Direkte 2D-til-3D transformation af pentegninger

Pentegninger kan tillade enkle, billig og intuitiv todimensionel (2D) fremstilling. Materialeforskere sigter mod at integrere sådanne pentegninger for at udvikle 3D-objekter. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskab fremskridt , Se Woo Song et al. udviklet en ny 3D-fremstillingsmetode til direkte at transformere pennetrukne 2D-prækursorer til 3D-geometrier. Teamet muliggjorde 2D-til-3D-transformation af pentegninger ved hjælp af overfladespændingsdrevet kapillærskalning og flydning af den tørrede blækfilm efter at have dyppet tegningen i en vandig monomeropløsning. Ved selektivt at kontrollere og forankre delene af en 2D-precursor, Song et al. transformeret en 2D-tegning til den designede 3D-struktur. De fikserede derefter den transformerede 3D-geometri ved hjælp af strukturel forstærkning ved hjælp af overfladeinitieret polymerisation. Forskerne transformerede simple pentegnede 2D-strukturer til komplekse 3D-arkitekturer for at opnå freestyle hurtig prototyping med pentegninger, herunder masseproduktion af 3D-objekter gennem roll-to-roll-behandling.

2D-til-3D-metoden

To-dimensionelle plane strukturer kan omdannes til 3D-former ved hjælp af en strategi med 2D-til-3D-baseret teknologi. Metoden til 2D fremstilling er enkel og velegnet til masseproduktion, selvom dets output er begrænset til plane strukturer. Sammenlignet med, 3D-strukturer kan danne håndgribelige objekter fra den virkelige verden til en række forskellige strukturer, omend i en langsom og kompleks proces. 2D til 3D-transformationsprocesserne kan derfor øge gennemløbet og enkelheden under 3D-fremstilling fra 2D-initielle forstadier. I dette arbejde, Song et al. udviklet pen-baseret 4D-print til at danne flydende 3D-arkitekturer direkte fra 2D-pentegninger i en monomer-løsning. Holdet baserede metoden på en form-morphing-mekanisme baseret på overfladespændingsdrevet selektiv peeling og flydende af tørret blæk i en proces kendt som 'overfladespændingsassisteret transformation' (STAT). processen er enkel og intuitiv, uden høje tekniske procedurer til at forudsige den resulterende transformation. Den pen-baserede 4D-printproces krævede kun tegnepenne og en monomerløsning til tilgængelig 3D-strukturdannelse. Computerstøttet design (CAD) og automatiske udskrivningssystemer kan introduceres til mere præcis fremstilling og masseproduktion.

Når en 2D-tegning kom ind i monomeropløsningen, polyvinylbutyrat (PVB) filmen kan skrælles afhængigt af det termodynamiske vedhæftningsarbejde. For eksempel, kommercielle tør-slettemarkører inkluderer overfladeaktive stoffer, der sænker vedhæftningen af ​​blækket for at skabe en tegning, der let kan skrælles af et substrat. Da holdet fjernede overfladeaktive stoffer fra blækket, de kunne nemt pille materialet af. Ud fra princippet, Song et al. udviklet en flydende blæk med overfladeaktivt stof og en forankringsfarve uden overfladeaktivt stof for at tegne de flydende og forankringsmæssige aspekter af en kunst. Da de nedsænkede en sådan kunst i løsningen, de dele, der er tegnet i flydende blæk med lav vedhæftning, kan pilles væk fra den tilsigtede 3D-struktur. Forskerne brugte et computerstøttet pen-tegnesystem til bedre præcision og masseproduktion med høj reproducerbarhed.

Strukturel forstærkning ved overfladekatalytisk initieret radikalpolymerisation (SCIRP).

Song et al. forvandlede let 2D polyvinylbutyratfilmen til designet, komplekse 3D-strukturer ved hjælp af STAT (overfladespændingsassisteret transformation). De kunne kun opretholde strukturen under vandet på grund af grænsefladespændingen mellem den flydende komponent og vandoverfladen. Som resultat, holdet udviklede en strukturel forstærkningsmetode ved hjælp af SCIRP for at tillade 3D-objektet at bevare sin struktur uden for vandet. Forskerne udviklede denne metode på grundlag af det foregående arbejde med hydrogelbelægninger med jernmikropartikler. Holdet brugte SCIRP-processen til at flyde blæk indeholdende jernmikropartikler og en monomeropløsning indeholdende kaliumpersulfat (KPS) i stedet for almindeligt flydende blæk og vand. Jernpartiklerne fremskyndede nedbrydningen af ​​persulfationer for at skabe frie radikaler på overfladen af ​​PVB (polyvinylbutyrat) filmen. Forskerne bestemte de optimale betingelser for SCIRP til at være 40 procent af jernmikropartiklerne i det flydende blæk med 3-minutters inkubation. De kontrollerede de endelige 3D-strukturer baseret på designet af den indledende 2D-tegning og dybden af ​​monomeropløsningen. Brug af polymerer, holdet fangede billederne ved hjælp af blåt-ultraviolet lys for at visualisere transformationen.

Pen-baseret 4D-print

Den pen-baserede tilgang tillod en høj grad af frihed ved valg af printsubstrat, forskerne viste, hvordan den pen-baserede 4D-printning kan anvendes til at skabe 3D-strukturer på en række forskellige substrater, herunder glas, plast, poly (dimethylsiloxan) PDMS, og endda på naturlige overflader som sten og blade. Arbejdet tillod 3D-fabrikation på steder, der er vanskelige at printe ved hjælp af konventionelle 3D-printprocesser, teamet brugte metoden til at oprette en "umulig flaske" og til "3D -print overalt." Holdet brugte derefter roll-to-roll (R2R)-behandling med 4D-print for at vise masseproduktionen af ​​3D-objekter på et stort område af tynd og fleksibel polyvinylchloridfilm. Holdet forventer, at disse metoder kan anvendes til at udvikle nye muligheder under hurtig og masse 3D-fremstilling.

På denne måde, Se Woo Song og kolleger viste, hvordan penbaseret 4D-udskrivning gav en let og intuitiv metode til at konstruere 3D-strukturer ud fra trykte strukturer med lavere dimensioner. Disse metoder kan reducere fremstillingstiden og omkostningerne. Ved hjælp af denne teknik, forskere vil være i stand til at videreudvikle enkle og effektive metoder til 3D-fremstilling via 2D-teknologier med udvidelse til 4D-print.

© 2021 Science X Network