Nature子刊!隔空成型+不用光热的声波3D打印

AM易道导语：

近日，一项突破性的3D打印技术引起了业内广泛关注。

来自加拿大康考迪亚大学的研究团队开发出一种名为「全息直接声波打印」（Holographic Direct Sound Printing，简称HDSP）的新型3D打印方法。

这项研究成果发表在《自然通讯》杂志上，原文链接为：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50923-8。

声波塑造物质：一种全新的3D打印思路

传统的3D打印技术主要依赖光或热来实现材料的固化或熔融。

而HDSP则另辟蹊径，利用声波在打印材料中产生的空化现象来实现材料的快速聚合。

这种方法不仅打印速度快，还能实现无层打印，为3D打印技术开辟了一条全新的道路。

声学全息：HDSP的核心技术

HDSP的核心在于其独特的声学全息技术。

研究团队设计了一种特殊的声学全息图，它能够将普通的平面超声波转换成复杂的三维声场。

这种声场在打印材料中形成特定的压力分布，从而实现对材料的精确控制。

HDSP概念图及打印实例

(a) HDSP过程示意图。(b) 打印区域的详细视图，显示了靠近目标压力图像处产生的空化气泡。(c) 使用HDSP打印的「DSP」字母及其对应的模拟压力图案。(d) 打印的枫叶图案及其理论压力图案。(e) 沿z轴方向挤出打印的透明墙。(f) 通过平台的平移和旋转运动打印的透明螺旋结构。(g) 通过计算机控制的机器人轨迹打印的自支撑U型结构。

HDSP系统主要由三部分组成：超声波发生器、声学全息图和打印平台。

超声波发生器产生的平面波经过声学全息图后，被塑造成特定的声场分布。

这个声场在打印材料中产生局部的高压区域，触发材料的聚合反应。

打印平台则按照预设的轨迹移动，从而形成最终的三维结构。

值得注意的是，HDSP技术实现了真正的无层打印。

传统的3D打印技术通常需要逐层打印，每层之间可能存在结合不完全的问题。

而HDSP则能够连续地在三维空间中进行打印，避免了分层带来的结构缺陷。

从理论到实践：HDSP的关键突破

研究团队首先通过声化学发光（Sonochemiluminescence，SCL）实验验证了HDSP的可行性。

他们在含有鲁米诺的水溶液中进行实验，观察到声场分布与理论预测高度吻合的蓝光图案。

这证明了声学全息技术确实能够在目标平面上产生预期的化学反应。

声化学发光实验

SCL实验展示了利用声学全息图实现化学反应的可能性。

(a) SCL实验装置示意图，包括捕捉鲁米诺溶液表面俯视图的DSLR相机。(b1-e1) 捕获的鲁米诺发光图案。(b2-e2) 对应的目标平面理论声压图。

我们可以清楚地看到，不同形状的声学全息图产生的发光图案与理论预测的压力分布高度一致。

这一结果为HDSP技术的实际应用奠定了坚实的理论基础。

为了进一步研究HDSP的打印过程，研究人员还进行了高速成像实验。他们使用阴影摄影和Schlieren摄影技术，捕捉到了打印过程中材料的动态变化。

使用高速成像观察HDSP打印过程。(a) 观察设置的侧视图，包括用于捕捉HDSP打印过程的高速相机。(b,c) 设计的两点和三点压力图像的归一化测量压力图。(d) 两点HDSP打印过程1秒内的高速成像画面。(e) 三点打印过程1秒内的高速成像画面。

我们可以清楚地看到，在声场作用下，打印材料中形成了规律的高压和低压区域。

这些区域的交替分布正是HDSP能够实现精确控制的关键。

高速成像还揭示了空化气泡的动态行为，这为理解HDSP的工作机理提供了直观的证据。

HDSP的独特优势：多方位突破传统限制

HDSP技术不仅在打印速度和精度上有显著提升，还展现出一系列独特的优势。研究团队通过一系列实验，展示了HDSP在多个方面的突破性能力。

1. 多对象/位置同时打印

HDSP技术的一大亮点是能够在单个声学全息图中存储多个图像的信息，这些图像可以位于空间的不同位置或层级。

这意味着HDSP可以同时在打印空间的不同位置创建多个对象。

HDSP的特殊应用

(a) 多目标图像平面的模拟压力场，一次创建多个点。(b) 使用单个声学全息图在多层平台上一次打印各种点。(c) 在不透明材料中打印，实现远距离打印（RDP）应用。(d) 通过RDP概念模拟体内非侵入性打印的示意图。放大视图详细显示了RDP实验中使用的猪组织层。(e) 通过(d)中的屏障打印的扭曲螺旋。(f) 在不透明材料中打印的枫叶，作为远距离打印的另一个例子。(g) HDSP中重叠打印的可能性示例，其中两面墙打印在中空圆形外壳上。

