东京大学研究人员开发新的4D打印方法，将2D打印、折纸和化学结合！

2023年8月，南极熊获悉，东京大学的研究人员推出了一种结合 2D 打印、折纸和化学的新方法，可实现快速3D物体的制造，且不会产生任何材料浪费。他们的研究已经发表在了《ACM Transactions on Graphics》上，题目为《Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing》(《喷墨 4D 打印：通过喷墨 UV 打印自折叠棋盘格折纸物体》）



复杂物体的 3D 打印通常需要很长时间，因为打印过程必须铺设大量 2D 层来构建物体，该过程通常会浪费大量支撑，浪费较多的材料。为了解决上述问题，研究人员首次将 2D 打印、折纸和化学结合起来，创建了一种快速 3D 物体制造方法，且不产生任何废料。这些形状在几秒钟内就会自动折叠。

研究背景
3D 打印已被用于制作产品原型，现在更多地用于商业产品的制造，包括喷气发动机的零件。但每种3D制造方法都有其局限性，例如完成打印所需的时间较长或打印过程中残留材料的浪费等。4D打印这一概念旨在使用最少量的材料来解决这些问题，这些材料具有某些特殊属性，能够在适当的条件下自动折叠成复杂的 3D 形状。它被称为4D打印，因为自折叠的过程必然要利用时间这个维度，也称为第四维度。要知道，这种创新且快速的4D打印方法始于2D图层。


△折纸中的”谷折“与”山折“

研究内容
东京大学电气工程与信息系统系项目助理教授 Koya Narumi 表示：“我们面临的最大挑战是完善硬件和对材料进行选择，研究团队花了一年多的时间才做出最终选择。但是在这个过程中，所有的尝试和错误都是值得的；与之前类似的研究相比，我们将打印分辨率提高了 1,200 倍，可以创建新颖的设计，用于实际应用。未来，我们会探索更多的功能材料，例如导电或磁性墨水，这些材料可以用于机器和其他功能设备。”


△4D打印工艺。专门创建的软件将输入的 3D 模型转换为可以打印的 2D 图案。然后可以将打印件浸入热水中，自行折叠成最终的 3D 物体

该技术利用一种特殊的喷墨打印机，使用紫外线反应材料进行打印。该打印机将二维折纸设计打印到受热收缩的塑料片的两面。它使用的墨水不会收缩，并且在干燥时可以保持柔韧性。由于基片在加热时会收缩，并且墨水可以抵抗收缩，因此通过在一侧或另一侧的墨水部分之间留出间隙，设计者可以控制片材的特定部分的折叠方式。使用热水对平板进行加热，自发折叠成复杂的折纸结构。

尽管打印的折纸基本上是平坦的，但它们在中央热收缩片材料的顶部和下方结合了许多不同的墨水层。底漆有助于墨水粘附在纸张上，即使在潮湿的情况下也是如此。黑色墨水可以抵抗收缩，从而实现”折叠“。白色图层为颜色图层提供了空白画布。最后的透明层可以保护下面的所有内容。


△用于 4D 设计的 2D 图层


△研究团队创建的软件基于折纸领域的重要算法，可以分解3D输入对象，输出2D图案

展望
Narumi 补充道：“我和我的团队发现了如何使用易于简单的工具和材料来创建自折叠 4D 物体，本质上，我们正在制作带有折纸图案的平板，这些图案很复杂，即使是熟练的折纸艺术家也需要几个小时才能完成。但得益于我们的特殊工艺，您可以将热水倒在这些平板上，然后观看它们在几秒钟内弹成复杂的 3D 形状。”

研究人员认为这项独特技术在各种应用中都具有巨大潜力。该技术能够在4D打印保持平整的情况下运输，为解决物流和存储障碍提供了一个有吸引力的解决方案，能够成为在各种灾难条件下运输时的实用选择。医疗设备等基本物品可以打印为平面形状，并在现场转化为功能齐全的3D物品。研究人员表示，4D 打印工艺目前正在不断探索和发展，向着快速、无浪费制造的目标前进。