Двигаясь вперед на максимальной скорости, садовая улитка за секунду покрывает слизью миллиметр своего пути. Проводя аналогию, можно сказать, что разработанный исследователями из Института Бекмана процесс 3D-печати позволяет выстраивать объекты со скоростью улитки.

Исследователи из Beckman Autonomous Materials Systems Group разработали технологию «печати путем роста», которая имитирует расширение стволов деревьев, что позволяет быстро и эффективно печатать полимерные детали без использования пресс-форм и дорогостоящего оборудования. Результаты их работы опубликованы в журнале Advanced Materials.

Наиболее распространенной промышленной технологией сегодня является литье под давлением, при котором расплавленные полимеры принимают нужный вид в металлической форме. Несмотря на эффективность массового производства, изготовление и обслуживание пресс-форм и печей для термообработки (где пластик затвердевает) может стоить непомерно дорого, особенно для крупных объектов – корпусов лодок или лопастей винтов. Аддитивное производство, при котором 3D-объекты печатаются, как слоеный пирог, не требует формования и идеально подходит для изготовления нестандартных изделий, например протезов.

Оборудование для полимерной 3D-печати постоянно совершенствуется, но все еще остается слишком дорогим и медленным. Цель исследователей заключалась в том, чтобы увеличить скорость производства, размер и качество изделий при относительно небольших затратах.

Сначала исходный материал дициклопентадиен (DCPD) – жидкая смола янтарного цвета – наливается в открытый стеклянный контейнер, погруженный в ледяную воду. Центральная точка смолы нагревается до 70 градусов. После начала реакции тепло распространяется от центра со скоростью 1 мм/с – в сто раз быстрее скорости печати домашних настольных 3D-принтеров и в 60 раз быстрее движения вверх самого быстрорастущего вида бамбука. Под действием тепла смола затвердевает, превращаясь в растущую сферу. Для запуска самоподдерживающейся за счет постоянного выделения тепла реакции требуется минимальное количество энергии.

По мере роста затвердевающей сферы исследователи меняют ее форму, извлекая из смолы, как яблоко из клейкой карамели. А поскольку реакция превращения жидкости в твердое вещество происходит только под поверхностью, твердое изделие можно поднимать, опускать и вращать, как в процессе выдувания стекла, манипулируя таким образом его размерами и формой.

Технология имитирует постепенный рост дерева вширь, кольцо за кольцом. В живой природе гравитация, ветер, освещение и температура препятствуют симметричному росту, в результате чего деревья начинают клониться на ветру и тянуться к солнечному свету.

Используя новый метод, исследователи изготовили модели сосновой шишки, ягоды малины и кабачка. Все они симметричны относительно вертикальной оси. Изготовление несимметричных форм сложнее, но тоже возможно. Удалось, например, вылепить птицу киви с миниатюрной головой и клювом. Скорость и энергоэффективность процесса печати путем роста могут сделать этот процесс весьма востребованным. Ограничения метода те же, что и в живой природе. Печать изогнутых объектов, таких как бананы, теоретически возможна, но ее сложно запрограммировать математически, как и сложные формы, напоминающие шипы у розы. Как и в природе, практически невозможно вырастить что-либо в форме куба.

Исследователи рассчитывают, что когда-нибудь их технологию можно будет использовать для создания из полимеров крупных изделий, например лопастей ветряных турбин. Проект финансируется по линии программы министерства энергетики США.