3D打印新技术：利用超声波实现，DSP直接声音打印！

导读：增材制造（AM）技术在打印材料和打印工艺中都不断发展，光和热仍然是AM中用来驱动化学反应或聚合物物理转化的主要能量来源。因此，AM工艺中的材料仅限于光敏树脂，如立体光刻（SLA）或直接激光写入（DLW），以及热塑性塑料长丝或粉末，如熔融沉积成型（FDM）16或选择性激光烧结（SLS）。控制化学相互作用的参数由每个分子的能量、相互作用时间和压力决定。可以说，现有的AM工艺中，光和热在控制参数方面没有利用到化学相互作用的所有潜力，为此研究人员开发了一种新的3D打印技术，让我们一探究竟吧！

2022年6月，南极熊获悉，康考迪亚大学的研究人员开发了一种新的直接声音打印 (DSP) 技术，该技术能利用超声波制造复杂而精确的物体。他们已经将研究内容发表在 《Nature Communications》上，题目为《Direct sound printing》。


在聚合或熔化/沉积聚合物的增材制造（AM）过程中，大部分都是使用光和热激活的反应成型的。而DSP是基于超声激活的声化学反应，这是十分独特的，DSP可以在空化气泡中产生热点，具有非常高的温度和压力以及高的加热和冷却速率，是目前的增材制造技术所不能达到的。研究人员使用DSP技术，在高度局部的空化区域产生声化学反应，利用热固性材料，聚（二甲基硅氧烷），打印出具有不同孔隙率和280微米特征尺寸的复杂几何形状。
超声波3D打印


△DSP原理以及打印的模型

DSP 3D打印
Concordia团队提出的DSP技术基于悬浮在液态聚合物溶液中的微小气泡内的波动压力引起的化学反应。为了产生这些反应，研究人员利用振荡聚焦超声波将聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 液体树脂转化为固体或半固体形式。该团队使用换能器产生超声波场，该超声波场穿过材料的外壳并固化目标液态树脂，然后将其沉积到平台或其他先前固化的物体上。

超声波在液体中的微型气泡内引起极其强烈和短暂的反应，导致空腔内的温度飙升至约15,000K，压力超过 1,000bar。反应时间十分短暂，仅持续皮秒，不会影响周围的材料。 为了创建所需的形状，换能器沿着预定的路径移动，逐个像素地固化液体。可以通过调整超声波频率的持续时间和所用材料的粘度来控制物体的微观结构。


△超活性微反应器（UAMR）内部的多孔透明打印过程

该团队将他们的方法描述为 3D 打印行业的“行业规则改变者”，因为利用DSP能够复杂几何形状的部件，这些几何形状是现有技术无法实现的。Concordia 光学生物微系统实验室的研究员 Mohsen Habibi 说：”如果我们使用具有特定频率和功率的超声波，我们可以创建非常小、非常集中的化学反应区域，气泡可以用作反应器，驱动化学反应，将液态树脂转化为固体或半固体。”

未来应用
根据 Concordia 团队的说法，他们的DSP技术的多功能性依赖高度专用和精密设备的行业。例如，PDMS已经广泛用于微流体领域，制造商需要受控环境和复杂的技术来制造医疗设备和生物传感器。 在更广泛的医疗领域，该技术可能会在人类和动物体内进行远程体内3D打印的医疗应用。 DSP 还适用于航空航天领域的工程和维修应用，因为该技术所使用的超声波能够穿透金属外壳等不透明表面。因此，该技术可以使维护人员能够维修位于飞机机身深处的部件，其他依赖光活化反应的 3D打印技术将无法实现。研究人员已经证明了此技术可以打印多种材料，包括聚合物和陶瓷，接下来他们将尝试聚合物-金属复合材料，最终希望使用这种方法打印金属


△DSP的潜在应用。图片来自自然通讯。

超声波打印技术
在微粒操作中使用超声波并不是一个新概念，在过去，超声波已被证明是可应用于3D打印领域的有效工具。
●2021年3月，巴斯大学和布里斯托大学的研究人员曾开发了他们的Sonolithography 生物打印技术，该技术使用超声波将粒子精确地沉积成预定的图案。

△声光刻工艺的渲染。图片来自布里斯托大学

●生物技术公司mimiX Biotherapeutics于2020年曾推出了cymatiX声学生物打印机，利用超声波通过共振模式和凝聚活细胞。

△cymatiX 声学生物打印机。图片来自 mimiX

●PostProcess Technologies等公司也将超声波用于后处理应用，后者于 2020 年推出了可变声学位移(VAD) 技术。VAD 使用声能无损去除3D打印聚合物部件中的松散粉末。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29395-1