Brevetto CN121176483A: stampa 3D a levitazione ultrasonica “single-sided” in ambienti dinamici
L’idea descritta parte da un problema pratico della levitazione acustica applicata alla deposizione: mantenere particelle o gocce sospese e controllate senza contatto, mentre attorno ci sono elementi che disturbano il campo sonoro (ad esempio un pezzo su un nastro trasportatore, attrezzaggi metallici, pareti vicine o superfici riflettenti). L’articolo discute un brevetto cinese che propone una stampante “a levitazione” con array ultrasonico su un solo lato (single-sided), pensata proprio per lavorare quando l’ambiente non è “pulito” dal punto di vista acustico.
Che cos’è e chi è coinvolto: Fuzhou University e il brevetto CN121176483A
Il documento identifica il brevetto come CN121176483A, con titolo (in inglese) “A single-sided phased array ultrasonic particle suspension and printing system for dynamic scattering environment”. L’assignee indicato è Fuzhou University (Cina). Sono riportati anche data di deposito (29 settembre 2025) e data di pubblicazione (23 dicembre 2025). In termini di scopo, il brevetto descrive un sistema che crea “acoustic traps” (trappole acustiche) per sospendere materiale di stampa e guidarlo verso il punto di deposizione, con un controllo che si adatta a scatterer dinamici (ostacoli/oggetti che entrano ed escono o si muovono nel volume di lavoro).
Perché “single-sided” cambia l’architettura rispetto ai sistemi a due array
Molte dimostrazioni di levitazione acustica in aria usano onde stazionarie ottenute con sorgenti contrapposte (due lati). Questa architettura può rendere più rigido il “gap” di lavoro e più delicato l’allineamento, oltre a complicare l’integrazione quando dall’altro lato non c’è spazio o ci sono vincoli di linea. Il brevetto, invece, insiste su un array di trasduttori ultrasonici su un solo lato, affidandosi a modellazione/ottimizzazione del campo per compensare riflessioni e scattering introdotti da superfici e oggetti circostanti (incluso un trasportatore rigido che può comportarsi da riflettore).
I moduli descritti: controllo, sensori e alimentazione multi-materiale
Secondo quanto riportato, il sistema include: un modulo di controllo su “upper computer” che calcola le fasi di pilotaggio dell’array per generare e muovere le trappole acustiche; un modulo di percezione/feedback con sensori di posizione e una telecamera (vision), per stimare sia lo stato dello “scatterer” sia la posizione del materiale sospeso; un modulo di alimentazione (feeding) con più feeder e valvole controllate, per rilasciare il materiale dentro la trappola. Nel testo del brevetto si menzionano esempi come particelle di forme diverse, gocce e perfino cellule (come categorie di “printing materials”). Questa combinazione è significativa perché sposta il problema da “generare una trappola in aria” a “mantenerla stabile mentre qualcosa disturba il campo” tramite misura e correzione.
La parte chiave: modellazione dinamica e ottimizzazione delle fasi (scattering, riflessione, propagazione)
L’elemento più caratterizzante del brevetto è la logica di controllo che aggiorna un modello del campo sonoro includendo grandezze dipendenti dal tempo legate a scattering, riflessioni e propagazione. Il brevetto indica anche una strategia ibrida: se il moto dello scatterer è noto, alcune matrici si possono pre-calcolare offline e poi correggere con feedback; se non è noto, si calcola in tempo reale. L’ottimizzazione delle fasi mira a bilanciare obiettivi concorrenti (stabilità della trappola, uniformità di ampiezza, riduzione di sidelobes) e considera una soglia di sicurezza contro l’atomizzazione nel caso di gocce, oltre a vincoli legati a materiali sensibili che possono risentire di sollecitazioni di taglio.
Dove si inserisce nel panorama tecnico: trappole acustiche, olografia acustica e controllo real-time
Nel campo della manipolazione acustica, una linea di lavoro consolidata combina phased array e metodi di acoustic holography per creare campi di forza più controllabili, spesso con approcci di ottimizzazione numerica. In parallelo, vari studi discutono temi che nel brevetto tornano in forma applicativa: limitazioni nella creazione di più trappole (crosstalk e distanza minima tra trappole), necessità di controllo rapido, e difficoltà nel mantenere stabilità quando il contesto non è idealizzato. Questo contesto aiuta a leggere il brevetto come un tentativo di avvicinare una tecnologia da laboratorio a scenari più simili a una linea produttiva con disturbi e riflessioni.
Possibili direzioni applicative: deposizione di gocce e microstrutture, oltre il “nozzle-based”
Il brevetto parla di sospensione e deposizione di materiali anche in forma di gocce e, come categoria, cellule. In letteratura esistono esempi di lavorazioni su gocce levitate con ultrasuoni e di fabbricazione di strutture con dettagli piccoli a partire da questi sistemi, indicando che l’idea di usare la levitazione per creare o trasformare oggetti non è confinata ai soli granuli solidi. Inoltre, in contesti speciali come la microgravità, la levitazione è studiata anche come strumento di handling per processi additivi “substrate-free”, dove la gestione del materiale è particolarmente critica.
Cosa manca (per ora) per valutare la fattibilità industriale
Mancano numeri e vincoli ingegneristici tipici di una scheda tecnica. Non sono specificati parametri come frequenza dei trasduttori, numero di elementi, passo dell’array, distanza di lavoro, rigidezza della trappola, produttività, accuratezza di posizionamento e finestra dimensionale dei materiali (particelle/gocce). Il cuore della proposta è il controllo in presenza di disturbi; la verifica richiederebbe misure ripetibili (stabilità nel tempo, resa su nastro a determinate velocità, ripetibilità di dose e registrazione strato-su-strato).
