東京大學研究人員開發(fā)新的4D打印方法，將2D打印,、折紙和化學結合,！

2023年8月，南極熊獲悉,，東京大學的研究人員推出了一種結合 2D 打印,、折紙和化學的新方法，可實現快速3D物體的制造,，且不會產生任何材料浪費,。他們的研究已經發(fā)表在了《ACM Transactions on Graphics》上,，題目為《Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing》(《噴墨 4D 打印：通過噴墨 UV 打印自折疊棋盤格折紙物體》）



復雜物體的 3D 打印通常需要很長時間,，因為打印過程必須鋪設大量 2D 層來構建物體,，該過程通常會浪費大量支撐，浪費較多的材料,。為了解決上述問題,，研究人員首次將 2D 打印、折紙和化學結合起來,，創(chuàng)建了一種快速 3D 物體制造方法,，且不產生任何廢料。這些形狀在幾秒鐘內就會自動折疊,。

研究背景
3D 打印已被用于制作產品原型,，現在更多地用于商業(yè)產品的制造，包括噴氣發(fā)動機的零件,。但每種3D制造方法都有其局限性,，例如完成打印所需的時間較長或打印過程中殘留材料的浪費等。4D打印這一概念旨在使用最少量的材料來解決這些問題,，這些材料具有某些特殊屬性,，能夠在適當的條件下自動折疊成復雜的 3D 形狀。它被稱為4D打印,，因為自折疊的過程必然要利用時間這個維度,，也稱為第四維度。要知道,，這種創(chuàng)新且快速的4D打印方法始于2D圖層,。


△折紙中的”谷折“與”山折“

研究內容
東京大學電氣工程與信息系統系項目助理教授 Koya Narumi 表示：“我們面臨的最大挑戰(zhàn)是完善硬件和對材料進行選擇，研究團隊花了一年多的時間才做出最終選擇,。但是在這個過程中,，所有的嘗試和錯誤都是值得的；與之前類似的研究相比,，我們將打印分辨率提高了 1,200 倍,，可以創(chuàng)建新穎的設計，用于實際應用,。未來,，我們會探索更多的功能材料，例如導電或磁性墨水,，這些材料可以用于機器和其他功能設備,。”


△4D打印工藝。專門創(chuàng)建的軟件將輸入的 3D 模型轉換為可以打印的 2D 圖案,。然后可以將打印件浸入熱水中,，自行折疊成最終的 3D 物體

該技術利用一種特殊的噴墨打印機，使用紫外線反應材料進行打印,。該打印機將二維折紙設計打印到受熱收縮的塑料片的兩面,。它使用的墨水不會收縮，并且在干燥時可以保持柔韌性,。由于基片在加熱時會收縮,，并且墨水可以抵抗收縮，因此通過在一側或另一側的墨水部分之間留出間隙,，設計者可以控制片材的特定部分的折疊方式。使用熱水對平板進行加熱,，自發(fā)折疊成復雜的折紙結構,。

盡管打印的折紙基本上是平坦的，但它們在中央熱收縮片材料的頂部和下方結合了許多不同的墨水層,。底漆有助于墨水粘附在紙張上,，即使在潮濕的情況下也是如此。黑色墨水可以抵抗收縮,，從而實現”折疊“,。白色圖層為顏色圖層提供了空白畫布。最后的透明層可以保護下面的所有內容,。


△用于 4D 設計的 2D 圖層


△研究團隊創(chuàng)建的軟件基于折紙領域的重要算法,，可以分解3D輸入對象，輸出2D圖案

展望
Narumi 補充道：“我和我的團隊發(fā)現了如何使用易于簡單的工具和材料來創(chuàng)建自折疊 4D 物體,，本質上,，我們正在制作帶有折紙圖案的平板，這些圖案很復雜,，即使是熟練的折紙藝術家也需要幾個小時才能完成,。但得益于我們的特殊工藝，您可以將熱水倒在這些平板上,，然后觀看它們在幾秒鐘內彈成復雜的 3D 形狀,。”

研究人員認為這項獨特技術在各種應用中都具有巨大潛力,。該技術能夠在4D打印保持平整的情況下運輸,，為解決物流和存儲障礙提供了一個有吸引力的解決方案，能夠成為在各種災難條件下運輸時的實用選擇,。醫(yī)療設備等基本物品可以打印為平面形狀,，并在現場轉化為功能齊全的3D物品。研究人員表示，4D 打印工藝目前正在不斷探索和發(fā)展,，向著快速,、無浪費制造的目標前進。