Alternatief voor 3D-printproces levert producten op met meer functionaliteiten (video)

Onderzoekers aan de TU Delft werken aan de ontwikkeling van een alternatief voor 3D-printen waarmee het mogelijk is producten te maken, geïnspireerd op de origamitechniek, die over veel meer functionaliteiten beschikken dan bij een standaard 3D-printproces

 

Raatstructuren

Raatstructuren worden gebruikt om ‘metamaterialen’ met ongebruikelijke fysische, mechanische of biologische eigenschappen te ontwerpen en te creëren. Voorbeelden hiervan zijn ultralichte materialen die ultrastijf zijn, vloeistofachtige vaste stoffen en materialen met ultrahoge energieabsorberende eigenschappen. Deze raadstructuren konden tot nu toe alleen gemaakt worden door middel van 3D-printen. Wat hun functionaliteit beperkte. De onderzoeksgroep onder leiding van prof. Amir Zadpoor van de TU Delft heeft nu als eerste laten zien hoe je origamitechnieken kunt gebruiken om complexe raatstructuren uit platte platen te vouwen.

Om metamaterialen van geavanceerde toepassingen te voorzien, moet het oppervlak van de raatstructuren worden uitgerust met speciale functionaliteiten zoals nanopatronen of elektronische apparaten. De alternatieve benadering waarbij begonnen wordt met de platte vorm in plaats van 3D-printen, maakt het mogelijk om deze functionaliteiten toe te voegen, terwijl dit normaal alleen maar mogelijk is met platte vormen. Door het aanbrengen van micro- en nanopatronen, zoals nanolithografie met elektronenbundels, is het mogelijk om vrijevormpatronen aan te brengen op oppervlakken. “Dit werkt over het algemeen echter alleen op platte oppervlakken”, vertelt prof. Zadpoor. “Bovendien hebben we slechts zeer beperkt toegang tot de interne oppervlakken van 3D-geprinte raatstructuren.”

Vouwen

“Oppervlakken met vrijevormpatronen combineren met raatstructuren leek dus onmogelijk, maar geïnspireerd door de Japanse papiervouwkunst origami hebben we een manier gevonden die dit toch mogelijk maakt. We hebben de ongebruikelijke benadering voorgesteld om raatstructuren van oorspronkelijk platte vormen te ‘vouwen’, waardoor we toegang krijgen tot het hele oppervlak van wat uiteindelijk de raatstructuur wordt. Met de technieken die we op dit moment tot onze beschikking hebben, kunnen we vervolgens patronen op het oppervlak aanbrengen. We hebben de raatstructuren ingedeeld in drie basiscategorieën en voor elk daarvan een vouwstrategie voorgesteld. We hebben het platte materiaal ook voorzien van zelfvouwende mechanismen, zodat dit zich kan vouwen tot de uiteindelijke raatstructuur”, aldus Zadpoor. Het zelfvouwende mechanisme wordt geactiveerd, bijvoorbeeld door een verandering in temperatuur, zodat het platte vlak zich kan vouwen en er complexe 3D-structuren ontstaan. De raatstructuren kunnen willekeurig complexe oppervlaktepatronen op verschillende schaal hebben. “Wij laten zien hoe je vrijevorm-3D-patronen kunt toepassen op de oppervlakte van platte vlakken met een resolutie van enkele nanometers.”

Toepassingsmogelijkheden

Metamaterialen met geavanceerde functionaliteiten kunnen gecreëerd worden voor verschillende toepassingsgebieden zoals voor de ontwikkeling van (meta)biomaterialen die weefselregeneratie stimuleren. Een ander voorbeeld van een potentieel toepassingsgebied is de integratie van flexibele elektronica, zoals sensoren en actuatoren, in het ontwerp van metamaterialen.