新型生長打印（GP）工藝：模擬竹子生長，比桌面3D打印機快100倍
時間：2025-03-13 10:41 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年3月12日，來自貝克曼先進科學技術(shù)研究所的研究人員受自然界植物生長過程的啟發(fā)，開發(fā)了一種名為“生長打印(GP)”的新型 3D 打印方法，打印速度為每秒 1 毫米。這種打印工藝無需傳統(tǒng)制造方法通常所需的模具或昂貴設備即可制造聚合物部件。相關研究以題為“Morphogenic Growth 3D Printing”的論文發(fā)表在《先進材料》期刊上。
伊利諾伊大學香檳分校機械科學與工程學教授、項目負責人薩邁赫·陶菲克 (SamehTawfick) 表示：“人類在制造事物方面天賦異稟，但開發(fā)一種全新的制造工藝很難。生長打印是一種全新的技術(shù)，令人興奮。”Tawfick表示，注塑成型是一種較為常見的工業(yè)制造技術(shù)：通過即將熔融的聚合物在金屬模具中成型。雖然注塑成型對于大規(guī)模生產(chǎn)很有效，但模具和固化爐（塑料硬化的地方）的維護成本高昂且難以操作——尤其是對于船體或風扇葉片等大型物體而言。增材制造可以像分層蛋糕一樣打印 3D 物體，無需模具，是假肢等定制部件的理想選擇。
Tawfick 說道：“聚合物3D 打印設備已經(jīng)成熟，但仍存在價格昂貴、打印速度慢等問題。我們的目標是提高制造速度、尺寸和材料質(zhì)量，同時保持低成本。我們提出的這種工藝確實快速且便宜。”研究團隊開發(fā)的GP技術(shù)涉及將液態(tài)樹脂（雙環(huán)戊二烯）加熱至 70 攝氏度，引發(fā)向外擴散并硬化的反應。這種自持過程稱為前開環(huán)復分解聚合(FROMP)，運行速度比桌面 3D 打印機快約 100 倍，并且使用最少的能量來創(chuàng)建固體物體。
隨著硬化體的生長，研究人員將其從樹脂中拉出，就像從粘稠的焦糖中取出蘋果一樣，從而改變形狀。由于液體到固體的反應只發(fā)生在表面以下，研究人員可以像吹制玻璃一樣提起、浸入或旋轉(zhuǎn)固體部分，以操縱大小和形狀。例如：為了形成波紋狀或波浪形的邊緣，研究人員將樹脂稍微提起，保持不動，然后重復此操作。
△研究人員的新方法比現(xiàn)有的 3D 打印方法更快、更高效。圖片來源：貝克曼先進科學技術(shù)研究所
研究人員設計這一過程是為了模擬樹木逐年向外穩(wěn)步生長的過程。在自然界中，重力、風和溫度等因素會補充和復雜化樹木對稱生長的趨勢，導致樹木在風中彎曲或向森林冠層中的陽光區(qū)域伸展。
△形態(tài)發(fā)生生長打印 (GP)。a) 自然環(huán)境中樹干的形態(tài)發(fā)生；b) 徑向傳播聚合前沿示意圖，通過消耗周圍的單體產(chǎn)生自生長固體物體。實線和虛線輪廓線分別表示聚合固體和反應前沿的推進；c) 描述雙環(huán)戊二烯 (DCPD) 向pDCPD 進行前沿開環(huán)復分解聚合 (FROMP) 的化學反應。GC2 是 Grubbs 的第二代催化劑，P(OR)3 是一種用于控制 FROMP 反應性的亞磷酸酯基抑制劑；
GP工藝允許制造商通過操縱從液態(tài)樹脂中冒出的硬化材料來塑造物體。研究人員可以提起、浸入或旋轉(zhuǎn)固體部分以創(chuàng)造各種形狀，類似于吹制玻璃。這種工藝已成功生產(chǎn)出對稱物體，例如松果、覆盆子和南瓜。
△陶菲克和他的同事制作了松果、覆盆子和南瓜。圖片來源：貝克曼高級科學技術(shù)研究所
項目負責人、伊利諾伊大學香檳分校教授薩邁赫·陶菲克 (SamehTawfick) 認為，大型聚合物基產(chǎn)品（如風力渦輪機葉片）具有潛在應用前景。這項研究由美國能源部科學辦公室基礎能源科學項目資助，但也有局限性，尤其是在創(chuàng)建復雜的彎曲形狀或完美的幾何形狀（如立方體）方面。
研究團隊的研究成果展示了一種替代傳統(tǒng)注塑成型的方法，傳統(tǒng)注塑成型成本高昂，且不適用于大型物體。雖然該技術(shù)在制造應用方面前景廣闊，但目前它最適合軸對稱形狀，在生產(chǎn)更復雜的幾何形狀時面臨挑戰(zhàn)。
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