研究員開發(fā)出新型3D打印方法：超聲光刻技術(shù) 
摘要：來自英國巴斯大學(xué)和布里斯托爾大學(xué)的一個(gè)合作研究小組一直在研究如何利用聲音來操縱顆粒，以獲得一種更快、更精確的下一代3D打印方法......

 
據(jù)外媒報(bào)道，來自英國巴斯大學(xué)和布里斯托爾大學(xué)的一個(gè)合作研究小組一直在研究如何利用聲音來操縱顆粒，以實(shí)現(xiàn)更快、更精確的下一代3D打印方法。該團(tuán)隊(duì)正在使用計(jì)算機(jī)控制的超聲波，在一個(gè)被稱為超聲光刻技術(shù)的過程中，用氣溶膠液滴或顆粒在表面基材上制造出預(yù)先確定的圖案。這個(gè)過程可以為各種應(yīng)用帶來巨大的好處，如打印電子、工業(yè)涂裝和噴涂，甚至是生物制造。

 

“聲波的干涉產(chǎn)生了一個(gè)具有確定的高壓和低壓區(qū)域的聲場”布里斯托爾大學(xué)細(xì)胞和分子醫(yī)學(xué)學(xué)院副研究員Jenna Shapiro博士在接受《設(shè)計(jì)新聞》采訪時(shí)解釋說。“在這個(gè)場中移動(dòng)的液滴或顆粒會(huì)根據(jù)這種壓力分布和材料的特性（如尺寸、密度）遷移到特定區(qū)域。

研究員開發(fā)出新型3D打印方法：超聲光刻技術(shù)

 

a）超聲光刻工藝的示意圖。對于液體材料，會(huì)產(chǎn)生液滴，穿過超聲波駐波產(chǎn)生的聲壓場，然后以圖案形式沉積到基板上。顯示了在最小振幅點(diǎn)處較大的藍(lán)色粒子的節(jié)點(diǎn)定位。b）可以通過模擬聲輻射力來預(yù)測模式。在此，顯示了四對換能器的模擬壓力，它們以八角形排列，換能器之間的間隔為5λ（43毫米）。中心區(qū)域的一個(gè)25 mm×25 mm正方形感興趣區(qū)域以綠色勾勒出輪廓，與實(shí)驗(yàn)圖像相對應(yīng)。零聲壓區(qū)域（節(jié)點(diǎn)）為黑色，最大聲壓區(qū)域（波腹）為白色。c）在t = 15 s處使用八邊形陣列將霧化的水的視頻圖像錄制到水敏紙上，并在t = 15 s上拍攝，其中的圖像變得清晰。增強(qiáng)了對比度以實(shí)現(xiàn)可視化。d）霧化水（約1–5 µm），按需滴滴（DOD）發(fā)生器分配的水（約25 µm）和有色沙（約0.5–1 mm）已用相同的八邊形陣列進(jìn)行了圖案化。霧化的水位于波腹，而DOD的水和沙子則位于波腹。對于合并的水圖像（左下圖），已將霧化水和DOD生成的水（此處為∅80 µm）連續(xù)圖案化到同一張紙上。沙子（重新著色為紅色）和霧化水（灰度）的照片已增強(qiáng)對比度并覆蓋（右下），以展示這些顆粒的不同物理排列。e）進(jìn)行圖像分析，以比較水和沙子的沉積模式與（b）中的模擬壓力。繪制了霧化（綠色）和DOD水（藍(lán)色）和沙子（紅色）的灰度照片的徑向平均像素強(qiáng)度與距中心的距離的關(guān)系圖。像素強(qiáng)度已歸一化為最暗區(qū)域的最大強(qiáng)度，因此峰值對應(yīng)于圖案材料密度最大的區(qū)域。還顯示了模擬的聲壓（黑色虛線），其中峰對應(yīng)于波腹，而零值對應(yīng)于波腹。繪制了霧化（綠色）和DOD水（藍(lán)色）和沙子（紅色）的灰度照片的徑向平均像素強(qiáng)度與距中心的距離的關(guān)系圖。像素強(qiáng)度已歸一化為最暗區(qū)域的最大強(qiáng)度，因此峰值對應(yīng)于圖案材料密度最大的區(qū)域。還顯示了模擬的聲壓（黑色虛線），其中峰對應(yīng)于波腹，而零值對應(yīng)于波腹。繪制了霧化（綠色）和DOD水（藍(lán)色）和沙子（紅色）的灰度照片的徑向平均像素強(qiáng)度與距中心的距離的關(guān)系圖。像素強(qiáng)度已歸一化為最暗區(qū)域的最大強(qiáng)度，因此峰值對應(yīng)于圖案材料密度最大的區(qū)域。還顯示了模擬的聲壓（黑色虛線），其中峰對應(yīng)于波腹，而零值對應(yīng)于波腹。

 

正如Shapiro博士所說的那樣，這些研究人員受到創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)以及粒子操縱和超聲波懸浮技術(shù)進(jìn)展的啟發(fā)，共同開發(fā)了 "使用超聲波駐波的可使用制造工具"。他們在題為《超聲光刻技術(shù)：用于多尺度表面圖案化的空氣中超聲波微粒和液滴操縱》論文中闡述了研究結(jié)果。

