韓國首爾國立大學研究人員用筆進行4D打印

導讀：提起用筆繪圖，我們首先想到的是一種簡單,、廉價且直觀的二維（2D）制造的方法,。隨著增材制造技術的普及，3D打印筆的出現(xiàn)能夠讓人輕松3D立體作畫,，進一步降低了3D打印的門檻,。那么問題來了，我們是否能夠找到一種新的4D作畫方法,，省卻3D打印筆使用的熔絲制造技術,，直接利用2D畫作轉換為3D幾何形狀？

△4D打印過程

南極熊獲悉,，Science Advances雜志于2021年3月24日刊登文章,，由韓國首爾國立大學的研究團隊通過展示使用傳統(tǒng)筆來創(chuàng)建4D打印對象，進一步為簡化制造過程提出了一種新的可能,。根據文章描述,，研究人員使用墨水筆制作2D圖畫，然后通過化學浸泡將2D平面圖轉換為3D幾何形狀,。

△（A）4D打印的概念圖,�,；�于筆的4D打印可通過圖形的2D到3D轉換實現(xiàn)簡單,、直觀的3D制造。（B）4D打印過程,。墨水干燥后,，產生疏水性薄膜。當浸入單體溶液中，2D圖通過STAT轉換為3D結構,。在單體溶液中浸泡3分鐘后,，通過SCIRP固定變形的3D形狀。（C）STAT和SCIRP機制,。施加的墨水類型確定結構是浮動還是固定,。在干墨膜的3D結構周圍生成聚合物涂層，增強結構,。（D）取決于水位的2D到3D轉換的順序視圖,。SCIRP可以使用包含KPS離子的單體溶液進一步固定3D結構（右）。比例尺：5毫米,。 圖片來源：首爾國立大學,。

研究團隊稱開發(fā)了一種“基于筆的4D打印”技術，使將2D繪圖直接浸入溶液中即可直接從2D繪圖制造3D架構,。這種方法基于一種形變機制,，依賴于表面張力驅動選擇性油墨剝離和墨膜浮起，被稱為表面張力輔助轉化（STAT）,。研究人員通過“類3D打印技術”在2D平面上作畫,，作畫所用的墨水是一種叫聚乙烯醇縮丁醛（PVB）的物質。這種物質在干燥后會形成疏水性薄膜,，浸入水溶液之后會從光滑平面上脫離,，然后因為表面張力的作用浮在溶液表面。為了進一步控制形變過程,，團隊還開發(fā)了一種墨水,，當浸入水中時可以保持部分固定。通過將水替換為包含過硫酸鉀（KPS）的單體溶液,，即使模型從溶液中取出,，涂有PVB的區(qū)域也會聚合并固定在適當?shù)奈恢茫�這稱為表面催化引發(fā)的自由基聚合（SCIRP）,。

△（A）浮動油墨和錨固油墨的成分,。表面活性劑的存在決定PVB膜的漂浮性能。（B）PVB膜的斷裂取決于墨水中PVB和增塑劑的比例,。（C）繪圖與自動打印系統(tǒng)相結合,，可進行精確繪圖和批量生產。（D）與模擬轉換結果相比,，在不同水位高度處的順序轉換,。（E和F）基于筆的4D打印的可伸縮性。（E）毫米刻度,。（F）儀表刻度,。比例尺：5厘米（C）和2厘米（D）,。 圖片來源：首爾國立大學。

簡而言之,，團隊演示了一種方法,，通過使用錨固墨水、浮動墨水以及將材料硬化到位的KPS溶液來控制2D圖形的3D性質,。這種方法可以擴展到比傳統(tǒng)3D打印技術更快速的大規(guī)模3D生產過程,。使用改進的2D打印機，可以一次生產大量的模型,。

△（A）在各種基材上進行4D打印。甚至可以在曲面上制造3D結構,。（B）演示“不可能的瓶子”的構造,。通過在柔性PDMS膠片上進行繪制，可以在狹窄的空間內對3D架構進行現(xiàn)場重新配置,，而這是常規(guī)3D打印機無法做到的,。（C）基于R2R的4D打印，用于快速原型制作和批量生產,。通過R2R加工制成的產品定量分析如圖1所示,。比例尺：2厘米。圖片來源：首爾國立大學,。

為了展示,，研究人員使用了筆式繪圖儀Axidraw自動創(chuàng)建具有高重復性和準確性的2D對象。由于繪制對象隨環(huán)境變化變?yōu)?D,，因此研究團隊稱這一過程可以視為4D打印的一種,。工藝適用于多種基材，包括玻璃,、塑料,、聚（二甲基硅氧烷）PDMS、石材和樹葉,。這也擴展到了卷對卷過程,，在薄而柔軟的聚氯乙烯襯底上批量生產3D幾何形狀。團隊還使用了磁性材料,，測試磁驅動的軟機器人設計,。研究人員認為，這項技術可以克服3D打印的一些缺點,，能夠進行現(xiàn)場生產,，并且可以即時修改打印對象。

△磁性材料

參考閱讀：

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