En liten origamistruktur skapad genom en självvikningsprocess visas på en fjärdedel för storleksjämförelse. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
Forskare vid Georgia Institute of Technology och Peking University har hittat en ny användning för den allestädes närvarande PowerPoint-bilden:Att producera självvikande tredimensionella origamistrukturer från fotohärdbara flytande polymerer.
Tekniken går ut på att projicera ett gråskalemönster av ljusa och mörka former på ett tunt lager flytande akrylatpolymer placerat i en platta eller mellan två glasskivor. Ett fotoinitiatormaterial blandat in i polymeren initierar en tvärbindningsreaktion när det träffas av ljus från en vanlig LED-projektor, vilket gör att en fast film bildas. Ett ljusabsorberande färgämne i polymeren fungerar som en regulator för ljuset. På grund av den komplicerade interaktionen mellan utvecklingen av polymernätverket och volymkrympning under fotohärdning, områden av polymeren som tar emot mindre ljus uppvisar mer uppenbart böjningsbeteende.
När den nyskapade polymerfilmen avlägsnas från den flytande polymeren, spänningen som skapas i filmen av den differentiella krympningen gör att vikningen börjar. För att göra de mest komplexa origamistrukturerna, forskarna skiner ljus på båda sidor om strukturerna. Origamistrukturer som producerats hittills inkluderar små bord, kapslar, blommor, fåglar och den traditionella miura-ori-vikningen - allt omkring en halv tum i storlek.
Origamistrukturerna kan ha tillämpningar i mjuka robotar, mikroelektronik, mjuka ställdon, mekaniska metamaterial och biomedicinska apparater.
"Grundtanken med vår metod är att utnyttja volymkrympningsfenomenet under fotopolymerisation, sa Jerry Qi, en professor vid Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech. "Under en specifik typ av fotopolymerisation, frontal fotopolymerisation, det flytande hartset härdas kontinuerligt från sidan under ljus bestrålning mot insidan. Detta skapar ett ojämnt spänningsfält som driver filmen att böjas längs ljusets riktning."
Detaljer om arbetet är planerade att publiceras den 28 april i tidskriften Vetenskapens framsteg . Forskningen stöddes av National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research och Chinese Scholarship Council. Det tros vara den första applikationen för att skapa självvikande origamistrukturer genom kontroll av volymkrympning under mönstrad fotopolymerisation.
Ett gråskalemönster som används för att skapa en självvikande blomma projiceras i en glasbehållare. Ljus från mönstret bildar en fast polymer som är differentiellt tvärbunden, skapar stress i materialet. Strukturen viker sig när den tas bort från vätskan. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
Processen som skapar krympningsfenomenet anses vara skadlig vid andra användningar av polymeren.
"Volymkrympning av polymer antogs alltid vara skadlig vid tillverkning av kompositer och i den konventionella 3D-utskriftstekniken, sa Daining Fang, en medförfattare till uppsatsen och en professor vid Peking University när forskningen gjordes. "Vårt arbete visar att med ett byte av perspektiv, detta fenomen kan bli ganska användbart." Fang är nu vid Beijing Institute of Technology.
För att göra de mest komplexa formerna med böjning i båda riktningarna, forskarna kan vända den mönstrade filmen för att skapa tvärbindning på andra sidan.
En ny teknik för att producera självvikande tredimensionella origamistrukturer från fotohärdbara flytande polymermaterial skapade dessa små prover, hålls i en hand för storleksjämförelse. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
"Vi har utvecklat två typer av tillverkningsprocesser, sa Zeang Zhao, en Ph.D. student vid Georgia Tech och Peking University. "I den första, du kan bara lysa ljusmönstret mot ett lager flytande harts, och då får du origamistrukturen. I den andra, du kan behöva vända lagret och göra ett andra mönster. Denna andra process ger dig mycket större designfrihet."
Ljus lyser på filmen i fem till tio sekunder, som ger en film med en tjocklek på cirka 200 mikron. "De områden som tar emot ljus blir fasta, de andra delarna av mönstret förblir flytande, och strukturen kan sedan avlägsnas från den flytande polymeren, ", sa Qi. "Tekniken är väldigt enkel."
Frontal fotopolymerisation är en process där en polymerfilm kontinuerligt härdas från ena sidan i ett tjockt lager flytande harts. I närvaro av stark ljusdämpning, stelningsfronten initieras vid ytan vid belysning och fortplantar sig mot vätskesidan när bestrålningstiden ökar. Processen kan finjusteras genom att kontrollera belysningstiden och ljusintensiteten, och metoden har använts för att tillverka mikrofluidiska enheter och syntetisera mikropartiklar.
Forskarna använde poly(etylenglykol) diakrylat i denna demonstration, men tekniken bör fungera med ett brett utbud av fotohärdbara polymerer. Ett orange färgämne användes i demonstrationen, men andra färgämnen kan producera strukturer i en rad olika färger.
För principbeviset, Zhao skapade ett PowerPoint-mönster för hand. För att skala upp processen, systemet skulle kunna kopplas till ett datorstödd design (CAD)-verktyg för att generera mer exakta gråskalemönster.
Qi tror att tekniken kan användas för att producera strukturer så mycket som en tum i storlek. "Självvikningen kräver relativt tunna filmer som kanske inte är möjliga i större strukturer, " han sa.
Lade till Qi, "Vi har utvecklat en enkel metod för att vika ett tunt ark av polymer till komplicerade tredimensionella origamistrukturer. Vårt tillvägagångssätt är inte begränsat av specifika material, och mönstret är så enkelt att vem som helst med PowerPoint och en projektor skulle kunna göra det."