導(dǎo)讀:直接聲音打?。―SP)是一種由聲化學(xué)聚合驅(qū)動(dòng)的替代性增材制造工藝,傳統(tǒng)上僅限于單個(gè)聲學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域,從而導(dǎo)致逐個(gè)體素的打印方式。為了克服這一局限性,康考迪亞大學(xué)的研究人員引入了全息直接聲音打?。℉DSP)技術(shù)。在該技術(shù)中,聲學(xué)全息圖用于存儲(chǔ)部件的橫截面圖像,聲波被圖案化以誘導(dǎo)特定區(qū)域的空化氣泡,并在所需區(qū)域?qū)崿F(xiàn)聚合,生成無(wú)層次結(jié)構(gòu)的打印件。
2024年10月10日,據(jù)資源庫(kù)了解,來(lái)自康考迪亞大學(xué)的研究人員成功開(kāi)發(fā)出一種全新的打印方法——全息直接聲音打印(HDSP),據(jù)稱(chēng)比現(xiàn)有的3D打印方法速度更快,且能制造出更為復(fù)雜的物體。相關(guān)研究論文已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
HDSP的關(guān)鍵技術(shù)是聲全息圖,這是一種能夠精準(zhǔn)操控聲場(chǎng)的技術(shù)。相比傳統(tǒng)的相控陣換能器(PAT),聲全息圖不僅能以較低成本創(chuàng)造復(fù)雜的聲場(chǎng),還具備更高的自由度。在醫(yī)學(xué)成像、細(xì)胞圖案化、粒子組裝等多個(gè)領(lǐng)域,聲全息技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出其強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。通過(guò)將聲全息技術(shù)與增材制造結(jié)合,HDSP成為了一種突破性的新工藝,既能縮短打印時(shí)間,又能節(jié)省能源。 圖1:HDSP 概念和打印物體。a HDSP 工藝示意圖,其中打印部件位于安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上的平臺(tái)上,顯示末端執(zhí)行器坐標(biāo)系 (ECS) 和平移 ( xyz ) 和旋轉(zhuǎn) ( ωx , ωy , ωz ) 自由度。b打印區(qū)域的詳細(xì)視圖,在目標(biāo)壓力圖像附近產(chǎn)生空化氣泡。c打印的“DSP”字母,打印參數(shù):P ?= 20 W、f 0 ?= 2.28 MHz、DC = ?35%,及其相應(yīng)的模擬壓力模式p,歸一化到最大壓力PMAX。d打印的楓葉,打印參數(shù):P ?= 25 W、OD = 50 mm、f 0 = 2.28 ?MHz、DC = 30%。e沿 + z軸通過(guò)進(jìn)給f軸向擠壓/打印的全透明打印壁,打印參數(shù):P ?= 6 W、OD = 25 mm、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 20%。f通過(guò)多軸 HDSP 中平臺(tái)的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)打印的透明螺旋。g使用與 ( e )相同的打印條件,通過(guò)計(jì)算的機(jī)器人軌跡打印的自支撐U形物體。OD、 P、f 0和DC分別是換能器孔徑大小、聲功率、聲學(xué)中心頻率和占空比。
HDSP的基礎(chǔ)技術(shù)——直接聲音打印(DSP),這是一種利用聲化學(xué)聚合驅(qū)動(dòng)的增材制造工藝,通過(guò)聲空化氣泡在打印介質(zhì)中的聚合反應(yīng)完成打印。空化現(xiàn)象即聲波產(chǎn)生的氣泡在低壓時(shí)膨脹并在高壓時(shí)劇烈坍塌,氣泡坍塌所產(chǎn)生的極端高溫和高壓,能夠瞬間引發(fā)化學(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)材料的聚合。與傳統(tǒng)依賴(lài)光或熱能激活化學(xué)反應(yīng)的3D打印工藝不同,DSP通過(guò)聲波產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),成為一種全新的材料處理方式。
與立體光刻(SLA)等傳統(tǒng)增材制造工藝類(lèi)似,早期的DSP每次只能打印一個(gè)體素,打印速度受到限制。為了解決這一問(wèn)題,研究人員引入了全息直接聲音打印(HDSP)。通過(guò)聲全息技術(shù),HDSP能夠在整個(gè)橫截面上同時(shí)進(jìn)行聚合,而不再局限于逐點(diǎn)打印,大大提升了打印效率。
聲全息圖是一種存儲(chǔ)打印部件橫截面信息的聲壓模式,當(dāng)超聲波通過(guò)這些全息圖時(shí),會(huì)在材料內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域引發(fā)空化氣泡,并完成聚合反應(yīng)。這種方法不僅加速了打印過(guò)程,還允許創(chuàng)建復(fù)雜的無(wú)層次結(jié)構(gòu)。
圖2:SCL實(shí)驗(yàn)利用全息圖展示化學(xué)反應(yīng)的可模式化性。SCL設(shè)置包括一個(gè) DSLR 相機(jī),用于捕捉魯米諾溶液表面的頂視圖。b1 – e1捕捉到的魯米諾照明圖案。b2 – e2目標(biāo)平面上對(duì)應(yīng)的理論聲壓圖。( b ) 中使用的聲學(xué)參數(shù)為 OD = 25 mm、f 0 = 2.24 MHz、DC = ?100%、P ?= 15 W,( c ) 中使用的聲學(xué)參數(shù)為 OD = 35 mm、f 0 ?= 1.86 MHz、DC = 100%、P ?= 20 W,( d、e ) 中使用的聲學(xué)參數(shù)為 OD = 50 mm、f 0 ?= 2.28 MHz、DC = 100%、P ?= 25 W。
