ソノプリント：複合材料のための音響アシスト体積3Dプリンティング

SonoPrint: Acoustically Assisted Volumetric 3D Printing for Composites.

抄録

複合材料における積層造形の進歩は、航空宇宙、医療機器、組織工学、エレクトロニクスに変革をもたらした。3Dプリントされた物体の特性を向上させる重要な側面には、構造内に強化材を埋め込んで配向させることにより、材料を微調整することが含まれる。これらの補強材を配向させる既存の方法は、パターンの種類、配列、粒子の特性によって制限されている。音響学は、粒子のサイズ、形状、電荷に依存せずに粒子を制御する汎用的な方法を提供し、複雑なパターン形成を可能にします。しかし、重合層と未重合樹脂の間で音場が散乱し、不要なパターンが生じるため、音響学を3Dプリンティングに組み込むことは困難でした。この課題に対処するため、SonoPrintは、補強パターン形成と構造全体の印刷を同時に行うことができる革新的な音響アシスト体積3Dプリンターを開発しました。SonoPrintは、微細なガラス、金属、ポリスチレンなどの補強粒子を作製した構造体内に埋め込むことで、機械的に調整可能な複合材形状を生成します。このプリンターは、感光性樹脂に直接、平行線、放射状線、円、菱形、六角形、多角形など、目標とする粒子モチーフを作り出す定在波場を採用しており、わずか数分で印刷が完了する。SonoPrintは、構造特性を向上させ、組織工学、バイオハイブリッドロボット、複合材製造への応用を解き放つ、体積印刷の進歩を約束する。

Advances in additive manufacturing in composites have transformed aerospace, medical devices, tissue engineering, and electronics. A key aspect of enhancing properties of 3D-printed objects involves fine-tuning the material by embedding and orienting reinforcement within the structure. Existing methods for orienting these reinforcements are limited by pattern types, alignment, and particle characteristics. Acoustics offers a versatile method to control the particles independent of their size, geometry, and charge, enabling intricate pattern formations. However, integrating acoustics into 3D printing has been challenging due to the scattering of the acoustic field between polymerized layers and unpolymerized resin, resulting in unwanted patterns. To address this challenge, SonoPrint, an innovative acoustically assisted volumetric 3D printer is developed that enables simultaneous reinforcement patterning and printing of the entire structure. SonoPrint generates mechanically tunable composite geometries by embedding reinforcement particles, such as microscopic glass, metal, and polystyrene, within the fabricated structure. This printer employs a standing wave field to create targeted particle motifs-including parallel lines, radial lines, circles, rhombuses, hexagons, and polygons-directly in the photosensitive resin, completing the print in just a few minutes. SonoPrint enhances structural properties and promises to advance volumetric printing, unlocking applications in tissue engineering, biohybrid robots, and composite fabrication.