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浙大科学家发明多维制造新方法 光照使塑料数秒变花朵

发布时间:2016-12-19 13:48  来源:浙江在线   浏览量:

  浙江在线杭州12月19日讯(浙江在线记者曾福泉 通讯员周炜)一层薄薄的液体,在投影仪下经受光照固化几秒钟后,就变成一片塑料。再投进熔化的蜡里,几分钟之内,就能“长”成一朵形状复杂的蜡质玉兰花。

  这一奇妙的变化发生在浙江大学化学工程联合国家重点实验室,相关论文日前发表在著名国际学术期刊《先进材料》上。

  国家“千人计划”入选者、浙大化学工程与生物工程学院谢涛教授告诉记者,材料从二维平面快速变形为三维形状的秘密,就在那光照的几秒钟里。这层液体是一种光固化树脂,投影仪的光照经过精心设计,在极短的时间里使这层树脂的每一个像素点都获得不同的光固化结构,使之变成塑料,就如同把玉兰花的“图纸”用光“雕刻”在上面。不同的光固化结构,导致各像素点和熔化石蜡结合的程度不同,塑料就按照“图纸”所绘制的那样,精确地变形为花朵。

  光固化材料在我们的日常生活中并不鲜见。如补牙时常用的光固化树脂,在蛀牙窟窿里填充时是软乎乎的,随后用紫外光一照,就变成硬的固体。谢涛介绍,选取不同的光固化材料,就能与不同的液体相结合,如某些材料经光照射后投入水中,便可以形成相应形状的水凝胶。光的“雕刻”是通过其灰度变化实现的,背后是一套复杂的力学计算。现在,不同形状的“图纸”已经成为一个个二维码,计算机读取后,就能调节投影仪射出的光。

  谢涛团队研发的这种多维制造新方法,有望在某些应用场景取代现有的3D打印技术。3D打印被普遍认为能大大影响未来的工业制造。

  “其最大的优势就是超快速。光照时间少于30秒,甚至仅需4秒,室温下放在水里,数分钟就能变形成三维形状。”谢涛说。相比之下,逐层增材的3D打印完成相同的制造至少需要数十分钟,特别是竖直方向上,打印尤其耗时。

  谢涛认为,这项新发明提醒人们,并不是只靠层层打印才能获得多维结构。实际上,材料本身的形变,就能带来多维结构。“比如石灰墙壁或木质地板,受潮后会鼓起,这就是一种翘曲导致的三维结构。”

  以那朵几分钟内长成蜡质的玉兰花为内模,再用别的耐火材料做成外范,随后将内模熔化,得到一个形状复杂的空腔铸范,浇入液态金属,待冷却后敲掉铸范,一朵金属材质的玉兰花就铸造好了——这种锻造工艺被称为“失蜡法”,至今还应用于艺术铸件的制造中。谢涛表示,将超快速多维制造的新方法用于改良失蜡法工艺,将极大提高蜡质内模的制造效率,是这一新技术有望很快实现产业化的一大方向。

  谢涛团队近年来致力于研究多功能高分子材料,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,从生物医学到先进制造,这些变形材料有着广泛的应用前景。充满变形的植物界尤其吸引这群科学家: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。同时,植物的变形总是有其目的性,这又启发人们去发现变形材料多种多样的用途。

 

【责任编辑:张海垠】

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