Ваш следующий деревянный стул может получиться плоским, а затем высохнуть до трехмерной формы.

Деревянные предметы обычно изготавливают путем распиливания, резьбы, гибки или прессования.

Это такая старая школа!

Сегодня ученые расскажут, как плоские деревянные фигуры, выдавленные на 3D-принтере, можно запрограммировать на самопреобразование в сложные 3D-формы.

В будущем этот метод можно будет использовать для изготовления мебели или других изделий из дерева, которые можно будет доставлять к месту назначения в плоском виде, а затем сушить для придания желаемой окончательной формы.

Исследователи представили свои результаты на осеннем собрании Американского химического общества (ACS).

В природе растения и некоторые животные могут изменять свою форму или текстуру.

Даже после того, как дерево срублено, его древесина может изменить форму по мере высыхания. Он неравномерно усаживается и деформируется из-за различий в ориентации волокон в древесине.

«Деформация может быть препятствием, — говорит Дорон Кам, аспирант, который представляет свою работу на собрании, — но мы подумали, что можем попытаться понять это явление и использовать его для желаемого преобразования».

В отличие от некоторых природных объектов, искусственные сооружения обычно не могут формироваться сами по себе, говорит Эран Шарон, доктор философии, один из главных исследователей проекта.

Но в последние годы ученые начали печатать плоские листы, которые могут принимать трехмерные формы после воздействия таких факторов, как изменение температуры, pH или содержания влаги, говорит Шэрон.

Однако эти самотрансформирующиеся листы были сделаны из синтетических материалов, таких как гели и эластомеры, отмечает он.

«Мы хотели вернуться к истокам этой концепции, к природе, и сделать это с помощью дерева», — говорит Шэрон. Он и Кам, а также Шломо Магдасси, доктор философии, и Одед Шосейов, доктор философии, другие главные исследователи, которые взяли на себя эту задачу вместе с Идо Левином, доктором философии, который в то время был аспирантом. — находятся в Еврейском университете Иерусалима.

Несколько лет назад команда разработала экологически чистые чернила на водной основе, состоящие из микрочастиц древесных отходов, известных как «древесная мука», смешанных с нанокристаллами целлюлозы и ксилоглюканом, которые представляют собой натуральные связующие вещества, извлеченные из растений.

Затем исследователи начали использовать чернила в 3D-принтере.

Недавно они обнаружили, что то, как наносятся чернила, или «путь», диктует поведение морфинга по мере того, как влага, содержащаяся в отпечатке, испаряется.

Например, плоский диск, напечатанный в виде серии концентрических кругов, высыхает и сжимается, образуя седлообразную структуру, напоминающую картофельные чипсы Pringles®, а диск, напечатанный в виде серии лучей, исходящих из центральной точки, превращается в купол или конусообразное строение.

Команда обнаружила, что окончательную форму объекта также можно контролировать, регулируя скорость печати. Это связано с тем, что усадка происходит перпендикулярно древесным волокнам в краске, а скорость печати меняет степень выравнивания этих волокон.

Более медленная скорость оставляет частицы более беспорядочно ориентированными, поэтому усадка происходит во всех направлениях. Более быстрая печать выравнивает волокна относительно друг друга, поэтому усадка становится более направленной.

Ученые научились программировать скорость печати и траекторию печати для получения различных конечных форм. Они обнаружили, что если сложить два прямоугольных слоя, напечатанных в разных ориентациях, после высыхания получится спираль.

В своей последней работе они обнаружили, что могут программировать траекторию печати, скорость и укладку, чтобы контролировать конкретное направление изменения формы, например, скручивание прямоугольников в спираль, которая закручивается по спирали по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Дальнейшая доработка позволит команде комбинировать седла, купола, спирали и другие дизайнерские мотивы для создания объектов сложной конечной формы, таких как стул. В конечном счете, можно было бы производить изделия из дерева, которые доставляются конечному пользователю в плоском виде, что могло бы сократить объемы и затраты на доставку, говорит Кам.

«Тогда в пункте назначения объект может трансформироваться в нужную вам структуру». По словам Шэрон, со временем можно будет лицензировать технологию для домашнего использования, чтобы потребители могли проектировать и печатать свои собственные деревянные предметы с помощью обычного 3D-принтера.

Команда также изучает, можно ли сделать процесс морфинга обратимым.

«Мы надеемся показать, что при некоторых условиях мы можем заставить эти элементы реагировать — например, на влажность — когда мы хотим снова изменить форму объекта», — говорит Шэрон.

Исследователи признают финансирование от Министерства науки, технологий и космоса Израиля.