韩国首尔国立大学研究人员用笔进行4D打印

3D打印资讯
2021
04/07
09:07
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导读:提起用笔绘图,我们首先想到的是一种简单、廉价且直观的二维(2D)制造的方法。随着增材制造技术的普及,3D打印笔的出现能够让人轻松3D立体作画,进一步降低了3D打印的门槛。那么问题来了,我们是否能够找到一种新的4D作画方法,省却3D打印笔使用的熔丝制造技术,直接利用2D画作转换为3D几何形状?

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△4D打印过程

南极熊获悉,Science Advances杂志于2021年3月24日刊登文章,由韩国首尔国立大学的研究团队通过展示使用传统笔来创建4D打印对象,进一步为简化制造过程提出了一种新的可能。根据文章描述,研究人员使用墨水笔制作2D图画,然后通过化学浸泡将2D平面图转换为3D几何形状。

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△(A)4D打印的概念图。基于笔的4D打印可通过图形的2D到3D转换实现简单、直观的3D制造。(B)4D打印过程。墨水干燥后,产生疏水性薄膜。当浸入单体溶液中,2D图通过STAT转换为3D结构。在单体溶液中浸泡3分钟后,通过SCIRP固定变形的3D形状。(C)STAT和SCIRP机制。施加的墨水类型确定结构是浮动还是固定。在干墨膜的3D结构周围生成聚合物涂层,增强结构。(D)取决于水位的2D到3D转换的顺序视图。SCIRP可以使用包含KPS离子的单体溶液进一步固定3D结构(右)。比例尺:5毫米。 图片来源:首尔国立大学。

研究团队称开发了一种“基于笔的4D打印”技术,使将2D绘图直接浸入溶液中即可直接从2D绘图制造3D架构。这种方法基于一种形变机制,依赖于表面张力驱动选择性油墨剥离和墨膜浮起,被称为表面张力辅助转化(STAT)。研究人员通过“类3D打印技术”在2D平面上作画,作画所用的墨水是一种叫聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的物质。这种物质在干燥后会形成疏水性薄膜,浸入水溶液之后会从光滑平面上脱离,然后因为表面张力的作用浮在溶液表面。为了进一步控制形变过程,团队还开发了一种墨水,当浸入水中时可以保持部分固定。通过将水替换为包含过硫酸钾(KPS)的单体溶液,即使模型从溶液中取出,涂有PVB的区域也会聚合并固定在适当的位置,这称为表面催化引发的自由基聚合(SCIRP)。

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△(A)浮动油墨和锚固油墨的成分。表面活性剂的存在决定PVB膜的漂浮性能。(B)PVB膜的断裂取决于墨水中PVB和增塑剂的比例。(C)绘图与自动打印系统相结合,可进行精确绘图和批量生产。(D)与模拟转换结果相比,在不同水位高度处的顺序转换。(E和F)基于笔的4D打印的可伸缩性。(E)毫米刻度。(F)仪表刻度。比例尺:5厘米(C)和2厘米(D)。 图片来源:首尔国立大学。

简而言之,团队演示了一种方法,通过使用锚固墨水、浮动墨水以及将材料硬化到位的KPS溶液来控制2D图形的3D性质。这种方法可以扩展到比传统3D打印技术更快速的大规模3D生产过程。使用改进的2D打印机,可以一次生产大量的模型。

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△(A)在各种基材上进行4D打印。甚至可以在曲面上制造3D结构。(B)演示“不可能的瓶子”的构造。通过在柔性PDMS胶片上进行绘制,可以在狭窄的空间内对3D架构进行现场重新配置,而这是常规3D打印机无法做到的。(C)基于R2R的4D打印,用于快速原型制作和批量生产。通过R2R加工制成的产品定量分析如图1所示。比例尺:2厘米。图片来源:首尔国立大学。

为了展示,研究人员使用了笔式绘图仪Axidraw自动创建具有高重复性和准确性的2D对象。由于绘制对象随环境变化变为3D,因此研究团队称这一过程可以视为4D打印的一种。工艺适用于多种基材,包括玻璃、塑料、聚(二甲基硅氧烷)PDMS、石材和树叶。这也扩展到了卷对卷过程,在薄而柔软的聚氯乙烯衬底上批量生产3D几何形状。团队还使用了磁性材料,测试磁驱动的软机器人设计。研究人员认为,这项技术可以克服3D打印的一些缺点,能够进行现场生产,并且可以即时修改打印对象。

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△磁性材料


参考阅读:
1. Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings
2. 4D Printing with a Pen by Seoul National UniversityResearchers



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