浙大科學(xué)家發(fā)明多維制造新方法 光照使塑料數(shù)秒變花朵
光照
固化
塑料
蠟質(zhì)
玉蘭花
浙大
千人計劃
科學(xué)家
科研
一層薄薄的液體，在投影儀下經(jīng)受光照固化幾秒鐘后，就變成一片塑料。再投進熔化的蠟里，幾分鐘之內(nèi)，就能“長”成一朵形狀復(fù)雜的蠟質(zhì)玉蘭花。
這一奇妙的變化發(fā)生在浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，相關(guān)論文日前發(fā)表在著名國際學(xué)術(shù)期刊《先進材料》上。
國家“千人計劃”入選者、浙大化學(xué)工程與生物工程學(xué)院謝濤教授告訴記者，材料從二維平面快速變形為三維形狀的秘密，就在那光照的幾秒鐘里。這層液體是一種光固化樹脂，投影儀的光照經(jīng)過精心設(shè)計，在極短的時間里使這層樹脂的每一個像素點都獲得不同的光固化結(jié)構(gòu)，使之變成塑料，就如同把玉蘭花的“圖紙”用光“雕刻”在上面。不同的光固化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各像素點和熔化石蠟結(jié)合的程度不同，塑料就按照“圖紙”所繪制的那樣，精確地變形為花朵。
光固化材料在我們的日常生活中并不鮮見。如補牙時常用的光固化樹脂，在蛀牙窟窿里填充時是軟乎乎的，隨后用紫外光一照，就變成硬的固體。謝濤介紹，選取不同的光固化材料，就能與不同的液體相結(jié)合，如某些材料經(jīng)光照射后投入水中，便可以形成相應(yīng)形狀的水凝膠。光的“雕刻”是通過其灰度變化實現(xiàn)的，背后是一套復(fù)雜的力學(xué)計算?，F(xiàn)在，不同形狀的“圖紙”已經(jīng)成為一個個二維碼，計算機讀取后，就能調(diào)節(jié)投影儀射出的光。
謝濤團隊研發(fā)的這種多維制造新方法，有望在某些應(yīng)用場景取代現(xiàn)有的3D打印技術(shù)。3D打印被普遍認(rèn)為能大大影響未來的工業(yè)制造。
“其最大的優(yōu)勢就是超快速。光照時間少于30秒，甚至僅需4秒，室溫下放在水里，數(shù)分鐘就能變形成三維形狀。”謝濤說。相比之下，逐層增材的3D打印完成相同的制造至少需要數(shù)十分鐘，特別是豎直方向上，打印尤其耗時。
謝濤認(rèn)為，這項新發(fā)明提醒人們，并不是只靠層層打印才能獲得多維結(jié)構(gòu)。實際上，材料本身的形變，就能帶來多維結(jié)構(gòu)。“比如石灰墻壁或木質(zhì)地板，受潮后會鼓起，這就是一種翹曲導(dǎo)致的三維結(jié)構(gòu)。”
以那朵幾分鐘內(nèi)長成蠟質(zhì)的玉蘭花為內(nèi)模，再用別的耐火材料做成外范，隨后將內(nèi)模熔化，得到一個形狀復(fù)雜的空腔鑄范，澆入液態(tài)金屬，待冷卻后敲掉鑄范，一朵金屬材質(zhì)的玉蘭花就鑄造好了——這種鍛造工藝被稱為“失蠟法”，至今還應(yīng)用于藝術(shù)鑄件的制造中。謝濤表示，將超快速多維制造的新方法用于改良失蠟法工藝，將極大提高蠟質(zhì)內(nèi)模的制造效率，是這一新技術(shù)有望很快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大方向。
謝濤團隊近年來致力于研究多功能高分子材料，曾研發(fā)出可記憶復(fù)雜形狀的新型塑料、可自動脫落的“壁虎膠”等材料，從生物醫(yī)學(xué)到先進制造，這些變形材料有著廣泛的應(yīng)用前景。充滿變形的植物界尤其吸引這群科學(xué)家：向日葵能隨著太陽光轉(zhuǎn)動，捕蠅草能感受觸覺并快速閉合，這些自然現(xiàn)象啟發(fā)人們?nèi)ピO(shè)計各種奇妙的材料變形行為。同時，植物的變形總是有其目的性，這又啟發(fā)人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)變形材料多種多樣的用途。
注：部分?jǐn)?shù)據(jù)來源互聯(lián)網(wǎng)，僅供參考
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