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研究所的研究人員受自然界植物生長過程的啟發，開發了一種名為“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，但開發一種全新的制造工藝很難。生長打印是一種全新的技術，令人興奮。”Tawfick表示，注塑成型是一種較為常見的工業制造技術：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模生產很有效，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。”研究團隊開發的GP技術涉及將液態樹脂（雙環戊二烯）加熱至 70 攝氏度，引發向外擴散并硬化的反應。這種自持過程稱為前開環復分解聚合(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域伸展。
△形態發生生長打印 (GP)。a) 自然環境中樹干的形態發生；b) 徑向傳播聚合前沿示意圖，通過消耗周圍的單體產生自生長固體物體。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) 描述雙環戊二烯 (DCPD) 向pDCPD 進行前沿開環復分解聚合 (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、浸入或旋轉固體部分以創造各種形狀，類似于吹制玻璃。這種工藝已成功生產出對稱物體，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注塑成型的方法，傳統注塑成型成本高昂，且不適用于大型物體。雖然該技術在制造應用方面前景廣闊，但目前它最適合軸對稱形狀，在生產更復雜的幾何形狀時面臨挑戰。
(責任編輯：admin)
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