastosowane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w robotach miękkich, elastycznych elektronikach i mechanicznych metamateriałach. Aby uzyskać trójwymiarową naturę konstruktów inżynierskich (na przykład nośność) i uchwycić pożądaną kinematykę (na przykład składalność), wiele projektów inżynieryjnych inspirowanych origami składa się z mniejszych części i często wymagają one środków wiążących lub dodatkowych elementów do połączenia. Próby bezpośredniej produkcji konstrukcji 3D origami zostały ograniczone przez dostępne technologie i materiały. Tutaj proponujemy nową metodę bezpośredniego druku 3D origami z asamblażami (które naśladują zachowanie papierowych odpowiedników) z dopuszczalną wytrzymałością i nośnością dla zastosowań inżynierskich. Nasze podejście wprowadza elementy paneli zawiasów, w których regiony zawiasów mają skończoną grubość i długość. Geometryczny wzór tych paneli zawiasów, uzyskany dzięki analizie eksperymentalnej i teoretycznej, zapewnia pożądane mechaniczne zachowanie. W celu zapewnienia złożoności i powtarzalności opracowano nowy fotoutwardzalny układ elastomerowy i projekty są wytwarzane przy użyciu technologii druku 3D opartej na cyfrowym przetwarzaniu światła. Różne zespoły origami są produkowane w celu zademonstrowania elastyczności projektu i wydajności produkcji oferowanej przez nasz druk 3D dla struktur origami o zwiększonej nośności i selektywnych trybach deformacji. "

Wiele trójwymiarowych struktur z wyjątkowymi właściwościami zostało zainspirowanych origami, otwierając aplikacje w miękkiej robotyzacji i konstrukcjach samozwijających się. Podczas gdy większość struktur origami oznacza łączenie cienkich arkuszy z elementami wiążącymi, takimi jak klej, zespół badawczy znalazł sposób na wykonanie kilku złożeń 3D w jednym kroku, bez potrzeby łączenia ze sobą mniejszych części. Zespół, kierowany przez Zeanga Zhao, opracował nowy polimer i użył geometrycznego projektu, aby przejść do używania origami dlakonstrukcje inżynierskie.

Aby zbudować origami, zespół opracował nowatorski nowy elastomer, który umożliwia stworzenie struktury z jednego komponentu. Elastyczny materiał polimerowy może być drukowany w 3D w temperaturze pokojowej i ustawiany za pomocą światła UV, które tworzy miękki, składany materiał, który można rozciągnąć do 100%. Materiał ten został użyty do całego zestawu 3D. Druk 3D DLP został użyty do budowania konstrukcji, składających się z różnych kombinacji pojedynczych jednostek origami, bez konieczności dodatkowych etapów montażu.

Zmieniając sposób łączenia każdej jednostki origami, konstrukcje mogą być zaprojektowane tak, różne możliwości obciążeniowe: niezwykle ważne dla zastosowań w inżynierii. Jedna ze struktur testowych była nawet w stanie obsłużyć obciążenie, które ważyło 100 razy więcej niż sama struktura. Ale tutaj jest naprawdę interesująca część - wystarczy, że przestawiając te same jednostki w inny sposób, zespół był w stanie zbudować most, który pod takim samym ciężkim ładunkiem spasowałby się płasko.

Konstrukcje zostały zaprojektowane z grubymi panelami, które zostały oddzielone zawiasami, w przeciwieństwie do zagnieceń w kawałku papieru. Dzięki zawiasom kąt między panelami wynosił od 0 ° do 90 °. Grubość zawiasu jest ważna dla właściwości mechanicznych konstrukcji: jeśli jest zbyt gruba, nie będzie się dobrze składać, a jeśli będzie zbyt cienka, może nie wytrzymać ciężaru konstrukcji. Ponadto badacze upewnili się, że wysokie obciążenia i naprężenia struktur, które wystąpiły podczas składania, były zlokalizowane specyficznie na zawiasach, więc panele nie uległyby deformacji.