東京大学の研究者が、2Dプリント、折り紙、化学を組み合わせた新しい4Dプリント方法を開発しました。

2023年8月、アンタークティックベアは、東京大学の研究者が2Dプリント、折り紙、化学を組み合わせた新しい方法を導入し、材料を無駄にすることなく3Dオブジェクトの迅速な製造を実現したことを知りました。彼らの研究は、ACM Transactions on Graphics に「インクジェット 4D プリント: インクジェット UV 印刷による自動折り畳みモザイク折り紙オブジェクト」というタイトルで掲載されました。

複雑なオブジェクトの 3D 印刷には通常長い時間がかかります。これは、印刷プロセスでオブジェクトを構築するために多数の 2D レイヤーを配置する必要があり、このプロセスで多くのサポートと材料が無駄になることが多いためです。これらの問題に対処するため、研究者たちは初めて 2D プリント、折り紙、化学を組み合わせ、廃棄物を出さずに 3D オブジェクトを迅速に製造する方法を考案しました。数秒で形が折り畳まれます。

背景
3D プリンティングは製品のプロトタイプを作成するために使用されており、現在ではジェットエンジンの部品を含む商用製品の製造にもますます使用されるようになっています。しかし、すべての 3D 製造方法には、印刷を完了するのに長い時間が必要であったり、印刷プロセス中に残留材料が無駄になったりするなど、限界があります。 4D プリンティングのコンセプトは、特定の特殊な特性を持ち、適切な条件下で複雑な 3D 形状に自動的に折り畳むことができる最小限の材料を使用して、これらの問題を解決することを目的としています。自己折り畳みのプロセスは必然的に時間の次元、つまり第 4 次元を活用するため、4D プリントと呼ばれています。この革新的で高速な 4D 印刷方法は 2D レイヤーから始まることを理解してください。

△折り紙の「谷折り」と「山折り」

研究内容 「私たちが直面した最大の課題は、ハードウェアの完成と材料の選択でした。研究チームは最終的な選択に1年以上を費やしました」と東京大学工学部電気系工学科特任助教の鳴海幸也氏は語る。「しかし、その過程での試行錯誤はすべて価値がありました。以前の同様の研究と比較して印刷解像度を1,200倍に高め、実用的なアプリケーションのための新しいデザインを作成することができました。今後は、機械やその他の機能デバイスに使用できる導電性インクや磁性インクなど、より機能的な材料を研究していきます。」

△4Dプリントの工程。特別に作成されたソフトウェアは、入力された 3D モデルを印刷可能な 2D パターンに変換します。その後、プリントを熱湯に浸すと、最終的な 3D オブジェクトに折り畳まれます。

この技術では、特殊なインクジェットプリンターを使用して、UV 反応性材料を使用して印刷します。このプリンターは、熱収縮プラスチックシートの両面に 2 次元の折り紙デザインを印刷します。乾いても縮まず、柔軟性を保つインクを使用しています。基材は加熱すると収縮しますが、インクは収縮しにくいため、片側または反対側のインク部分の間に隙間を残すことで、デザイナーはシートの特定の部分をどのように折り畳むかを制御できます。平らなシートは熱湯で加熱され、複雑な折り紙構造に自然に折り畳まれます。

印刷された折り紙は基本的に平らですが、中央の熱収縮シートの素材の上と下にさまざまなインクの層が組み込まれています。プライマーは、紙が濡れているときでもインクが紙に付着するのを助けます。黒インクは収縮に強いため、「折り畳み」が可能になります。白いレイヤーは、カラーレイヤー用の空白のキャンバスを提供します。最後の透明な層が、その下のすべてを保護します。

△4Dデザインのための2Dレイヤー

△研究チームが作成したソフトウェアは、折り紙の分野で重要なアルゴリズムに基づいており、3D入力オブジェクトを分解して2Dパターンを出力できます。

見通し
鳴海氏はこう付け加えた。「私と私のチームは、使いやすいツールと材料を使って、自動的に折りたためる 4D オブジェクトを作成する方法を発見しました。基本的には、折り紙のパターンが描かれた平らなプレートを作成しています。これらのパターンは非常に複雑なので、熟練した折り紙アーティストでも完成させるのに何時間もかかります。しかし、私たちの特別なプロセスのおかげで、これらのプレートに熱湯を注ぐと、数秒で複雑な 3D 形状に変化するのを見ることができます。」

研究者たちは、この独自の技術がさまざまな用途で大きな可能性を秘めていると考えています。 4D プリントされた製品を平らなまま出荷できるこの技術は、物流や保管の障害に対する魅力的なソリューションとなり、さまざまな災害状況での輸送の実用的な選択肢となります。医療機器などの基本的なアイテムは、平面形状として印刷し、現場で完全に機能する 3D オブジェクトに変換できます。研究者らによると、4Dプリンティングのプロセスは現在、高速で無駄のない製造という目標に向けて研究・開発されているという。

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