Pennteckningar kan tillåta enkla, billig och intuitiv tvådimensionell (2D) tillverkning. Materialforskare strävar efter att integrera sådana pennteckningar för att utveckla 3D-objekt. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Se Woo Song et al. utvecklat en ny 3D-tillverkningsmetod för att direkt omvandla penndragna 2D-prekursorer till 3D-geometrier. Teamet underlättade 2D-till-3D-transformationen av pennteckningar med ytspänningsdriven kapillärfräsning och flytning av den torkade bläckfilmen efter att ha doppat ritningen i en vattenhaltig monomerlösning. Genom att selektivt kontrollera och förankra delarna av en 2D-prekursor, Song et al. omvandlade en 2D-ritning till den designade 3D-strukturen. De fixade sedan den transformerade 3D-geometrin med hjälp av strukturell förstärkning med ytinitierad polymerisation. Forskarna omvandlade enkla pennritade 2D-strukturer till komplexa 3D-arkitekturer för att åstadkomma freestyle-snabbprototyper med pennritningar inklusive massproduktion av 3D-objekt genom roll-to-roll-bearbetning.

2D-till-3D-metoden

Tvådimensionella plana strukturer kan omvandlas till 3D-former med en strategi av 2D-till-3D-baserad teknologi. Metoden för 2D-tillverkning är enkel och lämpad för massproduktion, även om dess produktion är begränsad till plana strukturer. I jämförelse, 3D-strukturer kan bilda påtagliga verkliga objekt för en mängd olika strukturer om än i en långsam och komplex process. 2D till 3D-transformationsprocesserna kan därför öka genomströmningen och enkelheten under 3D-tillverkning från initiala 2D-prekursorer. I det här arbetet, Song et al. utvecklat pennbaserad 4D-utskrift för att bilda flytande 3D-arkitekturer direkt från 2D-pennritningar i en monomerlösning. Teamet baserade metoden på en formförvandlingsmekanism som förlitar sig på ytspänningsdriven selektiv peeling och flytning av torkat bläck i en process som kallas "ytspänningsassisterad transformation" (STAT). processen är enkel och intuitiv, utan höga tekniska procedurer för att förutsäga den resulterande transformationen. Den pennbaserade 4D-utskriftsprocessen krävde endast ritpennor och en monomerlösning för tillgänglig 3D-strukturbildning. Datorstödd design (CAD) och automatiska utskriftssystem kan introduceras för mer exakt tillverkning och massproduktion.

När en 2D-ritning kom in i monomerlösningen, polyvinylbutyratfilmen (PVB) kan skalas av beroende på det termodynamiska vidhäftningsarbetet. Till exempel, kommersiella torrraderingsmarkörer inkluderar ytaktiva ämnen som sänker vidhäftningen av bläcket för att skapa en ritning som lätt kan dras av från ett substrat. När teamet tog bort ytaktiva ämnen från bläcket, de kunde lätt skala av materialet. Baserat på principen, Song et al. utvecklat ett flytande bläck med ytaktivt ämne och ett förankringsbläck utan ytaktivt ämne för att dra de flytande och förankrande aspekterna av en konst. När de sänkte en sådan konst i lösningen, delarna ritade med flytande bläck med låg vidhäftning kunde skalas bort från den avsedda 3D-strukturen. Forskarna använde ett datorstödt pennritningssystem för bättre precision och massproduktion med hög reproducerbarhet.

Strukturell förstärkning genom ytkatalytiskt initierad radikalpolymerisation (SCIRP).

Song et al. förvandlade enkelt 2D-polyvinylbutyratfilmen till designad, komplexa 3D-strukturer med hjälp av STAT (ytspänningsassisterad transformation). De kunde bara behålla strukturen under vattnet på grund av gränsytspänningen mellan den flytande komponenten och vattenytan. Som ett resultat, teamet utvecklade en strukturell förstärkningsmetod med hjälp av SCIRP för att låta 3D-objektet behålla sin struktur utanför vatten. Forskarna utvecklade denna metod på basis av tidigare arbete med hydrogelbeläggningar med järnmikropartiklar. Teamet använde SCIRP-processen för att flyta bläck innehållande järnmikropartiklar och en monomerlösning innehållande kaliumpersulfat (KPS) istället för flytande standardbläck och vatten. Järnpartiklarna påskyndade nedbrytningen av persulfatjoner för att skapa fria radikaler vid ytan av PVB-filmen (polyvinylbutyrat). Forskarna fastställde de optimala förhållandena för SCIRP att vara 40 procent av järnmikropartiklarna i det flytande bläcket med 3-minuters inkubation. De kontrollerade de slutliga 3D-strukturerna baserat på designen av den initiala 2D-ritningen och djupet av monomerlösningen. Använda polymerer, teamet tog bilderna med blått-ultraviolett ljus för att visualisera transformationen.

Pennbaserad 4D-utskrift

Det pennbaserade tillvägagångssättet tillät en hög grad av frihet vid val av utskriftssubstrat, forskarna visade hur den pennbaserade 4D-utskriften kan användas för att skapa 3D-strukturer på en mängd olika substrat inklusive glas, plast, poly (dimetylsiloxan) PDMS, och även på naturliga ytor som sten och löv. Arbetet möjliggjorde 3D-tillverkning på platser som är svåra att skriva ut med hjälp av konventionella 3D-utskriftsprocesser, teamet använde metoden för att skapa en "omöjlig flaska" och för att "3D-printa överallt." Teamet använde sedan roll-to-roll (R2R)-bearbetning med 4D-utskrift för att visa massproduktion av 3D-objekt på ett stort område av tunn och flexibel polyvinylkloridfilm. Teamet förväntar sig att dessa metoder ska vara användbara för att utveckla nya möjligheter under snabb och massvis 3D-tillverkning.

På det här sättet, Se Woo Song och kollegor visade hur pennbaserad 4D-utskrift gav en enkel och intuitiv metod att konstruera 3D-strukturer från lägre dimensionella tryckta strukturer. Dessa metoder kan sänka tillverkningstiden och kostnaden. Genom att använda denna teknik, forskare kommer att kunna vidareutveckla enkla och effektiva metoder för 3D-tillverkning via 2D-teknik med expansion till 4D-utskrift.

© 2021 Science X Network