MAX PLANCK和HEIDELBERG研究人員使用聲學(xué)全息圖探索非接觸式3D打印技術(shù)

2023年3月26日，南極熊獲悉，德國(guó)海德堡馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所和海德堡大學(xué)的研究人員正在開展一項(xiàng)新型3D打印技術(shù)研究。該技術(shù)利用聲學(xué)全息技術(shù)進(jìn)行無接觸式3D打印，與傳統(tǒng)3D打印相比，具有更高的精度和速度。

△形成緊湊聲學(xué)3D壓力圖像的概念

在傳統(tǒng)3D打印中，需要將材料通過噴嘴逐層堆積來打印出所需的形狀。而這項(xiàng)研究中，研究人員利用聲波產(chǎn)生的聲學(xué)全息技術(shù)，直接控制了液體中的顆粒聚集，從而實(shí)現(xiàn)了無接觸式3D打印。

△該研究已發(fā)表在SCIENCE ADVANCES期刊上，題目為“緊湊的全息聲場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了快速的一步式3D物質(zhì)組裝”（傳送門）

這項(xiàng)新研究已發(fā)表在《高級(jí)科學(xué)》雜志上。研究中使用多個(gè)聲學(xué)全息圖來制作可用于3D打印固體顆粒、凝膠珠甚至活細(xì)胞的壓力場(chǎng)。通過這樣做，研究人員希望在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開辟新的可能性，在這些領(lǐng)域能夠制造非常精確和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能非常有用。

使用超聲全息圖創(chuàng)建3D形狀

該研究的主要作者Kai Melde強(qiáng)調(diào)了基于超聲波的3D打印技術(shù)在生物細(xì)胞組裝方面的潛力。該方法通過對(duì)細(xì)胞溫和且無毒，并具有非接觸式遠(yuǎn)程組裝功能，有助于保持無菌狀態(tài)并保持細(xì)胞健康。Melde指出，這一技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景廣闊，例如用于藥物輸送和組織工程。此外，該研究團(tuán)隊(duì)表示，該技術(shù)還可用于制造微小器件和可編程的物體，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

Melde表示，利用聲波制作精確的3D形狀需要復(fù)雜的算法和多個(gè)相互作用的全息場(chǎng)。然而，這也帶來了計(jì)算上的挑戰(zhàn)，因?yàn)殡S著三維空間的增加，內(nèi)存需求也會(huì)增加，并且需要計(jì)算整個(gè)體積的波場(chǎng)。團(tuán)隊(duì)成員Heiner Kremer表示，將3D物體數(shù)字化為超聲全息圖需要大量計(jì)算能力，因此必須采用新的計(jì)算方法。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員使用了GPU加速和谷歌的TensorFlow軟件。這種新方法可能會(huì)在醫(yī)療、藥物輸送和組織工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

盡管該技術(shù)存在局限性，例如受到聲波功率的限制以及需要能夠抵抗重力的材料，但新的3D打印方法代表了基于聲波的3D制造領(lǐng)域“向前邁出了有希望的一步”。

△這些精準(zhǔn)的3D形狀由馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所的研究人員使用聲學(xué)全息圖技術(shù)制作

超聲波技術(shù)以前用于3D打印嗎？

馬來西亞馬六甲理工大學(xué)（UTeM）的研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)明了一種能夠制造更具彈性部件的3D打印機(jī)，該打印機(jī)使用回收的ABS材料。研究人員將兩個(gè)壓電換能器連接到標(biāo)準(zhǔn)的龍門式熔絲制造（FFF）3D打印機(jī)上，從而增強(qiáng)回收的ABS材料的韌性。

△研究人員的超聲波3D打印裝置

在將使用過的ABS材料切碎并擠出成1.75毫米的細(xì)線后，UTeM研究開始使用FFF原型機(jī)進(jìn)行3D打印樣品，該機(jī)器裝有壓電換能器，通過超聲波振動(dòng)使其更加穩(wěn)定。雖然第一批模型表面存在缺陷，但工程師發(fā)現(xiàn)將噴嘴溫度提高到270°C并降低打印速度可以解決這些問題。研究人員還發(fā)現(xiàn)，使用超聲波使零件以20 kHz的頻率振動(dòng)“顯著改善了回收層的附著力”。

△通過使用超聲波3D打印工藝，成功生產(chǎn)了概念驗(yàn)證半月板

另外，加拿大康考迪亞大學(xué)的科學(xué)家們研發(fā)了一種新穎的直接聲波打印(DSP)技術(shù)，可以利用超聲波在微小空腔中產(chǎn)生聲化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)出復(fù)雜而精確的物體。相關(guān)研究已發(fā)表在論文中，詳細(xì)解釋了該技術(shù)的原理和具體實(shí)現(xiàn)方法。該技術(shù)可用于創(chuàng)建具有當(dāng)前方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀的設(shè)計(jì)。

康考迪亞大學(xué)機(jī)械、工業(yè)和航空航天工程系教授Muthukumaran Packirisamy表示，他們利用超聲波的頻率來創(chuàng)造物品，而這種頻率曾被應(yīng)用于組織和腫瘤的激光消融等破壞性手術(shù)。