《Nature》：聲光結(jié)合，動態(tài)界面3D打印技術(shù)打造未來制造新范式

2024年10月30日，南極熊獲悉，來自澳大利亞的研究學者提出了一種新的3D打印方法——動態(tài)界面打印，利用聲學調(diào)制的受限氣液邊界，在幾十秒內(nèi)快速生成厘米級的3D結(jié)構(gòu)。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在Nature上，題目為Dynamic interface printing（動態(tài)界面打�。�。



背景介紹
隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)深入到了醫(yī)療設(shè)備、航空航天組件、微加工策略乃至人工器官等多個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)雖然在分辨率和幾何保真度上表現(xiàn)優(yōu)異，但是由于其逐層固化材料的工作原理，導致在打印速度、材料組成和生產(chǎn)效率等方面存在一定的局限性。近年來，體積打印技術(shù)因其能夠快速制造自由浮動且各向同性的結(jié)構(gòu)而受到廣泛關(guān)注，但這種方法同樣面臨著對專業(yè)光學系統(tǒng)或特殊材料配方的需求，從而限制了其更廣泛的應(yīng)用。


△DIP創(chuàng)新方法利用空心打印頭和氣液彎月面，通過調(diào)節(jié)氣壓和聲波實現(xiàn)高速、無層的3D打印

研究內(nèi)容

動態(tài)界面打印技術(shù)概述
為了解決上述挑戰(zhàn)，來自澳大利亞墨爾本大學的研究團隊提出了一種全新的3D打印技術(shù)——動態(tài)界面打�。―ynamic Interface Printing, DIP）。該技術(shù)利用一個開放底部并密封透明玻璃窗口頂部的空心打印頭，通過聲學驅(qū)動產(chǎn)生受控的氣-液界面，以此來實現(xiàn)物體的快速生成。這一創(chuàng)新方法不僅避免了傳統(tǒng)技術(shù)中所需的復雜反饋系統(tǒng)和特定化學物質(zhì)，而且能夠在幾秒鐘到幾十秒的時間范圍內(nèi)完成厘米級別的3D結(jié)構(gòu)打印。


△動態(tài)界面打�。篴 在部分浸沒的打印頭底部形成氣液界面，該邊界充當打印界面，其中圖案化的投影用于局部固化光敏聚合物。b打印頭內(nèi)部空氣體積的聲學控制通過毛細驅(qū)動波促進了增強的材料流入。c在連續(xù)模式下，氣液界面的整體位置取決于打印頭的連續(xù)平移(CT)和恒定聲學調(diào)制(CAM)。在瞬態(tài)模式下，界面的位置取決于步進平移(ST)、內(nèi)部壓力調(diào)制(PM)和瞬態(tài)聲學調(diào)制(TAM)。d心臟幾何圖形打印過程的延時照片，展示了在不到40s的時間內(nèi)快速制造厘米級結(jié)構(gòu)。

DIP的獨特之處在于能夠動態(tài)調(diào)節(jié)打印頭內(nèi)的壓力，從而允許在打印過程中控制彎液面的形狀和位置。這種調(diào)制可以是固定的，形成靜態(tài)彎月面，但是也可以在振幅和頻率范圍內(nèi)對界面進行聲學調(diào)制，以形成毛細重力波。彎月面在任何給定時刻的精確位置由打印頭的垂直位置、打印頭內(nèi)的靜態(tài)空氣壓力以及聲調(diào)制的振幅和頻率的疊加決定。這種振蕩致動可以連續(xù)激活或者在投影之間瞬時激活。

DIP是通過將光學和聲學調(diào)制定位到打印頭，所以DIP本質(zhì)上不受容器的限制。DIP通過在打印界面使用毛細重力波來驅(qū)動質(zhì)量傳輸，從而提供高制造速率，因此高分辨率結(jié)構(gòu)可以快速成型。

