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

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

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.