韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花

投稿时间:2021-03-26  消息来源:  提交者:古姿女郎

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

【火箭发动机正在进行关键测试】OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

那么,除了 3D 打印机,还有什么工具可以实现 3D 造物? OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

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)。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花
OKX蔷薇网

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)。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

思路有了,具体采用什么载体来实现呢?OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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)。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

问题来了,为什么是选择性剥离呢?OKX蔷薇网

原因就在于研究团队用到的两种材料:OKX蔷薇网

  • 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。OKX蔷薇网

  • 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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

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”。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

韩国科学家要用这支马克笔,送你一朵 3D 打印小红花OKX蔷薇网

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。OKX蔷薇网

引用来源:OKX蔷薇网

https://advances.sciencemag.org/content/7/13/eabf3804 OKX蔷薇网

(公众号:)OKX蔷薇网

原创文章,未经授权禁止转载。详情见转载须知OKX蔷薇网

   顶一下    踩一下

共有 条评论

评论内容

记得先输入验证码,再发布评论哦!(点击验证码小图可以更新)