Naukowcy zainspirowani przez Origami do opracowania alternatywy drukowania 3D w budownictwie kratownic

W rzeczywistości pracują nad opracowaniem alternatywy dla technologii druku 3D, która zapewni produktom końcowym znacznie więcej funkcjonalności niż te produkowane przy użyciu druku 3D, które mogą być stosowane w urządzeniach z elastyczną elektroniką lub implantami medycznymi.

Zespół badawczy z powodzeniem zastosował swoją nową technikę do struktur kratowych, które mają ogromne powierzchnie wewnętrzne i są wykorzystywane do projektowania metamateriałów, dzięki czemu mogą osiągnąć niezwykłe właściwości biologiczne, mechaniczne i fizyczne. Omawiają wyniki w pracy zatytułowanej "Kraty Origami z dekoracjami powierzchni swobodnych", opublikowane w Science Advances; współautorami są Shahram Janbaz, Niels Noordzij, Dwisetya S. Widyaratih, Cornelis W. Hagen, Lidy E. Fratila-Apachitei i Amir A. Zadpoor, profesor TU Delft z Additive Manufacturing Laboratory na Wydziale Inżynierii Biomechanicznej. / p>

W streszczeniu czytamy: "Konstrukcje kratowe są wykorzystywane do projektowania metamateriałów w celu osiągnięcia niezwykłych właściwości fizycznych, mechanicznych lub biologicznych. Właściwości takich metamateriałów wynikają z topologii struktur kratowych, które są zwykle drukowane trójwymiarowo (3D). Aby włączyć zaawansowane funkcje do metamateriałów, powierzchnia struktur sieci może wymagać ozdobienia za pomocą funkcji wywołujących funkcjonalność, takich jak nanopręty czy urządzenia elektroniczne. Biorąc pod uwagę nasz ograniczony dostęp do wewnętrznych powierzchni struktur kratowych, obecnie możliwe jest swobodne ozdabianie. Prezentujemy struktury kratowe, które są składane od początkowo płaskich stanów i pokazują, że mogą nosić arbitralnie złożone ozdoby powierzchniowe w różnych skalach. Identyfikujemy trzy kategorie wielościanów wypełniających przestrzeń jako podstawowe komórki jednostek struktur komórkowych i dla każdego z nich proponujemy wzór składania. Pokazujemy również "sekwencyjne samoczynne składanie" płaskich konstrukcji do krat 3D. Ponadto, złożyliśmy auksetyczne mechaniczne metamateriały z płaskich arkuszy i zmierzyliśmy zmienioną przez deformację zmianę ich ujemnego współczynnika Poissona. Na koniec pokazujemy, w jaki sposób można zastosować swobodne ozdoby 3D na powierzchni płaskich arkuszy o rozdzielczości nanometrowej. Te składane wzory i techniki eksperymentalne stanowią razem unikalną platformę do wytwarzania metamateriałów z niespotykaną dotąd kombinacją właściwości fizycznych i funkcji sterowanych powierzchniowo. "

Metamateriały mają różne właściwości, takie jak odporność na uderzenia, płynność lubićjakości w ciałach stałych i lekki, ale ultra-sztywny makijaż, od złożonej geometrii ich struktur kratowych, a nie od ich właściwości podstawowych materiałów. Zazwyczaj struktury kratownic mogą być wykonywane tylko przy użyciu druku 3D, co zdaniem naukowców ogranicza ich funkcjonalność. Zespół badawczy TU Delft po raz pierwszy zdążył jednak złożyć skomplikowane struktury kratowe z płaskich arkuszy.

Zespół wiedział, że w celu nadania zaawansowanych funkcji metamateriałów, powierzchnie struktury kratowej będą musiały mieć specjalne funkcje (ozdoby), takie jak urządzenia elektroniczne i nano-wzory powierzchni. Zaczynając od płaskiego kształtu, a nie trójwymiarowego, pozwoliłoby na włączenie tych funkcji, które zazwyczaj można zastosować tylko do płaskich kształtów, w tę sytuację. Naukowcy byli w stanie dodać swobodnego wzoru na powierzchniach przy użyciu zaawansowanych technik mikrostrukturalnych i nanoprofilowych, takich jak nanolithography z wiązką elektronów.

Profesor Zadpoor ​​powiedział: "Zasadniczo jednak działają one tylko na płaskich powierzchniach. Co więcej, dostęp do wewnętrznych powierzchni trójwymiarowych struktur sieciowych jest bardzo ograniczony. "

Składanie płaskiego arkusza, który tworzy złożone struktury 3D, występuje, gdy mechanizm składania jest aktywowany przez bodziec jak zmiana temperatury.

"Łączenie ornamentów powierzchni swobodnych z formami kraty wydawało się zatem niemożliwe. Ale, zainspirowani japońską sztuką składania papieru (origami), znaleźliśmy sposób, który pozwala na taką kombinację. Zaproponowaliśmy niezwykłe podejście do "składania" struktur kratowych z początkowo płaskich stanów. Takie podejście zapewnia nam pełny dostęp do całej powierzchni tego, co ostatecznie stanie się naszą strukturą kratownicową. Następnie możemy wykorzystać dostępne obecnie techniki do ozdabiania powierzchni. Skategoryzowaliśmy sieci na trzy podstawowe kategorie i dla każdego z nich zaproponowaliśmy strategię składania. Mechanizmy samoprzyczepne zostały również wbudowane w płaski materiał, aby umożliwić samoczynne składanie w ostateczny kształt kraty "- wyjaśnia profesor Zadpoor.

" Pokazujemy, w jaki sposób można zastosować swobodne ozdoby 3D powierzchnia płaskich arkuszy o rozdzielczości kilku nanometrów. "

Struktury kratowe TU Delft mogą nawet nosić, jak twierdzą badacze," dowolnie złożone ozdoby powierzchniowe w różnych skalach ". < p> Zespół wykorzystał drukarkę 3D Ultimaker 2+ do tworzenia polimerycznych modeli samozwijających się kratstruktury z PLA, podczas gdy metalowe kratownice zostały złożone z laserowo wyciętego arkusza aluminium. Istnieje kilka zastosowań, w których podejście zespołu może zostać wykorzystane do tworzenia metamateriałów o zaawansowanych funkcjach, takich jak integracja elastycznej elektroniki z projektem lub opracowanie meta-biomateriałów, które mogłyby stymulować regenerację tkanek.