КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-79-20051

НазваниеРазработка метода трёхмерной печати на основе ультразвукового управления микрочастицами

РуководительСуханов Дмитрий Яковлевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020 

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые словатрёхмерная печать, аддитивные технологии, ультразвуковая левитация, голография, субволновая фокусировка

Код ГРНТИ29.37.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагается разработка нового метода трёхмерной печати на основе управления ультразвуковым полем малоразмерными частицами материала. Технологии ультразвуковой левитации в воздухе с применением фазированных решёток излучателей позволяют манипулировать отдельными частицами, или группами частиц – перемещать их в пространстве и устанавливать в заданные координаты. Эксперименты подобного рода уже проводились, в частности, исследователями из Токийского (2014) и Бристольского (2015) университетов. В данном проекте предлагается развить методы ультразвукового управления микроразмерными частицами для их послойного нанесения на основу и формирования трёхмерного объекта произвольной формы. Закрепление частицы на объекте возможно различными способами, которые должны быть подробно исследованы входе проекта. Будут рассмотрены технологии инфракрасного нагревания, воздушного и жидкостного охлаждения, и другие способы. Цифровое управление фазированными решётками ультразвуковых излучателей позволит произвольно изменять распределение звукового поля и устанавливать частицы в заданные позиции. В ходе проекта предстоит исследовать влияние нагревания на конвекционные потоки, искажающие ультразвуковое поле, влияние объекта произвольной формы на распределение стоячих волн и разработать методы, учитывающие подобные факторы для компенсации искажения. Тема работы актуальна для современной индустрии быстрого протиотипирования и индивидуального производства. Ультразвуковые методы управления частицами имеют большой потенциал пространственного масштабирования и ускорения процесса трёхмерной печати. Поскольку манипуляция частицами – бесконтактна, это позволяет печатать химически агрессивными веществами или материалами, разогретыми выше температуры плавления конструкционных материалов самого устройства. Методы, разработанные для воздушной среды, могут быть в дальнейшем адаптированы для инертных газов или жидких иммерсионных сред. Новизна предлагаемого метода состоит в применении ранее не использовавшегося физического механизма формирования трёхмерного объекта на основе ультразвукового управления малоразмерными частицами.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет разработан метод трёхмерной печати на основе ультразвукового управления микроразмерными частицами в воздухе. Математические методы, разрабатываемые в ходе проекта позволят создавать системы ультразвуковой печати, масштабируемые для различных частот и иммерсионных сред. Повышение частоты ультразвуковых сигналов в комбинации с субволновой фокусировкой неоднородных волн позволит манипулировать частицами на микро уровне. Ультразвуковое поле допускает одновременное управление облаками частиц, что позволит быстро формировать микроструктурированные материалы со сложным ячеистым заполнением. Предлагаемый метод имеет существенное значение для развития современной высокотехнологичной экономики. Ускорение прототипирования снизит затраты на этапе разработки и ускорит выход на рынок готовой продукции. Дальнейшее повышение частоты и плотности заполнения фазированных решёток позволит повышать разрешение и точность изготовления объектов трёхмерной печати, что будет достаточно для мелкосерийного или массового производства готовой продукции. Производственные системы подобного типа не требуют сложной настройки каждый раз, когда требуется изменение формы производимого объекта, достаточно изменения цифровой модели управляющей последовательностью процесса. Заводы, оборудованные системами трёхмерной ультразвуковой печати, смогут оперативно адаптироваться к потребностям рынка и изменять ассортимент производимых элементов не снижая темпов пороизводства. Отдельно системы ультразвуковой левитации уже разрабатываются и создан ряд прототипов, например в университете Токио. Отличительной особенностью предлагаемого исследования является применение ультразвуковой левитации для трёхмерной печати на основе управления малоразмерными частицами. В данной области ещё не проведено исследований, и выполнение предлагаемого проекта позволит превзойти современный мировой уровень.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На первом этапе выполнения проекта разработан метод расчёта распределений поля с узким и широким спектром для удержания и управления левитирующими микрочастицами. Предложено два режима управления частицами. Первый предполагает манипуляцию одиночной частицей, а второй управление группой частиц. Для управления одиночной частицей предложено сформировать сфокусированное поле в точке удержания частицы с помощью встречно направленных решёток излучателей. В результате интерференции встречных волн сформируется устойчивое распределение стоячих волн ограниченное областью фокусировки. Рассчитано монохроматическое поле на частоте 40 кГц при интерференции встречных пучков при апертуре решёток излучателей 12 см, дальности фокусировки 18 см. В центре наблюдается максим скорости акустического поля. Для лучшей локализации вдоль оси применяются широкополосные сигналы, содержащие 3 частотные компоненты спектра в полосе частот от 37 до 43 кГц. Численные расчёты показали локализацию максимума в области протяженностью порядка 6 см. Во втором режиме управления частицами для одновременной левитации и управления