211service.com
Licht, stevig origami-keramiek
Een nieuwe manier om keramische en metalen roosters te printen en te vouwen tot miniatuurstructuren zou kunnen leiden tot nieuwe lichtgewicht constructies. De techniek omvat het maken van traliewerkbladen van keramische inkt, het vervolgens vouwen en verwarmen van deze vellen om ingewikkelde vormen te creëren. De methode zou kunnen worden gebruikt om lichtgewicht onderdelen te maken voor ruimtevaarttoepassingen, complexe steigers voor weefselengineering en filters en katalysatoren voor industriële chemische productie.
Complexe structuren: De rode kegel in het midden bovenaan deze afbeelding is een printkop die wordt gebruikt om tweedimensionale roosters van keramische en metaalinkt te maken. Deze roosters kunnen worden gevouwen om complexe structuren te creëren, waaronder kubussen, spiralen en zelfs een origamikraan.
We kunnen complexe, driedimensionale vormen maken die niet op andere manieren kunnen worden gemaakt, zegt Jennifer Lewis , directeur van het Materials Research Laboratory aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Lewis ontwikkelde de techniek met de Illinois-onderzoeker Bok Ahn en David Dunand , een professor in materiaalkunde aan de Northwestern University. De onderzoekers zeggen dat het voorziet in een behoefte aan een manier om complexe structuren op centimeterschaal te fabriceren - te klein voor conventioneel gieten of machinaal bewerken, en te groot voor lithografie of soortgelijke technieken.
Lewis heeft eerder nieuwe soorten inkten en printmethoden ontwikkeld om tweedimensionale structuren te maken. Haar aanpak omvatte het persen van inkt met keramische of metaaldeeltjes uit een printkop, vergelijkbaar met de manier waarop tandpasta uit een tube wordt geperst. Met deze inkten kon Lewis rasterpatronen maken, laag voor laag. De roosters kunnen dan worden verwarmd om de deeltjes samen te smelten en de inktoplosmiddelen te verwijderen.
De groep van Lewis wendde zich tot het vouwen van origami toen een medewerker haar vroeg om concentrische cilinders van titanium te maken voor gebruik in tissue engineering, als implantaten om botgroei te stimuleren. Ahn realiseerde zich dat zo'n structuur kon worden gemaakt door een bedrukt rooster op te rollen voordat het het verwarmde, en de groep sleutelde aan de formulering van de inkten om beter bij het proces te passen. Het materiaal is elastisch genoeg om te vouwen, maar stevig genoeg om niet te gaan hangen of barsten voordat het stolt.
Dezelfde techniek is nu gebruikt om complexe constructies te maken, waaronder een origami-kraan die 16 vouwstappen vereist. De kraan heeft geen praktische toepassing, maar demonstreert de voordelen van deze techniek, stellen de onderzoekers.
Met de print-and-fold-techniek kun je de vorm creëren die je wilt, maar dan zonder het gewicht, zegt Bob Peterson, senior wetenschapper bij Aerojet , een ruimtevaartbedrijf met hoofdkantoor in Sacramento, CA, dat niet is aangesloten bij de Illinois-groep.
Peterson zegt dat de techniek kan worden gebruikt om bijvoorbeeld lichtere titanium versterkende stutten voor raketvleugels te maken, en hij schat dat de fabricagetechniek van de Illinois-groep het gewicht van deze specifieke onderdelen zou kunnen verminderen van ongeveer 1,5 pond tot een kwart pond. In plaats van bijvoorbeeld een massieve titanium kubus te maken, zouden onderzoekers een holle kunnen bouwen met veel minder materiaal. De gevouwen metalen en keramische structuren moeten ook bestand zijn tegen extreme temperaturen en zware belastingen, wat belangrijk is voor ruimtevaart- en industriële toepassingen.
De Illinois-onderzoekers werken met een breder scala aan materialen en testen de mechanische eigenschappen van de structuren die ze al hebben gemaakt. De titaniumstructuren, zegt Dunand, zijn sterk en breukvast. Hij voegt eraan toe dat de aanpak compatibel moet zijn met een reeks materialen naast titanium, waaronder staal en andere metalen, veel keramiek en de verbindingen die worden gebruikt om zeolieten te maken, die vaak worden gebruikt voor filtratie en katalyse.