研究人员创造了“生长印刷”，模仿树干向外扩展，以快速高效地打印聚合物零件，而无需传统3D打印所需的模具和昂贵设备。
一只花园蜗牛以每秒1毫米的速度在路面上滑行。依此逻辑，贝克曼先进科学与技术研究所的研究人员的新3D打印过程以蜗牛的速度超过了现有方法。
贝克曼的自主材料系统组的研究人员创建了“生长印刷”，该技术模仿树干向外扩展，以快速高效地打印聚合物零件，而无需传统3D打印所需的模具和昂贵设备。他们的研究发表于《先进材料》期刊。
伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的机械科学与工程教授兼项目负责人萨梅赫·塔维克（Sameh Tawfick）表示：“人类在制造物品方面极具天赋。全新的制造过程很难找到。生长印刷完全是新的，这让人感到兴奋。”
塔维克说，最常见的工业制造技术是注塑成型，熔融的聚合物在金属模具中形成形状。尽管这种方法适用于大规模生产，但维护模具和固化炉（塑料硬化的地方）可能成本高昂且不便，尤其是对于像船壳或风扇叶片这样的大型物体。增材制造可以像层蛋糕一样打印3D物体，无需模具，非常适合定制零件，如假肢。
塔维克表示：“聚合物3D打印设备已经成熟，但仍有一些方面使其成本高昂且速度缓慢。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。我们提出的这一过程真的是快速而便宜。”
首先，萨梅赫和他的同事将一种名为二环戊二烯（dicyclopentadiene，或DCPD）的琥珀色液体树脂倒入一个浸泡在冰水中的开口玻璃容器中。他们将树脂中的一个中心点加热到70摄氏度。当反应开始时，热量以每秒1毫米的速度从接触点向外辐射，比家用桌面3D打印机快100多倍，比世界上生长最快的竹子快60倍。热量接触到的所有地方都会硬化成一个不断膨胀的球体，就像神话中的梅达斯王抓住了地球的核心。随着热量稳定的释放，自我维持的反应——称为前环开环聚合（frontal ring-opening metathesis polymerization，简称FROMP）——使用最小的能量将树脂硬化为固体形式：聚二环戊二烯（poly-dicyclopentadiene，或p-DCPD）。
随着硬化球体的成长，研究人员通过像将苹果从粘稠的焦糖中拔出那样将其从树脂中拉出，改变其形状。由于液体与固体的反应仅在表面下发生，研究人员可以像吹制玻璃一样提升、浸入或旋转固体部分，以操控其大小和形状。例如：为了创建波状边缘，研究人员稍微提起树脂，保持静止并重复操作。
研究人员设计他们的过程以模仿树木逐渐向外扩展，逐层增长。在自然界中，重力、风和温度等元素互相补充和复杂化树木对称生长的倾向，导致树木在风中弯曲或朝向森林树冠中的阳光块生长。
塔维克在阅读达西·温特沃斯·汤普森的书《生长与形态》时，被生物体生长模式及其结果形状（也称为形态发生）所吸引。去年八月，当塔维克从副教授升为正教授时，他将这本书献给了大学图书馆。
利用他们的新方法，塔维克和他的同事制作了日常物品，如松果、覆盆子和南瓜。这些都是轴对称的形状，即围绕一个垂直轴对称。非对称的形状更困难，但也是可能的；例如，研究人员通过让球形身体在表面下扩展，然后及时将其拉起以创建一个娇小的头部和细小的喙，雕刻了一只奇异鸟。
塔维克说：“这是反应-扩散过程的一个美丽而简单的应用，这在许多自然系统中都能找到。生长印刷过程的速度和能量效率使这个过程特别具有吸引力。在这个合作项目的建模方面，我们开发了一个计算工具，预测达到制造物体目标形状所需的棒的上升运动。”伊利诺伊大学的航天工程教授及论文合著者菲利普·格布尔（Philippe Geubelle）说。
这种方法的局限性与自然界中的局限性相同。打印弯曲物体，如香蕉，理论上是可能的，但在数学上编程是困难的，复杂形状“就像玫瑰上的刺”一样，塔维克说道。
塔维克说：“在自然界中很难找到完美的立方体。我不知道有什么植物或生物看起来像完美的立方体。同样，我们的过程也无法制造出完美的立方体。这是自然的有趣镜像。”
塔维克表示，这个过程“简单且高度市场化”，希望将来能用于制造大型聚合物产品，如风力涡轮机叶片。该项目由美国能源部科学办公室基础能源科学项目资助。
塔维克说：“基础能源科学可能会引领变革性制造，这意味着对我们的经济有变革性影响的东西。这是一个成功的例子，通过贝克曼研究所的各领域专家的合作使其成为可能。”
第一作者、伊利诺伊大学研究生金云成（Yun Seong Kim）表示，这个项目展示了真正的团队合作：
他说：“这真的是团队合作的成果，因为它需要各种背景的专业知识，我们齐心协力使这件事情得以实现。”
合著者兰迪·尤尔特（Randy Ewoldt），伊利诺伊大学机械科学与工程的亚历山大·兰金教授补充道：“这项工作的众多进展是由于出色的团队合作。伊利诺伊大学的协作卓越文化光彩夺目。”
