6 minute read
Origami-glas: Complexe glazen geometrische structuren
from IM20214NL
Voorbeelden van een glazen kraanvogel, vaas en bloem gemaakt via de origamimethode (Foto: Nature Communications)
Advertisement
Glas is in veel opzichten een geweldig materiaal, maar het gedetailleerd vormgeven van glazen producten valt niet mee. Dat heeft te maken met de brosse eigenschappen van het materiaal en met de hoge temperaturen waarmee de (conventionele) vormprocessen werken. In de afgelopen jaren heeft onderzoek naar het gebruik van silicapolymeercomposieten als prepolymeer voor glasproductie uitgewezen dat die techniek perspectieven biedt voor het maken van complexe geometrische vormstructuren van glas, maar aan die techniek kleven nog altijd nadelen. Hetzelfde geldt voor het 3Dprinten van glas. Onderzoekers van de Chinese Zhejiang University ontwikkelden nu een methode die het mogelijk maakt om driedimensionaal transparant glas te maken met origamitechnieken. De vraag is: ‘hoe vouw je glas?’
Glas wordt in onwaarschijnlijk veel verschillende producten toegepast, van servies tot bouwkundige constructies en telefoons tot kunstwerken. Sterker nog, glas is in veel toepassingen onmisbaar vanwege typische eigenschappen als optische transparantie, slijtvastheid en thermische en chemische stabiliteit. Toch blijft het verwerken van glas lastig, zeker als het om complexe geometrieën gaat. Vaak zijn de verwerkingsmogelijkheden beperkt in vergelijking met metaal en polymeren. Dat komt door de brosse aard van het materiaal en de noodzaak die vaak aanwezig is om volledige transparantie te bereiken.
3D-printen
Conventionele processen om glas vorm te geven werken onder lastige omstandigheden zoals hoge temperatuur of chemisch etsen. Solgel technieken maken het weliswaar mogelijk om glasvormen onder mildere omstandigheden te produceren, maar de geometrische complexiteit wordt dan toch weer beperkt door de giettechniek. Een andere oplossing zou kunnen zijn om gebruik te maken van silicapolymeercomposieten als voorloper voor het maken van glas, wat gieten bij lage temperatuur mogelijk maakt. Daarna kan het materiaal dan machinaal worden bewerkt en gesinterd tot de uiteindelijke 3D glazen vorm. Ten slotte kunnen zonder gebruik te maken van gieten zulke precursorcomposieten (prepolymeren) ook met een 3Dprinter worden vormgegeven. Feit is dat universiteiten en onderzoeksinstituten over de hele wereld onderzoek doen naar nieuwe processen als het gaat om 3Dprinten van glas en ondanks dat er interessante resultaten zijn geboekt, is er klaarblijkelijk nog geen doorbraak geforceerd (zie kader volgende pagina).
Origami
Onderzoekers van de Zhejiang University, in het Chinese Hangzhou hebben nu iets anders bedacht. Ze ontwikkelden een methode die het mogelijk maakt om driedimensionaal transparant glas te maken met origamitechnieken.
Origami is vouwkunst, ooit uitgevonden in China, maar in de loop van eeuwen geperfectioneerd in Japan. De truc van origami is een vlakke plaat van origine papier om te zetten in een driedimensionale geometrie. Dat gaat inmiddels
Figuur links: a. Schematische weergave van het fabricageproces. b Twee mechanismen voor permanente vervorming via plasticiteit. c Dynamisch polymeeresternetwerk met bungelende hydroxylgroepen. d Foto van een 3D transparante glazen veer. (Schaalbalk: 1 cm.) e Demonstratie van de hoge thermische weerstand bij 600 °C (Schaalbalk: 1 cm) (Bron: paper ‘Transparant origami glass’)
3D-printen van glas
Overal ter wereld wordt onderzoek gedaan naar het vormgeven van glas door 3Dprinten (Additive Manufacturig, kortweg AM). Daarbij staan twee veelgebruikte AMmethoden in de belangstelling: Selective Laser Sintering (SLS) en Fused Filament Fabrication (FFF, ook bekend als Fused Filament Fabrication). Bij SLS wordt met behulp van een laser laag na laag een poeder gesmolten/gesinterd tot een vast product. In het geval van FFF brengt een spuitmondextruder laag voor laag gesmolten materiaal aan. Doordat het vloeibare materiaal na het aanbrengen van iedere laag stolt, kan zo de gewenste vorm opgebouwd worden. Probleem van beide technieken is dat ze afhankelijk zijn van het verhogen van de temperatuur tot net onder of boven het smeltpunt van het uitgangsmateriaal. Voor glas zijn temperaturen van ruim duizend graden Celsius nodig. De eerste onderzoeken dateren van om en nabij 2015. In 2015 ontwikkelde het Israëlische bedrijf Micron3DP een systeem voor het 3Dprinten van gesmolten glas, met name natronkalk en borosilicaat. Nog datzelfde jaar kwam de Mediated Mattergroep van het Massachusetts Institute of Technology en MIT Glass Lab met haar G3DP (Glass 3D Printing)platform, een 3Dprinter speciaal ontwikkeld voor het verwerken van glas. In 2017 presenteerde MIT tijdens de Mila Design Week 3Dgeprinte glazen kolommen, gemaakt met het G3DP2platform: een doorontwikkelde G3DPprinter, die volgens MIT geschikt is voor industriële productie. Kort daarvoor presenteerden onderzoekers van de Karlsruhe Institute of Technology (KIT) een totaal nieuwe 3Dprint
verder van het vouwen van een traditionele Japanse kraanvogel. Met moderne origamitechnieken zijn uiterst complexe vormen te maken, en dat is precies wat de onderzoekers van Zhejiang voor ogen hadden.
