熱點(diǎn)
用筆繪圖是一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、直觀的2D制作方法。在此，為了發(fā)揮用筆繪圖在3D物體制造中的優(yōu)勢(shì)，來(lái)自韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)的Sunghoon Kwon&蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所的Jiyun Kim等研究者，開(kāi)發(fā)了一種可以直接將筆畫(huà)的2D前體轉(zhuǎn)換成三維的3D制造技術(shù)。相關(guān)論文以題為“Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings”發(fā)表在Science Advances上。
將2D平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為3D結(jié)構(gòu)，已成為一種可將基于2D技術(shù)的優(yōu)勢(shì)融入到3D對(duì)象的制造中的策略。2D制造簡(jiǎn)單、適合大規(guī)模生產(chǎn)，但其輸出僅限于平面結(jié)構(gòu)。相比之下，3D制造可以創(chuàng)造出具有多種結(jié)構(gòu)的有形現(xiàn)實(shí)物體，但設(shè)計(jì)和制造過(guò)程相對(duì)緩慢和復(fù)雜。因此，2D-3D轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以通過(guò)從容易制備的2D初始前體構(gòu)建復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)來(lái)提高3D制造的效率和簡(jiǎn)單性。2D到3D轉(zhuǎn)換技術(shù)，如折紙、屈曲、形狀記憶復(fù)合材料和4D打印，是通過(guò)折疊、彎曲和組裝2D平面薄片到設(shè)計(jì)的3D結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而由于需要可變形的智能材料、功能基板或額外的儀器，如3D打印機(jī)，可以打印出實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化機(jī)制所需的多層結(jié)構(gòu)，但這些技術(shù)的可獲得性可能是不夠的。
在2D空間中，筆是最具創(chuàng)意、最方便、最常見(jiàn)的表達(dá)思想的工具。筆畫(huà)的優(yōu)勢(shì)在于，它的高可訪問(wèn)性、高便攜性、自由式可用性和現(xiàn)場(chǎng)可制造性。這些特性使得畫(huà)筆，在微流體、柔性電子、可穿戴設(shè)備和顯示領(lǐng)域可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自由制作。此外，基于筆的方法可以與現(xiàn)有的2D打印系統(tǒng)(如筆繪圖機(jī))相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高水平的精度和大規(guī)模生產(chǎn)。盡管有這樣的優(yōu)勢(shì)，但直到筆式3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)出來(lái)之前，筆通常被視為只能在2D表面上使用的繪圖工具。筆式3D打印機(jī)，提供了一種將筆作為直接3D制作工具的策略，但在空白空間中控制筆并不像在2D平面上使用筆那樣快捷和方便。因此，研究者的目標(biāo)是通過(guò)開(kāi)發(fā)2D-to-3D轉(zhuǎn)換技術(shù)，將2D筆畫(huà)在2D表面上轉(zhuǎn)換成有形的3D物體，將2D筆畫(huà)的優(yōu)點(diǎn)融入到更快速、更直觀的3D制作過(guò)程中。雖然以前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種形狀變形技術(shù)，但沒(méi)有一種是用筆實(shí)現(xiàn)的，這可以是卓越的快速原型方法，結(jié)合了自由式可用性和高吞吐量的優(yōu)勢(shì)。
在此，研究者開(kāi)發(fā)了一種“基于畫(huà)筆的4D打印”，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將2D筆圖直接制造3D架構(gòu)(圖1,A和B)。該方法基于一種形狀變形機(jī)制，該機(jī)制依賴于表面張力驅(qū)動(dòng)的干燥油墨膜的選擇性剝離和漂浮，稱為表面張力輔助轉(zhuǎn)化(STAT)(圖1C)。一種含有聚乙烯醇縮丁醛(PVB)樹(shù)脂的干式擦除標(biāo)記油墨，在干燥后形成疏水性薄膜。當(dāng)PVB膜浸入水溶液中，溶液在毛細(xì)管力的作用下，滲透到膜-底界面，使PVB膜與基材分離。然后，分離的PVB膜，由于表面張力漂浮在溶液表面(圖1C)。
當(dāng)繪圖浸入水溶液時(shí)，由表面張力驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管剝離和干燥油墨膜的浮起，有助于筆畫(huà)的2D-3D轉(zhuǎn)換。選擇控制2D前驅(qū)體的浮動(dòng)和錨定部件，可以將2D圖紙轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)的3D結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換后的3D幾何形狀，可以通過(guò)表面引發(fā)聚合的結(jié)構(gòu)加固來(lái)固定。通過(guò)將簡(jiǎn)單的筆畫(huà)2D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，該方法快速且適合大批量生產(chǎn)。
綜上所述，研究者開(kāi)發(fā)了STAT，作為一種基于真實(shí)2D-3D轉(zhuǎn)換的新型形狀變形機(jī)制，拓寬了4D打印機(jī)制的種類。研究者的基于筆的4D打印，只需要一支記號(hào)筆，比3D打印機(jī)更簡(jiǎn)單和更快。盡管基于筆的4D打印，僅限于兩個(gè)錨定表面的幾何形狀，但它采用筆作為3D制作界面，允許自由式3D制作，而不局限于特定的基材。以上優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致了現(xiàn)有技術(shù)的潛力，可訪問(wèn)和快速制造應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括電氣應(yīng)用，軟機(jī)器人和生物應(yīng)用等。這項(xiàng)研究能夠有望進(jìn)一步發(fā)展，基于2D技術(shù)的簡(jiǎn)單而高效的3D制作技術(shù)，并進(jìn)一步擴(kuò)展4D打印的價(jià)值。
內(nèi)容轉(zhuǎn)自：微信公眾號(hào)“材料科學(xué)與工程”
