Billig 3D-printer kan producere selvfoldende materialer

Forskere ved Carnegie Mellon University har brugt en billig 3D-printer til at producere flade plastikgenstande, der, ved opvarmning, folde sig selv til forudbestemte former, såsom en rose, en båd eller endda en kanin.

Foring Yao, assisterende professor i Human-Computer Interaction Institute og direktør for Morphing Matter Lab, sagde disse selvfoldende plastikobjekter repræsenterer et første skridt mod produkter såsom fladpakkemøbler, der antager deres endelige former ved hjælp af en varmepistol. Nødhjem kan også sendes fladt og foldes i form under solens varme.

Selvfoldende materialer er hurtigere og billigere at fremstille end solide 3D-objekter, gør det muligt at udskifte ikke-kritiske dele eller producere prototyper ved hjælp af strukturer, der tilnærmer de faste objekter. Forme til bådskrog og andre glasfiberprodukter produceres muligvis billigt ved hjælp af disse materialer.

Yao vil præsentere sin gruppes forskning om denne metode, som hun kalder Thermorph, ved CHI 2018, konferencen om menneskelige faktorer i computersystemer, 21.-26. April i Montreal, Canada.

Andre forskere har undersøgt selvfoldende materialer, men typisk har brugt eksotiske materialer eller været afhængig af sofistikerede behandlingsteknikker, der ikke er bredt tilgængelige. Yao og hendes forskergruppe var i stand til at skabe selvfoldende struktur ved at bruge den billigste type 3D-printer-en FDM-printer-og ved at drage fordel af warpage, et almindeligt problem med disse printere.

"Vi ønskede at se, hvordan selvsamling kunne gøres mere demokratisk - tilgængelig for mange brugere, "Sagde Yao.

FDM-printere fungerer ved at nedlægge et kontinuerligt filament af smeltet termoplast. Disse materialer indeholder restspænding og efterhånden som materialet afkøles og stressen aflastes, termoplasten har en tendens til at trække sig sammen. Dette kan resultere i skæve kanter og overflader.

"Folk hader warpage, " sagde Yao. "Men vi har taget denne ulempe og vendt den til vores fordel."

For at skabe selvfoldende objekter, hun og hendes team styrer denne proces præcist ved at variere hastigheden, hvormed termoplastisk materiale aflejres, og ved at kombinere warp-tilbøjelige materialer med gummilignende materialer, der modstår kontraktur.

Objekterne kommer ud af 3D-printeren som flade, hård plast. Når plastikken placeres i vand, der er varmt nok til at gøre det blødt og gummiagtigt - men ikke varmt nok til at smelte det - udløses foldeprocessen.

Selvom de brugte en 3-D printer med standard hardware, forskerne erstattede maskinens open source-software med deres egen kode, der automatisk beregner den printhastighed og de mønstre, der er nødvendige for at opnå bestemte foldevinkler.

"Softwaren er baseret på en ny kurvefoldningsteori, der repræsenterer båndbevægelser i det buede område. Softwaren baseret på denne teori kan kompilere enhver vilkårlig 3-D-netform til et tilhørende termoplastark på få sekunder uden menneskelig indgriben, " sagde Byoungkwon An, et forskningsselskab i HCII.

"Det er svært at forestille sig, at det bliver gjort manuelt, "Sagde Yao.

Selvom disse tidlige eksempler er på en desktop -skala, at få større selvfoldende genstande til at være mulig.

"Vi mener, at den generelle algoritme og eksisterende materialesystemer burde gøre os i stand til i sidste ende at lave store, stærke selvfoldende genstande, såsom stole, både eller endda satellitter, "sagde Jianzhe Gu, HCII forskningspraktikant.