Desenhos de caneta podem permitir simples, fabricação bidimensional (2D) barata e intuitiva. Os cientistas de materiais pretendem integrar esses desenhos de caneta para desenvolver objetos 3D. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Veja Woo Song et al. desenvolveu um novo método de fabricação 3D para transformar diretamente precursores 2D desenhados a caneta em geometrias 3D. A equipe facilitou a transformação de 2D para 3D de desenhos de caneta usando o descascamento capilar conduzido por tensão superficial e flutuação do filme de tinta seca após mergulhar o desenho em uma solução de monômero aquosa. Ao controlar e ancorar seletivamente as partes de um precursor 2D, Song et al. transformou um desenho 2D na estrutura 3D projetada. Eles então fixaram a geometria 3D transformada usando reforço estrutural usando polimerização iniciada por superfície. Os cientistas transformaram estruturas 2D simples desenhadas a caneta em arquiteturas 3D complexas para realizar a prototipagem rápida de estilo livre com desenhos a caneta, incluindo a produção em massa de objetos 3D por meio do processamento roll-to-roll.

O método 2D para 3D

Estruturas planas bidimensionais podem ser transformadas em formas 3D usando uma estratégia de tecnologia baseada em 2D para 3D. O método de fabricação 2D é simples e adequado para produção em massa, embora sua produção seja limitada a estruturas planas. Em comparação, As estruturas 3D podem formar objetos tangíveis do mundo real para uma variedade de estruturas, embora em um processo lento e complexo. Os processos de transformação de 2D para 3D podem, portanto, aumentar o rendimento e a simplicidade durante a fabricação 3D a partir de precursores iniciais 2D. Nesse trabalho, Song et al. desenvolveu impressão 4D baseada em caneta para formar arquiteturas 3D flutuantes diretamente a partir de desenhos 2D em uma solução de monômero. A equipe baseou o método em um mecanismo de transformação de forma baseado no peeling seletivo impulsionado pela tensão superficial e flutuação da tinta seca em um processo conhecido como 'transformação assistida por tensão superficial' (STAT). o processo é simples e intuitivo, sem procedimentos técnicos elevados para prever a transformação resultante. O processo de impressão 4D baseado em caneta exigia apenas canetas de desenho e uma solução de monômero para a formação de estrutura 3D acessível. O design auxiliado por computador (CAD) e os sistemas de impressão automática podem ser introduzidos para uma fabricação e produção em massa mais precisas.

Quando um desenho 2D entrou na solução de monômero, o filme de polivinil butirato (PVB) pode ser descascado dependendo do trabalho termodinâmico de adesão. Por exemplo, Os marcadores de apagamento a seco comerciais incluem surfactantes que reduzem a adesão da tinta para criar um desenho que pode ser facilmente removido de um substrato. Quando a equipe removeu surfactantes da tinta, eles poderiam facilmente descascar o material. Com base no princípio, Song et al. desenvolveu uma tinta flutuante com surfactante e uma tinta de ancoragem sem surfactante para desenhar os aspectos de flutuação e ancoragem de uma arte. Quando eles mergulharam essa arte na solução, as partes desenhadas em tinta flutuante com baixa adesão podem ser destacadas da estrutura 3D pretendida. Os cientistas usaram um sistema de desenho com caneta auxiliado por computador para melhor precisão e produção em massa com alta reprodutibilidade.

Reforço estrutural por polimerização radical de superfície iniciada cataliticamente (SCIRP).

Song et al. facilmente transformou o filme 2D de polivinil butirato em filme projetado, estruturas 3D complexas usando STAT (transformação assistida por tensão superficial). Eles só podiam manter a estrutura submersa devido à tensão interfacial entre o componente flutuante e a superfície da água. Como resultado, a equipe desenvolveu um método de reforço estrutural usando SCIRP para permitir que o objeto 3D retenha sua estrutura fora da água. Os cientistas desenvolveram este método com base em trabalhos anteriores sobre revestimentos de hidrogel com micropartículas de ferro. A equipe usou o processo SCIRP para fazer flutuar tinta contendo micropartículas de ferro e uma solução de monômero contendo persulfato de potássio (KPS) em vez de tinta flutuante padrão e água. As partículas de ferro aceleraram a decomposição de íons persulfato para criar radicais livres na superfície do filme de PVB (butirato de polivinila). Os pesquisadores determinaram as condições ideais para o SCIRP em 40 por cento das micropartículas de ferro na tinta flutuante com 3 minutos de incubação. Eles controlaram as estruturas 3D finais com base no projeto do desenho 2D inicial e na profundidade da solução do monômero. Usando polímeros, a equipe capturou as imagens usando luz ultravioleta azul para visualizar a transformação.

Impressão 4D baseada em caneta

A abordagem baseada em caneta permitiu um alto grau de liberdade ao selecionar um substrato de impressão, os cientistas mostraram como a impressão 4D baseada em caneta pode ser aplicada para criar estruturas 3D em uma variedade de substratos, incluindo vidro, plástico, poli (dimetil siloxano) PDMS, e até mesmo em superfícies naturais como pedra e folha. O trabalho permitiu a fabricação 3D em locais de difícil impressão usando processos convencionais de impressão 3D, a equipe usou o método para criar uma "garrafa impossível" e para "imprimir em 3D em todos os lugares". A equipe então usou o processamento roll-to-roll (R2R) com impressão 4D para mostrar a produção em massa de objetos 3D em uma grande área de filme fino e flexível de cloreto de polivinila. A equipe espera que esses métodos sejam aplicáveis ​​para desenvolver novas possibilidades durante a fabricação 3D rápida e em massa.

Desta maneira, Veja Woo Song e seus colegas mostraram como a impressão 4D baseada em caneta forneceu um método fácil e intuitivo para construir estruturas 3D a partir de estruturas impressas de dimensões inferiores. Esses métodos podem reduzir o tempo e o custo de fabricação. Usando esta técnica, os cientistas poderão desenvolver métodos simples e eficientes para a fabricação 3D por meio de tecnologias 2D com expansão para impressão 4D.

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