Акустическая голография ускорила звуковую 3D-печать

Группа материаловедов усовершенствовала метод ультразвуковой 3D-печати, сократив время создания объектов по сравнению с попиксельной технологией с 13 минут до 90 секунд. Для этого они воспользовались акустической голографией. Новый метод ученые предлагают использовать для печати имплантатов внутри живых организмов. Статья опубликована в Nature Communications.

Специалисты технологий аддитивного производства часто применяют выборочную полимеризацию, чтобы превратить жидкую смолу в твердый материал. Делают они это в основном с помощью ультрафиолетового излучения. Однако такой способ не позволяет исследователям создавать объекты внутри оптически непрозрачных сред. А этот недостаток критичен, например, в медицине, когда нужно вырастить имплантат под кожей без оперативного вмешательства.

Не так давно физикам удалось применить звуковые волны, чтобы запустить химические реакции в материале и напечатать заданную структуру даже в мутной среде, не нарушая целостности верхних слоев подопытного вещества. При этом авторы нового метода столкнулись с другими проблемами: печать происходит попиксельно, точка за точкой, и занимает много времени, порядка десятков минут.

Физики из Канады и США под руководством Махди Дераятифара (Mahdi Derayatifar) воспользовались акустической голографией, чтобы уменьшить время ультразвуковой печати. Информацию о печатаемом объекте они записали с помощью алгоритма IAS (iterative angular spectrum) в виде акустической голограммы, а затем распечатали ее на 3D-принтере. Над голограммой ученые разместили сосуд, который заполнили кремнийорганическим эластомером. Генератор ультразвука, голограмму и нижнюю часть камеры печати они погрузили в деионизированную воду.

Принцип работы экспериментальной установки заключается в том, что ультразвуковая волна, сформированная голограммой, пройдя через передающую среду, достигает платформы внутри камеры печати. Кавитационные пузырьки, рожденные ультразвуком в силиконовом эластомере, схлопываются и, благодаря выделенному теплу, полимеризуют вещество на поверхности платформы. Такой процесс физики называют сонохимической реакцией.

Так как в голограмме хранится информация о форме объекта целиком, ученые смогли произвести 3D-печать всех частей образца одновременно. В результате исследователи добились сокращения времени с 4-13 минут до 30-90 секунд по сравнению с методом ультразвуковой печати, где каждая часть объекта создается поочередно.

Создатели метода отмечают, что текущие результаты далеки от совершенства. Из-за неоднородностей в материале качество воспроизведенных структур может существенно снижаться. Тем не менее авторы работы уверены, что новый способ 3D-печати может быть использован во многих сферах, в том числе и для создания имплантатов в подкожно-жировом слое без хирургического вмешательства.

Ранее мы уже писали о 3D-печати звуковых голограмм произвольной формы и высокой точности. Их можно использовать для акустической левитации.