《Nature》：声光结合，动态界面3D打印技术打造未来制造新范式

2024年10月30日，南极熊获悉，来自澳大利亚的研究学者提出了一种新的3D打印方法——动态界面打印，利用声学调制的受限气液边界，在几十秒内快速生成厘米级的3D结构。他们的研究成果已经发表在Nature上，题目为Dynamic interface printing（动态界面打印）。



背景介绍
随着科技的发展，3D打印技术已经深入到了医疗设备、航空航天组件、微加工策略乃至人工器官等多个领域。传统的3D打印技术虽然在分辨率和几何保真度上表现优异，但是由于其逐层固化材料的工作原理，导致在打印速度、材料组成和生产效率等方面存在一定的局限性。近年来，体积打印技术因其能够快速制造自由浮动且各向同性的结构而受到广泛关注，但这种方法同样面临着对专业光学系统或特殊材料配方的需求，从而限制了其更广泛的应用。


△DIP创新方法利用空心打印头和气液弯月面，通过调节气压和声波实现高速、无层的3D打印

研究内容

动态界面打印技术概述
为了解决上述挑战，来自澳大利亚墨尔本大学的研究团队提出了一种全新的3D打印技术——动态界面打印（Dynamic Interface Printing, DIP）。该技术利用一个开放底部并密封透明玻璃窗口顶部的空心打印头，通过声学驱动产生受控的气-液界面，以此来实现物体的快速生成。这一创新方法不仅避免了传统技术中所需的复杂反馈系统和特定化学物质，而且能够在几秒钟到几十秒的时间范围内完成厘米级别的3D结构打印。


△动态界面打印：a 在部分浸没的打印头底部形成气液界面，该边界充当打印界面，其中图案化的投影用于局部固化光敏聚合物。b打印头内部空气体积的声学控制通过毛细驱动波促进了增强的材料流入。c在连续模式下，气液界面的整体位置取决于打印头的连续平移(CT)和恒定声学调制(CAM)。在瞬态模式下，界面的位置取决于步进平移(ST)、内部压力调制(PM)和瞬态声学调制(TAM)。d心脏几何图形打印过程的延时照片，展示了在不到40s的时间内快速制造厘米级结构。

DIP的独特之处在于能够动态调节打印头内的压力，从而允许在打印过程中控制弯液面的形状和位置。这种调制可以是固定的，形成静态弯月面，但是也可以在振幅和频率范围内对界面进行声学调制，以形成毛细重力波。弯月面在任何给定时刻的精确位置由打印头的垂直位置、打印头内的静态空气压力以及声调制的振幅和频率的叠加决定。这种振荡致动可以连续激活或者在投影之间瞬时激活。

DIP是通过将光学和声学调制定位到打印头，所以DIP本质上不受容器的限制。DIP通过在打印界面使用毛细重力波来驱动质量传输，从而提供高制造速率，因此高分辨率结构可以快速成型。

凸切片
与其他基于光的打印技术一样，所需几何形状的3D数字模型必须首先被转换成一系列图像，以便由投影系统顺序显示。然而，与使用平面打印界面的标准立体平版打印术不同，DIP具有弯曲的弯月面。这需要一系列符合界面轮廓的图像，代表物体的3D区域。每次打印开始时，界面被压向打印体积的底部，形成薄的流体膜，其最大尺寸由零件的尺寸决定。随着打印的进行，压缩的轮廓后退，直到其中心与容器的底部相切。在这个瞬态区域之后，可以使用杨氏-拉普拉斯方程来计算界面形状。

声调制
由空气-液体边界实现的DIP的核心特征是通过声调制振动打印界面的能力。这些振动可以用于改善基于光的打印工艺，或者为3D打印构造增加另一个图案化自由度。界面模式取决于所选择的打印头形状、频率、振幅以及界面相对于底层结构的位置。为了改善基于光的打印，声学调制在空气-液体界面产生毛细重力波，这在底层流体中产生流动,由于增强的材料传输，最终增加可实现的打印速度和保真度。


△DIP中的声音调制

技术特点与优势

●材料兼容性：DIP技术兼容多种材料，特别是软质和生物相关的水凝胶，这些材料在其他快速打印技术中往往难以处理。
●无支撑结构打印：借助独特的气-液界面设计，DIP技术能够无需额外支撑结构直接打印出复杂的三维模型。
●高速度与高分辨率：结合高效的材料传输机制和精细的表面波调控，DIP实现了前所未有的打印速度与分辨率。
●灵活性与可扩展性：无论是小型精细部件还是大型复杂结构，DIP技术都能轻松应对，展现出极高的灵活性和可扩展性。

应用实例展示
研究团队通过一系列实验展示了DIP技术的强大功能，其中包括但不限于：


△DIP打印能力

●生物医学应用：成功打印出了用于组织工程的生物相容性水凝胶结构，为细胞培养和疾病建模提供了新的可能。
●微纳制造：实现了微米级特征尺寸的精确控制，适用于电子元件、传感器等微型设备的制造。
●艺术创作与个性化定制：DIP技术的高速度和高灵活性使其成为创意设计和个性化产品制造的理想选择。

研究成果
此次研究的主要成果在于开发了一种全新的3D打印方法，它不仅克服了现有技术的速度瓶颈，还拓展了适用材料的范围，特别是对于软质和生物相关材料的支持。此外，DIP技术展现出了在无需专用化学物质或光学反馈系统的条件下，快速生成任意无支撑结构的能力，这对于高存活率的组织工程、规模化生产和快速原型制作等领域具有重要意义。

未来展望
展望未来，动态界面打印技术有望在多个领域发挥关键作用，包括但不限于医疗设备制造、航空航天零部件生产、微细加工以及人工器官构建等。随着该技术的不断优化和完善，DIP将成为推动3D打印技术革新和制造业变革的重要力量。研究团队将继续探索更多应用场景，并努力提升打印速度、分辨率和材料多样性，以期为社会带来更多创新解决方案。