Pentekeningen kunnen eenvoudige, goedkope en intuïtieve tweedimensionale (2D) fabricage. Materiaalwetenschappers willen dergelijke pentekeningen integreren om 3D-objecten te ontwikkelen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Zie Woo Song et al. ontwikkelde een nieuwe 3D-fabricagemethode om pengetekende 2D-precursoren direct om te zetten in 3D-geometrieën. Het team faciliteerde de 2D-naar-3D-transformatie van pentekeningen met behulp van capillaire peeling door oppervlaktespanning en het drijven van de gedroogde inktfilm nadat de tekening in een waterige monomeeroplossing was gedompeld. Door selectief de onderdelen van een 2D-precursor te controleren en te verankeren, Song et al. een 2D-tekening omgezet in de ontworpen 3D-structuur. Vervolgens hebben ze de getransformeerde 3D-geometrie gefixeerd met behulp van structurele versterking met behulp van oppervlakte-geïnitieerde polymerisatie. De wetenschappers transformeerden eenvoudige pengetekende 2D-structuren in complexe 3D-architecturen om freestyle rapid prototyping te realiseren met pentekeningen, inclusief de massaproductie van 3D-objecten door middel van roll-to-roll-verwerking.

De 2D-naar-3D-methode

Tweedimensionale vlakke structuren kunnen worden omgezet in 3D-vormen met behulp van een strategie van op 2D-naar-3D gebaseerde technologie. De methode van 2D-fabricage is eenvoudig en geschikt voor massaproductie, hoewel de uitvoer ervan beperkt is tot vlakke structuren. In vergelijking, 3D-structuren kunnen tastbare real-world objecten vormen voor een verscheidenheid aan structuren, zij het in een langzaam en complex proces. De 2D-naar-3D-transformatieprocessen kunnen daarom de doorvoer en eenvoud verhogen tijdens 3D-fabricage van 2D-initiële voorlopers. In dit werk, Song et al. ontwikkelde op pen gebaseerde 4D-printing om zwevende 3D-architecturen rechtstreeks vanuit 2D-pentekeningen in een monomeeroplossing te vormen. Het team baseerde de methode op een vormveranderend mechanisme dat vertrouwt op door oppervlaktespanning aangedreven selectieve peeling en drijven van gedroogde inkt in een proces dat bekend staat als 'surface tension-assisted transformation' (STAT). het proces is eenvoudig en intuïtief, zonder hoge technische procedures om de resulterende transformatie te voorspellen. Het op pen gebaseerde 4D-printproces vereiste alleen tekenpennen en een monomeeroplossing voor toegankelijke 3D-structuurvorming. Computer-aided design (CAD) en automatische printsystemen kunnen worden geïntroduceerd voor nauwkeurigere fabricage en massaproductie.

Toen een 2D-tekening de monomeeroplossing binnenkwam, de polyvinylbutyraat (PVB) film kan worden afgepeld afhankelijk van het thermodynamische werk van adhesie. Bijvoorbeeld, commerciële droog uitwisbare markers omvatten oppervlakteactieve stoffen die de hechting van de inkt verminderen om een ​​tekening te creëren die gemakkelijk van een substraat kan worden verwijderd. Toen het team oppervlakteactieve stoffen uit de inkt verwijderde, ze kunnen gemakkelijk van het materiaal afpellen. Op basis van het principe, Song et al. ontwikkelde een drijvende inkt met oppervlakteactieve stof en een ankerinkt zonder oppervlakteactieve stof om de drijvende en verankerende aspecten van een kunst te tekenen. Toen ze zo'n kunst in de oplossing dompelden, de delen die met zwevende inkt met een lage hechting zijn getekend, kunnen van de beoogde 3D-structuur worden afgepeld. De wetenschappers gebruikten een computerondersteund pentekensysteem voor een betere precisie en massaproductie met een hoge reproduceerbaarheid.

Structurele versterking door katalytisch geïnitieerde radicaalpolymerisatie aan het oppervlak (SCIRP).

Song et al. transformeerde de 2D-polyvinylbutyraatfilm gemakkelijk in ontworpen, complexe 3D-structuren met behulp van STAT (surface tension-assisted transformation). Ze konden de constructie alleen onder water houden vanwege de grensvlakspanning tussen de drijvende component en het wateroppervlak. Als resultaat, het team ontwikkelde een structurele versterkingsmethode met SCIRP om het 3D-object zijn structuur buiten het water te laten behouden. De wetenschappers ontwikkelden deze methode op basis van eerder werk aan hydrogelcoatings met ijzermicrodeeltjes. Het team gebruikte het SCIRP-proces om inkt te drijven die ijzermicrodeeltjes bevat en een monomeeroplossing die kaliumpersulfaat (KPS) bevat in plaats van standaard drijvende inkt en water. De ijzerdeeltjes versnelden de ontleding van persulfaat-ionen om vrije radicalen te creëren aan het oppervlak van de PVB-film (polyvinylbutyraat). De onderzoekers bepaalden dat de optimale omstandigheden voor SCIRP 40 procent van de ijzermicrodeeltjes in de zwevende inkt zijn met een incubatie van 3 minuten. Ze controleerden de uiteindelijke 3D-structuren op basis van het ontwerp van de eerste 2D-tekening en de diepte van de monomeeroplossing. Met behulp van polymeren, het team legde de beelden vast met blauw-ultraviolet licht om de transformatie te visualiseren.

Op pen gebaseerd 4D-printen

De pengebaseerde benadering gaf een hoge mate van vrijheid bij het selecteren van een printsubstraat, de wetenschappers lieten zien hoe het op pen gebaseerde 4D-printen kan worden toegepast om 3D-structuren te creëren op verschillende substraten, waaronder glas, plastic, poly (dimethylsiloxaan) PDMS, en zelfs op natuurlijke ondergronden zoals steen en blad. Het werk maakte 3D-fabricage mogelijk op locaties die moeilijk te printen zijn met conventionele 3D-printprocessen, het team gebruikte de methode om een ​​"onmogelijke fles" te maken en om "overal te 3D-printen". Het team gebruikte vervolgens roll-to-roll (R2R) -verwerking met 4D-printen om de massaproductie van 3D-objecten op een groot gebied van dunne en flexibele polyvinylchloridefilm te tonen. Het team verwacht dat deze methoden toepasbaar zijn om nieuwe mogelijkheden te ontwikkelen tijdens snelle en massale 3D-fabricage.

Op deze manier, See Woo Song en collega's lieten zien hoe op pen gebaseerd 4D-printen een gemakkelijke en intuïtieve methode bood om 3D-structuren te construeren van lagere dimensionale geprinte structuren. Deze methoden kunnen de productietijd en -kosten verlagen. Met behulp van deze techniek, wetenschappers zullen in staat zijn om eenvoudige en efficiënte methoden voor 3D-fabricage verder te ontwikkelen via 2D-technologieën met uitbreiding naar 4D-printen.

© 2021 Science X Network