Origami-Kranich für komplexe 3D-Strukturen in Medizin und Technik

Das raffinierte Falten flacher Metall- oder Keramikschichten macht komplexe dreidimensionale Formen möglich, die mit bisherigen Techniken kaum oder nur wesentlich aufwändiger zu erreichen wären

Origami für Technik und Medizin
Origami für Technik und Medizin

Champaign (USA) - Ein kleiner metallener Origami-Kranich ist der Prototyp einer neuen Technik: Er begann als flaches Gitter und zeigt, dass sich verzwickte dreidimensionale Formen aus Metall, Keramik oder Kunststoff einfach falten und aushärten lassen, statt sie wie bisher deutlich aufwändiger herzustellen. Mediziner und Mikrotechniker können davon profitieren: Die Faltmethode lässt verschiedenste Ausgangsmaterialien und komplexe Formen zu, wie sie in biomedizinischen Geräten, in der Elektronik oder anderen Mikrosystemen zum Einsatz kommen. Dabei kann das Falten auch das so genannte Rapid Prototyping ersetzen, das komplexe Formen bisher Schicht für Schicht aufbauen kann, berichten die Forscher online vorab im Fachjournal "Advanced Materials". Als nächstes wollen sie ihre neue Technik auch auf deutlich größere und kleinere Dimensionen ausweiten sowie weitere Materialien austesten.

Die Schwierigkeit lag zunächst im Finden der geeigneten Tinte, aus welcher die zu faltende Origami-Grundform gedruckt wird: "Die meisten unserer Tinten basieren auf wässrigen Mischungen, also trocknen sie schnell, werden sehr steif und können beim Falten brechen", erklärt Jennifer Lewis, Professorin für Materialforschung an der University of Illinois. Die "Tinten" der Materialforscher enthalten metallische oder keramische Teilchen, welche nach einem finalen Aushärten die Form aufrecht erhalten. Um die gedruckten Flächen biegsam genug für das Falten und gleichzeitig fest genug zu halten, um nicht einzufallen, orientierten sich die Forscher um Lewis am so genannten Wetfolding-Origami. Dabei benetzen Origami-Falter ihr Papier zeitweise mit Wasser oder Kleister, um besser die gewünschte Form zu erreichen. Lewis' Team mischte also schnell und langsam trocknende Lösungsmittel in ihre Tinte, so dass das Grundblatt teilweise trocknet, aber doch mehrere Faltschritte übersteht. Der Kranich aus Titanhydrid benötigte 15 Faltschritte. Ein weiteres Problem löste das Team mithilfe des Kollegen David Dunand von der Northwestern University, der bereits mit Titanhydrid-Tinten experimentiert hatte - die druckbare Mischung soll zu metallischem Titan aushärten, ohne Verunreinigungen etwa durch das Lösungsmittel.

Ganz neue Möglichkeiten bietet die Methode, so Lewis, und verweist auf die überhängenden dünnen Flügel des Kranichs: "Man kann sehr schnell sehr komplexe Strukturen herstellen, die durch herkömmliche Fabrikationstechniken einfach nicht zu machen sind". Obendrein ließen sich unterschiedlichste flache Grundformen drucken, die ganz neue gefaltete Strukturen möglich machen. Nun will das Team sein Spektrum an Tinten erweitern, so Dunand, auf weitere Keramiken und Metalle: von Stählen zu Kobalt- und Nickel-basierten Legierungen, Edelmetallen und besonders robusten Refraktärmetallen. Auch verfolgt es die Idee deutlich größerer sowie kleinerer Formen und mögliche Anwendungen in der Biomedizin, Sensorik oder auch in leichtgewichtigen technischen Konstruktionen.