Los dibujos a lápiz pueden permitir Fabricación bidimensional (2D) económica e intuitiva. Los científicos de materiales tienen como objetivo integrar estos dibujos a lápiz para desarrollar objetos en 3D. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Véase Woo Song et al. desarrolló un nuevo método de fabricación 3D para transformar directamente los precursores 2D dibujados con lápiz en geometrías 3D. El equipo facilitó la transformación de 2D a 3D de dibujos a lápiz utilizando el pelado capilar impulsado por la tensión superficial y la flotación de la película de tinta seca después de sumergir el dibujo en una solución de monómero acuoso. Al controlar y anclar selectivamente las partes de un precursor 2D, Song y col. transformó un dibujo 2D en la estructura 3D diseñada. Luego arreglaron la geometría 3D transformada utilizando refuerzo estructural mediante polimerización iniciada en la superficie. Los científicos transformaron estructuras 2D simples dibujadas con lápiz en arquitecturas 3D complejas para lograr la creación rápida de prototipos de estilo libre con dibujos a lápiz, incluida la producción en masa de objetos 3D a través del procesamiento de rollo a rollo.

El método de 2D a 3D

Las estructuras planas bidimensionales se pueden transformar en formas 3D utilizando una estrategia de tecnología basada en 2D a 3D. El método de fabricación 2D es simple y adecuado para la producción en masa, aunque su salida se limita a estructuras planas. En comparación, Las estructuras 3D pueden formar objetos tangibles del mundo real para una variedad de estructuras, aunque en un proceso lento y complejo. Por lo tanto, los procesos de transformación de 2D a 3D pueden aumentar el rendimiento y la simplicidad durante la fabricación en 3D a partir de precursores iniciales en 2D. En este trabajo, Song y col. desarrolló la impresión 4D basada en lápiz para formar arquitecturas 3D flotantes directamente a partir de dibujos en lápiz 2D en una solución de monómero. El equipo basó el método en un mecanismo de transformación de forma que se basa en el pelado selectivo y la flotación de tinta seca impulsada por la tensión superficial en un proceso conocido como 'transformación asistida por tensión superficial' (STAT). el proceso es simple e intuitivo, sin altos procedimientos técnicos para predecir la transformación resultante. El proceso de impresión 4D basado en bolígrafos solo requería bolígrafos de dibujo y una solución de monómero para la formación de estructuras 3D accesibles. El diseño asistido por computadora (CAD) y los sistemas de impresión automática pueden introducirse para una fabricación más precisa y una producción en masa.

Cuando un dibujo 2D entró en la solución de monómero, la película de butirato de polivinilo (PVB) podría despegarse dependiendo del trabajo termodinámico de adhesión. Por ejemplo, Los marcadores comerciales de borrado en seco incluyen tensioactivos que reducen la adherencia de la tinta para crear un dibujo que se puede despegar fácilmente de un sustrato. Cuando el equipo eliminó los tensioactivos de la tinta, podrían despegar fácilmente el material. Basado en el principio, Song y col. desarrolló una tinta flotante con tensioactivo y una tinta de anclaje sin tensioactivo para dibujar los aspectos flotantes y de anclaje de un arte. Cuando sumergieron tal arte en la solución, las partes dibujadas con tinta flotante con una baja adherencia podrían desprenderse de la estructura 3D deseada. Los científicos utilizaron un sistema de dibujo a lápiz asistido por computadora para una mejor precisión y producción en masa con alta reproducibilidad.

Refuerzo estructural por polimerización de radicales iniciada catalíticamente en la superficie (SCIRP).

Song y col. transformó fácilmente la película de butirato de polivinilo 2D en un diseño, estructuras 3D complejas usando STAT (transformación asistida por tensión superficial). Solo pudieron mantener la estructura bajo el agua debido a la tensión interfacial entre el componente flotante y la superficie del agua. Como resultado, el equipo desarrolló un método de refuerzo estructural utilizando SCIRP para permitir que el objeto 3D retenga su estructura fuera del agua. Los científicos desarrollaron este método basándose en trabajos anteriores sobre recubrimientos de hidrogel con micropartículas de hierro. El equipo utilizó el proceso SCIRP para hacer flotar tinta que contiene micropartículas de hierro y una solución de monómero que contiene persulfato de potasio (KPS) en lugar de agua y tinta flotante estándar. Las partículas de hierro aceleraron la descomposición de los iones de persulfato para crear radicales libres en la superficie de la película de PVB (butirato de polivinilo). Los investigadores determinaron que las condiciones óptimas para que SCIRP sea el 40 por ciento de las micropartículas de hierro en la tinta flotante con una incubación de 3 minutos. Controlaron las estructuras 3D finales basándose en el diseño del dibujo 2D inicial y la profundidad de la solución de monómero. Usando polímeros, el equipo capturó las imágenes utilizando luz azul ultravioleta para visualizar la transformación.

Impresión 4D basada en lápiz

El enfoque basado en bolígrafos permitió un alto grado de libertad al seleccionar un sustrato de impresión, Los científicos mostraron cómo la impresión 4D basada en lápiz se puede aplicar para crear estructuras 3D en una variedad de sustratos, incluido el vidrio. el plastico, poli (dimetilsiloxano) PDMS, e incluso sobre superficies naturales como piedra y hoja. El trabajo permitió la fabricación 3D en ubicaciones que son difíciles de imprimir utilizando procesos de impresión 3D convencionales. el equipo utilizó el método para crear una "botella imposible" y para "imprimir en 3D en todas partes". Luego, el equipo utilizó el procesamiento de rollo a rollo (R2R) con impresión 4D para mostrar la producción en masa de objetos 3D en una gran área de película delgada y flexible de cloruro de polivinilo. El equipo espera que estos métodos sean aplicables para desarrollar nuevas posibilidades durante la fabricación 3D rápida y masiva.

De este modo, Vea Woo Song y sus colegas mostraron cómo la impresión 4D basada en lápiz proporciona un método fácil e intuitivo para construir estructuras 3D a partir de estructuras impresas de dimensiones inferiores. Estos métodos pueden reducir el tiempo y el costo de fabricación. Usando esta técnica, Los científicos podrán seguir desarrollando métodos simples y eficientes para la fabricación 3D a través de tecnologías 2D con expansión a la impresión 4D.

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