Origami per 3D-Druck: Komplexe Strukturen in einem Schritt

Die alte Kunst des Papierfaltens und eine Technik des 21. Jahrhundert treffen sich in einem neuartigen Fertigungskonzept. Damit lassen sich vielfach faltbare Origami-Strukturen per 3D-Druck in einem Schritt erzeugen.

Das geringe Gewicht, die Entfaltungsmöglichkeiten und die Festigkeit von Origami-Strukturen macht sie für Apparate in der Biomedizin genauso interessant wie für Ausrüstung in der Raumfahrt. Bislang war das Erschaffen solcher Strukturen nur in vielen Arbeitsschritten, mit mehr als einem Material und über die Montage von kleineren Bauteilen möglich.

Glaucio H. Paulino, Professor an der School of Civil and Environmental Engineering am  Georgia Institute of Technology ist überzeugt, dass nun der lebende Beweis eines integrierten Systems zum Herstellen komplexer Origami-Objekte erbracht sei. Das eröffne ein enormes Potenzial an Anwendungen. Im vergangenen Herbst war Georgia Tech die erste Universität mit einem Seminar über die Konstruktion von Origami-Modellen, das Paulino abhielt.

Die Entwickler setzten ein im 3D-Druck relativ neues Verfahren, das Digital Light Processing (DLP), um die bahnbrechenden Origami-Strukturen zu erstellen, die nicht nur einiges an Gewicht aushalten, sondern sich auch, vergleichbar einem Akkordeon, wiederholt falten und entfalten lassen.

Als Paulino vor drei Jahren zum ersten Mal über diese Strukturen oder faltbare Röhren berichtete, bestanden sie noch aus Papier und mussten verklebt werden. Heute kann man sie und vergleichbar komplexe Bauteile aus einem Polymer herstellen, ohne dass man sie noch zusammenbauen müsste.

Die Arbeit wurde in Soft Matter veröffentlicht, einem Journal der Royal Society of Chemistry. Die Hauptautoren sind: Paulino; H. Jerry Qi, Daining Fang von der Peking University und dem Beijing Institute of Technology. Weitere Autoren sind: Zeang Zhao; Qiang Zhang, Xiao Kuang und Jiangtao Wu.

Es gibt viele verschiedene Arten von 3D-Druck. Doch bislang war es schwierig, 3D-gedruckte Strukturen mit den sehr detailreichen Hohlräumen von Origami-Objekten zu erzeugen, weil sich das Entfernen des Stützmaterials hier als wunder Punkt erwies. Außerdem ließen sich die 3D-gedruckten Bauteile anders als Papier nicht mehrmals falten, ohne dabei zu Bruch zu gehen. Laut Jerry Qi war DLP schon seit einiger Zeit in den Laboren bekannt, die kommerzielle Nutzung begann jedoch erst vor rund fünf Jahren. Mit dem DLP-Verfahren werden Schichten eines photopolymeren Kunststoffs gedruckt, der unter ultraviolettem Licht aushärtet. Dabei kommen Projektoren als Lichtquellen zum Einsatz.

Für ihre derzeitige Arbeit entwickelten die Wissenschaftler einen neuartigen Kunststoff, der nach dem Aushärten sehr fest, aber gleichzeitig flexibel ist. Sie wollten ein Material, das sich hundertfach falten lässt, ohne zu zerbrechen. Die Eigenschaften des Kunststoffs erweisen sich auch in einer anderen Hinsicht als entscheidend, nämlich für die winzigen Scharniere. Sie befinden sich an den Stellen, wo sich die Origami-Struktur falten soll. Daher sind sie dünner ausgeführt als die größeren Flächen, zu denen sie gehören und die der Struktur die Form geben.

Die Forscher nutzten DLP für verschiedene Origami-Strukturen, von einzelnen Zellen, aus denen die faltbaren Röhren bestehen, bis hin zu einer komplexen Brücke, die aus vielen dieser Röhren besteht.  Tests haben gezeigt, dass diese Strukturen nicht nur das hundertfache ihres Eigengewichts tragen konnten, sondern sich auch ohne zu zerbrechen immer wieder falten und entfalten ließen.

Die Zukunft

Der 3D-Druck von Origami-Strukturen soll sich künftig noch einfacher gestalten. Außerdem untersucht Qi Möglichkeiten, Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu drucken. Mittlerweile hat das Team von Paulino am Rechner ein neues Origami-Muster entworfen, das sich aber derzeit wegen seiner Komplexität noch nicht fertigen lässt. Paulino hofft, dass ein neues System genau das bewerkstelligen könnte.

Unterstützt wurde die Arbeit von: Air Force Office of Scientific Research (FA9550-16-1-0169), der National Science Foundation (CMMI-1462894, CMMI-1462895, und CMMI-1538830), dem Raymond Allen Jones-Lehrstuhl an der Georgia Tech, der National Natural Science Foundation of China, und dem National Materials Genome Project of China.

Literatur: Zeang Zhao, et al., “3D printing of complex origami assemblages for reconfigurable structures,” (Soft Matter 39, 2018) http://dx.doi.org/10.1039/c8sm01341a

Bild: Nahaufnahme einer Origami-Struktur, erstellt mit Digital Light Processing-3D-Druck. (Credit: Christopher Moore, Georgia Tech).