製作3D光雕印章 / 呂雲瑞

星期三 , 4, 十一月 2015 Leave a comment

製作3D光雕印章

呂雲瑞

 

國立市立高雄女子中學
教育部高中化學學科中心
chem_tim@yahoo.com.tw

n  影片觀賞

本實驗影片由臺灣多媒體創意教學協會協助拍攝,教育部高中化學學科中心提供。

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影片網址:3D光雕,https://www.youtube.com/watch?v=u0zdTAFkhdo, YouTube.

n  簡介

印章是中華文化的代表之一。舉凡結婚生子、簽辦信用卡、領取信件……等等日常生活中的事務,印章總是扮演著不可或缺的角色。印章材料的演進史中,陶瓷曾為印章最古老的 材料,後來後漸發展為金屬、植物、獸骨、石塊等材質,乃至現代的塑料、橡膠。

不過因為印鑑章的辨識不甚容易,且易於仿冒,近年來有愈來愈多廢除印鑑證明之聲浪 產生,本研究試著由光誘導性質連結到印章之製作,由自製簡易升降平台,改良光聚合製程,並結合時下流行之平板電腦及APP以製作「親筆簽名」的效果印章,便可應用於藏書章、或是落款等功能。透過光聚合技術的光敏樹脂材料也是現在3D列印技術中最夯的超級明星,可提供快速和高品質的列印。

n  藥品與器材

1.        己二醇二丙烯酸酯(1,6-hexanediol diacrylate

2.        苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷(Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide

3.        蘇丹紅一號(Sudan I

4.        丙酮(acetone

5.        乙醇(ethanol

6.        蒸餾水

7.        實驗用固定夾

8.        玻璃培養皿

9.        筆記型電腦或平板電腦(設計圖案或字型)

10.    DLP投影機(BENQ)

11.    平面鏡

12.    水平儀

n  實驗步驟

一、光誘導聚合反應溶液配製

1.        98 mL的己二醇二丙烯酸酯(作為聚合物單體),2 g的苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷(當作光引發劑photo-initiator),再加入0.006 g的蘇丹紅一號(作為光吸收劑photo-absorber)。

2.        將上述三種藥品依序倒入100 mL有蓋的樣品瓶中,密封後放入磁攪拌子攪拌數天(大約三天左右),直到混合均勻、完全溶解。此時樣品外壁需用鋁箔紙包裹住,放置於陰暗處,避免光線照射,產生不必要的反應。

二、改良式印章製作機

1.        自行組裝製作機台:以承載實驗器具作為印章製作機的本體,機台內的螺旋桿,可以控制機台維持水平;本實驗的放大鏡以左方木匣固定,如此可以控制上下位置以調節像距(焦距);此外,原先平面鏡的位置,改以天頂鏡取代,當作反射投影機光源的媒介。圖一和圖二分別為機台實際照片及其透視架構圖。

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圖一:製作機台的實際照片

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圖二:製作機台的透視與架構圖

2.        3D光雕印章完整機台裝置如圖三所示

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圖三:平面鏡(左中方紅圈處)、投影機(中上方)、平板電腦裝置(白色處)、製作印章圖案(左中方藍色亮圈處)

 

 

三、利用電腦設計聚合物的成品圖案

1.        使用上市的Android APP,做出親筆簽名的印章樣式,以Picasso App為例,讀者可在觸控螢幕中預設的圖片或照片上書寫簽名,之後儲存到記憶卡中備用。畫筆的粗細可以自行調整,必須注意,若是陽刻要以白筆作畫;若是陰刻,則以黑筆作畫。Picasso App的書寫螢幕截圖,如圖四所示。

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圖四:觸控螢幕上書寫簽名圖

2.        印章的樣式設計完之後,以Kingsoft Office文件編輯程式(免費自由軟體)為例,製作投影片:執行程式,開啟本實驗預先設計之簡報檔,在第三張投影片的黑屏剪下,插入設計的印章樣式,再貼上覆蓋。相關操作如圖五所示:

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圖五:圖章的電腦設計

四、投影設計圖案在培養皿中

1.        放置於一個玻璃培養皿在木匣底部,把筆記型電腦(或平板電腦)連接至機台上的DLP投影機,並以水平儀確認機台水平利用折射鏡使投影機光線可以垂直向下投射,相關擺設如圖六所示:

