快速、便宜、高效的自折疊摺紙製作 3D 形狀
背景簡介
在東京大學的一項最新研究中，研究人員結合了 2D 列印、摺紙和化學技術，成功開發出一種無需浪費材料的快速 3D 物體製作方法。這種製造方法利用自折疊摺紙材料，透過將 2D 列印的形狀浸入熱水中，幾秒鐘內就能迅速形成複雜的 3D 物體。這一研究成果已經在《ACM 計算機圖形學期刊》上發表，為未來的 3D 製造技術開創了新的可能性。
傳統 3D 列印的約束
傳統的 3D 列印製造過程需要將大量的 2D 層逐層疊加，從而構建出 3D 物體。這樣的製造過程通常耗時且浪費材料。為理解決這些問題，近年來出現了一些將平面材料自折疊成 3D 形狀的新方法，然而這些方法存在一定的局限性。
4D 列印技術的應用
4D 列印技術是一種為了減少材料浪費而產生的概念，它使用具有特殊效能的材料，在適當條件下可以自折疊成複雜的 3D 形狀。這種技術被稱為 4D 列印，是因為自折疊過程涉及到時間，時間通常被稱為第四個維度。儘管有這樣的技術，但迅速的 4D 製造仍然需要很長的時間。這次在東京大學的研究中，研究人員透過在 2D 領域中進行自折疊製作開創了一條新的途徑。
研究方法與成果
該研究團隊開發了一種基於摺紙領域的重要算法的軟體，可以將 3D 物體分解為 2D 圖案。這個算法是推動該團隊探索快速 4D 製造想法的首要靈感，並且是整個製作過程的基礎。
該技術使用一種特殊的 UV 反應型墨水噴墨列印機，在塑膠片上進行 2D 摺紙設計。當底片受熱收縮時，墨水能保持彈性並且不收縮。透過在墨水的兩側之間留下間隙，設計者可以控制片上某一部分的摺疊方向。熱水可以在扁平片上提供熱源，使其迅速摺疊成精緻的摺紙結構。
經過一年的嘗試和錯誤，研究團隊改進了硬體和材料的選擇，將輸出解析度提高了 1200 倍。這意味著，他們能夠創造出不僅是新奇的設計，還可以應用於實際產品的設計。
潛力應用領域
研究人員希望這種創新技術能在各個領域應用，尤其是在需要獨特設計且材料浪費率高的時尚領域。同時由於列印的摺紙片基本上是扁平的，所以在有嚴格的物流或儲存要求的場合也有應用空間。列印設計可以郵寄給客戶，然後由客戶將其加熱以將之摺疊成他們所訂購的物品。此外在災難恢復的領域中也有潛在應用，因為某些物品，包括醫療物品，通常難以運輸，而如果所需物品基本上是扁平的，那麼事情將變得更加容易。
結論
這項研究成果的問世標誌著快速 3D 製造技術邁出了重要的一步。該技術結合了 2D 列印、摺紙和化學技術，大大縮短了製作 3D 物體所需的時間和材料。研究人員希望透過這一創新技術的應用，能夠有效減少材料浪費並在各個領域帶來更多可能性。然而這項研究還處於實驗階段，商業應用還需要進一步的研究和發展。
參考資料
- Narumi, K., et al. (2023). Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing. ACM Transactions on Graphics. DOI: 10.1145/3592409
- 自折疊摺紙片快速、便宜、高效地製作 3D 形狀（2023 年 7 月 24 日）。取自 https://techxplore.com/news/2023-07-self-folding-origami-sheets-3d-quickly.html
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