Исследователи создали «3D-печать на основе роста», которая имитирует расширение стволов деревьев

Двигаясь вперёд с максимальной скоростью, садовая улитка проползает 1 миллиметр по тротуару в секунду. Исходя из этой логики, новый процесс 3D-печати, разработанный исследователями Института передовых наук и технологий Бекмана, превосходит существующие методы — со скоростью улитки.

Исследователи из группы автономных систем материалов Бекмана создали «печать на основе роста», которая имитирует расширение стволов деревьев и позволяет быстро и эффективно печатать полимерные детали без форм и дорогостоящего оборудования, обычно используемого при 3D-печати.

Их работа опубликована в журнале Advanced Materials.

«Люди невероятно талантливы в создании вещей. Трудно найти совершенно новые производственные процессы. Ростовая печать — это совершенно новый метод, который впечатляет», — сказал Самех Тауфик, профессор машиностроения и инженерии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне и руководитель проекта.

Тауфик сказал, что наиболее распространённой технологией промышленного производства является литьё под давлением, при котором расплавленные полимеры принимают форму в металлической форме. Несмотря на эффективность при массовом производстве, обслуживание форм и печей для отверждения (где пластик затвердевает) может быть дорогостоящим и неудобным, особенно для крупных объектов, таких как корпуса лодок или лопасти вентиляторов. Аддитивное производство, при котором 3D-объекты печатаются, как слоёный торт, не требует использования форм и идеально подходит для изготовления индивидуальных деталей, таких как протезы.

«Оборудование для 3D-печати полимерами усовершенствовалось, но всё ещё есть аспекты, которые делают его дорогим и очень медленным, — сказал Тауфик. — Наша цель состояла в том, чтобы увеличить скорость производства, размер и качество материала, сохранив при этом низкую стоимость. Этот процесс, который мы разработали, действительно быстрый и недорогой».

Сначала Самех и его коллеги наливают жидкую смолу янтарного цвета под названием дициклопентадиен, или DCPD, в открытый стеклянный контейнер, погружённый в ледяную воду. Они нагревают центральную точку смолы до 70 °C. По мере протекания реакции тепло распространяется от первоначальной точки контакта со скоростью 1 мм/с, что более чем в 100 раз быстрее, чем у настольных 3D-принтеров, доступных для домашнего использования, и в 60 раз быстрее, чем у самого быстрорастущего вида бамбука в мире.

Все, к чему прикасается жар, затвердевает, превращаясь в растущую сферу, как если бы мифический царь Мидас захватил ядро Земли. Самоподдерживающаяся за счет постоянного выделения тепла реакция, называемая метатезисной полимеризацией с фронтальным раскрытием кольца и получившая название FROMP, использует минимум энергии для отверждения смолы до ее твердой формы: полидициклопентадиена, или p-DCPD.

По мере того, как затвердевающая сфера растёт, исследователи меняют её форму, вытягивая из смолы, как яблоко из тягучей карамели. Поскольку реакция перехода из жидкого состояния в твёрдое происходит только под поверхностью, исследователи могут поднимать, опускать или вращать твёрдую часть, как выдувное стекло, чтобы изменить её размер и форму. Например, чтобы создать волнистый край, исследователи слегка приподнимают смолу, удерживают её в неподвижном состоянии и повторяют.

Исследователи разработали свой процесс, чтобы имитировать то, как дерево постепенно разрастается в ширину, кольцо за кольцом. В природе такие факторы, как гравитация, ветер и температура, дополняют и усложняют тенденцию дерева к симметричному росту, в результате чего деревья гнутся на ветру или тянутся к солнечному свету в лесной кроне.

Тауфик заинтересовался закономерностями роста живых организмов и формирующимися в результате этого формами, также известными как морфогенез, после прочтения книги Д’Арси Вентворта Томпсона «О росте и форме». В августе прошлого года, когда Тауфика повысили с должности доцента до профессора, он посвятил книгу университетской библиотеке.

Используя свой новый метод, Тауфик и его коллеги создали такие предметы повседневного обихода, как сосновая шишка, малина и тыква. Все они имеют осевую симметрию, то есть симметричны относительно вертикальной оси. Несимметричные формы создать сложнее, но возможно. Например, исследователи создали скульптуру птицы киви, позволив сферическому телу расшириться под поверхностью, а затем подняв его как раз вовремя, чтобы создать миниатюрную голову и крошечный клюв.

«Это красивое и простое применение процесса реакции-диффузии, который встречается во многих природных системах. Скорость и энергоэффективность процесса выращивания делают его особенно привлекательным. Что касается моделирования в рамках этого совместного проекта, мы разработали вычислительный инструмент, который предсказывает движение стержня вверх, необходимое для достижения целевой формы изготавливаемого объекта», — сказал Филипп Гебель, профессор аэрокосмической инженерии в Иллинойсе и соавтор статьи.

Ограничения этого метода те же, что и в природе. Теоретически возможно печатать изогнутые объекты, например бананы, но их сложно запрограммировать математически, как и сложные формы, «как шип в розе», — сказал Тауфик.

«В природе трудно найти идеальный куб. Я не знаю ни одного растения или организма, который выглядел бы как идеальный куб. Точно так же наш процесс не может создать идеальный куб. Это интересное отражение природы», — сказал он.

Тауфик говорит, что этот процесс «прост и очень востребован», и надеется, что однажды его можно будет использовать для создания крупных изделий на основе полимеров, таких как лопасти ветряных турбин.

Источник: Tech Xplore