东京大学：借助材料喷射技术实现高速、高分辨率、全彩4D打印

折叠结构，在军事上可用于战地指挥、战场救护、装配抢修及野外帐篷等，对提高部队的后勤保障能力、增加部队战斗力有重要意义；在航空航天领域，折叠结构有着不可替代的地位，已用作太阳帆、可展式天线等。

随着3D打印技术的发展，具有可控性能的智能结构4D打印正在获得大量研究，折纸镶嵌，有望为产品开辟新的设计和应用。当前最流行的4D打印方法之一是通过加热故意使从FDM 3D打印机挤出的热塑性塑料发生变化，以实现运动或存储。这种方法的优点在于工艺容易获得且成本较低，但分辨率不可避免的受到FDM 3D打印机的限制。另一种流行的4D打印方法是打印对湿度变化或(脱)水化反应的可收缩自折叠材料，这种方法对需要生物安全性能的可穿戴设备和食品特别有用。然而，对于复杂的形状变化，分辨率仍然是无法回避的问题。总之，当前的4D打印技术，要么分辨率低，要么需要手工，容易出错且后处理较为耗时。

近日，东京大学的研究人员推出了一种结合2D打印、折纸结构和化学的新方法，可实现快速3D物体制造，且不会产生任何材料浪费。这种喷墨式4D打印工艺，有可能克服限制并为不同行业开辟无限的应用前景。与传统的逐层3D打印技术会导致生产时间延长和材料浪费不同，研究人员从4D打印中汲取了灵感。在这里，具有独特属性的材料在特定条件下自折叠成复杂的 3D形状，利用时间作为转变的关键因素。

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材料的选择，我们花了一年多的时间才将范围缩小到最终选择。但是所有的尝试和错误都是值得的，与之前围绕相同基本思想的研究相比，我们将输出分辨率提高了1200倍，打印速度提高了2.8倍，还可以实现全彩打印。这意味着我们可以创建的设计不仅新颖，而且可以用于实际应用。未来，我们可能会探索功能材料，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。”

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结构。

用于 4D 设计的 2D 图层

该技术的核心是专门设计用于处理紫外线反应材料的喷墨打印机，尽管这些打印机可能需要更高的成本。该打印机将二维折纸设计精确地应用到热收缩塑料片的两面。此外，印刷过程中使用的墨水在随后的收缩过程中不受影响，确保即使在干燥后也能保持其柔韧性。通过策略性地合并两侧墨水部分之间的间隙，设计人员可以精确控制纸张的折叠方向。

折纸主要有两种折痕：山谷褶皱和山脉褶皱。在每种情况下，纸张要么向内折叠，要么向外折叠。为了进行这些折叠，在热收缩片的一侧留有间隙，以便在加热时，片的这一部分可以像山谷一样向内折叠，或者像山一样向外折叠。

通过使用热水对平板进行加热来触发自折叠过程。在此过程中，具有抗收缩性的墨水发挥着关键作用，使材料自发折叠成复杂的折纸状结构。

“我和我的团队发现了如何使用易于使用的工具和材料来创建自折叠4D物体，”Narumi 补充道。“本质上，我们正在制作带有折纸图案的平板，这些图案可能很复杂，即使是熟练的折纸艺术家也需要几个小时才能形成。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变为复杂的3D形状。”

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

研究人员对这项独特技术在各种应用中的巨大潜力表示了期待。其中，时尚业将从中受益，因为它经常面临材料浪费的问题，特别是在定制设计的背景下。该技术能够在4D打印物品保持平整的情况下运输它们，为解决物流和存储障碍提供了一个有吸引力的解决方案，使其成为灾难恢复条件下的实用选择。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对象。

该技术可用于开发先进服饰

可用于制作加密信件

一段时间以来，3D打印已被用于制作产品原型，现在更多的用于商业产品的制造，甚至包括喷气发动机的零件。但每种3D打印方法都有其局限性，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。4D打印这一概念旨在使用最少量的材料来缓解这些问题，这些材料被选择为具有某些特殊属性，使它们能够在适当的条件下自动折叠成复杂的3D状。它被称为4D打印，因为自折叠的过程必然要利用时间，这通常被称为第四维度。有意思的是，这种新的快速4D打印方法始于2D领域。

东京大学的研究人员表示，4D打印工艺目前正在不断探索和发展，为快速、无浪费制造成为现实的潜在未来提供了见解。研究人员表示，他们“热切期待”其实际应用及其对不同行业的影响。

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