Origami ve kesme teknikleri ile karmaşık cam tasarımları yapılabilir. Kredi: Yang Xu
Kimya mühendisleri, camdan veya diğer sert malzemelerden karmaşık 3 boyutlu şekiller oluşturmak için modern bir yöntem geliştirerek kadim origami sanatına yenilik getirdiler. 3D baskı ile entegre edilebilen bu tekniğin, heykel ve kataliz dahil olmak üzere çeşitli alanlarda potansiyel uygulamaları vardır.
Eski origami sanatı, kağıt yapraklarını ve diğer katlanabilir malzemeleri dönüştürerek iyi bilinen bir sanattır. karmaşık 3B şekiller. Ancak şimdi kimya mühendisleri, camdan veya diğer sert malzemelerden yapılmış karmaşık şekiller üretmek için yüzlerce yıllık uygulamayı genişletti. 3B baskıyla birleştirilebilen tamamen modern yöntemleri, heykelden kataliz ve ötesine kadar çeşitli uygulamalara sahip olabilir.
Araştırmacılar, sonuçlarını bugün American Chemical Society’nin (ACS) bahar toplantısında sunacaklar. ACS Bahar 2023, 26-30 Mart tarihlerinde sanal olarak ve yüz yüze yapılan karma bir toplantıdır ve çok çeşitli bilim konularında 10.000’den fazla sunum içerir.
Daha önceki çalışmalarda, araştırmacılar origami ve ilgili malzemeleri kullanmışlardı. Polimerlerden yapılmış yumuşak malzemeleri şekillendirmek için kesmeyi katlamayı birleştiren kirigami tekniği. Projenin baş araştırmacısı Ph.D. Tao Xie, “Ancak bu teknikleri, polimerlere göre karmaşık şekillerde işlenmesi çok daha zor olan cam ve seramiği kapsayacak şekilde genişletmek istedik” diyor.
Tipik olarak, cam ve seramik seramikler bir kalıpta şekillendirilir veya istenen son yapıda 3D yazdırılır. Ancak Xie, bir kalıbın karmaşık bir şekil oluşturamayacağını söylüyor. Ve 3D baskı bunu yapabilse de, yavaştır ve bir nesne dayanıksız olabilir ve yapılırken ekstra desteğe ihtiyaç duyabilir. Ek olarak, yazdırılan öğe genellikle ideal görünüm olmayabilecek katmanlı bir dokuya sahiptir. Ekip, bu eksikliklerin üstesinden gelip gelemeyeceğini görmek için yola çıktı.
Xie’nin Zhejiang Üniversitesi’ndeki laboratuvarında çalışan bir yüksek lisans öğrencisi olan Yang Xu, silika nanopartiküllerini karıştırdığı bir teknik geliştirdi. cam – birkaç bileşik içeren bir sıvıya. Karışımın ultraviyole ışıkla kürlenmesi, içinde kuru üzümlü ekmekteki kuru üzüm gibi küçük silika taneciklerinin asılı olduğu çapraz bağlı bir polikaprolakton polimer üretti.
Karmaşık cam tasarımlar (solda), 3 boyutlu kafes gibi daha karmaşık şekiller oluşturmak için 3 boyutlu baskıyla birleştirilebilen origami ve kesme teknikleri (sağda). Ölçek çubuğu 1 cm. Kredi: Yang Xu
Sonra, Xu bir vinç, bir tüy, bir dantel yapmak için kağıda benzer mekanik özelliklere sahip olan bu yarı saydam polimer kompozit tabakaları kesti, katladı, büktü ve çekti. diğer nesnelerin yanı sıra vazo ve iç içe geçmiş kurdelelerden yapılmış bir küre. Bunu oda sıcaklığında yaparsa, kompozit kalan üretim adımları boyunca yeni şeklini oldukça iyi korudu. Xu, bunun, katlama ve germe işleminin bazı silika parçacıkları ile polimer matris arasındaki arayüzü geri dönüşümsüz olarak bozmasından kaynaklandığını keşfetti. Ancak sonraki adımlar sırasında yeni şekli tamamen korumak kritikse, Xu, kompozitin katlanıp gerildiğinde yaklaşık 265 F’de ısıtılması gerektiğini buldu. Bu, polimer zincirleri arasındaki bağları kalıcı olarak yeniden düzenleyerek yeni şekli sıkıca yerine sabitler.
