直接聲音打印，使用聲學(xué)空化直接產(chǎn)生的聚焦超聲3D打印

來源：材料科學(xué)與工程


導(dǎo)讀：現(xiàn)有的增材制造能源（光和熱）沒有充分利用化學(xué)潛力來控制參數(shù)，而聲音直接打印將這些參數(shù)推到極限。

光激活和熱激活反應(yīng)在聚合物聚合或熔化/沉積的增材制造(AM)過程中占主導(dǎo)地位。然而，超聲激活的聲化學(xué)反應(yīng)提供了一種獨特的方式，在空化泡中產(chǎn)生熱點，具有極高的溫度和壓力以及極高的加熱和冷卻速度，這是目前AM技術(shù)所無法達到的。

在此，來自加拿大的Muthukumaran Packirisamy等研究者演示了使用聲學(xué)空化直接產(chǎn)生的聚焦超聲3D打印結(jié)構(gòu)，在高度局域化的空化區(qū)域產(chǎn)生聲化學(xué)反應(yīng)。相關(guān)論文以題為“Direct sound printing”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29395-1

盡管最近增材制造(AM)技術(shù)取得了重大進展，從打印材料到工藝流程，光和熱仍然是唯一的能源用于驅(qū)動聚合物的化學(xué)反應(yīng)或物理轉(zhuǎn)化。因此，AM工藝中的材料僅限于光敏樹脂，如立體光刻(SLA)或直接激光刻寫(DLW)，以及熱塑性纖維或粉末，如熔融沉積建模(FDM)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來定義�，F(xiàn)有的增材制造能源，光和熱，沒有利用所有的化學(xué)潛力，而聲化學(xué)將這些參數(shù)推到極限。超高溫(超過15000 K)、高壓(超過1000 bar)和快速加熱和冷卻速度(超過1012 K/s)的活動空化泡，被稱為熱點，在室溫下被大量液體包圍，是聲化學(xué)反應(yīng)的原因。

如果人們能夠在AM工藝中釋放出聲化學(xué)的潛力，那么一種非常規(guī)的打印方法將會出現(xiàn)，而傳統(tǒng)的打印材料是不可能的。這種材料的一個案例是熱固化熱固性聚合物。熱固性塑料可以光學(xué)或熱固化。通過基于光的AM方法，光固化熱固性材料的增材制造成為可能。然而，由于在小的局部區(qū)域應(yīng)用非常短的加熱和冷卻速度的困難，熱固化聚合物的有效的按需固化尚未被引入。聲化學(xué)可以作為打印這種材料的解決方案，因為它的局部溫度高，加熱和冷卻速度快。聲輔助聚合已被廣泛研究。然而，這些研究是在超聲槽或喇叭中進行的，它們?nèi)狈Ω叨染劢沟姆磻?yīng)區(qū)(類似于SLA或DLW中的激光光斑)和高聚合速率，而這是3D打印所必需的。

在此，如圖1a所示，研究者將建筑材料(單體與固化劑混合或不同混合物)置于聚焦的超聲場中，在建筑室內(nèi)進行3D打印。研究者稱這種方法為直接聲音打印(DSP)。由單片式球形聚焦換能器產(chǎn)生的超聲場，通過構(gòu)建腔的殼體到達構(gòu)建材料。在構(gòu)建材料的焦點位置，如圖1a和圖1b所示，化學(xué)活性的聲空化區(qū)域?qū)⒁后w樹脂或混合物固化，并將其沉積到平臺上，或沉積在之前沉積和固化的區(qū)域的頂部。研究者稱這個區(qū)域為超活躍微反應(yīng)器(UAMR)，在這里產(chǎn)生的氣泡和聚合樹脂出現(xiàn)在低壓區(qū)，然后它們短暫地遷移到高壓區(qū)，直到它們到達平臺或之前固化的像素處沉積。傳感器，通過運動機械手在介質(zhì)中移動，沿著構(gòu)建腔內(nèi)的計算路徑定位焦點區(qū)域，以逐像素生成所需的部件。DSP工藝的輸入?yún)��?shù)直接影響打印件的微觀結(jié)構(gòu)。這些參數(shù)是變頻器驅(qū)動脈沖的特性(如電力、頻率和占空比，即驅(qū)動脈沖周期的有效分數(shù))，建筑材料(如單體與固化劑的混合比、混合比、粘度和表面張力)和換能器運動(如換能器的速度和加速度)。在DSP中，不同的微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了對不透明部件的光學(xué)透明。由此產(chǎn)生的不透明度是由于印刷部分的多孔結(jié)構(gòu)，這可以控制/通過操縱DSP輸入?yún)��?shù)。

圖1 DSP概念和印刷部件。

通過研究者的方法，直接聲音打印(DSP)，在熱固化熱固性聚(二甲基硅氧烷)中打印孔隙度為0到變化和280 μm特征尺寸的復(fù)雜幾何圖形，迄今為止，任何方法都不能直接打印聚(二甲基硅氧烷)。同時，研究者介紹了聲化學(xué)發(fā)光、高速成像和DSP工藝表征實驗以及在遠程打印等方面的潛在應(yīng)用。研究者的方法建立了一個替代路線，在AM使用超聲波作為能源。

圖2 超聲構(gòu)建室超聲共振過程中UAMR的觀察。

圖3 在構(gòu)建室共振過程中，在平臺上對UAMR進行多孔透明打印觀察。

圖4 工藝、材料和微觀結(jié)構(gòu)表征。


圖5 DSP的潛在應(yīng)用。

綜上所述，研究者介紹了一種使用聲波3D打印物體的方法（DSP）。聲空化在打印樹脂或樹脂混合介質(zhì)中產(chǎn)生化學(xué)活性區(qū)域，其中樹脂在聲化學(xué)反應(yīng)下經(jīng)歷從液體到固體的快速相變。有了DSP，用自由基聚合工藝的熱固化聚合物，如熱固化熱固性聚合物，在AM工藝中不能通過光或熱源直接打印，現(xiàn)在可以直接打印。研究者通過SCL實驗，闡述了DSP的基本原理。在DSP中的化學(xué)活性3D打印區(qū)域，類似于普通的照片或基于熱的AM技術(shù)中的激光束點。研究者的高速成像實驗顯示了UAMR區(qū)域的存在，在該區(qū)域中產(chǎn)生了活躍的空化泡，并發(fā)生了導(dǎo)致材料相變的化學(xué)反應(yīng)。材料表征測試表明，通常固化的PDMS系統(tǒng)和用DSP打印的PDMS系統(tǒng)沒有區(qū)別。打印件的孔隙度大小范圍取決于打印輸入?yún)��?shù)，如打印材料、超聲波功率、頻率、占空比和換能器速度。

研究者為了展示DSP獨特的未來潛力，實驗演示了RDP在體內(nèi)生物打印中的應(yīng)用，以及DSP在局部表面等離子體共振與微流控芯片集成方面的直接納米粒子合成和圖型�？栈�現(xiàn)象被認為是破壞的原因，在DSP中是一種創(chuàng)造力。研究者的方法，通過利用已知的最古老的能量來源之一——聲波來創(chuàng)造物理物體來馴服空化。（文：水生）