導讀：直接聲音打?。―SP）是一種由聲化學聚合驅動的替代性增材制造工藝，傳統(tǒng)上僅限于單個聲學焦點區(qū)域，從而導致逐個體素的打印方式。為了克服這一局限性，康考迪亞大學的研究人員引入了全息直接聲音打?。℉DSP）技術。在該技術中，聲學全息圖用于存儲部件的橫截面圖像，聲波被圖案化以誘導特定區(qū)域的空化氣泡，并在所需區(qū)域實現(xiàn)聚合，生成無層次結構的打印件。

2024年10月10日，據(jù)資源庫了解，來自康考迪亞大學的研究人員成功開發(fā)出一種全新的打印方法——全息直接聲音打印（HDSP），據(jù)稱比現(xiàn)有的3D打印方法速度更快，且能制造出更為復雜的物體。相關研究論文已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

HDSP的關鍵技術是聲全息圖，這是一種能夠精準操控聲場的技術。相比傳統(tǒng)的相控陣換能器（PAT），聲全息圖不僅能以較低成本創(chuàng)造復雜的聲場，還具備更高的自由度。在醫(yī)學成像、細胞圖案化、粒子組裝等多個領域，聲全息技術已經(jīng)展現(xiàn)出其強大的應用潛力。通過將聲全息技術與增材制造結合，HDSP成為了一種突破性的新工藝，既能縮短打印時間，又能節(jié)省能源。

圖1：HDSP 概念和打印物體。a HDSP 工藝示意圖，其中打印部件位于安裝在機器人末端執(zhí)行器上的平臺上，顯示末端執(zhí)行器坐標系 (ECS) 和平移 ( xyz ) 和旋轉 ( ωx , ωy , ωz ) 自由度。b打印區(qū)域的詳細視圖，在目標壓力圖像附近產(chǎn)生空化氣泡。c打印的“DSP”字母，打印參數(shù)：P ?= 20 W、f 0 ?= 2.28 MHz、DC = ?35%，及其相應的模擬壓力模式p，歸一化到最大壓力PMAX。d打印的楓葉，打印參數(shù)：P ?= 25 W、OD = 50 mm、f 0 = 2.28 ?MHz、DC = 30%。e沿 + z軸通過進給f軸向擠壓/打印的全透明打印壁，打印參數(shù)：P ?= 6 W、OD = 25 mm、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 20%。f通過多軸 HDSP 中平臺的平移和旋轉運動打印的透明螺旋。g使用與 ( e )相同的打印條件，通過計算的機器人軌跡打印的自支撐U形物體。OD、 P、f 0和DC分別是換能器孔徑大小、聲功率、聲學中心頻率和占空比。

HDSP的基礎技術——直接聲音打?。―SP），這是一種利用聲化學聚合驅動的增材制造工藝，通過聲空化氣泡在打印介質(zhì)中的聚合反應完成打印?？栈F(xiàn)象即聲波產(chǎn)生的氣泡在低壓時膨脹并在高壓時劇烈坍塌，氣泡坍塌所產(chǎn)生的極端高溫和高壓，能夠瞬間引發(fā)化學反應，實現(xiàn)材料的聚合。與傳統(tǒng)依賴光或熱能激活化學反應的3D打印工藝不同，DSP通過聲波產(chǎn)生化學反應，成為一種全新的材料處理方式。

與立體光刻（SLA）等傳統(tǒng)增材制造工藝類似，早期的DSP每次只能打印一個體素，打印速度受到限制。為了解決這一問題，研究人員引入了全息直接聲音打?。℉DSP）。通過聲全息技術，HDSP能夠在整個橫截面上同時進行聚合，而不再局限于逐點打印，大大提升了打印效率。

聲全息圖是一種存儲打印部件橫截面信息的聲壓模式，當超聲波通過這些全息圖時，會在材料內(nèi)的目標區(qū)域引發(fā)空化氣泡，并完成聚合反應。這種方法不僅加速了打印過程，還允許創(chuàng)建復雜的無層次結構。

