直接声音打印将改变3D打印技术

       研究人员介绍了一种称为直接声音打印（direct sound printing，DSP）的新技术平台，该技术利用声波创建新的物体。本文解释了聚焦超声波如何在微小空化区域产生声化学反应。持续数万亿分之一秒的极端温度和压力可以生成预先设计的复杂几何图形，而这些几何图形无法用现有技术制作。

       目前使用的大多数3D打印方法都依赖于光（光）或热（热）激活反应来实现聚合物的精确操作。一种称为直接声音打印（DSP）的新技术平台的开发可能提供第三种选择，该技术利用声波创建新的物体。

       发表在《Nature Communication》上的一篇论文描述了这一过程。它展示了聚焦超声波如何在微小的空化区域——本质上是微小的气泡——产生声化学反应。持续数万亿分之一秒的极端温度和压力可以生成预先设计的复杂几何图形，而这些几何图形无法用现有技术制作。

       MuthuKumaran Packirisamy说：“超声波频率已经被用于具有破坏性的工作，如激光消融组织和肿瘤。我们想用它们来创造一些东西。”他是这篇论文的通讯作者。Mohsen Habibi也是这篇论文的主要作者。

超精密反应

       正如研究人员解释的那样，DSP依赖于悬浮在液体聚合物溶液中的微小气泡内的波动压力所产生的化学反应。Habibi说：“我们发现，如果我们使用某种频率和功率的超声波，我们可以产生非常局部、非常集中的化学反应区域。”基本上，气泡可用作反应器，驱动化学反应，将液态树脂转化为固体或半固体
微小气泡内的超声波定向振荡引起的反应很强烈，尽管它们只持续皮秒。腔体内部的温度高达15000开尔文左右，压力超过1000 bar（海平面上的地球表面压力约为1bar）。这种反应时间很短，不会影响周围材料。

       研究人员对一种用于添加剂制造的聚合物进行了实验，该聚合物被称为PDMS。他们使用换能器产生一个超声波场，该超声波场穿过材料的外壳，以液体树脂为固化目标，并将其沉积到平台或其他先前固化的物体上。传感器沿预定路径移动，最终逐像素创建所需的物体。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操纵微观结构的参数。

多功能且具体

       作者认为，DSP的多功能性将使依赖高度特定和精密设备的行业受益。例如，聚合物PDM广泛应用于微流体行业，制造商需要受控环境（洁净室）和复杂的光刻技术来制造医疗设备和生物传感器。

       由于超声波穿透不透明表面（如金属外壳），航空航天工程和维修也可以从DSP中受益。这可以让维修人员维修位于飞机机身深处的零件，这些零件对于依赖于光激活反应的打印技术来说是不可控的。DSP甚至可以为人类和其他动物的远程体内打印提供相关医学应用。

       Packirisamy说：“我们证明了我们可以打印多种材料，包括聚合物和陶瓷。” “我们下一步将尝试聚合物-金属复合材料，最终我们希望使用这种方法复制金属。”

图：DSP概念和打印结果

[1] Mohsen Habibi, Shervin Foroughi, Vahid Karamzadeh, Muthukumaran Packirisamy. Direct sound printing. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-29395-1