マックス・プランクとハイデルベルグの研究者が音響ホログラムを使った非接触3Dプリントを研究

マックス・プランクとハイデルベルグの研究者が音響ホログラムを使った非接触3Dプリントを研究
この投稿は Bingdunxiong によって 2023-3-26 10:47 に最後に編集されました

2023年3月26日、アンタークティックベアは、ドイツのハイデルベルクにあるマックスプランク医学研究所とハイデルベルク大学の研究者が新しい3Dプリント技術の研究を行っていることを知りました。この技術は、従来の 3D 印刷よりも精度と速度が高い非接触 3D 印刷に音響ホログラフィーを使用します。

△コンパクトな音響3D圧力画像を形成するコンセプト 従来の3Dプリンティングでは、目的の形状を印刷するために、ノズルを通して材料を層ごとに堆積させる必要があります。この研究では、研究者らは音波によって生成される音響ホログラフィーを使用して液体中の粒子の凝集を直接制御し、非接触の3Dプリントを実現しました。

△この研究は「コンパクトなホログラフィック音場により、ワンステップで3D材料を迅速に組み立てられる」というタイトルでSCIENCE ADVANCES誌に掲載されました(ポータル)
この新たな研究は「Advanced Science」誌に掲載された。この研究では、複数の音響ホログラムを使用して、固体粒子、ゲルビーズ、さらには生きた細胞を 3D プリントするために使用できる圧力場を作成しました。そうすることで、研究者たちは、非常に精密で複雑な構造を作ることができることが非常に有用となる可能性があるバイオメディカルなどの分野で新たな可能性を切り開くことを期待している。

超音波ホログラムを使用して3D形状を作成する

この研究の主著者であるカイ・メルデ氏は、生体細胞の組み立てにおける超音波ベースの3Dプリンティングの可能性を強調した。この方法は、細胞に対して優しく無毒であり、非接触の遠隔組み立てを特徴としているため、無菌性を維持し、細胞を健康に保つのに役立ちます。メルデ氏は、この技術は薬物送達や組織工学などの医療分野への応用が有望だと指摘した。さらに研究チームは、この技術は小型デバイスやプログラム可能な物体の製造にも使用でき、幅広い応用の可能性があると述べた。

メルデ氏は、音波を使って正確な3D形状を作成するには、複雑なアルゴリズムと複数の相互作用するホログラフィックフィールドが必要だと述べた。ただし、3 次元の追加によってメモリ要件が増加し、波動場をボリューム全体にわたって計算する必要があるため、計算上の課題も生じます。チームメンバーのハイナー・クレマー氏は、3Dオブジェクトを超音波ホログラムにデジタル化するには膨大な計算能力が必要なので、新しい計算方法を使用する必要があると述べた。この課題に取り組むために、研究者らは GPU アクセラレーションと Google の TensorFlow ソフトウェアを使用しました。この新しい方法は、医療、薬物送達、組織工学などの分野に応用できる可能性があります。

この技術には、音波の力に制限されたり、重力に逆らう材料が必要になったりするなどの限界があるものの、この新しい 3D 印刷方法は、音波ベースの 3D 製造分野における「有望な前進」を表しています。

△これらの精密な3D形状は、マックスプランク医学研究所の研究者が音響ホログラム技術を使用して作成したものである。
超音波技術はこれまで 3D プリンティングに使用されたことがありますか?

マレーシアのマラッカ工科大学(UTeM)の研究チームは、リサイクルABS素材を使用してより耐久性の高い部品を製造できる3Dプリンターを発明した。研究者らは、リサイクルされた ABS 材料の靭性を高めるために、標準的なガントリー型フィラメント溶融積層法 (FFF) 3D プリンターに 2 つの圧電トランスデューサーを取り付けました。

△研究者の超音波3D印刷装置 使用済みのABS材料を細断し、1.75mmの細いワイヤーに押し出した後、UTeMの研究では、超音波振動によって安定性を高める圧電トランスデューサーを備えたFFFプロトタイプマシンを使用してサンプルの3D印刷を開始しました。最初の一連のモデルには表面欠陥がありましたが、エンジニアはノズルの温度を 270°C に上げ、印刷速度を下げることでこれらの問題を解決できることを発見しました。研究者らはまた、超音波を使用して部品を20kHzの周波数で振動させることで「リサイクル層の接着性が大幅に向上する」ことも発見した。

△概念実証のメニスカスは、超音波3Dプリントプロセスを使用して正常に作成されました。さらに、カナダのコンコルディア大学の科学者は、超音波を使用して小さな空洞内で音響化学反応を発生させ、複雑で精密なオブジェクトを作成できる新しい直接音響印刷(DSP)技術を開発しました。関連する研究は論文として発表されており、その中で技術の原理と具体的な実装方法が詳しく説明されています。この技術は、現在の方法では実現が難しい複雑な形状のデザインを作成するために使用できます。

コンコルディア大学機械・産業・航空宇宙工学部のムトゥクマラン・パキリサミ教授は、これまで組織や腫瘍のレーザー切除などの破壊的手術で使用されてきた超音波の周波数を使用してこれらの物体を作成したと述べた。


超音波、医療、技術、非接触、音響

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