Большинство используемых в настоящее время методов 3D-печати основаны на реакциях, активируемых фото (светом) или термо (теплом) для достижения точных манипуляций с полимерами. Разработка новой платформенной технологии, называемой прямой звуковой печатью (DSP), которая использует звуковые волны для создания новых объектов, может предложить третий вариант.
Процесс описан в статье, опубликованной в Nature Communications. Он показывает, как можно использовать сфокусированные ультразвуковые волны для создания сонохимических реакций в крошечных кавитационных областях — по сути, крошечных пузырьках. Экстремальные температуры и давления, длящиеся триллионные доли секунды, могут создавать заранее спроектированные сложные геометрические формы, которые невозможно создать с помощью существующих технологий.
«Ультразвуковые частоты уже используются в деструктивных процедурах, таких как лазерная абляция тканей и опухолей. Мы хотели использовать их для создания чего-то», — говорит Мутукумаран Пакирисами, профессор и заведующий кафедрой исследований Concordia в Департаменте машиностроения, промышленности и аэрокосмической инженерии в Школа инженерии и компьютерных наук Джины Коди. Он является соответствующим автором статьи.
Мохсен Хабиби, научный сотрудник лаборатории оптических и биомикросистем Concordia, является ведущим автором статьи. Его коллега по лаборатории и доктор философии. соавторами являются студент Шервин Форуги и бывший магистрант Вахид Карамзаде.
Сверхточные реакции
Как объясняют исследователи, DSP основан на химических реакциях , вызванных колебаниями давления внутри крошечных пузырьков , взвешенных в жидком растворе полимера.
«Мы обнаружили, что если мы используем определенный тип ультразвука с определенной частотой и мощностью, мы можем создавать очень локальные, очень сфокусированные химически реактивные области», — говорит Хабиби. «По сути, пузырьки можно использовать в качестве реакторов для запуска химических реакций, чтобы превратить жидкую смолу в твердые или полутвердые вещества».
Реакции, вызванные колебаниями, направленными ультразвуковой волной, внутри пузырьков микроразмера, интенсивны, хотя длятся всего пикосекунды. Температура внутри полости подскакивает примерно до 15 000 Кельвинов, а давление превышает 1 000 бар (давление на поверхности Земли на уровне моря составляет около одного бара). Время реакции настолько короткое, что окружающий материал не затрагивается.
Исследователи экспериментировали с полимером, используемым в аддитивном производстве, под названием полидиметилсилоксан (ПДМС). Они использовали преобразователь для создания ультразвукового поля, которое проходит через оболочку строительного материала и затвердевает целевую жидкую смолу и откладывает ее на платформу или другой ранее затвердевший объект. Преобразователь перемещается по заранее заданному пути, в конечном итоге создавая нужный продукт пиксель за пикселем. Параметрами микроструктуры можно управлять, регулируя продолжительность частоты ультразвуковой волны и вязкость используемого материала.
Универсальный и специфичный
Авторы считают, что универсальность DSP принесет пользу тем отраслям, которые полагаются на узкоспециализированное и деликатное оборудование. Полимерный ПДМС, например, широко используется в микрофлюидной промышленности, где производителям требуются контролируемые условия (чистые помещения) и сложная техника литографии для создания медицинских устройств и биосенсоров.
Аэрокосмическая техника и ремонт также могут выиграть от DSP, поскольку ультразвуковые волны проникают через непрозрачные поверхности, такие как металлические оболочки. Это может позволить ремонтным бригадам обслуживать детали, расположенные глубоко внутри фюзеляжа самолета, которые были бы недоступны для методов печати, основанных на фотоактивируемых реакциях. DSP может даже иметь медицинские приложения для удаленной печати в теле для людей и других животных.
«Мы доказали, что можем печатать несколькими материалами, включая полимеры и керамику», — говорит Пакирисами. «Следующим мы собираемся попробовать полимерно-металлические композиты, и в конечном итоге мы хотим перейти к печати металлом с использованием этого метода».