 

他們在論文摘要中寫道："超聲光刻技術(shù)是基于聲波輻射力的應(yīng)用，該聲波輻射力是由超聲波駐波的干擾引起的，用于在定義的空間區(qū)域內(nèi)引導(dǎo)空氣中的顆粒/液滴聚集。這種方法能夠在基板上對材料進(jìn)行可靠且可重復(fù)的構(gòu)圖，以提供與生物制造和組織工程應(yīng)用相關(guān)的空間局部形貌或生化線索、結(jié)構(gòu)特征或其他功能。該技術(shù)利用便宜的、可商購的換能器和電子設(shè)備。超聲光刻技術(shù)能夠在微米級（cm2）表面積上將微米級至毫米級的材料快速圖案化到各種各樣的基板上，并且可以用于間接和直接單元圖案化"。

 

超聲光刻技術(shù)使用空氣中的聲學(xué)駐波陣列，這些駐波是由超聲波揚(yáng)聲器產(chǎn)生的。然后，材料以聲場確定的圖案沉積在基底上。

 

Shapiro博士表示：“這本質(zhì)上就像聲場充當(dāng)了模板或掩模的作用，驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)入特定區(qū)域。”

研究員開發(fā)出新型3D打印方法：超聲光刻技術(shù)

超聲波和計(jì)算機(jī)算法控制材料如何在巴斯和布里斯托爾大學(xué)的研究人員發(fā)明的新型印刷中形成形狀，這種印刷稱為超聲光刻。

 

Shapiro博士表示：“超聲光刻方法可以在不到30秒的時(shí)間內(nèi)打印出高達(dá)20平方厘米的圖案表面。”

 

巴斯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的Mike Fraser教授說：“超聲波的力量已經(jīng)被證明可以使小顆粒懸浮起來。我們很高興通過在空氣中大規(guī)模地繪制密集的材料云，并能夠通過算法控制材料如何沉淀成形狀，從而極大地?cái)U(kuò)大了應(yīng)用范圍。”

 

據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)的工藝允許為蛋白質(zhì)、哺乳動(dòng)物細(xì)胞和氣溶膠等沉積材料以及基材提供足夠的靈活性。據(jù)稱，當(dāng)同一圖案必須重復(fù)應(yīng)用于多個(gè)表面時(shí)，聲納光刻法是最有效的。此外，該方法是模塊化的，因此任何步驟，如圖案陣列或液滴生成方法，都可以改進(jìn)，甚至可以直接換掉。

 

Shapiro博士表示：“這意味著仍有很多創(chuàng)新和改進(jìn)的空間。在制造領(lǐng)域，我們已經(jīng)表明，材料的選擇在很大程度上可以與圖案設(shè)計(jì)本身脫鉤，這為一系列潛在的應(yīng)用開辟了道路。“

研究員開發(fā)出新型3D打印方法：超聲光刻技術(shù)

使用超聲光刻對各種材料和基材進(jìn)行圖案化。比例尺：1厘米。a）霧化的碳基導(dǎo)電油墨和膨脹的聚苯乙烯珠（∅≈1.5毫米）在紙上。b）紙上的霧化熒光筆液體，由手持式黑燈照亮。c）在玻璃上的霧化蔗糖水溶液。d）脫水藻酸鈣膜上的霧化水。箭頭指示從中心開始的第二個(gè)波腹。e）Parafilm上的霧化水。f）用沙子觀察到的尺寸偏析效果。較小的灰塵碎片已在中心波腹處形成圖案。

 

接下來，研究團(tuán)隊(duì)可以通過在這個(gè)過程中加入動(dòng)態(tài)控制，對聲場進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并進(jìn)行后續(xù)圖案化。

 

布里斯托爾大學(xué)機(jī)械工程系超聲學(xué)Bruce Drinkwater教授表示：“我們正在操縱的物體是云層中的水滴大小。能夠以如此精細(xì)的控制來移動(dòng)如此小的東西，這令人難以置信。這可以讓我們以前所未聞的精度引導(dǎo)氣溶膠噴霧，其應(yīng)用包括藥物輸送或傷口愈合。”

 

據(jù)悉，Shapiro博士擁有組織工程和生物材料的背景，所以對超聲光刻技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的潛力最感興趣。

 

Shapiro博士表示：“超聲光刻技術(shù)可以使細(xì)胞和生物材料在表面以溫和、非接觸的形式快速地形成圖案。組織工程可以使用生物制造方法來構(gòu)建細(xì)胞和材料的定義結(jié)構(gòu)。我們正在將新技術(shù)添加到生物制造工具箱中。我目前正在研究如何利用超聲光刻技術(shù)生成獨(dú)特的生物材料微結(jié)構(gòu)，以及這些微結(jié)構(gòu)如何反過來影響細(xì)胞與材料的關(guān)系。我想探索如何進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，或與現(xiàn)有工具結(jié)合使用，以創(chuàng)建用于建模和再生醫(yī)學(xué)的哺乳動(dòng)物組織。”