Naśladowanie origami poszerza możliwości drukowania 3D

Mały, skromnie wyglądający żuraw origami umieszczony na tacce w laboratorium w University of Illinois zapowiada nadejście nowej metody budowy trójwymiarowych struktur dla urządzeń biokompatybilnych, mikrorusztowań i innych mikrosystemów. Malutka figurka ptaka była początkowo tylko drukowanym arkuszem atramentu z wodorku tytanu.

Niewielkie, skomplikowane figury wykonane z metali, ceramiki lub polimerów mają szerokie spektrum zastosowań, od urządzeń biomedycznych, przez elektronikę, po szybkie prototypowanie (rapid prototyping). Jedną z metod, nad którą zresztą pracował także zespół z University od Illinois, jest drukowanie bezpośrednie. W metodzie tej specjalna drukarka nanosi kolejne warstwy atramentu zawierającego cząsteczki tworzywa. Cały obiekt jest następnie wyżarzany, co powoduje wyparowanie cieczy z atramentu i połączenie cząsteczek stałych, tworząc gotowy element.

Wadą takiego podejścia jest łatwość, z jaką uszkodzeniom czy załamaniom ulegają jedne warstwy pod wpływem nacisku kolejnych, szczególnie przy budowie większych elementów. Badacze z University of Illinois spróbowali więc innej metody – drukowania płaskich arkuszy, które następnie są zwijane lub nawet wyginane w odpowiedni kształt.

„Większość z wykorzystywanych przez nas atramentów to roztwory wodne, które wysychają dość szybko. Stają się sztywne i mogą łatwo pękać przy zginaniu.” mówi prof. Jennifer Lewis z University of Illinois. Wyzwaniem okazało się zatem znalezienie takiego roztworu, który czyniłby arkusze odpowiednio giętkimi, ale jednocześnie na tyle twardymi, aby zachowywały kształt nadany przez wygięcie, także podczas wyżarzania.

Zespół prof. Lewis rozwiązał problem przez obserwację zginanego na mokro origami, gdzie papier jest lekko zwilżany w celu poprawy jego giętkości. Dzięki zastosowaniu mieszanki szybko i wolno wysychających rozpuszczalników w składzie atramentu, arkusz częściowo wysycha, pozostając jednak wystarczająco elastycznym. Pozwala to na wielokrotne jego wyginanie – w przypadku żurawia konieczne było 15 zagięć.

Połączenie techniki origami i druku pozwala na osiągnięcie bardzo wysokiego stopnia złożoności tworzonych struktur, jak na przykład rozłożone skrzydła omawianego żurawia – kształtu nieosiągalnego metodami bezpośredniego drukowania. Co więcej, możliwe jest drukowanie arkuszy w różne wzory, co dodatkowo ponosi poziom szczegółowości.

Kolejnym krokiem naukowców ma być stworzenie struktur o różnych wymiarach, zarówno znacznie większych, jak i znacznie mniejszych niż żuraw, a także rozszerzenie palety atramentów. Tym samym wkrótce ma być możliwe wykonywanie detali z metali od stali po stopy na bazie niklu i kobaltu, a także metali szlachetnych.

(bj)