множеством частиц предлагается применить встречные решётки излучателей, сфокусированные только по вертикальной оси на область протяжённостью по горизонтали около 15 см. В таком случае, область максимальных значений поля имеет прямоугольный вид в горизонтальной плоскости и локализована по вертикали. С целью повышения амплитуды поля в прямоугольной области левитации предлагается использовать четыре плоские фазированные решётки излучателей, сфокусированные на прямоугольную область в центре с высокой локализацией по вертикальной оси. Подобное распределение поля должно обеспечить левитацию множества частиц в слое. Частицы будут группироваться в периодическую сетку, которую можно сдвигать, регулируя разность фаз между встречными решётками излучателей. Далее предлагается с помощью поля бегущих волн, формируемых фазированной решеткой излучателей расположенной сверку, упорядочивать частицы в требуемом порядке в пределах прямоугольной области левитации частиц. Для формирования поля левитации разработана оптимальная конфигурация размещения излучающих элементов, обеспечивающая контроль волнового поля, на основе расчёта требуемого амплитудно-фазового распределения в фазированной антенной решётке методом обратного распространения волн. Рассчитана оптимальная решётка из 144 излучателей для формирования вихревого пучка. Синтезирована оптимальная решётка излучателей из 91 элемента в гексагональной сетке для фокусировки поля на дальности 18 см. Предложена система акустической левитации для трёхмерной печати на основе фазированных антенных решёток с горизонтальным облучением и фазированной антенной решёткой, расположенной сверху для вертикального облучения области левитации. В данном случае не применяются акустические линии задержки, а фаза управляется цифровым способом, что позволяет излучать узкополосные и широкополосные сигналы. Разработана модель ультразвукового пинцета в поле стоячих волн на основе двух встречных пучков, каждый из которых обеспечивает субволновую локализацию акустического (ультразвукового) излучения для реализации режима субволнового конфигурирования акустических полей и удержания частиц. Разработаны концепции построения, принцип функционирования, проведено математическое моделирование нового типа мезоразмерных проницаемых частиц-линз сферической, цилиндрической и кубической форм, обеспечивающих локализацию акустического поля в области пространства с размерами, менее классического дифракционного предела. Минимальный размер частицы-линзы равен длине волны используемого излучения. Проведено исследование распределения акустических полей в неоднородных средах, вблизи поверхности формируемого трёхмерного объекта при наличии взвеси частиц с помощью численного моделирования в среде COMSOL, а также экспериментально. Выяснено, что для обеспечения возможности осаждения левитирующих частиц на поверхность формируемого объекта необходимо создавать ультразвуковое поле излучателями, расположенными сбоку (горизонтальное управление полем). Тогда стоячая волна, препятствующая осаждению частиц, будет минимизирована. Численное моделирование в среде COMSOL поля интерференции встречных пучков, формируемых решётками излучателей над цилиндрическим объектом, показало, что волны фокусируются в область левитации и удерживают частицы, которые при горизонтальном формировании удерживающего поля могут осаждаться на отражающий объект. Снижение точки фокусировки позволит осадить частицу на объект. Натурные эксперименты согласуются с численной моделью и подтверждают возможность осаждения левитирующих частиц на формируемый объект при горизонтальном управлении полем. Создан алгоритм управления ультразвуковым полем с помощью фазированных решёток для обеспечения манипуляции несколькими частицами одновременно. На основе метода обратного распространения волн предложен оптимальный способ задания амплитудно-фазовых значений сигнала в каждом излучателе. Предложено на горизонтально излучающие решётки подавать фазовые сдвиги, обеспечивающие фокусировку на горизонтальную плоскость заданной высоты. Перемещение плоскости фокусировки по вертикали позволит осаждать левитирующие частицы на подложку. Для верхней решётки должно задаваться амплитудно-фазовое распределение, управляющее распределением частиц в двумерной области для перемещения левитирующих частиц в заданные положения. Разработана система микроконтроллеров, аналого-цифровых преобразователей и усилителей для создания сверхширокополосной решётки ультразвуковых излучателей. Программирование микроконтроллеров для обеспечения передачи потока данных с управляющего компьютера на цифро-аналоговые преобразователи. Разработанная система позволяет управлять 320 каналами сигналов с частотой до 200 кГц. Разработан лабораторный макет экспериментальной установки на основе двух одинаковых встречно направленных фазированных решёток ультразвуковых излучателей. Применялись излучатели MA40S4S на частоте 40 кГц. Каждая решётка состояла из 91 элемента установленных в гексагональной сетке с шагом 11 мм. Предварительные лабораторные эксперименты по фокусировке акустического поля и воздействия на микрочастицы показали левитацию частиц пенопласта и микрочастиц ABS пластика. Левитация обеспечивалась продолжительное время за счёт действия колебаний давления ультразвуковых волн. Использование встречного излучателя, позволяющего формировать узлы стоячих волн по дальности, обеспечило возможность управления положением частицы по одной оси, за счет регулирования разности фаз прямого и встречного излучателей. Ссылки на информационные ресурсы: «Радиофизики разрабатывают новый метод ультразвуковой 3D-печати» http://www.tsu.ru/news/radiofiziki-razrabatyvayut-novyy-metod-ultrazvukov/?sphrase_id=156486

