列印摺紙術為複雜結構提供新技術

Printed origami offers new technique for complex structues
http://www.physorg.com/news190442323.html

April 14, 2010

雖然它看起來小，也不出鋒頭，不過這種座落在 Illinois 教授 Jennifer Lewis 實驗室樣本碟中的微小摺紙鶴（origami crane），為那些擁有複雜三維結構的生物相容性裝置（biocompatible devices）、微支架（microscaffolding）以及其他微系統的創造預告了新方法。這隻硬幣大小的鈦金屬鳥，一開始時是一張以氫化鈦（titanium hydride）印出來的薄片（printed sheet）。

該團隊將把他們新奇的技術發表在 4/14 的 Advanced Materials 期刊線上版。小型、以複雜形狀製成的金屬、陶器或聚合物包含種種應用，從生醫裝置、電子裝置到快速原型製作（prototyping）。製造這種結構的方法之一是透過直寫組裝（direct-write assembly），那是 Lewis 小組協助開拓的技術。在此方法中，一台大型印表機將包含金屬、陶瓷或塑膠粒子的印墨沈積，一層層組合出結構。接著，此結構在高溫下退火（annealing）使墨水中的液體蒸發並使粒子結合，剩下一個固態物體。

然而，當所添加的層次愈多，較低層傾向下垂或因為自身重量而塌陷 -- 當博士後研究者 Bok Yeop Ahn 試圖為組織工程製造鈦支架時遇到這種問題。他決定採用不同方法：印出一張平面的薄片，接著將它捲繞成螺旋型 -- 或甚至將它摺成各種形狀。將印出來的薄片摺疊並不像剛開始看起來那樣容易。

"我們的印墨絕大多數都是基於水性配方，所以它們乾得很快。它們變得非常堅硬，而且在摺疊後很容易碎裂，" Lewis 說，Thurnauer 材料科學與工程教授，同時也是該校 Frederick Seitz 材料研究實驗室主任。於是挑戰就變成要找到一種解決方法，能使印出來的薄片柔軟到足供操作，卻又夠堅韌，能在摺疊後與退火間維持它們的形狀。

Lewis、Ahn 以及他們的研究團隊藉由仿效溼摺摺紙術（wet-folding origami，在其中，紙張部份浸濕以增強它的可摺疊性）從而解決此問題。藉由在印墨中使用一種快乾與慢乾溶劑的混合物，薄片部份乾燥但仍維持足夠的彈性，耐得住多重步驟摺疊 -- 在鶴的例子中為 15 摺。

U. of I. 研究者與 David Dunand（西北大學的 James and Margie Krebs 材料科學教授） 教授合作，他最初找 Lewis 商量使用氫化鈦的可能性。"我知道如何在不受印墨污染的情況下，將氫轉變成金屬鈦，基於我實驗室先前的研究，" Dunand 說，他聚焦在將柔軟的、氫化鈦摺紙結構退火成強健、金屬的鈦物體。

列印與摺紙技術的緊密結合，容許更大的結構複雜性 -- 諸如鶴突出的雙翼，這種特徵是無法透過直接列印方法產生的。此外，Lewis 的團隊能以各種圖案（patterns）列印薄片，又增添另一種層次的結構細節。

"藉由結合這些方法，你能夠迅速組裝出非常複雜的結構，那單靠傳統製造方法是辦不到的，" Lewis 表示。

根據 Dunand 表示，接下來，該團隊希望透過擴展中的印墨陣列，擴展其摺紙術大全（origami repertoire），以包含更大與更小的結構。例如，此法能拓展成各種陶瓷以及從鋼到鎳的一系列金屬。

研究者們也在計畫探索可能的應用，包括輕量化結構、生醫裝置、感應器等。

"我們才剛開始解放此法的威力，" Lewis 表示。

※ 相關報導：

＊ Printed Origami Structures
http://www3.interscience.wiley.com/journal/123353872/abstract

Bok Yeop Ahn, Daisuke Shoji, Christopher J. Hansen,
Eunji Hong, David C. Dunand, Jennifer A. Lewis
Advanced Materials 2010
doi: 10.1002/adma.200904232

＊ 可建造月球基地的 3D 印表機
＊ 華盛頓大學 Solheim 實驗室示範玻璃 3D 列印
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