[发明专利]用于声泳打印的设备和方法

说明书

一种声泳打印的方法，包括：在声室的第一端处产生声场，所述声室由声音反射壁完全或部分地包围。声场与声音反射壁相互作用并且经过声室。在声室的第二端处的室出口中增强声场。将墨输送到定位在声室内的喷嘴中。喷嘴具有突伸到室出口中的喷嘴开口。墨经过喷嘴并且暴露于喷嘴开口处的增强的声场，以及预定体积的墨从喷嘴开口喷出并且离开声室。

相关申请

本专利文件在35U.S.C§119(e)下要求美国临时专利申请序列号62/367,318的优先权的权益，其在2016年7月27日提交，并且通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体涉及微滴生成2D和3D打印技术，更具体地涉及声泳(acoustophoretic)打印。

联邦政府资助的研究或开发

本发明是在由国家科学基金会授予的合同号DMR-1420570的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

由于现有技术的2D和3D打印方法的限制，通常将墨设计成具有满足现有打印机的要求的物理特性。使材料可打印的典型方法是使用添加剂来调节墨的流变性质。在增强可打印性的同时，这些添加剂可能作为杂质，或者证明对所打印的结构有害。

在基于微滴的打印技术的领域中，喷墨技术代表了工业和研究中的标准。尽管其用途广泛，但只有具有适当的性能组合(例如，粘度和表面张力)的窄窗口材料可以成功地从喷墨打印头喷出。这种限制可归因于微滴分离机制，其基于Rayleigh-Plateau不稳定性。在喷墨技术中，可能需要对墨进行大量机械激发，以便破坏弯液面并且喷射限定体积的液体。这种动态过程意味着界面力和粘性力之间的强耦合。从物理的角度来看，限定的墨的微滴产生可以通过无量纲数来表征，奥内佐格数Oh以及其逆Z＝Oh^-1＝(ρσ2R)^1/2/μ，其中R是微滴的特征长度，的密度，ρ是液体的密度，σ是其表面张力，以及μ是墨的粘度。不出所料，科学文献报道成功的打印要求墨的物理性质产生在狭窄的窗口中的Z值(1Z10)。

许多实际感兴趣的墨基于胶体或聚合物，其具有相对高的粘度并且需要用添加剂稀释以用于成功打印。真正地将打印过程的依赖性与墨的物理性质解耦合可以允许在2D和3D打印的材料的类型和复杂性方面具有前所未有的自由度。解决该问题的初步工作的描述可以在Foresti等人的“声泳打印设备和方法(Acoustophoretic Printing Apparatus andMethod)”、国际公开号WO2015/110600中找到，其通过引用整体并入本文。

发明内容

一种用于声泳打印的设备，包括：声室，其由声音反射壁完全或部分地包围，所述声音反射壁用于传输声场；发射器，其位于声室的第一端处，以用于产生声场；室出口，其位于声室的第二端处，以用于局部地增强声场并且将声场传输出声室；喷嘴，其位于声室中，具有突伸到室出口中的喷嘴开口，所述喷嘴开口用于将墨(ink，打印原料)输送到高强度声场中并且从声室输出。

一种声泳打印的方法，包括：在声室的第一端处产生声场，所述声室由声音反射壁完全或部分地包围。声场与声音反射壁相互作用并且经过声室。在声室的第二端处的室出口中增强声场。将墨输送到定位在声室内的喷嘴中。喷嘴具有突伸到室出口中的喷嘴开口。墨经过喷嘴并且暴露于喷嘴开口处的增强的声场，以及预定体积的墨从喷嘴开口喷出并且离开声室。

附图说明

图1是用于声泳打印的示例性设备的示意图。等高线图示出了示例性设备中的均方根声速V_rms的有限元方法(FEM)模拟。

图2A示出了传统的声悬浮器，其中分离的微滴可以被捕获在声场中，并且外耦合是不可能的。

图2B示出了图2A的传统的声悬浮器中的均方根声压p_rms的FEM模拟。