Glas laat zich vanwege de brosse eigenschappen op het eerste gezicht niet vouwen en precies voor dat probleem zeggen de onderzoekers een oplossing te hebben gevonden. Het blijkt namelijk mogelijk om het prepolymeer zo samen te stellen dat er mechanismen in het materiaal worden geïntroduceerd, waardoor het materiaal aanvankelijk wel degelijk kan worden gevouwen.
Ze maakten een composietplaat door een vloeibaar prepolymeer, gevuld met silicananodeeltjes te harden. Vervolgens vouwden de onderzoekers het materiaal het met behulp van handmatige origamitechnieken tot verschillende geometri
Voorbeelden van een glazen kraanvogel, vaas en bloem gemaakt via de origamimethode (Foto: Xu et al., Nature Communications)
sche figuren. Door het materiaal daarna te onderwerpen aan een pyrolyse en sinterproces wordt het omgezet in transparant driedimensionaal glas. Op die manier slaagden ze er in om min of meer complexe vormen te maken, waaronder een kraanvogel, vaas en bloem. Hoewel ze de composietvellen in dit onderzoek met de hand vouwden, verwachten de onderzoekers dat het proces zou kunnen worden geautomatiseerd en daarmee uiteindelijk geschikt is voor grootschalige productie.
Het open access paper werd op 12 juli 2021 gepubliceerd in Nature Communications onder de titel ‘Transparant origami glass’ (DOI: 10.1038/s41467021-24559-x). Het is online>
methode voor glas. De methode maakte gebruik van stereolithografie, waarbij met een laserstraal laag voor laag de oppervlakte van een vloeibaar materiaal (doorgaans een polymeer, maar in het geval van KIT een mengsel van een vloeibaar polymeer en nanodeeltjes van extreem zuiver kwartsglas). Daar waar de laserstraal de vloeistof raakt, treedt de verharding op. Het materiaal, dat vloeibaar is gebleven werd vervolgens uitgewassen in een oplosmiddelbad, waardoor alleen de gewenste uitgeharde structuur overblijft. Het nog in deze glasstructuur opgesloten polymeer werd vervolgens door verhitting uitgestookt. Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature (april 2017) onder de titel ‘Threedimensional Printing of Transparent Fused Silica Glass.’
Begin van dit jaar meldde de OSA
Optical Society de ontwikkeling van weer een andere methode: ‘two-pho-
ton polymerization.’ Het proces werd ontwikkeld door onderzoekers van het Fresnel Instituut en de École Centrale de Marseille in Frankrijk, het École Centrale en de Universiteit van Lotharingen. Hun resultaten werden gepubliceerd in Optics Letters dat de gebruik van tweefotonpolymerisatie tot 3Dprintglas. De methode is gebaseerd op zogenaamde multifotonpolymerisatie, die ervoor zorgt dat de polymerisatie, alleen en exact plaatsvindt op het laserbrandpunt. Door de laser of beter het laserbrandpunt via een bepaald patroon door een medium te sturen, kan een object worden gemaakt. Als medium gebruikten de onderzoekers een mengsel met een fotochemische initiator, een hars en een hoge concentratie silicananodeeltjes. De hoge viscositeit van dit mengsel het mogelijk om met een dubbele laserbundel een 3Donderdeel te vormen. Het team wist verschillende glazen miniobjecten te maken, waaronder een Eifeltorentje en een fiets.