 

Публикации

1. - Радиофизики разрабатывают новый метод ультразвуковой 3D-печати Сайт Томского государственного университета, - (год публикации - ).

2. Суханов Д.Я. Завьялова К.В., Ерзакова Н.Н. Synthesis Of Ultrasound Field Sources Based on Phase Screen Approximation MATEC Web Conf., MATEC Web of Conferences 155, 01011 (2018) (год публикации - 2018).

3. Суханов Д.Я., Минин И.В., Минин О.В., Кузьменко И.Ю., Муксунов Т.Р., Сивков Е.К., Емельянов Ф.С. Control of Levitating Particle in Ultrasound Field MATEC Web of Conferences, MATEC Web of Conferences 155, 01017 (2018) (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе выполнения второго этапа проекта разработана экспериментальная установка, обеспечивающая левитацию частиц на плоскости в узлах прямоугольной сетки. Экспериментальная установка основана на 4-х боковых фазированных антенных решётках из 320 элементов каждая и одной фазированной решётке из 128 независимых излучателя расположенной сверху. Разработано программное обеспечение для экспериментальной установки позволяющее формировать сфокусированное ультразвуковое поле для поддержания левитации группы частиц и управления ими в трёхмерном пространстве. Предложен метод подачи частиц в левитационный 3D принтер на основе конвейера с сетчатой лентой. Данный метод позволит минимизировать попадание неуправляемых частиц в область ультразвуковой левитации. Разработано программное обеспечение для численного моделирования динамики частиц в ультразвуковом поле на основе средств параллельного программирования OpenCL. Проведены эксперименты, демонстрирующие возможность упорядочения левитирующих в ультразвуковом поле частиц в узлах прямоугольной сетки. Благодаря стабилизации частиц в узлах стоячих волн возможно квазистационарное перемещение упорядоченной группы частиц с сохранением их относительного расположения. С помощью верхней решётки излучателей задаётся требуемое размещение частиц в узлах прямоугольной сетки согласно форме текущего слоя печатаемого объекта. Было показано экспериментально, что упорядоченная в слое левитирующая группа частиц может осаждаться на плоской поверхности. В процессе трехмерной печати предполагается последовательное послойное нанесение множества упорядоченных групп частиц на подложку. Проведённый эксперимент по ультразвуковой левитации и управлению группы частиц представлен в видеоролике: https://www.youtube.com/watch?v=swNSn6S4zEI

 

Публикации

1. - Вести Наука 13.01.2018 ГТРК "Томск", - (год публикации - ).

2. - Томские радиофизики разрабатывают новый метод ультразвуковой 3D-печати Новости сибирской науки, - (год публикации - ).

3. - Радиофизики создают модель первого ультразвукового 3D-принтера Томский государственный университет, http://www.tsu.ru/news/radiofiziki-sozdali-model-pervogo-v-mire-ultrazvuk/ (год публикации - ).

4. Росляков С., Суханов Д.Я. Численное моделирование левитации частиц в ультразвуковом поле Издательство НГТУ, НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ //Сборник научных трудов в 9 ч. / под ред. Гадюкиной А.В. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018.- Часть 2 - 282 с., С. 157-160 (год публикации - 2018).

5. Росляков С.Н., Емельянов Ф.С., Ерзакова Н.Н., Сивков Е.К. Phased arrays of ultrasound emitters controlled by binary signals for acoustic levitation IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 516, Number 1 (год публикации - 2019).

6. Суханов Д.Я., Росляков С.Н. Numerical modelling of levitating particles in air IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 516, Number 1 (год публикации - 2019).

