新型生長(zhǎng)打�。℅P）工藝：模擬竹子生長(zhǎng)，比桌面3D打印機(jī)快100倍

2025年3月12日，南極熊獲悉，來(lái)自貝克曼先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員受自然界植物生長(zhǎng)過(guò)程的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種名為“生長(zhǎng)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(wú)需傳統(tǒng)制造方法通常所需的模具或昂貴設(shè)備即可制造聚合物部件。

相關(guān)研究以題為“Morphogenic Growth 3D Printing”的論文發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202406265

伊利諾伊大學(xué)香檳分校機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)教授、項(xiàng)目負(fù)責(zé)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(kāi)發(fā)一種全新的制造工藝很難。生長(zhǎng)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(jiàn)的工業(yè)制造技術(shù)：通過(guò)即將熔融的聚合物在金屬模具中成型。雖然注塑成型對(duì)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(hù)成本高昂且難以操作——尤其是對(duì)于船體或風(fēng)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(wú)需模具，是假肢等定制部件的理想選擇。

Tawfick 說(shuō)道：“聚合物3D 打印設(shè)備已經(jīng)成熟，但仍存在價(jià)格昂貴、打印速度慢等問(wèn)題。我們的目標(biāo)是提高制造速度、尺寸和材料質(zhì)量，同時(shí)保持低成本。我們提出的這種工藝確實(shí)快速且便宜�！�

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的GP技術(shù)涉及將液態(tài)樹(shù)脂（雙環(huán)戊二烯）加熱至 70 攝氏度，引發(fā)向外擴(kuò)散并硬化的反應(yīng)。這種自持過(guò)程稱為前開(kāi)環(huán)復(fù)分解聚合(FROMP)，運(yùn)行速度比桌面 3D 打印機(jī)快約 100 倍，并且使用最少的能量來(lái)創(chuàng)建固體物體。

隨著硬化體的生長(zhǎng)，研究人員將其從樹(shù)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(yīng)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(shù)脂稍微提起，保持不動(dòng)，然后重復(fù)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(lái)源：貝克曼先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所

研究人員設(shè)計(jì)這一過(guò)程是為了模擬樹(shù)木逐年向外穩(wěn)步生長(zhǎng)的過(guò)程。在自然界中，重力、風(fēng)和溫度等因素會(huì)補(bǔ)充和復(fù)雜化樹(shù)木對(duì)稱生長(zhǎng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致樹(shù)木在風(fēng)中彎曲或向森林冠層中的陽(yáng)光區(qū)域伸展。

△形態(tài)發(fā)生生長(zhǎng)打印 (GP)。a) 自然環(huán)境中樹(shù)干的形態(tài)發(fā)生；b) 徑向傳播聚合前沿示意圖，通過(guò)消耗周圍的單體產(chǎn)生自生長(zhǎng)固體物體。實(shí)線和虛線輪廓線分別表示聚合固體和反應(yīng)前沿的推進(jìn)；c) 描述雙環(huán)戊二烯 (DCPD) 向pDCPD 進(jìn)行前沿開(kāi)環(huán)復(fù)分解聚合 (FROMP) 的化學(xué)反應(yīng)。GC2 是 Grubbs 的第二代催化劑，P(OR)3 是一種用于控制 FROMP 反應(yīng)性的亞磷酸酯基抑制劑；

GP工藝允許制造商通過(guò)操縱從液態(tài)樹(shù)脂中冒出的硬化材料來(lái)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(duì)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(lái)源：貝克曼高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、伊利諾伊大學(xué)香檳分校教授薩邁赫·陶菲克 (SamehTawfick) 認(rèn)為，大型聚合物基產(chǎn)品（如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片）具有潛在應(yīng)用前景。這項(xiàng)研究由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室基礎(chǔ)能源科學(xué)項(xiàng)目資助，但也有局限性，尤其是在創(chuàng)建復(fù)雜的彎曲形狀或完美的幾何形狀（如立方體）方面。

研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)用方面前景廣闊，但目前它最適合軸對(duì)稱形狀，在生產(chǎn)更復(fù)雜的幾何形狀時(shí)面臨挑戰(zhàn)。