Science Advances | 神奇墨水將2D打印變換為3D和4D打印

來源：SunP Biotech

韓國UNIST Jiyun Kim與首爾大學(xué)Sunghoon Kwon等在Science Advances上發(fā)表題為“Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings”的文章。

摘要：2D繪圖是一種允許簡單，廉價且直觀的二維（2D）制造的方法。為了將鋼筆繪制的這些優(yōu)點集成到制造3D對象，研究者開發(fā)了可以將鋼筆繪制的2D前體直接轉(zhuǎn)換為3D幾何形狀的技術(shù)。當(dāng)將筆浸入單體水溶液中時，通過表面張力驅(qū)動的毛細(xì)管剝離和干燥的墨膜浮起，可以促進(jìn)筆圖的2D到3D轉(zhuǎn)換。對2D前體的浮動和錨固部分的選擇性控制使2D工程圖可以轉(zhuǎn)換為設(shè)計的3D結(jié)構(gòu)。然后可以使用表面引發(fā)的聚合反應(yīng)通過結(jié)構(gòu)加固來固定變換后的3D幾何形狀。通過將簡單的筆畫2D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。

打印原理：這種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)動的選擇性油墨剝離和干墨膜浮起，被稱為表面張力輔助轉(zhuǎn)化（STAT）（圖1C）。包含PVB樹脂的干擦標(biāo)記筆墨水在干燥后形成疏水性薄膜。當(dāng)浸入水溶液中時，PVB薄膜會在溶液滲透到由毛細(xì)力驅(qū)動的薄膜與基材界面的過程中從基材上脫落。然后，由于表面張力，分離的PVB膜浮在溶液表面上（圖1C）。為了將其應(yīng)用擴(kuò)展到2D到3D轉(zhuǎn)換技術(shù)，研究者首先引入了薄膜的選擇性剝離和浮動，以將2D繪圖轉(zhuǎn)換為3D結(jié)構(gòu)。由于剝離的發(fā)生取決于薄膜與基材之間的粘合力，因此我們通過控制油墨組成來開發(fā)出兩種具有不同粘合力的油墨。通過這種方式，可以通過有選擇地確定圖形的浮動部分和錨定部分來進(jìn)行2D到3D轉(zhuǎn)換的可編程設(shè)計。在筆繪圖根據(jù)水位從2D轉(zhuǎn)換為3D之后，PVB膜的3D結(jié)構(gòu)被固定，并通過表面催化引發(fā)的自由基聚合（SCIRP）（一種聚合物涂覆工藝）得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。即使從溶液中移除后，它也允許變換后的3D對象保留其結(jié)構(gòu)。結(jié)果，初始前體會根據(jù)水位而變形，并可以通過使用包含過硫酸鉀（KPS）的單體溶液通過SCIRP進(jìn)行進(jìn)一步固定（圖1D）。

△基于筆的4D打印可以將2D筆繪圖簡單地轉(zhuǎn)換為3D結(jié)構(gòu)

△2D筆圖可以根據(jù)水位高度轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)

△通過SCIRP對轉(zhuǎn)換后的3D形狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固

△基于筆的4D打印實現(xiàn)了“隨處可見的3D打印”和R2R 3D制造

參考文獻(xiàn)
Seo Woo Song. et al. Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings. Science Advances 24 Mar 2021:Vol. 7, no. 13, eabf3804

DOI: 10.1126/sciadv.abf3804