7. Суханов Д.Я., Сивков Е.К., Емельянов Ф.С. Control of ordered group of particles based on ultrasonic levitation IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 516, Number 1 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
По результатам проведённых экспериментов можно сделать вывод о принципиальной возможности трёхмерной печати путём управления микрочастицами ультразвуковым полем. Проведённые исследования показали возможность управления частицами для их нанесения на подложку для формирования трёхмерного объекта. В качестве материала для печати выбран АБС пластик, поскольку обладает относительно низкой плотностью и низкой температурой плавления. Чем ниже плотность частиц тем лучше они увлекаются ультразвуковым полем, что позволяет осуществлять их управляемое нанесение при трёхмерной печати. Кроме того АБС пластик широко доступен и легко обрабатывается, что позволило с помощью фрезеровки изготовить микрочастицы приблизительно одинаковой формы. Было принято решение для нанесения частиц на объект не нагревать частицы, а нагревать верхнюю поверхность объекта инфракрасным излучением. В этом случае нагрев воздуха вблизи частиц и ультразвуковое поле не противодействуют друг другу. Поскольку нагрев воздуха нарушает условия акустической левитации, а ультразвуковое поле не охлаждает частицы. При нагреве верхней границы объекта необходимо выключать ультразвуковое поле, чтобы инфракрасное излучение успело оплавить частицы верхнего слоя. Трёхмерная печать осуществляется послойно, за счёт смещения формируемого объекта на платформе вниз. Таким образом, ультразвуковое поле всегда фокусируется на одинаковую высоту в ходе наращивания высоты объекта. Проведены экспериментальные исследования по ультразвуковой трёхмерной печати с ультразвуковой решёткой излучателей на 420 элементов и апертурой 250 мм. В результате получены трёхмерные объекты с точностью изготовления около 10 мм, что демонстрирует принципиальную возможность подобной технологии трёхмерной печати. Дальнейшее развитие технологии в направлении применения широкополосных ультразвуковых полей может существенно увеличить точность трёхмерной печати. Разработана технология трёхмерной печати может применяться для изготовления пористых объектов низкой плотности. Потенциально данная технология может позволить существенно ускорить процесс трёхмерной печати, что может найти применение для быстрого прототипирования объектов не требующих высокой конструкционной прочности. Применение биосовместимых материалов, позволит применять данную технологию для изготовления скелетов для выращивания культур клеток в заданной форме.

 

Публикации

1. - Радиофизики рассказали об установке для левитации частиц на конференции в Англии Новости Томского государственного университета, - (год публикации - ).

2. Д.Я. Суханов, А.Е. Кузовова Numerical simulation of wave processes in solid and gaseous media based on the particle dynamics Journal of Physics: Conference Series, 1499 (2020) 012050 (год публикации - 2020).

3. Д.Я. Суханов, С.Н. Росляков Particles levitation in air using wideband ultrasonic waves Anglo-French Physical Acoustics 2020 15–17 January 2020 Selsdon Park Hotel, Surrey, UK, - (год публикации - 2020).

4. Д.Я. Суханов, С.Н. Росляков, Ф.С. Емельянов Левитация и управление упорядоченной группой частиц и прямолинейных структур в ультразвуковом поле Акустический журнал, том 66, No 2 (год публикации - 2020).

5. Д.Я. Суханов, С.Н. Росляков, Ф.С. Емельянов Layer-by-layer application of particles using acoustic levitation Journal of Physics: Conference Series, 1499 (2020) 012024 (год публикации - 2020).

6. Д.Я. Суханов, Ф.С. Емельянов Объёмная акустическая левитация частиц в поле фазированных решёток ультразвуковых излучателей Известия Высших Учебных Заведений. Физика, Том: 63,No: 2 (746), 2020, С. 68-72 (год публикации - 2020).

7. Суханов Д.Я., С.Н. Росляков Particle levitation and control in midair using wideband ultrasonic waves Applied Acoustics, 178(2021)108004 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Разработанный метод трёхмерной печати на основе управления микрочастицами ультразвуковым полем может применяться для быстрого изготовления изделий из пластика низкой плотности. Данная технология позволяет объекты пористой структуры, что может применяться в медицине для выращивания клеточных культур. Возможно применение для изготовления теплоизоляторов заданной формы, предметов искусства. Данное исследование показывает принципиальную возможность трёхмерной печати на основе ультразвуковой манипуляции частицами. Дальнейшее развитие этой технологии позволит повысить точность и скорость печати за счёт применения более совершенных систем управления ультразвуковым полем и оптимизации скорости печати, интенсивности нагрева и других параметров. Предложенная технология является совершенно новой и отличной от существующих технологий трёхмерной печати, но имеет высокий потенциал по увеличению скорости изготовления трёхмерных объектов. Существенное увеличение скорости позволит пропорционально увеличить размеры печатаемых объектов, что может применяться в технологиях строительства.