研究人员成功地在一个声学全息图中存储了三个点在三个目标z层的图像，并在打印空间中创建了复杂的压力模式。

通过使用多层打印平台并沿z轴移动，他们同时在三个层级上创建了三个挤出柱。

这种能力为复杂组织结构的打印、局部药物和细胞递送系统以及先进的组织工程开辟了新的可能性。

2. 远距离「隔空」打印

HDSP技术还展示了远距离（「隔空」）打印（Remote Distance Printing，RDP）的能力。

这是DSP和HDSP技术的独特应用，利用声波能够穿过不透明介质的特性，实现了在多个光学不透明介质和物理障碍物后面进行打印。

研究团队通过一系列实验验证了这一概念。他们在打印材料中添加绿色染料使其变得不透明，然后成功打印出了一面墙。

超声波穿过固体底面和10毫米厚的不透明打印材料，最终到达沿z轴移动的打印平台。

更引人注目的是，研究人员还进行了一项模拟体内打印的实验。

他们使用HDSP方法成功地在猪组织（包括皮肤、脂肪和肌肉层）后面进行了非侵入性打印。

这一猪组织屏障模拟实验为未来体内组织修复和药物递送等研究提供了可能性，并不等同于已实现活体治疗。

3. 重叠打印

HDSP技术还展示了重叠打印的能力。

研究人员首先使用一个存储圆形图像的全息图创建了一个圆形部件，然后切换到另一个存储两条平行线图像的全息图，在已打印的圆形上方创建了两个平行的挤出墙。

这种能力为创建复杂的多层结构提供了新的途径。

4. 多材料打印

通过在打印过程中更换打印材料，HDSP还实现了多材料打印。

研究人员成功打印出了具有不同颜色的墙。这种能力为创建具有多种功能的复杂结构开辟了新的可能性。

AM易道认为，HDSP技术的这些独特优势，为3D打印在医疗、航空航天、电子等领域的应用提供了新的可能性。

精确控制：机器人辅助HDSP

为了实现更复杂的打印路径和悬臂结构，研究团队将HDSP与机器人技术相结合，开发出了机器人辅助HDSP系统。

机器人辅助HDSP

机器人辅助HDSP。(a) 实验装置包括安装在机器人手臂末端执行器上的打印平台，正在打印的弧形及其对应的压力图案。(b) 具有平面挤出路径的对象。(c) 通过绕z轴旋转和沿+z方向恒定进给创建的螺旋对象。插图显示了压力图案和预期部件的3D模型。(d) 通过计算的机器人轨迹形成的无支撑U形部件。(e-h) (d)的打印过程和计算轨迹示意图。

打印平台被安装在机器人手臂的末端执行器上。

这使得打印平台能够沿着复杂的三维路径移动，从而实现多轴打印和悬臂结构的创建。

研究人员开发了专门的算法来计算机器人轨迹，以保持恒定的打印速度和方向。

图b-d展示了使用这种系统打印的各种复杂结构，包括平面挤出路径的对象、螺旋对象和无支撑的U形部件。

这些例子充分展示了HDSP结合机器人技术后的强大能力，为制造复杂几何形状的部件提供了新的可能性。

深入探索：HDSP过程表征

为了优化HDSP技术，研究团队对打印过程进行了全面表征，重点关注了全息图制造精度、打印参数和材料特性。

研究发现，全息图的制造精度对打印质量至关重要。通过3D扫描和有限元分析，团队观察到制造误差会导致压力图案不均匀，从而影响打印精度。

HDSP过程表征。(a) 制造的和理论全息图之间的表面偏差。(b) 理论和实际全息图的压力图案比较。(c-f) 打印参数对图像质量的影响研究。

团队还研究了超声波中心频率（f0）和换能器有效直径（OD）对打印精度的影响。结果表明，增加OD和f0可以提高图像质量，但也需要权衡声波在材料中的衰减。

此外，研究人员探讨了图像平面位置（Ztarget）对打印质量的影响，为全息图设计提供了重要指导。

在材料特性方面，团队通过红外测量和机械测试，证实了HDSP过程中的聚合进程与传统固化方法相当，但打印结构的多孔性会影响其机械性能。

AM易道认为，这些深入的表征研究为HDSP技术的进一步优化奠定了基础，有助于提高打印精度和材料性能，对于HDSP技术在高精度、高性能应用领域的推广具有重要意义。

商业化前景

尽管HDSP技术还处于实验室阶段，但其独特的优势已经显示出巨大的商业化潜力。特别是在以下几个领域：

1. 医疗器械制造：隔空打印能力和精确控制特性，使其在定制化医疗器械、体内组织修复等领域具有独特优势。

2. 航空航天：多材料、重叠成型能够制造复杂内部结构和功能梯度材料，这在轻量化结构件、高性能复合材料等方面有广阔应用前景。

3. 电子制造：多材料打印能力可能涉及电子元件的制造，例如制造集成化度更高的传感器或微流控芯片。

4. 智能材料：有潜力制造具有特定声学或力学响应的智能材料，这在声学隐身、智能减振等领域有重要应用。

结语

全息直接声波打印（HDSP）技术的出现，标志着3D打印领域又一次重大突破。

这项技术巧妙地将声学全息与直接声波打印相结合，不仅大大提高了打印速度，还实现了无层打印、隔空打印等独特功能。

这是以超声作为驱动能量源进行3D打印成型的新型制造技术！

尽管HDSP技术还面临着一些挑战，如压力图案均匀性的提高、材料适应性的拓展等，但其在医疗、航空航天、电子制造等领域的潜在应用前景令人期待。

未来，我们期待看到HDSP技术在更多领域的应用，也期待看到更多创新性的3D打印技术涌现。