MAX PLANCK和HEIDELBERG研究人员使用声学全息图探索非接触式3D打印技术

2023年3月26日，南极熊获悉，德国海德堡马克斯普朗克医学研究所和海德堡大学的研究人员正在开展一项新型3D打印技术研究。该技术利用声学全息技术进行无接触式3D打印，与传统3D打印相比，具有更高的精度和速度。

△形成紧凑声学3D压力图像的概念

在传统3D打印中，需要将材料通过喷嘴逐层堆积来打印出所需的形状。而这项研究中，研究人员利用声波产生的声学全息技术，直接控制了液体中的颗粒聚集，从而实现了无接触式3D打印。

△该研究已发表在SCIENCE ADVANCES期刊上，题目为“紧凑的全息声场实现了快速的一步式3D物质组装”（传送门）

这项新研究已发表在《高级科学》杂志上。研究中使用多个声学全息图来制作可用于3D打印固体颗粒、凝胶珠甚至活细胞的压力场。通过这样做，研究人员希望在生物医学等领域开辟新的可能性，在这些领域能够制造非常精确和复杂的结构可能非常有用。

使用超声全息图创建3D形状

该研究的主要作者Kai Melde强调了基于超声波的3D打印技术在生物细胞组装方面的潜力。该方法通过对细胞温和且无毒，并具有非接触式远程组装功能，有助于保持无菌状态并保持细胞健康。Melde指出，这一技术的医学应用前景广阔，例如用于药物输送和组织工程。此外，该研究团队表示，该技术还可用于制造微小器件和可编程的物体，具有广泛的应用潜力。

Melde表示，利用声波制作精确的3D形状需要复杂的算法和多个相互作用的全息场。然而，这也带来了计算上的挑战，因为随着三维空间的增加，内存需求也会增加，并且需要计算整个体积的波场。团队成员Heiner Kremer表示，将3D物体数字化为超声全息图需要大量计算能力，因此必须采用新的计算方法。为了应对这一挑战，研究人员使用了GPU加速和谷歌的TensorFlow软件。这种新方法可能会在医疗、药物输送和组织工程等领域得到应用。

尽管该技术存在局限性，例如受到声波功率的限制以及需要能够抵抗重力的材料，但新的3D打印方法代表了基于声波的3D制造领域“向前迈出了有希望的一步”。

△这些精准的3D形状由马克斯普朗克医学研究所的研究人员使用声学全息图技术制作

超声波技术以前用于3D打印吗？

马来西亚马六甲理工大学（UTeM）的研究团队，发明了一种能够制造更具弹性部件的3D打印机，该打印机使用回收的ABS材料。研究人员将两个压电换能器连接到标准的龙门式熔丝制造（FFF）3D打印机上，从而增强回收的ABS材料的韧性。

△研究人员的超声波3D打印装置

在将使用过的ABS材料切碎并挤出成1.75毫米的细线后，UTeM研究开始使用FFF原型机进行3D打印样品，该机器装有压电换能器，通过超声波振动使其更加稳定。虽然第一批模型表面存在缺陷，但工程师发现将喷嘴温度提高到270°C并降低打印速度可以解决这些问题。研究人员还发现，使用超声波使零件以20 kHz的频率振动“显着改善了回收层的附着力”。

△通过使用超声波3D打印工艺，成功生产了概念验证半月板

另外，加拿大康考迪亚大学的科学家们研发了一种新颖的直接声波打印(DSP)技术，可以利用超声波在微小空腔中产生声化学反应，生产出复杂而精确的物体。相关研究已发表在论文中，详细解释了该技术的原理和具体实现方法。该技术可用于创建具有当前方法难以实现的复杂几何形状的设计。

康考迪亚大学机械、工业和航空航天工程系教授Muthukumaran Packirisamy表示，他们利用超声波的频率来创造物品，而这种频率曾被应用于组织和肿瘤的激光消融等破坏性手术。