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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
[email protected]
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。
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. 取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。
圖一:製作機台的實際照片
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。
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。
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:
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:
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。
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。
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。
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。
圖十:光聚合的反應(此時投影片為白色圖案)
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。
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:
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 的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:
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。
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號,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/.