Les dessins à la plume peuvent permettre des fabrication bidimensionnelle (2D) peu coûteuse et intuitive. Les scientifiques des matériaux visent à intégrer de tels dessins au stylo pour développer des objets 3D. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Voir Woo Song et al. a développé une nouvelle méthode de fabrication 3D pour transformer directement les précurseurs 2D dessinés au stylo en géométries 3D. L'équipe a facilité la transformation 2D en 3D de dessins au stylo à l'aide d'un pelage capillaire entraîné par tension de surface et d'un flottement du film d'encre séché après avoir plongé le dessin dans une solution aqueuse de monomère. En contrôlant et ancrant sélectivement les pièces d'un précurseur 2D, Song et al. transformé un dessin 2D dans la structure 3D conçue. Ils ont ensuite fixé la géométrie 3D transformée à l'aide d'un renforcement structurel à l'aide d'une polymérisation initiée par la surface. Les scientifiques ont transformé de simples structures 2D dessinées au stylo en architectures 3D complexes pour réaliser un prototypage rapide et libre avec des dessins au stylo, y compris la production en série d'objets 3D via un traitement roll-to-roll.

La méthode 2D à 3D

Les structures planaires bidimensionnelles peuvent être transformées en formes 3D à l'aide d'une stratégie de technologie basée sur la 2D à 3D. La méthode de fabrication 2D est simple et adaptée à la production en série, bien que sa production soit limitée aux structures planaires. En comparaison, Les structures 3D peuvent former des objets tangibles du monde réel pour une variété de structures, bien que dans un processus lent et complexe. Les processus de transformation 2D en 3D peuvent donc augmenter le débit et la simplicité lors de la fabrication 3D à partir de précurseurs initiaux 2D. Dans ce travail, Song et al. a développé l'impression 4D à base de stylo pour former des architectures 3D flottantes directement à partir de dessins au stylo 2D dans une solution de monomère. L'équipe a basé la méthode sur un mécanisme de morphing de forme reposant sur un pelage sélectif et un flottement d'encre séchée entraînés par la tension de surface dans un processus connu sous le nom de « transformation assistée par tension de surface » (STAT). le processus est simple et intuitif, sans procédures techniques élevées pour prédire la transformation qui en résulte. Le processus d'impression 4D à base de stylos ne nécessitait que des stylos de dessin et une solution de monomère pour la formation de structures 3D accessibles. Des systèmes de conception assistée par ordinateur (CAO) et d'impression automatique peuvent être introduits pour une fabrication et une production de masse plus précises.

Lorsqu'un dessin 2D est entré dans la solution de monomère, le film de polybutyrate de vinyle (PVB) pourra être pelé en fonction du travail thermodynamique d'adhésion. Par exemple, les marqueurs effaçables à sec du commerce comprennent des tensioactifs qui réduisent l'adhérence de l'encre pour créer un dessin qui peut être facilement décollé d'un substrat. Lorsque l'équipe a retiré les tensioactifs de l'encre, ils pourraient facilement décoller le matériau. Basé sur le principe, Song et al. a développé une encre flottante avec tensioactif et une encre d'ancrage sans tensioactif pour dessiner les aspects flottants et d'ancrage d'un art. Quand ils ont submergé un tel art dans la solution, les pièces dessinées à l'encre flottante avec une faible adhérence pourraient être décollées de la structure 3D prévue. Les scientifiques ont utilisé un système de dessin au stylo assisté par ordinateur pour une meilleure précision et une production en série avec une reproductibilité élevée.

Renforcement structurel par polymérisation radicalaire initiée catalytiquement en surface (SCIRP).

Song et al. facilement transformé le film de butyrate de polyvinyle 2D en conçu, structures 3D complexes à l'aide de STAT (transformation assistée par tension de surface). Ils ne pouvaient maintenir la structure que sous l'eau en raison de la tension interfaciale entre le composant flottant et la surface de l'eau. Par conséquent, l'équipe a développé une méthode de renforcement structurel à l'aide du SCIRP pour permettre à l'objet 3D de conserver sa structure hors de l'eau. Les scientifiques ont développé cette méthode sur la base de travaux antérieurs sur les revêtements d'hydrogel avec des microparticules de fer. L'équipe a utilisé le processus SCIRP pour faire flotter de l'encre contenant des microparticules de fer et une solution de monomère contenant du persulfate de potassium (KPS) au lieu de l'encre flottante standard et de l'eau. Les particules de fer ont accéléré la décomposition des ions persulfate pour créer des radicaux libres à la surface du film de PVB (polyvinyl butyrate). Les chercheurs ont déterminé que les conditions optimales pour le SCIRP représentaient 40 % des microparticules de fer dans l'encre flottante avec une incubation de 3 minutes. Ils ont contrôlé les structures 3D finales en fonction de la conception du dessin 2D initial et de la profondeur de la solution de monomère. Utilisation de polymères, l'équipe a capturé les images en utilisant la lumière bleu-ultraviolet pour visualiser la transformation.

Impression 4D au stylo

L'approche basée sur le stylo a permis un degré élevé de liberté lors de la sélection d'un substrat d'impression, les scientifiques ont montré comment l'impression 4D au stylo peut être appliquée pour créer des structures 3D sur une variété de substrats, y compris le verre, Plastique, poly (diméthyl siloxane) PDMS, et même sur des surfaces naturelles telles que la pierre et la feuille. Le travail a permis la fabrication 3D dans des endroits difficiles à imprimer en utilisant des procédés d'impression 3D conventionnels, l'équipe a utilisé la méthode pour créer une "bouteille impossible" et pour "imprimer en 3D partout". L'équipe a ensuite utilisé le traitement roll-to-roll (R2R) avec impression 4D pour montrer la production en série d'objets 3D sur une grande surface de film de polychlorure de vinyle mince et flexible. L'équipe s'attend à ce que ces méthodes soient applicables pour développer de nouvelles possibilités lors de la fabrication 3D rapide et de masse.

De cette façon, Voir Woo Song et ses collègues ont montré comment l'impression 4D au stylo fournissait une méthode simple et intuitive pour construire des structures 3D à partir de structures imprimées de dimensions inférieures. Ces procédés peuvent réduire le temps et le coût de fabrication. En utilisant cette technique, les scientifiques pourront continuer à développer des méthodes simples et efficaces pour la fabrication 3D via les technologies 2D avec une extension à l'impression 4D.

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