研究員開發出新型3D打印方法：超聲光刻技術 
摘要：來自英國巴斯大學和布里斯托爾大學的一個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......

 
據外媒報道，來自英國巴斯大學和布里斯托爾大學的一個合作研究小組一直在研究如何利用聲音來操縱顆粒，以實現更快、更精確的下一代3D打印方法。該團隊正在使用計算機控制的超聲波，在一個被稱為超聲光刻技術的過程中，用氣溶膠液滴或顆粒在表面基材上制造出預先確定的圖案。這個過程可以為各種應用帶來巨大的好處，如打印電子、工業涂裝和噴涂，甚至是生物制造。

 

“聲波的干涉產生了一個具有確定的高壓和低壓區域的聲場”布里斯托爾大學細胞和分子醫學學院副研究員Jenna Shapiro博士在接受《設計新聞》采訪時解釋說。“在這個場中移動的液滴或顆粒會根據這種壓力分布和材料的特性（如尺寸、密度）遷移到特定區域。

研究員開發出新型3D打印方法：超聲光刻技術

 

a）超聲光刻工藝的示意圖。對于液體材料，會產生液滴，穿過超聲波駐波產生的聲壓場，然后以圖案形式沉積到基板上。顯示了在最小振幅點處較大的藍色粒子的節點定位。b）可以通過模擬聲輻射力來預測模式。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）。中心區域的一個25 mm×25 mm正方形感興趣區域以綠色勾勒出輪廓，與實驗圖像相對應。零聲壓區域（節點）為黑色，最大聲壓區域（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。增強了對比度以實現可視化。d）霧化水（約1–5 µm），按需滴滴（DOD）發生器分配的水（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）的照片已增強對比度并覆蓋（右下），以展示這些顆粒的不同物理排列。e）進行圖像分析，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（藍色）和沙子（紅色）的灰度照片的徑向平均像素強度與距中心的距離的關系圖。像素強度已歸一化為最暗區域的最大強度，因此峰值對應于圖案材料密度最大的區域。還顯示了模擬的聲壓（黑色虛線），其中峰對應于波腹，而零值對應于波腹。繪制了霧化（綠色）和DOD水（藍色）和沙子（紅色）的灰度照片的徑向平均像素強度與距中心的距離的關系圖。像素強度已歸一化為最暗區域的最大強度，因此峰值對應于圖案材料密度最大的區域。還顯示了模擬的聲壓（黑色虛線），其中峰對應于波腹，而零值對應于波腹。繪制了霧化（綠色）和DOD水（藍色）和沙子（紅色）的灰度照片的徑向平均像素強度與距中心的距離的關系圖。像素強度已歸一化為最暗區域的最大強度，因此峰值對應于圖案材料密度最大的區域。還顯示了模擬的聲壓（黑色虛線），其中峰對應于波腹，而零值對應于波腹。

 

正如Shapiro博士所說的那樣，這些研究人員受到創客運動以及粒子操縱和超聲波懸浮技術進展的啟發，共同開發了 "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：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果。

 

他們在論文摘要中寫道："超聲光刻技術是基于聲波輻射力的應用，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域內引導空氣中的顆粒/液滴聚集。這種方法能夠在基板上對材料進行可靠且可重復的構圖，以提供與生物制造和組織工程應用相關的空間局部形貌或生化線索、結構特征或其他功能。該技術利用便宜的、可商購的換能器和電子設備。超聲光刻技術能夠在微米級（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"。

 

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

 

Shapiro博士表示：“這本質上就像聲場充當了模板或掩模的作用，驅動材料進入特定區域。”

研究員開發出新型3D打印方法：超聲光刻技術

超聲波和計算機算法控制材料如何在巴斯和布里斯托爾大學的研究人員發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秒的時間內打印出高達20平方厘米的圖案表面。”

 

巴斯大學計算機科學系的Mike Fraser教授說：“超聲波的力量已經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，從而極大地擴大了應用范圍。”

 

據了解，該團隊的工藝允許為蛋白質、哺乳動物細胞和氣溶膠等沉積材料以及基材提供足夠的靈活性。據稱，當同一圖案必須重復應用于多個表面時，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，甚至可以直接換掉。

 

Shapiro博士表示：“這意味著仍有很多創新和改進的空間。在制造領域，我們已經表明，材料的選擇在很大程度上可以與圖案設計本身脫鉤，這為一系列潛在的應用開辟了道路。“

研究員開發出新型3D打印方法：超聲光刻技術

使用超聲光刻對各種材料和基材進行圖案化。比例尺：1厘米。a）霧化的碳基導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，研究團隊可以通過在這個過程中加入動態控制，對聲場進行實時處理并進行后續圖案化。

 

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

 

據悉，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在生物醫學方面的潛力最感興趣。

 

Shapiro博士表示：“超聲光刻技術可以使細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建細胞和材料的定義結構。我們正在將新技術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生成獨特的生物材料微結構，以及這些微結構如何反過來影響細胞與材料的關系。我想探索如何進一步發展這項技術，或與現有工具結合使用，以創建用于建模和再生醫學的哺乳動物組織。”