南韓科學家用這支麥克筆,送你一朵 3D 列印小紅花

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 03 日 0:00 | 分類 3D列印 , 材料 , 科技趣聞 Telegram share ! follow us in feedly


出現於 1990 年代的 3D 列印技術,能把電腦模型變成實物,可說是顛覆人們對傳統生產製造的認知。

2015 年,原本任職於 SpaceX 和藍色起源的兩位 90 後創立 Relativity Space 公司,旨在 3D 列印出商業軌道發射服務的運載火箭。2017 年,瑞士聯邦理工學院運用 3D 列印技術製造出世界第一個軟體人工心臟。

疫情期間,由於醫療防護物資緊缺,基於 3D 列印技術的口罩、護目鏡等一時間也派上了用場。3D 列印技術已在模具製造、工業設計、航空航太、工程施工、醫療、教育、地理訊息系統、汽車等垂直領域受到了廣泛應用,而 3D 列印通常採用數位技術材料列印機來實現,即常說的 3D 印表機。

3D 印表機雖然在工作原理上與普通列印機基本相同,但列印材料卻不同──3D 列印機內裝有粉末狀的金屬、陶瓷、砂、塑料等可黏合列印材料。除了 3D 列印機,還有什麼工具可 3D 製造?

最近一組南韓科學家有答案:看似平平無奇的麥克筆。用筆寫幾個字母,脫離玻璃「畫板」後,竟然變成 3D 立體。

2021 年 3 月24 日,相關研究成果發表於知名學術期刊《科學進展》(Science Advances),題為《Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings》(直接實現 2D-3D 轉換的畫筆)。

作者為南韓首爾國立大學(Bio-MAX 研究院、電子與電腦工程系、生物工程跨學科項目、奈米系統研究所)、國立蔚山科學技術院(材料科學與工程系、多維可編程物質研究中心)研究員。

一支神筆,兩種材料

無疑,2D 製造簡單,適合大規模生產,但輸出僅限平面結構。相比之下,3D 製造的設計和製造過程相對緩慢複雜。

基於此,科學家打造 3D 結構的思路是 2D 轉成 3D──也就是說,基於容易製備的 2D 結構,構建複雜的 3D 結構,從而使 3D 製造的效率提升、難度降低。之前就有科研團隊透過將 2D 平面薄片摺疊、彎曲和組裝,實現諸如摺紙、形狀記憶複合材料甚至 4D 列印的例子。

思路有了,要採用什麼載體實現呢?研究團隊想到 2D 空間最具創意、最方便也最常見的表達工具:筆。

他們希望透過開發新型 2D 轉 3D 技術,將畫筆下原本 2D 形狀轉換成 3D 物體。這基於形變機制,研究人員稱為「表面張力輔助轉化」(surface tension-assisted transformation,STAT)。

簡單來講就是,畫筆畫形狀、油墨變乾成膜後,受表面張力驅動的油墨膜會選擇性從「畫板」剝離。

(Source:Science Advances,下同)

問題來了,為什麼是選擇性剝離呢?原因就在研究團隊使用的兩種材料:

  • 含聚乙烯醇縮丁醛(PVB)樹脂的油墨,乾燥後形成疏水性薄膜。當 PVB 膜浸入水溶液,會受毛細作用力與「畫板」分離,接著受表面張力漂浮在水溶液表面。
  • 表面催化自由基聚合(SCIRP),即高分子塗層,主要用於固定、強化 PVB 薄膜的 3D 結構。

高自由度 2D 至 3D 轉變

這方法有很高自由度,主要在三方面。一是可在由各種材料製成的「畫板」製造 3D 結構,如玻璃、塑膠、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、陶瓷、金屬等。

二是「畫板」不必是平整表面,石頭、葉子都可製造 3D。

三是可在傳統 3D 列印系統難以列印的位置操作。如研究團隊基於聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜畫形狀,最終設計出「不可能的瓶子」。

(Source:Science Advances,下同)

這種「不可能的瓶子」在數學領域稱為「克萊因瓶」(Klein Bottle),指無定向性的平面,於拓樸學是不可定向的拓樸空間。可見這種形變機制簡單直覺,並不需很高的技術預測結構轉換,也不需笨重的設備。

這方法還可與傳統印刷技術相結合,結合繪圖(低成本、簡單)和印刷(大批量生產複製)特點,比如像下圖批量生產 3D 小紅花。

不難想像,未來基於 CAD(電腦輔助設計)和自動印刷系統,此方法將用於更精確的大量製造。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:Science Advances

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