Strutture di origami espansibili resistenti stampate in 3D per applicazioni di ingegneria 

Un team collaborativo di ricercatori del Georgia Institute of Technology , del Beijing Institute of Technology e della Peking University stanno utilizzando la stampa 3D per costruire direttamente assemblaggi origami riconfigurabili che possono espandersi e piegarsi. Ma ancora meglio, le strutture stampate in 3D hanno anche capacità e resistenza di carico sufficienti per essere utilizzate nelle applicazioni di ingegneria.

In un articolo pubblicato su Soft Matters , intitolato ” Stampa 3D di complessi assemblaggi di origami per strutture riconfigurabili “, i ricercatori hanno spiegato come hanno utilizzato la stampa 3D di elaborazione digitale della luce (DLP) per fabbricare strutture con caratteristiche vuote.

Con questo metodo, è necessario molto meno materiale di supporto per le caratteristiche di stampa 3D, e possono essere utilizzati materiali più morbidi, necessari per strutture flessibili.

L’abstract del documento recita: “I principi di ingegneria Origami sono stati recentemente applicati a una vasta gamma di applicazioni, tra cui robot soft, elettronica elastica e metamateriali meccanici. Per raggiungere la natura 3D delle strutture ingegnerizzate ( ad es  . Capacità di carico) e acquisire la cinematica desiderata ( ad es, pieghevole), molti progetti di ingegneria ispirati agli origami sono assemblati da parti più piccole e spesso richiedono agenti leganti o elementi aggiuntivi per la connessione. I tentativi di fabbricazione diretta di strutture di origami 3D sono stati limitati dalle tecnologie e materiali di fabbricazione disponibili. Qui, proponiamo un nuovo metodo per assemblare direttamente gli origami in 3D (che imitano il comportamento delle loro controparti cartacee) con resistenza accettabile e capacità portante per le applicazioni di ingegneria. Il nostro approccio introduce elementi del pannello cerniera, in cui le regioni delle cerniere sono progettate con spessore e lunghezza finiti. Il disegno geometrico di questi pannelli a cerniera, informato sia dall’analisi sperimentale che da quella teorica, fornisce il comportamento meccanico desiderato. Al fine di garantire la ripiegabilità e la ripetibilità, un nuovo sistema elastomerico fotocellula è sviluppato e i progetti sono fabbricati utilizzando la tecnologia di stampa 3D basata sull’elaborazione della luce digitale. Vari assemblaggi di origami sono prodotti per dimostrare la flessibilità di progettazione e l’efficienza di fabbricazione offerte dal nostro metodo di stampa 3D per strutture origami con capacità di carico migliorata e modalità di deformazione selettiva. ”
Molte strutture stampate in 3D con proprietà uniche sono state ispirate da origami , aprendo applicazioni in robotica morbida e strutture auto-pieganti . Mentre la maggior parte delle strutture origami significa che i fogli sottili vengono uniti insieme a elementi vincolanti come la colla, il team di ricerca ha trovato un modo per creare più assiemi 3D in un solo passaggio, senza dover collegare insieme parti più piccole. Il team, guidato da Zeang Zhao, ha sviluppato un nuovo polimero e ha utilizzato il design geometrico per spostarsi verso l’utilizzo di origami per le strutture di ingegneria.

Per costruire gli origami, il team ha sviluppato un nuovo elastomero, che consente di creare la struttura da un singolo componente. Il materiale polimerico elastico può essere stampato in 3D a temperatura ambiente e fissato con luce UV, che forma un materiale morbido e pieghevole che può essere allungato fino al 100%. Questo materiale è stato utilizzato per l’intero assemblaggio 3D. La stampa 3D DLP è stata utilizzata per costruire strutture, composte da varie combinazioni di singole unità di origami, senza richiedere passaggi aggiuntivi di assemblaggio.

Modificando il modo in cui ogni unità origami è collegata, le strutture possono essere progettate per avere diverse capacità di carico: di vitale importanza per le applicazioni in ingegneria. Una delle strutture di test era persino in grado di supportare un carico che pesava 100 volte di più della struttura stessa. Ma ecco la parte davvero interessante – semplicemente riorganizzando le stesse unità individuali in un modo diverso, il team è stato in grado di costruire un ponte che, sotto lo stesso carico pesante, si sarebbe piegato in orizzontale.

Le strutture erano progettate con pannelli spessi, che erano separati da cerniere non dissimili dalle pieghe di un pezzo di carta. Le cerniere hanno reso possibile che l’angolo tra i pannelli variava tra 0 ° e 90 °. Lo spessore della cerniera è importante per le proprietà meccaniche di una struttura: se è troppo spessa, non si piega bene, mentre se è troppo sottile, potrebbe non essere in grado di sostenere il peso della struttura. Inoltre, i ricercatori hanno fatto in modo che l’alta sollecitazione e le sollecitazioni delle strutture sperimentate durante la piegatura fossero localizzate in modo specifico per le cerniere, quindi i pannelli non si sarebbero deformati.

I coautori del giornale sono Zhao,  Xiao Kuang,  Jiangtao Wu,  Qiang Zhang,  Glaucio H. Paulino,  H. Jerry Qi e  Daining Fang.

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