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Leichte, robuste Origami-Keramik
Eine neue Art des Druckens und Faltens von Keramik- und Metallgittern zu Miniaturstrukturen könnte zu neuartigen Leichtbaustrukturen führen. Die Technik besteht darin, gitterförmige Blätter aus Keramiktinte herzustellen, dann diese Blätter zu falten und zu erhitzen, um komplizierte Formen zu erzeugen. Das Verfahren könnte verwendet werden, um Leichtbauteile für Luft- und Raumfahrtanwendungen, komplexe Gerüste für das Tissue Engineering sowie Filter und Katalysatoren für die industrielle chemische Produktion herzustellen.
Komplexe Strukturen: Der rote Kegel oben in der Mitte dieses Bildes ist ein Druckkopf, der verwendet wird, um zweidimensionale Gitter aus Keramik- und Metalltinten herzustellen. Diese Gitter können gefaltet werden, um komplexe Strukturen wie Würfel, Spiralen und sogar einen Origami-Kranich zu schaffen.
Wir können komplexe, dreidimensionale Formen herstellen, die auf andere Weise nicht hergestellt werden können, sagt Jennifer Lewis , Direktor des Materials Research Laboratory an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Lewis entwickelte die Technik mit dem Illinois-Forscher Bok Ahn und David Dunand , Professor für Materialwissenschaften an der Northwestern University. Die Forscher sagen, dass es den Bedarf nach einer Möglichkeit zur Herstellung komplexer Strukturen im Zentimetermaßstab deckt – zu klein für konventionelles Formen oder Bearbeiten und zu groß für Lithographie oder ähnliche Techniken.
Lewis hat zuvor neue Arten von Tinten und Druckverfahren entwickelt, um zweidimensionale Strukturen herzustellen. Ihr Ansatz bestand darin, Tinten mit Keramik- oder Metallpartikeln aus einem Druckkopf zu pressen, ähnlich wie Zahnpasta aus einer Tube gepresst würde. Mit diesen Tinten konnte Lewis gitterförmige Muster erzeugen, eine Schicht nach der anderen. Die Gitter könnten dann erhitzt werden, um die Partikel miteinander zu verschmelzen und die Tintenlösungsmittel zu entfernen.
Lewis’ Gruppe wandte sich der Origami-Faltung zu, als eine Mitarbeiterin sie bat, konzentrische Zylinder aus Titan für den Einsatz in der Gewebezüchtung als Implantate zur Förderung des Knochenwachstums herzustellen. Ahn erkannte, dass eine solche Struktur durch Aufrollen eines gedruckten Gitters vor dem Erhitzen hergestellt werden kann, und die Gruppe tüftelte an der Formulierung der Tinten, um das Verfahren besser zu erfüllen. Das Material ist elastisch genug, um sich zu falten, aber robust genug, um nicht durchzuhängen oder zu reißen, bevor es verfestigt ist.
Die gleiche Technik wurde jetzt verwendet, um komplexe Strukturen herzustellen, die einen Origami-Kran umfassen, der 16 Faltschritte erfordert. Der Kran habe keine praktische Anwendung, demonstriere aber die Vorteile dieser Technik, sagen die Forscher.
Mit der Print-and-Fold-Technik können Sie die gewünschte Form erstellen, aber das Gewicht wegnehmen, sagt Bob Peterson, leitender Wissenschaftler bei Aerojet , ein Luft- und Raumfahrtunternehmen mit Hauptsitz in Sacramento, Kalifornien, das nicht mit der Illinois-Gruppe verbunden ist.
Peterson sagt, dass die Technik verwendet werden könnte, um beispielsweise leichtere Titanverstärkungsstreben für Raketenflügel herzustellen, und er schätzt, dass die Fertigungstechnik der Illinois-Gruppe das Gewicht dieser speziellen Teile von etwa 1,5 Pfund auf ein Viertel Pfund reduzieren könnte. Anstatt beispielsweise einen massiven Titanwürfel herzustellen, könnten Forscher einen hohlen mit viel weniger Material bauen. Die gefalteten Metall- und Keramikstrukturen sollen zudem extremen Temperaturen und hohen Belastungen standhalten, was für Luft- und Raumfahrt- und Industrieanwendungen wichtig ist.
Die Forscher aus Illinois arbeiten mit einer breiteren Palette von Materialien und testen die mechanischen Eigenschaften der bereits hergestellten Strukturen. Die Titanstrukturen, sagt Dunand, sind stark und bruchfest. Er fügt hinzu, dass der Ansatz neben Titan mit einer Reihe von Materialien kompatibel sein sollte, darunter Stahl und andere Metalle, viele Keramiken und die Verbindungen zur Herstellung von Zeolithen, die üblicherweise für die Filtration und Katalyse verwendet werden.