薄薄胶片极速“立体显影”

时间:2016-12-14浏览:4665

浙江大学玉泉校区第十教学楼的一个实验室里,正在进行一次奇妙的试验:在两片玻璃片中间滴入几滴透明的液体,放到普通投影仪下短暂“曝光”后,取出成型的胶片投入水中,平面的胶片“长”成了一朵郁金香,整个过程只在短短数分钟内实现。

利用一张平面的塑料片极速“凹”出复杂的立体造型,科学家称之为快速多维制造。发明者是浙江大学化学工程与生物工程学院的谢涛教授课题组。相关论文“Ultrafast Digital Printing toward 4D Shape Changing Materials128日在国际著名期刊《Advanced Materials》上发表。学界认为,这一发明将对当前热门的3D打印与个性化制造提供全新思路。

论文的第一作者,博士生黄丽媚向记者“拆解”了整个“魔术”制造的关键步骤。第一步是制作“底片”。底片是厚度约为0.5毫米的液体薄膜。这类液体会在光的照射下固化,被称为光固化树脂。我们生活中目前广泛使用的补牙材料,也是一类光固化树脂,平时如橡皮泥般柔软,但只要经紫外光照射,就能立刻变得坚固且贴合牙齿。

第二步是曝光——利用投影仪画“图纸”。科学家根据成型的目标,通过一系列力学计算设计出一张带有灰度变化的投影图。投影的瞬间,底片上的每个像素点的光照程度都不一样。投影数秒之后,虽然底片看起来仍是一层薄薄的塑料,但在内部,分子结构已经发生了巨大的变化。只要遇到温度或者其他外界条件刺激,不同像素点就会产生不同的响应行为。这是后期精准“显形”的关键。

第三步,立体显影。见证奇迹的时刻就在这一步发生。“底片”投入水中之后,由于每个像素点的吸水程度不一样,会产生有趣的、符合事先设计的形变。就像水中“长”出了一座悉尼歌剧院,或是水中“开”出了一朵花。“利用相同的原理,我们也可以使塑料片在融化的蜡中显影,就可以做出一朵立体的蜡质花,”谢涛说,通过打印液体的选择,可以在三维物件中很方便的引入多个其他维度,即随时间变形的性能,例如形状记忆效应等,因此将该项技术称为快速多维制造。该项技术在诸多领域均有应用前景,例如在工业应用中广泛采用的失蜡铸造法(首饰制造等),通过这项新的技术可以大大提高设计和生产效率。

平面变立体,听起来很玄乎,但是科学家说,这类形变在生活中非常普遍,墙壁、地板受潮起泡就是一个典型的例子。“这一现象提示我们,或许我们在进行三维设计制造时,不需要通过复杂耗时的层层打印步骤,而去使用一种更为简洁、连续、高效的过程。”谢涛说,这一灵感的提示下,课题组进行了快速多维制造的探索。这一方法最显著的优势就是快。

谢涛说,3D打印是一种增材制造方法,它相较于传统的减材制造,它在节省成本和个性化制造方面均显示出诸多优势。但目前广泛采用的3D打印技术无法回避的挑战在于逐层打印,限制了打印精度和速度。

“我们的方法避开了这一挑战,它的成型是连续的,快速的,可以为多维制造提供新的思路。”谢涛认为,尽管这一的技术存在广泛应用前景,当前仍然需要多学科的科学家进行共同研究,推进这一技术从实验室走向现实:“很期待研究光学、计算机科学和力学的科学家的加入。”

“没有变形就没有大自然,我们从自然界的变形中得到了许多启示。”谢涛团队近年来致力于研究具有智能形变功能的高分子材料,曾研发出可记忆复杂形状的新型塑料、可自动脱落的“壁虎胶”等材料——变形材料有着广泛应用前景。谢涛说:“向日葵能随着太阳光转动,捕蝇草能感受触觉并快速闭合,这些自然现象启发人们去设计各种奇妙的材料变形行为。”

(文 周炜 / 摄影 冯春霖 学生记者