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韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花

本文作者:付静 2021-03-26 18:28
导语:未来这一技术将有助于实现 3D 打印技术的大规模使用。

出现于上世纪 90 年代的 3D 打印技术,能把计算机上的模型变成实物,可以说是颠覆了人们对传统生产制造的认知。

2015 年,原本任职于 SpaceX 和蓝色起源的两位 90 后创立了 Relativity Space 公司,旨在 3D 打印出用于商业轨道发射服务的运载火箭。

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【火箭发动机正在进行关键测试】

2017 年,瑞士联邦理工学院运用 3D 打印技术制造出了世界上第一个软体人工心脏。

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疫情期间,由于医疗防护物资紧缺,基于 3D 打印技术的口罩、护目镜等一时间也派上了用场。

其实,3D 打印技术已在模具制造、工业设计、航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域受到了广泛应用,而 3D 打印通常采用数字技术材料打印机来实现,即我们常说的 3D 打印机。

3D 打印机虽然在工作原理上与普通打印机基本相同,但打印材料却不同——3D 打印机内装有粉末状的金属、陶瓷、砂、塑料等可粘合打印材料。

那么,除了 3D 打印机,还有什么工具可以实现 3D 造物? 

最近一组韩国科学家给出了答案:一支看似平平无奇的马克笔。

用笔写下几个字母,它们在脱离玻璃“画板”后,竟然有了 3D 立体的样子。

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2021 年 3 月 24 日,相关研究成果正式发表于知名学术期刊《科学-进展》(Science Advances),题为 Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings(直接实现 2D-3D 转换的画笔)。

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论文作者来自韩国首尔国立大学(Bio-MAX 研究院、电子与计算机工程系、生物工程跨学科项目、纳米系统研究所)、国立蔚山科学技术院(材料科学与工程系、多维可编程物质研究中心)。

一支神笔,两种材料

无疑,二维制造简单,适合大规模生产,但其输出仅限于平面结构。相比之下,3D 制造的设计和制造过程相对缓慢、复杂。

基于此,科学家们打造 3D 结构的一个思路是 2D 向 3D 转换——也就是说,基于容易制备的 2D 结构,构建复杂的 3D 结构,从而使得 3D 制造的效率提升、难度降低。此前就有科研团队通过将二维平面薄片折叠、弯曲和组装,实现了诸如折纸、形状记忆复合材料甚至 4D 打印的例子。

思路有了,具体采用什么载体来实现呢?

研究团队想到了二维空间中最具创意、最方便也最常见的思想表达工具:笔。

他们希望通过开发一种新型 2D-3D 转换技术,将画笔之下原本的 2D 形状转换成 3D 物体。

这一方法基于一种形变机制,研究人员将这种机制称为「表面张力辅助转化」(surface tension–assisted transformation,STAT)。

简单来讲就是,画笔画下形状、油墨变干成膜后,受到表面张力驱动的油墨膜会选择性从“画板”上剥离下来。

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问题来了,为什么是选择性剥离呢?

原因就在于研究团队用到的两种材料:

  • 一是含有聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂的油墨,在干燥后形成疏水性薄膜。当 PVB 膜浸入水溶液中,会受毛细作用力与“画板”分离,接着受表面张力漂浮在水溶液表面。

  • 二是表面催化自由基聚合(SCIRP),即一种高分子涂层,主要用于固定、强化 PVB 薄膜的 3D 结构。

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高自由度 2D-3D 转变

实际上,这种方法具有很高的自由度,主要体现在三个方面。

一是它可以在由各种材料制成的“画板”上制造 3D 结构,比如玻璃、塑料、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、陶瓷、金属等。

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二是“画板”也不必是平整的表面,石头、叶子上都可以进行 3D 制造。

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三是可以在传统 3D 打印系统难以打印的位置操作。比如研究团队基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上画下形状,最终设计出了“不可能的瓶子”。

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需要解释的是,上面这种“不可能的瓶子”在数学领域被称为是“克莱因瓶”(Klein Bottle),指一种无定向性的平面,在拓扑学中是一个不可定向的拓扑空间。

可见,这种形变机制简单直观,并不需要很高的技术水平来预测产生的结构转换,也不需要笨重的设备。

值得关注的是,这一方法还可以与传统印刷技术相结合,结合绘图(低成本、简单)和印刷(大批量生产复制)的特点,比如像下面这样批量生产 3D 小红花。

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不难想象,未来基于 CAD(计算机辅助设计)和自动印刷系统,这种方法将会用于更为精确的大批量制造。

引用来源:

https://advances.sciencemag.org/content/7/13/eabf3804

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