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韩国科学家要用这支马克笔，送你一朵 3D 打印小红花

2021-03-29 03:29

出现于上世纪 90 年代的 3D 打印技术，能把计算机上的模型变成实物，可以说是颠覆了人们对传统生产制造的认知。

2015 年，原本任职于 SpaceX 和蓝色起源的两位 90 后创立了 Relativity Space 公司，旨在 3D 打印出用于商业轨道发射服务的运载火箭。

/>▲ 火箭发动机正在进行关键测试2017 年，瑞士联邦理工学院运用 3D 打印技术制造出了世界上第一个软体人工心脏。<p align=

/>疫情期间，由于医疗防护物资紧缺，基于 3D 打印技术的口罩、护目镜等一时间也派上了用场。其实，3D 打印技术已在模具制造、工业设计、航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域受到了广泛应用，而 3D 打印通常采用数字技术材料打印机来实现，即我们常说的 3D 打印机。3D 打印机虽然在工作原理上与普通打印机基本相同，但打印材料却不同——3D 打印机内装有粉末状的金属、陶瓷、砂、塑料等可粘合打印材料。那么，除了 3D 打印机，还有什么工具可以实现 3D 造物？最近一组韩国科学家给出了答案：一支看似平平无奇的马克笔。用笔写下几个字母，它们在脱离玻璃 “画板”后，竟然有了 3D 立体的样子。<p align=

/>2021 年 3 月 24 日，相关研究成果正式发表于知名学术期刊《科学 - 进展》（Science Advances），题为 Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings（直接实现 2D-3D 转换的画笔）。<p align=

/>问题来了，为什么是选择性剥离呢？原因就在于研究团队用到的两种材料：

一是含有聚乙烯醇缩丁醛（PVB）树脂的油墨，在干燥后形成疏水性薄膜。当 PVB 膜浸入水溶液中，会受毛细作用力与 “画板”分离，接着受表面张力漂浮在水溶液表面。二是表面催化自由基聚合（SCIRP），即一种高分子涂层，主要用于固定、强化 PVB 薄膜的 3D 结构。

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/>高自由度 2D-3D 转变实际上，这种方法具有很高的自由度，主要体现在三个方面。一是它可以在由各种材料制成的 “画板”上制造 3D 结构，比如玻璃、塑料、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、陶瓷、金属等。<p align=

/>二是 “画板”也不必是平整的表面，石头、叶子上都可以进行 3D 制造。<p align=

/>三是可以在传统 3D 打印系统难以打印的位置操作。比如研究团队基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上画下形状，最终设计出了 “不可能的瓶子”。<p align=

/>需要解释的是，上面这种 “不可能的瓶子”在数学领域被称为是 “克莱因瓶”（Klein Bottle），指一种无定向性的平面，在拓扑学中是一个不可定向的拓扑空间。可见，这种形变机制简单直观，并不需要很高的技术水平来预测产生的结构转换，也不需要笨重的设备。值得关注的是，这一方法还可以与传统印刷技术相结合，结合绘图（低成本、简单）和印刷（大批量生产复制）的特点，比如像下面这样批量生产 3D 小红花。<p align=

/>不难想象，未来基于 CAD（计算机辅助设计）和自动印刷系统，这种方法将会用于更为精确的大批量制造。
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