凸切片
與其他基于光的打印技術(shù)一樣，所需幾何形狀的3D數(shù)字模型必須首先被轉(zhuǎn)換成一系列圖像，以便由投影系統(tǒng)順序顯示。然而，與使用平面打印界面的標準立體平版打印術(shù)不同，DIP具有彎曲的彎月面。這需要一系列符合界面輪廓的圖像，代表物體的3D區(qū)域。每次打印開始時，界面被壓向打印體積的底部，形成薄的流體膜，其最大尺寸由零件的尺寸決定。隨著打印的進行，壓縮的輪廓后退，直到其中心與容器的底部相切。在這個瞬態(tài)區(qū)域之后，可以使用楊氏-拉普拉斯方程來計算界面形狀。

聲調(diào)制
由空氣-液體邊界實現(xiàn)的DIP的核心特征是通過聲調(diào)制振動打印界面的能力。這些振動可以用于改善基于光的打印工藝，或者為3D打印構(gòu)造增加另一個圖案化自由度。界面模式取決于所選擇的打印頭形狀、頻率、振幅以及界面相對于底層結(jié)構(gòu)的位置。為了改善基于光的打印，聲學調(diào)制在空氣-液體界面產(chǎn)生毛細重力波，這在底層流體中產(chǎn)生流動,由于增強的材料傳輸，最終增加可實現(xiàn)的打印速度和保真度。


△DIP中的聲音調(diào)制

技術(shù)特點與優(yōu)勢

●材料兼容性：DIP技術(shù)兼容多種材料，特別是軟質(zhì)和生物相關(guān)的水凝膠，這些材料在其他快速打印技術(shù)中往往難以處理。
●無支撐結(jié)構(gòu)打印：借助獨特的氣-液界面設(shè)計，DIP技術(shù)能夠無需額外支撐結(jié)構(gòu)直接打印出復雜的三維模型。
●高速度與高分辨率：結(jié)合高效的材料傳輸機制和精細的表面波調(diào)控，DIP實現(xiàn)了前所未有的打印速度與分辨率。
●靈活性與可擴展性：無論是小型精細部件還是大型復雜結(jié)構(gòu)，DIP技術(shù)都能輕松應(yīng)對，展現(xiàn)出極高的靈活性和可擴展性。

應(yīng)用實例展示
研究團隊通過一系列實驗展示了DIP技術(shù)的強大功能，其中包括但不限于：


△DIP打印能力

●生物醫(yī)學應(yīng)用：成功打印出了用于組織工程的生物相容性水凝膠結(jié)構(gòu)，為細胞培養(yǎng)和疾病建模提供了新的可能。
●微納制造：實現(xiàn)了微米級特征尺寸的精確控制，適用于電子元件、傳感器等微型設(shè)備的制造。
●藝術(shù)創(chuàng)作與個性化定制：DIP技術(shù)的高速度和高靈活性使其成為創(chuàng)意設(shè)計和個性化產(chǎn)品制造的理想選擇。

研究成果
此次研究的主要成果在于開發(fā)了一種全新的3D打印方法，它不僅克服了現(xiàn)有技術(shù)的速度瓶頸，還拓展了適用材料的范圍，特別是對于軟質(zhì)和生物相關(guān)材料的支持。此外，DIP技術(shù)展現(xiàn)出了在無需專用化學物質(zhì)或光學反饋系統(tǒng)的條件下，快速生成任意無支撐結(jié)構(gòu)的能力，這對于高存活率的組織工程、規(guī)�；�生產(chǎn)和快速原型制作等領(lǐng)域具有重要意義。

未來展望
展望未來，動態(tài)界面打印技術(shù)有望在多個領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括但不限于醫(yī)療設(shè)備制造、航空航天零部件生產(chǎn)、微細加工以及人工器官構(gòu)建等。隨著該技術(shù)的不斷優(yōu)化和完善，DIP將成為推動3D打印技術(shù)革新和制造業(yè)變革的重要力量。研究團隊將繼續(xù)探索更多應(yīng)用場景，并努力提升打印速度、分辨率和材料多樣性，以期為社會帶來更多創(chuàng)新解決方案。