《Nature》：聲光結合，動態(tài)界面3D打印技術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，利用聲學調制的受限氣液邊界，在幾十秒內快速生成厘米級的3D結構。他們的研究成果已經發(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打印技術已經深入到了醫(yī)療設備、航空航天組件、微加工策略乃至人工器官等多個領域。傳統(tǒng)的3D打印技術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、材料組成和生產效率等方面存在一定的局限性。近年來，體積打印技術因其能夠快速制造自由浮動且各向同性的結構而受到廣泛關注，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用。


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

研究內容

動態(tài)界面打印技術概述
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——動態(tài)界面打�。―ynamic Interface Printing, DIP）。該技術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，通過聲學驅動產生受控的氣-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)技術中所需的復雜反饋系統(tǒng)和特定化學物質，而且能夠在幾秒鐘到幾十秒的時間范圍內完成厘米級別的3D結構打印。


△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打印頭內部空氣體積的聲學控制通過毛細驅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)和恒定聲學調制(CAM)。在瞬態(tài)模式下，界面的位置取決于步進平移(ST)、內部壓力調制(PM)和瞬態(tài)聲學調制(TAM)。d心臟幾何圖形打印過程的延時照片，展示了在不到40s的時間內快速制造厘米級結構。

DIP的獨特之處在于能夠動態(tài)調節(jié)打印頭內的壓力，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對界面進行聲學調制，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、打印頭內的靜態(tài)空氣壓力以及聲調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制定位到打印頭，所以DIP本質上不受容器的限制。DIP通過在打印界面使用毛細重力波來驅動質量傳輸，從而提供高制造速率，因此高分辨率結構可以快速成型。

凸切片
與其他基于光的打印技術一樣，所需幾何形狀的3D數字模型必須首先被轉換成一系列圖像，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。

聲調制
由空氣-液體邊界實現(xiàn)的DIP的核心特征是通過聲調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構的位置。為了改善基于光的打印，聲學調制在空氣-液體界面產生毛細重力波，這在底層流體中產生流動,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中的聲音調制

技術特點與優(yōu)勢

●材料兼容性：DIP技術兼容多種材料，特別是軟質和生物相關的水凝膠，這些材料在其他快速打印技術中往往難以處理。
●無支撐結構打印：借助獨特的氣-液界面設計，DIP技術能夠無需額外支撐結構直接打印出復雜的三維模型。
●高速度與高分辨率：結合高效的材料傳輸機制和精細的表面波調控，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構，DIP技術都能輕松應對，展現(xiàn)出極高的靈活性和可擴展性。

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


△DIP打印能力

●生物醫(yī)學應用：成功打印出了用于組織工程的生物相容性水凝膠結構，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、傳感器等微型設備的制造。
●藝術創(chuàng)作與個性化定制：DIP技術的高速度和高靈活性使其成為創(chuàng)意設計和個性化產品制造的理想選擇。

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)有技術的速度瓶頸，還拓展了適用材料的范圍，特別是對于軟質和生物相關材料的支持。此外，DIP技術展現(xiàn)出了在無需專用化學物質或光學反饋系統(tǒng)的條件下，快速生成任意無支撐結構的能力，這對于高存活率的組織工程、規(guī)�；�生產和快速原型制作等領域具有重要意義。

未來展望
展望未來，動態(tài)界面打印技術有望在多個領域發(fā)揮關鍵作用，包括但不限于醫(yī)療設備制造、航空航天零部件生產、微細加工以及人工器官構建等。隨著該技術的不斷優(yōu)化和完善，DIP將成為推動3D打印技術革新和制造業(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。