東京大學(xué)研究人員開發(fā)新的4D打印方法，將2D打印、折紙和化學(xué)結(jié)合！

2023年8月，南極熊獲悉，東京大學(xué)的研究人員推出了一種結(jié)合 2D 打印、折紙和化學(xué)的新方法，可實現(xiàn)快速3D物體的制造，且不會產(chǎn)生任何材料浪費(fèi)。他們的研究已經(jīng)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(fù)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(shè)大量 2D 層來構(gòu)建物體，該過程通常會浪費(fèi)大量支撐，浪費(fèi)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(xué)結(jié)合起來，創(chuàng)建了一種快速 3D 物體制造方法，且不產(chǎn)生任何廢料。這些形狀在幾秒鐘內(nèi)就會自動折疊。

研究背景
3D 打印已被用于制作產(chǎn)品原型，現(xiàn)在更多地用于商業(yè)產(chǎn)品的制造，包括噴氣發(fā)動機(jī)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(fèi)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(dāng)?shù)臈l件下自動折疊成復(fù)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(nèi)容
東京大學(xué)電氣工程與信息系統(tǒng)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(jìn)行選擇，研究團(tuán)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(shè)計，用于實際應(yīng)用。未來，我們會探索更多的功能材料，例如導(dǎo)電或磁性墨水，這些材料可以用于機(jī)器和其他功能設(shè)備�！�


△4D打印工藝。專門創(chuàng)建的軟件將輸入的 3D 模型轉(zhuǎn)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(shù)利用一種特殊的噴墨打印機(jī)，使用紫外線反應(yīng)材料進(jìn)行打印。該打印機(jī)將二維折紙設(shè)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(cè)或另一側(cè)的墨水部分之間留出間隙，設(shè)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(jìn)行加熱，自發(fā)折疊成復(fù)雜的折紙結(jié)構(gòu)。

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(jié)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(xiàn)”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(hù)下面的所有內(nèi)容。


△用于 4D 設(shè)計的 2D 圖層


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

展望
Narumi 補(bǔ)充道：“我和我的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)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(zhì)上，我們正在制作帶有折紙圖案的平板，這些圖案很復(fù)雜，即使是熟練的折紙藝術(shù)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(nèi)彈成復(fù)雜的 3D 形狀。”

研究人員認(rèn)為這項獨(dú)特技術(shù)在各種應(yīng)用中都具有巨大潛力。該技術(shù)能夠在4D打印保持平整的情況下運(yùn)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(zāi)難條件下運(yùn)輸時的實用選擇。醫(yī)療設(shè)備等基本物品可以打印為平面形狀，并在現(xiàn)場轉(zhuǎn)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(fèi)制造的目標(biāo)前進(jìn)。