韩国首尔国立大学研究人员用笔进行4D打印

导读：提起用笔绘图，我们首先想到的是一种简单、廉价且直观的二维（2D）制造的方法。随着增材制造技术的普及，3D打印笔的出现能够让人轻松3D立体作画，进一步降低了3D打印的门槛。那么问题来了，我们是否能够找到一种新的4D作画方法，省却3D打印笔使用的熔丝制造技术，直接利用2D画作转换为3D几何形状？

△4D打印过程

南极熊获悉，Science Advances杂志于2021年3月24日刊登文章，由韩国首尔国立大学的研究团队通过展示使用传统笔来创建4D打印对象，进一步为简化制造过程提出了一种新的可能。根据文章描述，研究人员使用墨水笔制作2D图画，然后通过化学浸泡将2D平面图转换为3D几何形状。

△（A）4D打印的概念图。基于笔的4D打印可通过图形的2D到3D转换实现简单、直观的3D制造。（B）4D打印过程。墨水干燥后，产生疏水性薄膜。当浸入单体溶液中，2D图通过STAT转换为3D结构。在单体溶液中浸泡3分钟后，通过SCIRP固定变形的3D形状。（C）STAT和SCIRP机制。施加的墨水类型确定结构是浮动还是固定。在干墨膜的3D结构周围生成聚合物涂层，增强结构。（D）取决于水位的2D到3D转换的顺序视图。SCIRP可以使用包含KPS离子的单体溶液进一步固定3D结构（右）。比例尺：5毫米。 图片来源：首尔国立大学。

研究团队称开发了一种“基于笔的4D打印”技术，使将2D绘图直接浸入溶液中即可直接从2D绘图制造3D架构。这种方法基于一种形变机制，依赖于表面张力驱动选择性油墨剥离和墨膜浮起，被称为表面张力辅助转化（STAT）。研究人员通过“类3D打印技术”在2D平面上作画，作画所用的墨水是一种叫聚乙烯醇缩丁醛（PVB）的物质。这种物质在干燥后会形成疏水性薄膜，浸入水溶液之后会从光滑平面上脱离，然后因为表面张力的作用浮在溶液表面。为了进一步控制形变过程，团队还开发了一种墨水，当浸入水中时可以保持部分固定。通过将水替换为包含过硫酸钾（KPS）的单体溶液，即使模型从溶液中取出，涂有PVB的区域也会聚合并固定在适当的位置，这称为表面催化引发的自由基聚合（SCIRP）。

△（A）浮动油墨和锚固油墨的成分。表面活性剂的存在决定PVB膜的漂浮性能。（B）PVB膜的断裂取决于墨水中PVB和增塑剂的比例。（C）绘图与自动打印系统相结合，可进行精确绘图和批量生产。（D）与模拟转换结果相比，在不同水位高度处的顺序转换。（E和F）基于笔的4D打印的可伸缩性。（E）毫米刻度。（F）仪表刻度。比例尺：5厘米（C）和2厘米（D）。 图片来源：首尔国立大学。

简而言之，团队演示了一种方法，通过使用锚固墨水、浮动墨水以及将材料硬化到位的KPS溶液来控制2D图形的3D性质。这种方法可以扩展到比传统3D打印技术更快速的大规模3D生产过程。使用改进的2D打印机，可以一次生产大量的模型。

△（A）在各种基材上进行4D打印。甚至可以在曲面上制造3D结构。（B）演示“不可能的瓶子”的构造。通过在柔性PDMS胶片上进行绘制，可以在狭窄的空间内对3D架构进行现场重新配置，而这是常规3D打印机无法做到的。（C）基于R2R的4D打印，用于快速原型制作和批量生产。通过R2R加工制成的产品定量分析如图1所示。比例尺：2厘米。图片来源：首尔国立大学。

为了展示，研究人员使用了笔式绘图仪Axidraw自动创建具有高重复性和准确性的2D对象。由于绘制对象随环境变化变为3D，因此研究团队称这一过程可以视为4D打印的一种。工艺适用于多种基材，包括玻璃、塑料、聚（二甲基硅氧烷）PDMS、石材和树叶。这也扩展到了卷对卷过程，在薄而柔软的聚氯乙烯衬底上批量生产3D几何形状。团队还使用了磁性材料，测试磁驱动的软机器人设计。研究人员认为，这项技术可以克服3D打印的一些缺点，能够进行现场生产，并且可以即时修改打印对象。

△磁性材料

参考阅读：

1. Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings
2. 4D Printing with a Pen by Seoul National UniversityResearchers