作者:Thamarasee Jeewandara，科学X网络，物理
（同organic）有机 基于钢笔的4D打印支持将2D钢笔绘图简单转换为3D结构
(一)以钢笔为基础的4D印刷的概念说明
基于钢笔的4D打印通过2D钢笔绘图的2D到3D转换，实现简单直观的3D制作
(二)钢笔型4D印刷工艺
钢笔用于在墨水干燥后产生疏水薄膜
当浸入单体溶液中时，这种2D钢笔绘图通过STAT转换成3D结构
在单体溶液中的3分钟培养期间，通过SCIRP固定转化的3D形状
(三)STAT和SCIRP机制
应用的油墨类型决定了结构的特定部分是浮动的还是锚定的
在干燥的墨膜的3D结构周围产生聚合物涂层，以增强其结构
(四)根据水位从2D到三维转换的顺序视图
3D结构可以通过使用包含KPS离子的单体溶液的SCIRP进一步固定(右)
比例尺:5毫米
照片来源:宋、李素敏、康俊文；首尔国立大学
信用:《科学进展》，doi: 10
1126/sciadv
abf3804 钢笔绘图可以实现简单、廉价和直观的二维(2D)制作
材料科学家的目标是整合这种钢笔绘图来开发3D对象
在一份关于《科学进展》的新报告中，参见吴松等人
开发了一种新的三维制作方法，直接将钢笔绘制的2D前体转换为三维几何图形
该团队使用表面张力驱动的毛细管剥离和干燥墨膜的漂浮，在将绘图浸入单体水溶液后，促进了钢笔绘图从2D到3D的转换
通过选择性地控制和锚定前驱体的部分
将2D图纸转换成设计的三维结构
然后，他们使用表面引发聚合的结构增强来固定变换的3D几何图形
科学家们将简单的钢笔绘制的2D结构转换成复杂的3D架构，以实现钢笔绘图的自由快速原型制作，包括通过卷对卷处理大规模生产3D对象
2D到三维的方法 二维平面结构可以使用基于2D到三维的技术转换成三维形式
2D制造方法简单，适合大规模生产，尽管它的输出仅限于平面结构
相比之下，3D结构可以为各种结构形成有形的现实世界对象，尽管这是一个缓慢而复杂的过程
因此，在从2D初始前体进行3D制造的过程中，2D到3D的转换过程可以增加产量和简单性
在这部作品中，宋等人
开发了以钢笔为基础的4D印刷，直接从单体解决方案中的2D钢笔绘图形成浮动3D架构
该团队将该方法建立在一种形状变形机制的基础上，该机制依赖于表面张力驱动的选择性剥离和干燥油墨的漂浮，这一过程被称为“表面张力辅助转化”(STAT)
该过程简单而直观，无需高技术程序来预测最终的转换
基于笔的4D打印过程只需要绘图笔和一个单体解决方案就可以形成三维结构
计算机辅助设计(CAD)和自动打印系统可用于更精确的制造和大规模生产
2D钢笔绘图可以根据水位高度转换成复杂的三维结构
(一)漂浮油墨和锚定油墨的组成
表面活性剂的存在与否决定了PVB薄膜的漂浮性能
(二)PVB薄膜的断裂应变取决于油墨中PVB和增塑剂的比例(另见图
S4和S5)
误差线代表标准差
(三)钢笔绘图结合自动打印系统，实现精确绘图和批量生产
(四)与模拟转换结果相比，在不同水位高度的连续转换
(英、法)笔式4D打印的可扩展性
(英)毫米级(另见图
S13)
(六)仪表刻度(另见图
S14)
比例尺:5厘米和2厘米
照片来源:宋和李素敏，首尔国立大学；蔚山国家科学技术研究所崔均圭
信用:《科学进展》，doi: 10
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abf3804 表面张力辅助转化 当2D图进入单体溶液时，聚丁酸乙烯酯(PVB)膜可以根据粘附的热力学功剥离
例如，商业的干擦标记包括表面活性剂，该表面活性剂降低油墨的粘附力以产生易于从基底上剥离的图画
当研究小组从墨水中去除表面活性剂时，它们可以很容易地剥离材料
