PowerPoint og LED-projektor muliggør ny teknik til selvfoldende origami

Forskere ved Georgia Institute of Technology og Peking University har fundet en ny anvendelse for det allestedsnærværende PowerPoint-slide:Fremstilling af selvfoldende tredimensionelle origami-strukturer fra fotohærdende flydende polymerer.

Teknikken går ud på at projicere et gråtonemønster af lyse og mørke former på et tyndt lag flydende acrylatpolymer placeret i en plade eller mellem to glasobjektglas. Et fotoinitiatormateriale blandet ind i polymeren initierer en tværbindingsreaktion, når det rammes af lys fra en almindelig LED-projektor, hvilket får en fast film til at dannes. Et lysabsorberende farvestof i polymeren fungerer som en regulator for lyset. På grund af det komplicerede samspil mellem udviklingen af ​​polymernetværket og volumenkrympning under fotohærdning, områder af polymeren, der modtager mindre lys, udviser mere tydelig bøjningsadfærd.

Når den nyoprettede polymerfilm fjernes fra den flydende polymer, den spænding, der skabes i filmen af ​​det differentielle svind, får foldningen til at begynde. For at lave de mest komplekse origami-strukturer, forskerne kaster lys på begge sider af strukturerne. Origami-strukturer, der er produceret indtil videre, inkluderer bittesmå borde, kapsler, blomster, fugle og den traditionelle miura-ori fold - alt sammen omkring en halv tomme i størrelse.

Origami-strukturerne kunne have applikationer i bløde robotter, mikroelektronik, bløde aktuatorer, mekaniske metamaterialer og biomedicinske anordninger.

"Den grundlæggende idé med vores metode er at udnytte volumenkrympningsfænomenet under fotopolymerisering, " sagde Jerry Qi, en professor ved Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech. "Under en bestemt type fotopolymerisation, frontal fotopolymerisation, den flydende harpiks hærdes kontinuerligt fra siden under lys bestråling mod indersiden. Dette skaber et uensartet spændingsfelt, der driver filmen til at bøje langs lysets retning."

Detaljer om arbejdet er planlagt til at blive offentliggjort den 28. april i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Forskningen blev støttet af National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research og Chinese Scholarship Council. Det menes at være den første applikation til at skabe selvfoldende origamistrukturer gennem kontrol af volumenkrympning under mønstret fotopolymerisation.

Processen, der skaber krympningsfænomenet, anses for at være skadelig ved andre anvendelser af polymeren.

"Volumenkrympning af polymer blev altid antaget at være skadelig ved fremstilling af kompositter og i den konventionelle 3-D printteknologi, " sagde Daining Fang, en medforfatter til papiret og en professor ved Peking Universitet, da forskningen blev udført. "Vores arbejde viser, at med et skift af perspektiv, dette fænomen kan blive ret nyttigt." Fang er nu på Beijing Institute of Technology.

For at lave de mest komplekse former med bøjning i begge retninger, forskerne kan vende den mønstrede film om for at skabe tværbinding på den anden side.

"Vi har udviklet to typer fremstillingsprocesser, " sagde Zeang Zhao, en ph.d. studerende ved Georgia Tech og Peking University. "I den første du kan bare skinne lysmønsteret mod et lag flydende harpiks, og så får du origami-strukturen. I den anden, Det kan være nødvendigt at vende laget og skinne et andet mønster. Denne anden proces giver dig meget større designfrihed."

Lyset skinner på filmen i fem til ti sekunder, som producerer en film på omkring 200 mikron tyk. "De områder, der modtager lys, bliver faste; de ​​andre dele af mønsteret forbliver flydende, og strukturen kan derefter fjernes fra den flydende polymer, " sagde Qi. "Teknikken er meget enkel."

Frontal fotopolymerisation er en proces, hvor en polymerfilm kontinuerligt hærdes fra den ene side i et tykt lag flydende harpiks. I nærvær af stærk lysdæmpning, størkningsfronten initieres ved overfladen ved belysning og forplanter sig mod væskesiden, efterhånden som bestrålingstiden øges. Processen kan finjusteres ved at styre belysningstiden og lysintensiteten, og metoden er blevet brugt til at fremstille mikrofluidiske enheder og syntetisere mikropartikler.

Forskerne brugte poly(ethylenglycol) diacrylat i denne demonstration, men teknikken bør fungere med en bred vifte af fotohærdende polymerer. Et orange farvestof blev brugt i demonstrationen, men andre farvestoffer kunne producere strukturer i en række forskellige farver.

For principbeviset, Zhao lavede et PowerPoint-mønster i hånden. For at opskalere processen, systemet kunne forbindes med et computerstøttet design (CAD) værktøj til at generere mere præcise gråtonemønstre.

Qi mener, at teknikken kunne bruges til at producere strukturer så meget som en tomme i størrelse. "Selvfoldningen kræver relativt tynde film, hvilket måske ikke er muligt i større strukturer, " han sagde.

Tilføjet Qi, "Vi har udviklet en enkel tilgang til at folde et tyndt ark polymer til komplicerede tredimensionelle origami-strukturer. Vores tilgang er ikke begrænset af specifikke materialer, og mønstret er så enkelt, at alle med PowerPoint og en projektor kunne gøre det."