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圖六:自製簡單投射機台

2.        打開投影機,投影圖案在培養皿中,調整投影機焦距,如圖七所示。

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圖七:培養皿中的對焦區

五、製作印章底座

1.        採用漸進塗佈法:以塑膠滴管吸取些許配製好的混合溶液,均勻塗抹於培養皿中,使其薄薄地沾上一層。之後的混合液添加不能一次加太多,只能稍微淹過聚合完成的部分。圖八為添加溶液過程。

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圖八:添加混合液在對焦區內

2.        開始播映投影片,投影片會自行播放動畫,期間有白色圖案出現時為高分子聚合的時間(10 秒),這段時間請勿晃動或吸取殘留溶液;當黑屏出現時,快速滴加溶液,塗抹於堆疊完成的固體之上(時間約5~10秒左右可自行調控所需時間)如圖九所示。

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圖九:投影片在平板電腦播放流程

3.        重複曝光二十次,以製作印章底座。圖十和圖十一分別為光聚合反應和底座完成圖。

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圖十:光聚合的反應(此時投影片為白色圖案)

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圖十一:底座完成(重複曝光二十次後)

六、製作圖案印章

1.        黑屏會重複20遍,刻紋投影亦會重複20遍,直到成品完成前,請確認沒有移動培養皿或是液面傾斜的狀況。圖十二為刻紋曝光示意圖。

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圖十二:自行設計刻紋投影曝光圖(左)和黑屏(右)。

2.        投影片播放結束後,回收多餘溶液至樣品瓶中,將乙醇倒入培養皿中至八分滿,以浸泡成品,再以去離子水清洗一遍,蔭乾後就可使用此成品即為印章刻紋(正面)

3.        印章刻紋的平滑面(背面)可以用黏著劑,貼至自己想要作為印章的物品。

n  原理與概念

此光聚合反應的單體為己二醇二丙烯酸酯,屬於不飽和的酯類,分子兩端各有一個雙鍵,為聚合反應的關鍵位置,其化學結構式如圖十三所示:

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圖十三:己二醇二丙烯酸酯的2D結構式

光引發劑為苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷,本實驗需要波長介於380~400nm UV光來切斷光引發劑苯基雙苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷的磷氧鍵,形成自由基,引發反應的發生,其反應如式[1]所示:

clip_image037    [1]

光解產生的自由基再對雙鍵位置進行攻擊,雙鍵打開後,進行聚合傳播(propagation),當反應物耗盡,再與另一股長鏈自由基結合,最後終結反應(termination)。本反應利用DLP 投影機做為紫外光的的光源,是直接反射,紫外光的耗損較少,含量恰足以使高分子反應。

若照光聚合的時間拉得太久,導致聚合物吸收太多來自光源的熱能,使其產生氣泡並膨脹,讓實驗品的生成無法達成預期的形狀或圖案。經測試十秒鐘為最佳聚合時間,圖十四為聚合時間過長產生熱膨脹而造成失敗。

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圖十四:熱膨脹造成聚合反應的失敗

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗使用蘇丹紅1,蘇丹紅為食品染色劑,本實驗作為紫外光吸收劑,對化學、熱穩定性好,可吸收過多強烈紫外光,有效保護反應物發生不必要的枝節反應;國際癌症研究機構(IARC)歸類蘇丹一號為第三類可致癌物質,是具有潜在致癌危险的物質,不可服用,請依實驗室廢棄物規定,統一回收處理

n  參考資料

1.        徐武軍著,民國101年。高分子材料導論(2版)。五南出版社。

2.        鄭學晶著,民國101年。天然高分子材料(簡體),化學工業出版社。

3.        徐堅、瞿金帄、等主編,民國97年。高分子材料與工程(簡體),科學出版社。

4.        聶俊著,民國98年。光聚合技術與應用(簡體),化學工業出版社。

5.        吳世康著,民國92年。高分子光化學導論基礎和應用(簡體),科學出版社。

6.        聚合物之一般性質與分類。教育部學習加油站,http://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/content1/number4/3/15-1.htm

7.        Photopolymer, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Photopolymer.

8.        Sudan I, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Sudan_I.

9.        Howon Lee and Nicholas X. Fang. 2012. Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3565856/.

 

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