基于这一原理，宋等人
开发了一种含有表面活性剂的漂浮油墨和一种不含表面活性剂的锚定油墨来描绘艺术的漂浮和锚定方面
当他们将这种艺术浸入溶液中时，在低粘附力的浮动油墨中绘制的部分可能会从预期的3D结构上剥离
科学家们使用计算机辅助钢笔绘图系统，以获得更高的精度和高再现性的大规模生产
表面催化引发自由基聚合的结构增强
浮动和锚定油墨
这个视频展示了浮动墨水和锚定墨水的浮动特性
左侧显示了浮动油墨(红色)和固定油墨(黑色)的区别，右侧显示了在浮动油墨中混合的红色、黑色和绿色颜料的浮动特性
每个视频都有相同的加速比和比例尺
信用:《科学进展》，doi: 10
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abf3804 宋等
使用STAT(表面张力辅助转化)将2D聚丁酸乙烯酯薄膜轻松转化为设计的复杂3D结构
由于漂浮部件和水面之间的界面张力，它们只能将结构保持在水下
因此，该团队开发了一种使用SCIRP的结构加固方法，以允许3D对象在水下保持其结构
科学家们在之前研究铁微粒水凝胶涂层的基础上开发了这种方法
该团队使用SCIRP工艺来漂浮含有铁微粒的墨水和含有过硫酸钾的单体溶液，而不是标准的漂浮墨水和水
铁颗粒加速过硫酸根离子的分解，在PVB(聚丁酸乙烯酯)膜的表面产生自由基
研究人员确定SCIRP的最佳条件为漂浮墨水中铁微粒的40%，孵育3分钟
他们根据最初2D图纸的设计和单体溶液的深度来控制最终的三维结构
利用聚合物，研究小组用蓝紫外光捕捉图像，以可视化这种转变
自动绘图仪
这个视频展示了通过笔式绘图仪Axidraw的自动绘图
实现了自动化打印系统，以实现高再现性和准确性的绘图
相对于实时的视频加速速率写在视频的左上方
信用:《科学进展》，doi: 10
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abf3804 基于笔的4D印刷 基于笔的方法在选择印刷基材时具有高度的自由度，科学家展示了基于笔的4D印刷如何应用于在各种基材上创建3D结构，包括玻璃、塑料、聚二甲基硅氧烷(PDMS)，甚至在石头和树叶等自然表面上
这项工作允许在使用传统3D打印工艺难以打印的地方进行3D制作，团队使用这种方法创建了一个“不可能的瓶子”，并“在任何地方进行3D打印”
“该团队随后使用卷对卷(R2R)工艺和4D印刷技术，在大面积薄而柔韧的聚氯乙烯薄膜上展示了3D物体的大规模生产
该团队希望这些方法能够在快速大规模三维制造过程中应用于开发新的可能性
基于笔的4D打印支持“随处3D打印”和R2R 3D制作
(一)各种承印物上的钢笔型4D印刷
基于笔的方法允许甚至在曲面上制造三维结构
(二)“不可能的瓶子”结构的演示
利用柔性PDMS胶片，可以在传统3D打印机无法到达的狭小空间内对3D架构进行现场重新配置
(三)以R2R笔为基础的4D印刷快速原型制作和批量生产
R2R制造的产品的定量分析如图
S24
比例尺:2厘米
照片来源:首尔国立大学宋和李素敏
信用:《科学进展》，doi: 10
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abf3804 通过这种方式，See Woo Song和他的同事展示了基于笔的4D印刷如何提供了一种简单直观的方法来从较低维度的印刷结构构建三维结构
这些方法可以降低制造时间和成本
使用这项技术，科学家将能够通过2D技术进一步开发简单有效的3D制作方法，并扩展到4D印刷
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