Deze 3D-geprinte objecten vouwen zichzelf!

Menigeen heeft zich wel eens geërgerd aan een stoel of bureau dat als twintigdelig bouwpakketje door de postbode naar binnen werd geduwd en vervolgens nog hélemaal in elkaar moest worden gezet. Eerder deze week hadden we wat dit betreft al een fijne mededeling voor de niet zo handige medemens: onderzoekers in Singapore hebben een robot gebouwd die IKEA-meubels in elkaar kan zetten. En nu doen we daar nog een schepje bovenop: Amerikaanse onderzoekers hebben een eerste stap gezet richting een scenario waarin zelfs die robots overbodig zijn. Ze komen met 3D-geprinte objecten die zichzelf – onder invloed van warmte – in de juiste vorm vouwen. In de toekomst kan je stoel dus als een plat pakketje worden afgeleverd dat zich onder invloed van wat zonlicht vervolgens zelf transformeert tot..nou ja, een stoel.

3D-printer
Het klinkt bijna te mooi om waar te zijn, maar volgens onderzoekers van de Carnegie Mellon University is het allemaal mogelijk. Ze gebruikten een goedkope 3D-printer om platte objecten te printen die zichzelf vervolgens onder invloed van warmte in een van tevoren bepaalde vorm vouwen (zie ook het filmpje hieronder).

Het is niet voor het eerst dat onderzoekers met objecten die zichzelf vouwen aan de slag zijn gegaan. Maar eerdere pogingen maakten gebruik van vrij exotische materialen of zeer geavanceerde verwerkingstechnieken. De onderzoekers van Carnegie Mellon University pakten het anders aan: zij maakten de objecten met de goedkoopste 3D-printer – een printer die laag voor laag print. En eigenlijk maakten ze daarbij gebruik van een tekortkoming die deze printer heeft. Je moet namelijk weten dat deze printers eigenlijk continu laagjes gesmolten thermoplastic op elkaar stapelen. die materialen bevatten restspanning die vrijkomt als het materiaal afkoelt. Het leidt ertoe dat het thermoplastic na afkoeling wat samentrekt, wat weer resulteert in kromgetrokken randen en oppervlakken. “Wij hebben dit nadeel in ons voordeel laten werken,” stelt onderzoeker Lining Yao.

Links het object dat uit de 3D-printer komt. Rechts het object dat ontstaat als je de geprinte platte vorm opwarmt. Afbeelding: Carnegie Mellon University.

Hoe werkt het?
Om de objecten die zichzelf in de juiste vorm kunnen vouwen, te maken, hebben Yao en collega’s eigenlijk twee dingen gedaan. Allereerst zorgden ze er met een speciaal algoritme voor dat de snelheid waarmee de thermoplastics tijdens het printen worden afgezet, varieert. Daarnaast combineerden ze de materialen die vatbaar zijn voor kromtrekking met rubber-achtig materiaal dat niet geneigd is om zich samen te trekken. Zo verkregen de onderzoekers controle over het kromtrekken van het materiaal. Wanneer het 3D-geprinte object uit de printer komt, is het plat en hard. Maar wanneer je het in warm water plaatst – warm genoeg om het object zacht en rubberachtig te maken, maar niet zo warm dat het plastic smelt – gaat het zich vouwen oftewel kromtrekken zoals de onderzoekers dat willen.

“Wij geloven dat het algoritme en de bestaande materiaalsystemen ons in staat zouden moeten stellen om uiteindelijk grote, krachtige objecten te maken die zichzelf vouwen, zoals stoelen, boten of zelfs satellieten,” aldus onderzoeker Jianzhe Gu. Ook biedt de techniek grote mogelijkheden voor hulporganisaties. Denk bijvoorbeeld aan noodwoningen die plat worden verscheept en zich op locatie onder invloed van zonnewarmte in de juiste vorm vouwen.