《Nature》：聲光結(jié)合，動(dòng)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(xué)者提出了一種新的3D打印方法——?jiǎng)討B(tài)界面打印，利用聲學(xué)調(diào)制的受限氣液邊界，在幾十秒內(nèi)快速生成厘米級(jí)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(dòng)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(gè)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(dǎo)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(dòng)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(duì)專業(yè)光學(xué)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(shí)現(xiàn)高速、無層的3D打印

研究?jī)?nèi)容

動(dòng)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(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的3D打印技術(shù)——?jiǎng)討B(tài)界面打印（Dynamic Interface Printing, DIP）。該技術(shù)利用一個(gè)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(xué)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生受控的氣-液界面，以此來實(shí)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(fù)雜反饋系統(tǒng)和特定化學(xué)物質(zhì)，而且能夠在幾秒鐘到幾十秒的時(shí)間范圍內(nèi)完成厘米級(jí)別的3D結(jié)構(gòu)打印。


△動(dòng)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(dāng)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(xué)控制通過毛細(xì)驅(qū)動(dòng)波促進(jìn)了增強(qiáng)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(xué)調(diào)制(CAM)。在瞬態(tài)模式下，界面的位置取決于步進(jìn)平移(ST)、內(nèi)部壓力調(diào)制(PM)和瞬態(tài)聲學(xué)調(diào)制(TAM)。d心臟幾何圖形打印過程的延時(shí)照片，展示了在不到40s的時(shí)間內(nèi)快速制造厘米級(jí)結(jié)構(gòu)。

DIP的獨(dú)特之處在于能夠動(dòng)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(duì)界面進(jìn)行聲學(xué)調(diào)制，以形成毛細(xì)重力波。彎月面在任何給定時(shí)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(dòng)可以連續(xù)激活或者在投影之間瞬時(shí)激活。

DIP是通過將光學(xué)和聲學(xué)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(xì)重力波來驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(jìn)行，壓縮的輪廓后退，直到其中心與容器的底部相切。在這個(gè)瞬態(tài)區(qū)域之后，可以使用楊氏-拉普拉斯方程來計(jì)算界面形狀。

聲調(diào)制
由空氣-液體邊界實(shí)現(xiàn)的DIP的核心特征是通過聲調(diào)制振動(dòng)打印界面的能力。這些振動(dòng)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(gè)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(duì)于底層結(jié)構(gòu)的位置。為了改善基于光的打印，聲學(xué)調(diào)制在空氣-液體界面產(chǎn)生毛細(xì)重力波，這在底層流體中產(chǎn)生流動(dòng),由于增強(qiáng)的材料傳輸，最終增加可實(shí)現(xiàn)的打印速度和保真度。


△DIP中的聲音調(diào)制

技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

●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�。�借助獨(dú)特的氣-液界面設(shè)計(jì)，DIP技術(shù)能夠無需額外支撐結(jié)構(gòu)直接打印出復(fù)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(jī)制和精細(xì)的表面波調(diào)控，DIP實(shí)現(xiàn)了前所未有的打印速度與分辨率。
●靈活性與可擴(kuò)展性：無論是小型精細(xì)部件還是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，DIP技術(shù)都能輕松應(yīng)對(duì)，展現(xiàn)出極高的靈活性和可擴(kuò)展性。

應(yīng)用實(shí)例展示
研究團(tuán)隊(duì)通過一系列實(shí)驗(yàn)展示了DIP技術(shù)的強(qiáng)大功能，其中包括但不限于：


△DIP打印能力

●生物醫(yī)學(xué)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(xì)胞培養(yǎng)和疾病建模提供了新的可能。
●微納制造：實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)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(gè)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(jì)和個(gè)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(duì)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(xué)物質(zhì)或光學(xué)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(duì)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(dòng)態(tài)界面打印技術(shù)有望在多個(gè)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(xì)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(dòng)3D打印技術(shù)革新和制造業(yè)變革的重要力量。研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索更多應(yīng)用場(chǎng)景，并努力提升打印速度、分辨率和材料多樣性，以期為社會(huì)帶來更多創(chuàng)新解決方案。