I ricercatori disegnano oggetti 4D con le penne

Una delle bellezze delle penne per stampa 3D, come 3Doodler, è che abbassano ulteriormente la barriera all’ingresso della stampa 3D. Molte stampanti desktop sono piuttosto semplici da usare, ma le penne per la stampa 3D sono facili come disegnare con un utensile standard. Gli scienziati della Seoul National University hanno sfruttato ulteriormente questo vantaggio dimostrando l’uso di penne tradizionali per creare oggetti stampati 4D.

Come descritto in un articolo per Science Advances , i ricercatori vedono Woo Song et al. utilizzare un metodo per trasformare i disegni 2D realizzati con una penna a inchiostro in geometrie 3D. Dopo aver disegnato una figura, un inchiostro a base di polivinil butirrale (PVB) potrebbe essere applicato alle parti della stampa che volevano sollevare dal substrato in risposta all’acqua, un processo denominato trasformazione assistita dalla tensione superficiale (STAT). Per controllare ulteriormente il processo, il team ha sviluppato un inchiostro che potrebbe mantenere le porzioni ancorate quando sono immerse nell’acqua. Sostituendo l’acqua con una soluzione monomerica che includa il persolfato di potassio (KPS), le aree rivestite con PVB polimerizzano e vengono fissate in posizione anche dopo essere state rimosse dalla soluzione, denominate polimerizzazione radicalica avviata cataliticamente (SCIRP).

“(A) Illustrazione concettuale della stampa 4D basata su penna. La stampa 4D basata su penna consente la fabbricazione 3D semplice e intuitiva tramite la trasformazione da 2D a 3D di disegni a penna 2D. (B) Processo di stampa 4D basato su penna. Una penna viene utilizzata per generare una pellicola sottile idrofobica dopo che l’inchiostro si asciuga. Questo disegno a penna 2D si trasforma in una struttura 3D tramite STAT quando immerso in una soluzione di monomero. La forma 3D trasformata viene fissata tramite SCIRP durante un periodo di incubazione di 3 minuti nella soluzione di monomero. (C) Meccanismi STAT e SCIRP. Il tipo di inchiostro applicato determina se una parte specifica della struttura galleggia o è ancorata. Uno strato di rivestimento polimerico viene generato attorno alla struttura 3D della pellicola di inchiostro essiccata per rafforzarne l’architettura. (D) Vista sequenziale della trasformazione da 2D a 3D a seconda del livello dell’acqua. La struttura 3D può essere ulteriormente fissata da SCIRP utilizzando una soluzione monomerica che include ioni KPS (a destra). Barre della scala: 5 mm. ” Credito fotografico: Seo Woo Song, Sumin Lee e Junwon Kang; Università Nazionale di Seoul.

Complessivamente, il team ha dimostrato un metodo per poter controllare la natura 3D dei propri disegni attraverso l’uso di un inchiostro per l’ancoraggio, un inchiostro per il galleggiamento e la soluzione KPS per indurire il materiale in posizione. Gli autori propongono che questo approccio possa essere ridimensionato per la produzione di massa di parti 3D a velocità più elevate rispetto alla stampa 3D tradizionale. Utilizzando stampanti 2D modificate, è possibile produrre grandi lotti di oggetti contemporaneamente.

“(A) Composizioni degli inchiostri galleggianti e di ancoraggio. La presenza o l’assenza di tensioattivo determina le proprietà di galleggiamento del film PVB. (B) Deformazione alla frattura del film PVB a seconda delle proporzioni di PVB e plastificante nell’inchiostro (vedere anche le figure S4 e S5). Le barre di errore rappresentano SD. (C) Disegno a penna combinato con un sistema di stampa automatico per un disegno preciso e una produzione di massa. (D) Trasformazioni sequenziali a diverse altezze del livello dell’acqua rispetto ai risultati della trasformazione simulata. (E e F) Scalabilità della stampa 4D basata su penna. (E) Scala millimetrica (vedi anche fig. S13). (F) Scala del misuratore (vedi anche fig. S14). Barre della scala: 5 cm (C) e 2 cm (D). ” Credito fotografico: Seo Woo Song e Sumin Lee, Seoul National University; Jun Kyu Choe, Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan.

Per mostrare le possibilità, i ricercatori hanno utilizzato un plotter a penna, Axidraw, per creare automaticamente oggetti 3D con elevata riproducibilità e precisione. Poiché gli oggetti disegnati sono diventati 3D in risposta alle variabili ambientali, il processo potrebbe essere considerato un tipo di stampa 4D. Il processo applicato a una varietà di substrati, tra cui vetro, plastica, poli (dimetil silossano) PDMS, pietra e foglia. Questo è stato anche esteso a un processo roll-to-roll, dimostrando la produzione di massa di geometrie 3D su un substrato di cloruro di polivinile sottile e flessibile. I ricercatori ritengono che la tecnica potrebbe superare alcuni svantaggi della stampa 3D, producendo in loco in luoghi difficili e modificando al volo oggetti stampati. Utilizzando materiali magnetici, sono stati anche in grado di testare un progetto di robotica morbida azionato magneticamente.

“(A) Stampa 4D basata su penna su vari substrati. Un approccio basato su penna consente la fabbricazione di strutture 3D anche su superfici curve. (B) Dimostrazione di una costruzione “bottiglia impossibile”. Attingere al film flessibile PDMS consente la riconfigurazione in loco di un’architettura 3D all’interno di uno spazio ristretto che sarebbe inaccessibile alle stampanti 3D convenzionali. (C) Stampa 4D basata su penna R2R per prototipazione rapida e produzione di massa. L’analisi quantitativa dei prodotti realizzati dalla fabbricazione R2R è presentata in fig. S24. Barre della scala: 2 cm. ” Credito fotografico: Seo Woo Song e Sumin Lee, Seoul National University.

Allo stesso tempo, il team ha anche dimostrato la possibilità di un metodo molto intuitivo e semplice per la stampa 3D. Da un lato, si potrebbe immaginare una nuova gamma di prodotti Crayola rilasciati sul mercato per i bambini per sperimentare con la scultura. Oppure potremmo vedere i ricercatori che iterano rapidamente i progetti utilizzando una varietà di inchiostri e soluzioni prima di scolpire i modelli in CAD e poi fabbricarli con una stampante 3D per un prototipo più raffinato.

Di Fantasy

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