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研究员开发出新型3D打印方法:超声光刻技术

来源:原创

发布时间:2021-05-24 15:02:50

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摘要:来自英国巴斯大学和布里斯托尔大学的一个合作研究小组一直在研究如何利用声音来操纵颗粒,以获得一种更快、更精确的下一代3D打印方法......

 

aau讯(编辑 吴昕烜)据外媒报道,来自英国巴斯大学和布里斯托尔大学的一个合作研究小组一直在研究如何利用声音来操纵颗粒,以实现更快、更精确的下一代3D打印方法该团队正在使用计算机控制的超声波,在一个被称为声光刻技术的过程中,用气溶胶液滴或颗粒在表面基材上制造出预先确定的图案。这个过程可以为各种应用带来巨大的好处,如打印电子、工业涂装和喷涂,甚至是生物制造。

 

“声波的干涉产生了一个具有确定的高压和低压区域的声场布里斯托尔大学细胞和分子医学学院副研究员Jenna Shapiro博士在接受《设计新闻》采访时解释说在这个场中移动的液滴或颗粒会根据这种压力分布和材料的特性(如尺寸、密度)迁移到特定区域。

 

a)超声光刻工艺的示意图。对于液体材料,会产生液滴,穿过超声波驻波产生的声压场,然后以图案形式沉积到基板上。显示了在最小振幅点处较大的蓝色粒子的节点定位。b)可以通过模拟声辐射力来预测模式。在此,显示了四对换能器的模拟压力,它们以八角形排列,换能器之间的间隔为5λ(43毫米)。中心区域的一个25 mm×25 mm正方形感兴趣区域以绿色勾勒出轮廓,与实验图像相对应。零声压区域(节点)为黑色,最大声压区域(波腹)为白色。c)在t = 15 s处使用八边形阵列将雾化的水的视频图像录制到水敏纸上,并在t = 15 s上拍摄,其中的图像变得清晰。增强了对比度以实现可视化。d)雾化水(约1–5 µm),按需滴滴(DOD)发生器分配的水(约25 µm)和有色沙(约0.5–1 mm)已用相同的八边形阵列进行了图案化。雾化的水位于波腹,而DOD的水和沙子则位于波腹。对于合并的水图像(左下图),已将雾化水和DOD生成的水(此处为∅80 µm)连续图案化到同一张纸上。沙子(重新着色为红色)和雾化水(灰度)的照片已增强对比度并覆盖(右下),以展示这些颗粒的不同物理排列。e)进行图像分析,以比较水和沙子的沉积模式与(b)中的模拟压力。绘制了雾化(绿色)和DOD水(蓝色)和沙子(红色)的灰度照片的径向平均像素强度与距中心的距离的关系图。像素强度已归一化为最暗区域的最大强度,因此峰值对应于图案材料密度最大的区域。还显示了模拟的声压(黑色虚线),其中峰对应于波腹,而零值对应于波腹。绘制了雾化(绿色)和DOD水(蓝色)和沙子(红色)的灰度照片的径向平均像素强度与距中心的距离的关系图。像素强度已归一化为最暗区域的最大强度,因此峰值对应于图案材料密度最大的区域。还显示了模拟的声压(黑色虚线),其中峰对应于波腹,而零值对应于波腹。绘制了雾化(绿色)和DOD水(蓝色)和沙子(红色)的灰度照片的径向平均像素强度与距中心的距离的关系图。像素强度已归一化为最暗区域的最大强度,因此峰值对应于图案材料密度最大的区域。还显示了模拟的声压(黑色虚线),其中峰对应于波腹,而零值对应于波腹。

 

正如Shapiro博士的那样,这些研究人员受到创客运动以及粒子操纵和超声波悬浮技术进展的启发,共同开发了 "使用超声波驻波的可使用制造工具"。他们在题为《超声光刻技术:用于多尺度表面图案化的空气中超声波微粒和液滴操纵》论文中阐述了研究结果。

 

他们在论文摘要中写道:"超声光刻技术是基于声波辐射力的应用,该声波辐射力是由超声波驻波的干扰引起的,用于在定义的空间区域内引导空气中的颗粒/液滴聚集。这种方法能够在基板上对材料进行可靠且可重复的构图,以提供与生物制造和组织工程应用相关的空间局部形貌或生化线索、结构特征或其他功能。该技术利用便宜的、可商购的换能器和电子设备。超声光刻技术能够在微米级(cm2)表面积上将微米级至毫米级的材料快速图案化到各种各样的基板上,并且可以用于间接和直接单元图案化"。

 

超声光刻技术使用空气中的声学驻波阵列,这些驻波是由超声波扬声器产生的。然后,材料以声场确定的图案沉积在基底上。

 

Shapiro博士表示:这本质上就像声场充当了模板或掩模的作用,驱动材料进入特定区域。

超声波和计算机算法控制材料如何在巴斯和布里斯托尔大学的研究人员发明的新型印刷中形成形状,这种印刷称为超声光刻。

 

Shapiro博士表示:超声光刻方法可以在不到30秒的时间内打印出高达20平方厘米的图案表面。”

 

巴斯大学计算机科学系的Mike Fraser教授超声波的力量已经被证明可以使小颗粒悬浮起来。我们很高兴通过在空气中大规模地绘制密集的材料云,并能够通过算法控制材料如何沉淀成形状,从而极大地扩大了应用范围。

 

据了解,该团队的工艺允许蛋白质、哺乳动物细胞和气溶胶等沉积材料以及基材提供足够的灵活性。据称,当同一图案必须重复应用于多个表面时,声纳光刻法是最有效的。此外,该方法是模块化的,因此任何步骤,如图案阵列或液滴生成方法,都可以改进,甚至可以直接换掉。

 

Shapiro博士表示:这意味着仍有很多创新和改进的空间。在制造领域,我们已经表明,材料的选择在很大程度上可以与图案设计本身脱钩,这为一系列潜在的应用开辟了道路。

使用超声光刻对各种材料和基材进行图案化。比例尺:1厘米。a)雾化的碳基导电油墨和膨胀的聚苯乙烯珠(∅≈1.5毫米)在纸上。b)纸上的雾化荧光笔液体,由手持式黑灯照亮。c)在玻璃上的雾化蔗糖水溶液。d)脱水藻酸钙膜上的雾化水。箭头指示从中心开始的第二个波腹。e)Parafilm上的雾化水。f)用沙子观察到的尺寸偏析效果。较小的灰尘碎片已在中心波腹处形成图案。

 

接下来,研究团队可以通过在这个过程中加入动态控制,对声场进行实时处理并进行后续图案化。

 

布里斯托尔大学机械工程系超声学Bruce Drinkwater教授表示:我们正在操纵的物体层中的水滴大小。能够以如此精细的控制来移动如此小的东西,这令人难以置信。这可以让我们以前所未闻的精度引导气溶胶喷雾,其应用包括药物输送或伤口愈合。

 

据悉,Shapiro博士拥有组织工程和生物材料的背景,所以对超声光刻技术在生物医学方面的潜力最感兴趣。

 

Shapiro博士表示:超声光刻技术可以使细胞和生物材料在表面温和、非接触的形式快速地形成图案。组织工程可以使用生物制造方法来构建细胞和材料的定义结构。我们正在将新技术添加到生物制造工具箱中。我目前正在研究如何利用超声光刻技术生成独特的生物材料微结构,以及这些微结构如何反过来影响细胞与材料的关系。我想探索如何进一步发展这项技术,或与现有工具结合使用,以创建用于建模和再生医学哺乳动物组织。

 

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