新型生长打印（GP）工艺：模拟竹子生长，比桌面3D打印机快100倍

2025年3月12日，南极熊获悉，来自贝克曼先进科学技术研究所的研究人员受自然界植物生长过程的启发，开发了一种名为“生长打印(GP)”的新型 3D 打印方法，打印速度为每秒 1 毫米。这种打印工艺无需传统制造方法通常所需的模具或昂贵设备即可制造聚合物部件。

相关研究以题为“Morphogenic Growth 3D Printing”的论文发表在《先进材料》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202406265

伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程学教授、项目负责人萨迈赫·陶菲克 (SamehTawfick) 表示：“人类在制造事物方面天赋异禀，但开发一种全新的制造工艺很难。生长打印是一种全新的技术，令人兴奋。”

Tawfick表示，注塑成型是一种较为常见的工业制造技术：通过即将熔融的聚合物在金属模具中成型。虽然注塑成型对于大规模生产很有效，但模具和固化炉（塑料硬化的地方）的维护成本高昂且难以操作——尤其是对于船体或风扇叶片等大型物体而言。增材制造可以像分层蛋糕一样打印 3D 物体，无需模具，是假肢等定制部件的理想选择。

Tawfick 说道：“聚合物3D 打印设备已经成熟，但仍存在价格昂贵、打印速度慢等问题。我们的目标是提高制造速度、尺寸和材料质量，同时保持低成本。我们提出的这种工艺确实快速且便宜。”

研究团队开发的GP技术涉及将液态树脂（双环戊二烯）加热至 70 摄氏度，引发向外扩散并硬化的反应。这种自持过程称为前开环复分解聚合(FROMP)，运行速度比桌面 3D 打印机快约 100 倍，并且使用最少的能量来创建固体物体。

随着硬化体的生长，研究人员将其从树脂中拉出，就像从粘稠的焦糖中取出苹果一样，从而改变形状。由于液体到固体的反应只发生在表面以下，研究人员可以像吹制玻璃一样提起、浸入或旋转固体部分，以操纵大小和形状。例如：为了形成波纹状或波浪形的边缘，研究人员将树脂稍微提起，保持不动，然后重复此操作。

△研究人员的新方法比现有的 3D 打印方法更快、更高效。图片来源：贝克曼先进科学技术研究所

研究人员设计这一过程是为了模拟树木逐年向外稳步生长的过程。在自然界中，重力、风和温度等因素会补充和复杂化树木对称生长的趋势，导致树木在风中弯曲或向森林冠层中的阳光区域伸展。

△形态发生生长打印 (GP)。a) 自然环境中树干的形态发生；b) 径向传播聚合前沿示意图，通过消耗周围的单体产生自生长固体物体。实线和虚线轮廓线分别表示聚合固体和反应前沿的推进；c) 描述双环戊二烯 (DCPD) 向pDCPD 进行前沿开环复分解聚合 (FROMP) 的化学反应。GC2 是 Grubbs 的第二代催化剂，P(OR)3 是一种用于控制 FROMP 反应性的亚磷酸酯基抑制剂；

GP工艺允许制造商通过操纵从液态树脂中冒出的硬化材料来塑造物体。研究人员可以提起、浸入或旋转固体部分以创造各种形状，类似于吹制玻璃。这种工艺已成功生产出对称物体，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。图片来源：贝克曼高级科学技术研究所

项目负责人、伊利诺伊大学香槟分校教授萨迈赫·陶菲克 (SamehTawfick) 认为，大型聚合物基产品（如风力涡轮机叶片）具有潜在应用前景。这项研究由美国能源部科学办公室基础能源科学项目资助，但也有局限性，尤其是在创建复杂的弯曲形状或完美的几何形状（如立方体）方面。

研究团队的研究成果展示了一种替代传统注塑成型的方法，传统注塑成型成本高昂，且不适用于大型物体。虽然该技术在制造应用方面前景广阔，但目前它最适合轴对称形状，在生产更复杂的几何形状时面临挑战。