韓國首爾國立大學(xué)研究人員用筆進行4D打印

導(dǎo)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(shù)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(shù)，直接利用2D畫作轉(zhuǎn)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(xué)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(jù)文章描述，研究人員使用墨水筆制作2D圖畫，然后通過化學(xué)浸泡將2D平面圖轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換實現(xiàn)簡單、直觀的3D制造。（B）4D打印過程。墨水干燥后，產(chǎn)生疏水性薄膜。當(dāng)浸入單體溶液中，2D圖通過STAT轉(zhuǎn)換為3D結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)是浮動還是固定。在干墨膜的3D結(jié)構(gòu)周圍生成聚合物涂層，增強結(jié)構(gòu)。（D）取決于水位的2D到3D轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（右）。比例尺：5毫米。 圖片來源：首爾國立大學(xué)。

研究團隊稱開發(fā)了一種“基于筆的4D打印”技術(shù)，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(gòu)。這種方法基于一種形變機制，依賴于表面張力驅(qū)動選擇性油墨剝離和墨膜浮起，被稱為表面張力輔助轉(zhuǎn)化（STAT）。研究人員通過“類3D打印技術(shù)”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(zhì)。這種物質(zhì)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(dāng)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(dāng)?shù)奈恢�，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(jié)合，可進行精確繪圖和批量生產(chǎn)。（D）與模擬轉(zhuǎn)換結(jié)果相比，在不同水位高度處的順序轉(zhuǎn)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(xué)。

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(zhì)。這種方法可以擴展到比傳統(tǒng)3D打印技術(shù)更快速的大規(guī)模3D生產(chǎn)過程。使用改進的2D打印機，可以一次生產(chǎn)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(jié)構(gòu)。（B）演示“不可能的瓶子”的構(gòu)造。通過在柔性PDMS膠片上進行繪制，可以在狹窄的空間內(nèi)對3D架構(gòu)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(chǎn)。通過R2R加工制成的產(chǎn)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(xué)。

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(fù)性和準(zhǔn)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(chǎn)3D幾何形狀。團隊還使用了磁性材料，測試磁驅(qū)動的軟機器人設(shè)計。研究人員認(rèn)為，這項技術(shù)可以克服3D打印的一些缺點，能夠進行現(xiàn)場生產(chǎn)，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