Sonraki 1.100 F’den yüksek bir ısıtma adımı, polikaprolakton polimeri nesneden uzaklaştırır ve onu opak hale getirir. Soğutulduktan sonra, sinterleme olarak bilinen üçüncü bir ısıtma aşaması, nesneyi pürüzsüz, tabakasız bir dokuya sahip şeffaf cama dönüştürmek için 2.300 F’yi aşan sıcaklıklarda silika parçacıklarını birlikte eritir. Tam şeffaflığa ulaşmak, projenin en büyük zorluğu oldu. Toplantıda çalışmayı sunan Xu, karışıma daha fazla polimerin dahil edilmesinin nesnelerin katlanmasını kolaylaştırdığını ancak son şeffaflıklarını azalttığını açıklıyor. Nihayetinde, birbiriyle yarışan bu öncelikler arasında başarılı bir şekilde uzlaşmak için doğru polimer ve silika konsantrasyonlarını buldu.
Xu, son çalışmasında yöntemi camın ötesinde seramiğe doğru genişletiyor ve silikayı zirkonyum dioksit ve titanyum gibi maddelerle değiştiriyor. dioksit. Cam kırılgan ve atıl olsa da bu bileşikler, camdan daha az kırılgan olan veya katalitik özelliklere sahip malzemeler gibi “işlevsel” nesneler üretme olasılığını ortaya koyuyor.
Grup ayrıca, aşağıdakilerin bir kombinasyonunu deniyor: daha da karmaşık şekiller yapmak için kirigami ve 3D baskı. Xie, “Bir kağıt parçasını katladığınızda, karmaşıklık düzeyi biraz sınırlıdır ve 3D baskı biraz yavaştır” diyor. “Bu yüzden, çekici özelliklerinden yararlanmak için bu iki tekniği bir araya getirip getiremeyeceğimizi görmek istedik. Bu bize hemen hemen her şekilli parçayı yapma özgürlüğü verir.”
Xie, katalizör alanında insanların, katalizörün açıkta kalan yüzey alanını artıran mikroskobik kanallarla delikli seramik yapılar yapmak için 3D baskı kullandığını belirtiyor. Xu’nun yöntemi, bu tür uygulamalar için daha karmaşık tasarımlara olanak sağlayabilir ve bir test örneği olarak, silika-polimer bileşiminden yapılmış delikli bir 3D kafes yazdırmıştır (ekteki resimde kırmızı yapı).
Xu, sürecinin büyük ölçekli üretim için otomatikleştirilebilir. O ve Xie, seramik ve sanat topluluklarının çalışma hakkında bilgi edinip bunu katalizör ve heykel tasarımının yanı sıra araştırmacıların henüz aklına bile gelmemiş diğer amaçlara uygulayacağını umuyor.
Araştırmacılar, destek ve finansman için teşekkür ediyor. Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı’ndan.
Toplantı: ACS Bahar 2023
Başlık
Şeffaf origami bardağı
Özet{ 8}
Origami sanatı, giderek artan potansiyele sahip bir mühendislik aracı olarak ortaya çıkmıştır, ancak teknik genellikle yumuşak ve deforme olabilen malzemelerle sınırlıdır. Cam, birçok uygulamada vazgeçilmezdir, ancak işleme seçenekleri, kırılgan doğası ve optik şeffaflık elde etme gerekliliği nedeniyle sınırlıdır. Origami teknikleri ile üç boyutlu şeffaf cam yapmaya olanak sağlayan bir strateji sunuyoruz. Prosesimiz, homojen olarak dağılmış silika nanoparçacıkları olan dinamik bir kovalent polimer matrisinden başlar. Parçacık kavitasyonu ve dinamik bağ değişimi, nanokompozitin kalıcı olarak tasarlanabilir geometrilere katlanmasına izin veren iki tamamlayıcı plastiklik mekanizması sunar. Daha fazla piroliz ve sinterleme onu şeffaf üç boyutlu cama dönüştürür. Yöntemimiz, cam şekillendirmenin kapsamını genişletiyor ve potansiyel olarak keşfedilmemiş bölgelerdeki kullanım alanlarını açıyor.