Самоскладывающиеся листы оригами создают 3D-фигуры быстро, дешево и эффективно

Специально созданное программное обеспечение превращает входную 3D-модель, которая может быть сканом существующего объекта, в 2D-образец, который затем можно распечатать. Затем модели можно погрузить в горячую воду, чтобы они самостоятельно сложились в окончательный 3D-объект. Предоставлено: ©2023 г. Наруми и др. CC-BY-ND

Впервые исследователи объединили 2D-печать, оригами и химию, чтобы создать метод быстрого изготовления 3D-объектов без создания каких-либо отходов. Эти фигуры самостоятельно складываются за считанные секунды.

3D-печать уже некоторое время используется для изготовления изделий. Но каждый метод 3D-изготовления имеет ограничения, такие как длительное время, необходимое для завершения печати, или потеря рудиментарных материалов при печати. 4D-печать — это концепция, направленная на смягчение этих проблем с использованием минимального количества материалов. Эти материалы отбираются из-за того, что обладают особыми свойствами, позволяющими им самостоятельно складываться в сложные 3D-формы при правильных условиях. Это называется 4D-печатью, потому что процесс самоскладывания использует время, которое часто называют 4-м измерением. По иронии судьбы, новый метод быстрой 4D-печати начинается в сфере 2D.

«Моя команда и я обнаружили, как использовать доступные инструменты и материалы для создания самоскладывающихся 4D-объектов», — сказал доцент проекта Коя Наруми с кафедры электротехники и информационных систем Токийского университета. «По сути, мы создаем плоские листы с узорами оригами на них, и эти узоры могут быть сложными, на создание которых уходит даже у опытного художника-оригами. Но благодаря нашему специальному процессу вы можете залить эти плоские листы горячей водой и наблюдать, как они за считанные секунды превращаются в сложные 3D-формы».

В этом методе используется специальный тип струйного принтера, который печатает с использованием УФ-реактивных материалов. Хотя сама машина может стоить десятки тысяч долларов, их часто можно найти в общих мастерских. Этот принтер печатает 2D-дизайн оригами на обеих сторонах пластикового листа, который сжимается при нагревании.

Программное обеспечение, созданное командой, основано на важном алгоритме в области оригами.

Чернила, которые он использует, не дают усадки и могут оставаться гибкими при высыхании. Поскольку базовый лист дает усадку при нагревании, а чернила сопротивляются усадке, оставляя зазоры между участками чернил с одной или другой стороны, дизайнер может контролировать, в какую сторону складывается определенная часть листа. Горячая вода используется для нанесения тепла на плоский лист, чтобы он самопроизвольно складывался в замысловатую конструкцию оригами.

«Нашей самой большой проблемой было уточнение вариантов оборудования и материалов, что заняло более года, чтобы сузить круг до окончательного выбора», — сказал Наруми. «Но все пробы и ошибки того стоили; По сравнению с предыдущими исследованиями, посвященными той же основной идее, мы улучшили выходное разрешение в 1,200 раз, а это означает, что проекты, которые мы можем создать, являются не просто новинками, но могут быть использованы для реальных приложений. В будущем мы можем исследовать функциональные материалы, такие как проводящие или магнитные чернила, которые могли бы позволить использовать машины и другие функциональные устройства».

Наруми и его команда надеются, что эта инновация найдет применение в различных областях, таких как мода, где потери материала часто высоки, особенно в тех областях, где востребованы индивидуальные дизайны.

Но, учитывая тот факт, что предварительно сложенные формы полностью плоские, это также может быть полезно в любой ситуации, когда есть жесткие проблемы с логистикой или хранением. Печатные дизайны могут быть даже опубликованы, и получатель может затем нагреть их, чтобы превратить в предмет, который он заказал. И это может быть даже использовано в области аварийного восстановления, где определенные предметы, возможно, включая медицинские предметы, необходимы, но часто их трудно транспортировать, и это становится намного проще, когда требуемые предметы по существу плоские.

Подробнее: Koya Narumi et al. Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing, ACM Transactions on Graphics (2023) DOI: 10.1145/3592409 🔗