HDSP相比傳統(tǒng)DSP具備一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度提升。與目前廣泛應(yīng)用的光學(xué)增材制造技術(shù)相比,HDSP更適合用于難以通過(guò)光或熱處理的材料,如熱固性材料。此外,HDSP提出的“遠(yuǎn)程距離打印”(RDP)概念,甚至讓通過(guò)障礙物(例如光學(xué)不透明材料或人體組織)進(jìn)行非侵入性打印成為可能。
圖3:采用高速成像仔細(xì)觀察HDSP打印過(guò)程。a觀察裝置的側(cè)視圖,包括用于捕捉 HDSP 打印過(guò)程的高速攝像機(jī)。b 、c分別為設(shè)計(jì)的兩點(diǎn)和三點(diǎn)壓力圖像的歸一化測(cè)量壓力圖。每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間的間隙在 (b) 中為 3 毫米,在 ( c )中為4 毫米。d在 1 秒超聲處理期間使用HDSP過(guò)程打印的兩個(gè)點(diǎn)的高速成像鏡頭。e在 1 秒超聲處理期間三點(diǎn)打印的高速成像鏡頭。在所有情況下,平臺(tái)(圖像平面)都設(shè)計(jì)為距離換能器 20 毫米,打印參數(shù):OD = 25 毫米、P ?= 5 W、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 50%。
研究人員指出,HDSP的技術(shù)進(jìn)步不僅推動(dòng)了增材制造的發(fā)展,還為超聲波驅(qū)動(dòng)的3D打印開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工以及環(huán)境治理等應(yīng)用中,HDSP展現(xiàn)出巨大的潛力。例如,未來(lái)可能通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備的非侵入性打印,帶來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域的革命性進(jìn)展。
圖4:HDSP的特殊應(yīng)用。a模擬多目標(biāo)圖像平面的壓力場(chǎng),一次性創(chuàng)建多個(gè)斑點(diǎn)。b使用單個(gè)聲全息圖在多層平臺(tái)上一次性打印各個(gè)斑點(diǎn)。c 在非透明材料上打印,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打印 (RDP) 應(yīng)用。d通過(guò)RDP概念在活體生物體內(nèi)進(jìn)行侵入式打印的想法示意圖。放大的視圖詳細(xì)顯示了 RDP 實(shí)驗(yàn)中使用的豬組織層。e在( d )中顯示的包括豬組織的屏障上打印的扭曲螺旋。打印參數(shù):OD = 25 毫米、P ?= 8 W、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 50%。f在非透明材料中打印的楓葉是 RDP 的另一個(gè)示例。打印參數(shù):OD = 50 毫米、P ?= 25 W、f 0 ?= 2.85 MHz、DC = 50%。g HDSP中套印可能性的示例,其中兩壁打印在打印的空心圓形殼體上。制造步驟如圖1和圖2所示。
研究人員認(rèn)為,HSDP有可能成為一種顛覆性技術(shù)——類(lèi)似于光基3D打印技術(shù)的飛躍,從早期的立體光刻技術(shù)(SLA,使用激光逐點(diǎn)將樹(shù)脂硬化為固體)發(fā)展到如今的數(shù)字光處理技術(shù)(DLP,能夠同時(shí)固化整個(gè)樹(shù)脂層)。
圖5:機(jī)器人輔助HDSP。a實(shí)驗(yàn)裝置包括安裝在機(jī)械臂末端執(zhí)行器上的打印平臺(tái)和用相應(yīng)壓力模式打印的圓弧。b具有平面內(nèi)擠壓路徑的物體。c通過(guò)以可變進(jìn)給繞z 軸旋轉(zhuǎn)同時(shí)以恒定進(jìn)給沿 + z方向擠壓而創(chuàng)建的螺旋形物體。所使用的壓力模式如插圖所示。插圖顯示了預(yù)期部件的3D模型。d利用計(jì)算出的機(jī)器人軌跡形成的無(wú)支撐U形部件。e –h ( d )的打印過(guò)程示意圖和計(jì)算出的軌跡。
隨著HDSP技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,增材制造行業(yè)有望實(shí)現(xiàn)更多難以想象的創(chuàng)新。這一技術(shù)的出現(xiàn)不僅為快速、高效的3D打印提供了新的解決方案,還為處理復(fù)雜材料、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打印開(kāi)辟了全新的可能性。未來(lái),HDSP可能將在醫(yī)療、航空航天、電子產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。
圖6:HDPS全息圖相關(guān)過(guò)程表征。a制造的全息圖和理論全息圖之間的表面偏差和偏差分布。b通過(guò)有限元分析獲得理論全息圖(b左)和掃描的制造全息圖(b右)的壓力模式。c通過(guò)改變 OD 和 f 0 調(diào)查圖像和打印分辨率,以低分辨率(c 左)構(gòu)建理論曼荼羅圖像(c 右),OD = 25 mm,f 0 = 1.5 MHz,以高分辨率(c 右)構(gòu)建理論曼荼羅圖像(c 中心)。d、e理論曼荼羅圖像(c中心)相對(duì)于?OD?和f 0的相關(guān)性和NMSE。f圖像平面位置、Z目標(biāo)及其對(duì)相關(guān)性和 NMSE 的影響。
總的來(lái)說(shuō),全息直接聲音打印(HDSP)作為聲學(xué)增材制造的新范式,標(biāo)志著3D打印技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。我們期待著更多關(guān)于 HDSP 技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際案例,以及它在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)一步突破。
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