广东工业大学：直接利用声音实现全维度、多材料、性能可控3D打印

  热固性基材料，由于其优异的力学性能、耐热性和耐化学性等优势，被大范围的应用于多个新兴领域。迄今为止，热固性基材料的制造主要依赖热压罐或高温模压，这一些方法制造周期长、成本高。基于光固化和热固化的3D打印已成为快速制造热固性基材料的一项重要技术，但受限于光的穿透性差和温度控制灵敏性低等原因，现有的3D打印技术尚无法制造具有功能梯度特性、复杂几何形状和异质性的热固性基材料零件。

  相对常见的光、热等能量源，声波具有非接触可穿透、远程高效传输、频率可调范围广、高聚焦等优势，作为辅助能量被大范围的使用在3D打印中控制微颗粒或纤维的排列，可否利用声波直接实现3D打印？

  研究人员利用压电效应产生的非接触可穿透聚焦声波，基于声波与热固性材料的机械、物理、化学复杂作用机制，实现了多种形态热固性基结构件的3D打印，并对结构件的形状和性能进行连续调控；可在任意位置直接施加声能量接续打印，也可沿任意方向可控连续打印。

  研究人员利用压电效应在声头末端聚焦高强度声波，促使液态材料中形成空化气泡，空化气泡的快速坍缩使得声波聚焦区域形成局部高温度高压力，促使聚合物键断裂而产生自由基，从而快速促进热固性材料的交联和聚合，固化成型。

  此外，研究人员还发现声波可有效促进界面的结合，形成较强的界面键合，避免了传统3D打印技术因层间的台阶效应而导致的零件内部缺陷，即使在异质材料中，也可经过控制打印参数和声波参数实现强界面结合的异质材料的连续打印。

  图1. 声波连续打印机理。A) 声制造装置和概念示意图；B) 声波连续打印样件；C) 声波连续打印同质材料；D) 声波连续打印异质材料。

  研究人员将声头与喷嘴集成在六轴机械臂上，通过数控编程设定声头的运动轨迹，拓展了打印自由度，此技术具备时间和空间的可控性，可连续且平稳地打印多种特殊形状结构件，无支撑制造了垂直和横向螺旋结构，成功实现360°全维度自由打印。

  图 2. 360° 全维度自由打印。B) 声头设定的移动轨迹；C)垂直螺旋结构的打印过程；D) 横向螺旋结构的打印过程；

  该技术的打印几何特征尺寸由声头直径、打印速度和声压调控，研究人员只通过调整声头直径就打印了直径从200 μm到2 cm的细丝，满足大跨度制造的需要，结合模板法还能轻松实现小于100 μm的特征尺寸，大大拓展了设计灵活性。

  研究人员开发了系列在声波作用下会发生强烈的物理效应从而引起聚合反应，完成固态化转换，也称为声敏感材料，包括PDMS基、丙烯酸酯基、环氧树脂基等多种不同固化体系的热固性材料，初步展现了该技术具有较广的材料适应面。

  此外，研究人员利用该技术直接打印不同热固性基材料（环氧树脂、丙烯酸酯、丙烯酸酯+环氧树脂+铁）组合成的结构件，实现了无需组装即可一次性成型具有多种功能特性的结构件，为多材料3D打印带来了更为广阔的设计空间。

  图 4.利用声波直接打印的无支撑悬垂多材料结构件。在每个步骤中，都使用了不同的热固性材料，包括环氧树脂、丙烯酸酯和复合材料。

  该技术还具备广泛的性能调控能力，改变声波强度可以调控材料的固化度，实现从液体-胶态-固态的调控，从而调控力学性能，实现功能梯度材料制造，可以拓展应用到超材料、器官模型和仿生复合材料等特别的材料的打印。

  图5. 声压调控材料的力学性能。D）不同声压下制造的环氧树脂的压缩应力-应变曲线；E）不同声压下制造的环氧树脂的压缩模量和压缩强度；F）声压调控制造的梯度环氧树脂材料。

  一些功能性的薄壁圆柱体，由于其薄壁，通过传统的成型和打印方法制造起来很困难或效率低下，能够最终靠在该技术中引入旋转轴即可轻松实现。

  研究人员利用该技术直接打印功能性复合材料，利用声波的强穿透性，实现了隔空隔物打印。能够最终靠添加颗粒、纤维等增强材料直接打印，例如用于心血管治疗的磁性支架、多孔陶瓷复合体，陶瓷金属复合连续体。

  图 6. 声波直接打印功能性回转体。A) 利用声波结合旋转轴直接打印薄壁回转体；B）打印过程；C) 声波直接打印的金属增强复合材料，即软磁圆柱体；D）声波直接打印的陶瓷增强复合材料；E）声波直接打印的陶瓷金属复合连续体；

  总之，声波连续可控3D打印是一种快速打印热固性基材料零件的新策略，与其他打印技术相比，具备跨尺度、多材料、全自由度、性能调控、可穿透、绿色低能耗等特点。在未来，该技术也可以与其他打印方法相结合，例如与DLP技术的结合，有望实现热固性基材料零件的微纳米级打印。突破目前3D打印的制造能力。

  该研究工作得到了国家自然科学基金原创探索计划项目“高性能零件的声制造原理及其形性调控方法”（No. 52250109）的资助。

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