直接声音打印，使用声学空化直接产生的聚焦超声3D打印

来源：材料科学与工程


导读：现有的增材制造能源（光和热）没有充分利用化学潜力来控制参数，而声音直接打印将这些参数推到极限。

光激活和热激活反应在聚合物聚合或熔化/沉积的增材制造(AM)过程中占主导地位。然而，超声激活的声化学反应提供了一种独特的方式，在空化泡中产生热点，具有极高的温度和压力以及极高的加热和冷却速度，这是目前AM技术所无法达到的。

在此，来自加拿大的Muthukumaran Packirisamy等研究者演示了使用声学空化直接产生的聚焦超声3D打印结构，在高度局域化的空化区域产生声化学反应。相关论文以题为“Direct sound printing”发表在Nature Communications上。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29395-1

尽管最近增材制造(AM)技术取得了重大进展，从打印材料到工艺流程，光和热仍然是唯一的能源用于驱动聚合物的化学反应或物理转化。因此，AM工艺中的材料仅限于光敏树脂，如立体光刻(SLA)或直接激光刻写(DLW)，以及热塑性纤维或粉末，如熔融沉积建模(FDM)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来定义。现有的增材制造能源，光和热，没有利用所有的化学潜力，而声化学将这些参数推到极限。超高温(超过15000 K)、高压(超过1000 bar)和快速加热和冷却速度(超过1012 K/s)的活动空化泡，被称为热点，在室温下被大量液体包围，是声化学反应的原因。

如果人们能够在AM工艺中释放出声化学的潜力，那么一种非常规的打印方法将会出现，而传统的打印材料是不可能的。这种材料的一个案例是热固化热固性聚合物。热固性塑料可以光学或热固化。通过基于光的AM方法，光固化热固性材料的增材制造成为可能。然而，由于在小的局部区域应用非常短的加热和冷却速度的困难，热固化聚合物的有效的按需固化尚未被引入。声化学可以作为打印这种材料的解决方案，因为它的局部温度高，加热和冷却速度快。声辅助聚合已被广泛研究。然而，这些研究是在超声槽或喇叭中进行的，它们缺乏高度聚焦的反应区(类似于SLA或DLW中的激光光斑)和高聚合速率，而这是3D打印所必需的。

在此，如图1a所示，研究者将建筑材料(单体与固化剂混合或不同混合物)置于聚焦的超声场中，在建筑室内进行3D打印。研究者称这种方法为直接声音打印(DSP)。由单片式球形聚焦换能器产生的超声场，通过构建腔的壳体到达构建材料。在构建材料的焦点位置，如图1a和图1b所示，化学活性的声空化区域将液体树脂或混合物固化，并将其沉积到平台上，或沉积在之前沉积和固化的区域的顶部。研究者称这个区域为超活跃微反应器(UAMR)，在这里产生的气泡和聚合树脂出现在低压区，然后它们短暂地迁移到高压区，直到它们到达平台或之前固化的像素处沉积。传感器，通过运动机械手在介质中移动，沿着构建腔内的计算路径定位焦点区域，以逐像素生成所需的部件。DSP工艺的输入参数直接影响打印件的微观结构。这些参数是变频器驱动脉冲的特性(如电力、频率和占空比，即驱动脉冲周期的有效分数)，建筑材料(如单体与固化剂的混合比、混合比、粘度和表面张力)和换能器运动(如换能器的速度和加速度)。在DSP中，不同的微结构导致了对不透明部件的光学透明。由此产生的不透明度是由于印刷部分的多孔结构，这可以控制/通过操纵DSP输入参数。

图1 DSP概念和印刷部件。

通过研究者的方法，直接声音打印(DSP)，在热固化热固性聚(二甲基硅氧烷)中打印孔隙度为0到变化和280 μm特征尺寸的复杂几何图形，迄今为止，任何方法都不能直接打印聚(二甲基硅氧烷)。同时，研究者介绍了声化学发光、高速成像和DSP工艺表征实验以及在远程打印等方面的潜在应用。研究者的方法建立了一个替代路线，在AM使用超声波作为能源。

图2 超声构建室超声共振过程中UAMR的观察。

图3 在构建室共振过程中，在平台上对UAMR进行多孔透明打印观察。

图4 工艺、材料和微观结构表征。


图5 DSP的潜在应用。

综上所述，研究者介绍了一种使用声波3D打印物体的方法（DSP）。声空化在打印树脂或树脂混合介质中产生化学活性区域，其中树脂在声化学反应下经历从液体到固体的快速相变。有了DSP，用自由基聚合工艺的热固化聚合物，如热固化热固性聚合物，在AM工艺中不能通过光或热源直接打印，现在可以直接打印。研究者通过SCL实验，阐述了DSP的基本原理。在DSP中的化学活性3D打印区域，类似于普通的照片或基于热的AM技术中的激光束点。研究者的高速成像实验显示了UAMR区域的存在，在该区域中产生了活跃的空化泡，并发生了导致材料相变的化学反应。材料表征测试表明，通常固化的PDMS系统和用DSP打印的PDMS系统没有区别。打印件的孔隙度大小范围取决于打印输入参数，如打印材料、超声波功率、频率、占空比和换能器速度。

研究者为了展示DSP独特的未来潜力，实验演示了RDP在体内生物打印中的应用，以及DSP在局部表面等离子体共振与微流控芯片集成方面的直接纳米粒子合成和图型。空化现象被认为是破坏的原因，在DSP中是一种创造力。研究者的方法，通过利用已知的最古老的能量来源之一——声波来创造物理物体来驯服空化。（文：水生）