I disegni a penna possono consentire semplici, fabbricazione bidimensionale (2D) economica e intuitiva. Gli scienziati dei materiali mirano a integrare tali disegni a penna per sviluppare oggetti 3D. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Vedi Woo Song et al. ha sviluppato un nuovo metodo di fabbricazione 3D per trasformare direttamente i precursori 2D disegnati a penna in geometrie 3D. Il team ha facilitato la trasformazione da 2D a 3D dei disegni a penna utilizzando il peeling capillare guidato dalla tensione superficiale e il galleggiamento della pellicola di inchiostro essiccato dopo aver immerso il disegno in una soluzione acquosa di monomero. Controllando e ancorando selettivamente le parti di un precursore 2D, Canzone et al. trasformato un disegno 2D nella struttura 3D progettata. Hanno quindi fissato la geometria 3D trasformata utilizzando il rinforzo strutturale utilizzando la polimerizzazione avviata dalla superficie. Gli scienziati hanno trasformato semplici strutture 2D disegnate a penna in complesse architetture 3D per realizzare prototipi rapidi freestyle con disegni a penna, inclusa la produzione di massa di oggetti 3D attraverso l'elaborazione roll-to-roll.

Il metodo da 2D a 3D

Le strutture planari bidimensionali possono essere trasformate in forme 3D utilizzando una strategia basata sulla tecnologia 2D-to-3D. Il metodo di fabbricazione 2D è semplice e adatto per la produzione di massa, sebbene il suo output sia limitato a strutture planari. In confronto, Le strutture 3D possono formare oggetti tangibili del mondo reale per una varietà di strutture anche se in un processo lento e complesso. I processi di trasformazione da 2D a 3D possono quindi aumentare la produttività e la semplicità durante la fabbricazione 3D dai precursori iniziali 2D. In questo lavoro, Canzone et al. ha sviluppato la stampa 4D basata su penna per formare architetture 3D fluttuanti direttamente da disegni a penna 2D in una soluzione monomerica. Il team ha basato il metodo su un meccanismo di trasformazione della forma basato sul peeling selettivo guidato dalla tensione superficiale e sul galleggiamento dell'inchiostro essiccato in un processo noto come "trasformazione assistita dalla tensione superficiale" (STAT). il processo è semplice ed intuitivo, senza elevate procedure tecniche per prevedere la trasformazione risultante. Il processo di stampa 4D basato su penna richiedeva solo penne da disegno e una soluzione monomerica per la formazione di strutture 3D accessibili. La progettazione assistita da computer (CAD) e i sistemi di stampa automatica possono essere introdotti per una fabbricazione e una produzione di massa più precise.

Quando un disegno 2D è entrato nella soluzione del monomero, il film di polivinilbutirrato (PVB) potrebbe essere spellato a seconda del lavoro termodinamico di adesione. Per esempio, i marcatori cancellabili a secco commerciali includono tensioattivi che riducono l'adesione dell'inchiostro per creare un disegno che può essere facilmente rimosso da un substrato. Quando il team ha rimosso i tensioattivi dall'inchiostro, potrebbero facilmente staccare il materiale. In base al principio, Canzone et al. ha sviluppato un inchiostro galleggiante con tensioattivo e un inchiostro di ancoraggio senza tensioattivo per disegnare gli aspetti galleggianti e ancoranti di un'arte. Quando hanno immerso una tale arte nella soluzione, le parti disegnate con inchiostro galleggiante con una bassa adesione potrebbero essere staccate dalla struttura 3D prevista. Gli scienziati hanno utilizzato un sistema di disegno a penna assistito da computer per una migliore precisione e una produzione di massa con un'elevata riproducibilità.

Rinforzo strutturale mediante polimerizzazione radicalica ad avvio catalitico superficiale (SCIRP).

Canzone et al. trasformato facilmente il film di butirrato di polivinile 2D in progettato, strutture 3D complesse che utilizzano STAT (trasformazione assistita da tensione superficiale). Potevano solo mantenere la struttura sott'acqua a causa della tensione interfacciale tra la componente galleggiante e la superficie dell'acqua. Di conseguenza, il team ha sviluppato un metodo di rinforzo strutturale utilizzando SCIRP per consentire all'oggetto 3D di mantenere la sua struttura fuori dall'acqua. Gli scienziati hanno sviluppato questo metodo sulla base del lavoro precedente sui rivestimenti in idrogel con microparticelle di ferro. Il team ha utilizzato il processo SCIRP per galleggiare inchiostro contenente microparticelle di ferro e una soluzione di monomero contenente persolfato di potassio (KPS) invece di inchiostro galleggiante standard e acqua. Le particelle di ferro hanno accelerato la decomposizione degli ioni persolfato per creare radicali liberi sulla superficie del film di PVB (polivinilbutirrato). I ricercatori hanno determinato che le condizioni ottimali per SCIRP fossero il 40% delle microparticelle di ferro nell'inchiostro galleggiante con un'incubazione di 3 minuti. Hanno controllato le strutture 3D finali in base alla progettazione del disegno 2D iniziale e alla profondità della soluzione monomerica. Utilizzando polimeri, il team ha catturato le immagini utilizzando la luce blu-ultravioletta per visualizzare la trasformazione.

Stampa 4D basata su penna

L'approccio basato sulla penna ha consentito un alto grado di libertà nella scelta di un supporto di stampa, gli scienziati hanno mostrato come la stampa 4D basata su penna può essere applicata per creare strutture 3D su una varietà di substrati tra cui il vetro, plastica, poli (dimetilsilossano) PDMS, e anche su superfici naturali come pietra e foglia. Il lavoro ha consentito la fabbricazione 3D in luoghi difficili da stampare utilizzando processi di stampa 3D convenzionali, il team ha utilizzato il metodo per creare una "bottiglia impossibile" e per "stampare in 3D ovunque". Il team ha quindi utilizzato l'elaborazione roll-to-roll (R2R) con la stampa 4D per mostrare la produzione di massa di oggetti 3D su un'ampia area di film di polivinilcloruro sottile e flessibile. Il team si aspetta che questi metodi siano applicabili per sviluppare nuove possibilità durante la fabbricazione 3D rapida e di massa.

In questo modo, See Woo Song e colleghi hanno mostrato come la stampa 4D basata su penna abbia fornito un metodo facile e intuitivo per costruire strutture 3D da strutture stampate di dimensioni inferiori. Questi metodi possono ridurre i tempi e i costi di produzione. Utilizzando questa tecnica, gli scienziati saranno in grado di sviluppare ulteriormente metodi semplici ed efficienti per la fabbricazione 3D tramite tecnologie 2D con espansione alla stampa 4D.

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