3D打印新技術(shù)：利用超聲波實現(xiàn)，DSP直接聲音打��！

導(dǎo)讀：增材制造（AM）技術(shù)在打印材料和打印工藝中都不斷發(fā)展，光和熱仍然是AM中用來驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)或聚合物物理轉(zhuǎn)化的主要能量來源。因此，AM工藝中的材料僅限于光敏樹脂，如立體光刻（SLA）或直接激光寫入（DLW），以及熱塑性塑料長絲或粉末，如熔融沉積成型（FDM）16或選擇性激光燒結(jié)（SLS）。控制化學(xué)相互作用的參數(shù)由每個分子的能量、相互作用時間和壓力決定。可以說，現(xiàn)有的AM工藝中，光和熱在控制參數(shù)方面沒有利用到化學(xué)相互作用的所有潛力，為此研究人員開發(fā)了一種新的3D打印技術(shù)，讓我們一探究竟吧！

2022年6月，南極熊獲悉，康考迪亞大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的直接聲音打印 (DSP) 技術(shù)，該技術(shù)能利用超聲波制造復(fù)雜而精確的物體。他們已經(jīng)將研究內(nèi)容發(fā)表在 《Nature Communications》上，題目為《Direct sound printing》。


在聚合或熔化/沉積聚合物的增材制造（AM）過程中，大部分都是使用光和熱激活的反應(yīng)成型的。而DSP是基于超聲激活的聲化學(xué)反應(yīng)，這是十分獨(dú)特的，DSP可以在空化氣泡中產(chǎn)生熱點，具有非常高的溫度和壓力以及高的加熱和冷卻速率，是目前的增材制造技術(shù)所不能達(dá)到的。研究人員使用DSP技術(shù)，在高度局部的空化區(qū)域產(chǎn)生聲化學(xué)反應(yīng)，利用熱固性材料，聚（二甲基硅氧烷），打印出具有不同孔隙率和280微米特征尺寸的復(fù)雜幾何形狀。
超聲波3D打印


△DSP原理以及打印的模型

DSP 3D打印
Concordia團(tuán)隊提出的DSP技術(shù)基于懸浮在液態(tài)聚合物溶液中的微小氣泡內(nèi)的波動壓力引起的化學(xué)反應(yīng)。為了產(chǎn)生這些反應(yīng)，研究人員利用振蕩聚焦超聲波將聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 液體樹脂轉(zhuǎn)化為固體或半固體形式。該團(tuán)隊使用換能器產(chǎn)生超聲波場，該超聲波場穿過材料的外殼并固化目標(biāo)液態(tài)樹脂，然后將其沉積到平臺或其他先前固化的物體上。

超聲波在液體中的微型氣泡內(nèi)引起極其強(qiáng)烈和短暫的反應(yīng)，導(dǎo)致空腔內(nèi)的溫度飆升至約15,000K，壓力超過 1,000bar。反應(yīng)時間十分短暫，僅持續(xù)皮秒，不會影響周圍的材料。 為了創(chuàng)建所需的形狀，換能器沿著預(yù)定的路徑移動，逐個像素地固化液體。可以通過調(diào)整超聲波頻率的持續(xù)時間和所用材料的粘度來控制物體的微觀結(jié)構(gòu)。


△超活性微反應(yīng)器（UAMR）內(nèi)部的多孔透明打印過程

該團(tuán)隊將他們的方法描述為 3D 打印行業(yè)的“行業(yè)規(guī)則改變者”，因為利用DSP能夠復(fù)雜幾何形狀的部件，這些幾何形狀是現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)的。Concordia 光學(xué)生物微系統(tǒng)實驗室的研究員 Mohsen Habibi 說：”如果我們使用具有特定頻率和功率的超聲波，我們可以創(chuàng)建非常小、非常集中的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，氣泡可以用作反應(yīng)器，驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，將液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)化為固體或半固體。”

未來應(yīng)用
根據(jù) Concordia 團(tuán)隊的說法，他們的DSP技術(shù)的多功能性依賴高度專用和精密設(shè)備的行業(yè)。例如，PDMS已經(jīng)廣泛用于微流體領(lǐng)域，制造商需要受控環(huán)境和復(fù)雜的技術(shù)來制造醫(yī)療設(shè)備和生物傳感器。 在更廣泛的醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)可能會在人類和動物體內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程體內(nèi)3D打印的醫(yī)療應(yīng)用。 DSP 還適用于航空航天領(lǐng)域的工程和維修應(yīng)用，因為該技術(shù)所使用的超聲波能夠穿透金屬外殼等不透明表面。因此，該技術(shù)可以使維護(hù)人員能夠維修位于飛機(jī)機(jī)身深處的部件，其他依賴光活化反應(yīng)的 3D打印技術(shù)將無法實現(xiàn)。研究人員已經(jīng)證明了此技術(shù)可以打印多種材料，包括聚合物和陶瓷，接下來他們將嘗試聚合物-金屬復(fù)合材料，最終希望使用這種方法打印金屬


△DSP的潛在應(yīng)用。圖片來自自然通訊。

超聲波打印技術(shù)
在微粒操作中使用超聲波并不是一個新概念，在過去，超聲波已被證明是可應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域的有效工具。
●2021年3月，巴斯大學(xué)和布里斯托大學(xué)的研究人員曾開發(fā)了他們的Sonolithography 生物打印技術(shù)，該技術(shù)使用超聲波將粒子精確地沉積成預(yù)定的圖案。

△聲光刻工藝的渲染。圖片來自布里斯托大學(xué)

●生物技術(shù)公司mimiX Biotherapeutics于2020年曾推出了cymatiX聲學(xué)生物打印機(jī)，利用超聲波通過共振模式和凝聚活細(xì)胞。

△cymatiX 聲學(xué)生物打印機(jī)。圖片來自 mimiX

●PostProcess Technologies等公司也將超聲波用于后處理應(yīng)用，后者于 2020 年推出了可變聲學(xué)位移(VAD) 技術(shù)。VAD 使用聲能無損去除3D打印聚合物部件中的松散粉末。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29395-1