圖2：SCL實驗利用全息圖展示化學反應的可模式化性。SCL設置包括一個 DSLR 相機，用于捕捉魯米諾溶液表面的頂視圖。b1 – e1捕捉到的魯米諾照明圖案。b2 – e2目標平面上對應的理論聲壓圖。( b ) 中使用的聲學參數(shù)為 OD = 25 mm、f 0 = 2.24 MHz、DC = ?100%、P ?= 15 W，( c ) 中使用的聲學參數(shù)為 OD = 35 mm、f 0 ?= 1.86 MHz、DC = 100%、P ?= 20 W，( d、e ) 中使用的聲學參數(shù)為 OD = 50 mm、f 0 ?= 2.28 MHz、DC = 100%、P ?= 25 W。

HDSP相比傳統(tǒng)DSP具備一個數(shù)量級的速度提升。與目前廣泛應用的光學增材制造技術相比，HDSP更適合用于難以通過光或熱處理的材料，如熱固性材料。此外，HDSP提出的“遠程距離打印”（RDP）概念，甚至讓通過障礙物（例如光學不透明材料或人體組織）進行非侵入性打印成為可能。

圖3：采用高速成像仔細觀察HDSP打印過程。a觀察裝置的側視圖，包括用于捕捉 HDSP 打印過程的高速攝像機。b 、c分別為設計的兩點和三點壓力圖像的歸一化測量壓力圖。每兩個點之間的間隙在 (b) 中為 3 毫米，在 ( c )中為4 毫米。d在 1 秒超聲處理期間使用HDSP過程打印的兩個點的高速成像鏡頭。e在 1 秒超聲處理期間三點打印的高速成像鏡頭。在所有情況下，平臺（圖像平面）都設計為距離換能器 20 毫米，打印參數(shù)：OD = 25 毫米、P ?= 5 W、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 50%。

研究人員指出，HDSP的技術進步不僅推動了增材制造的發(fā)展，還為超聲波驅動的3D打印開辟了新的研究領域。在醫(yī)學、工業(yè)加工以及環(huán)境治理等應用中，HDSP展現(xiàn)出巨大的潛力。例如，未來可能通過該技術實現(xiàn)體內(nèi)醫(yī)療設備的非侵入性打印，帶來醫(yī)療領域的革命性進展。

圖4：HDSP的特殊應用。a模擬多目標圖像平面的壓力場，一次性創(chuàng)建多個斑點。b使用單個聲全息圖在多層平臺上一次性打印各個斑點。c 在非透明材料上打印，實現(xiàn)遠程打印 (RDP) 應用。d通過RDP概念在活體生物體內(nèi)進行侵入式打印的想法示意圖。放大的視圖詳細顯示了 RDP 實驗中使用的豬組織層。e在( d )中顯示的包括豬組織的屏障上打印的扭曲螺旋。打印參數(shù)：OD = 25 毫米、P ?= 8 W、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 50%。f在非透明材料中打印的楓葉是 RDP 的另一個示例。打印參數(shù)：OD = 50 毫米、P ?= 25 W、f 0 ?= 2.85 MHz、DC = 50%。g HDSP中套印可能性的示例，其中兩壁打印在打印的空心圓形殼體上。制造步驟如圖1和圖2所示。

研究人員認為，HSDP有可能成為一種顛覆性技術——類似于光基3D打印技術的飛躍，從早期的立體光刻技術（SLA，使用激光逐點將樹脂硬化為固體）發(fā)展到如今的數(shù)字光處理技術（DLP，能夠同時固化整個樹脂層）。

圖5：機器人輔助HDSP。a實驗裝置包括安裝在機械臂末端執(zhí)行器上的打印平臺和用相應壓力模式打印的圓弧。b具有平面內(nèi)擠壓路徑的物體。c通過以可變進給繞z 軸旋轉同時以恒定進給沿 + z方向擠壓而創(chuàng)建的螺旋形物體。所使用的壓力模式如插圖所示。插圖顯示了預期部件的3D模型。d利用計算出的機器人軌跡形成的無支撐U形部件。e –h ( d )的打印過程示意圖和計算出的軌跡。

隨著HDSP技術的進一步發(fā)展，增材制造行業(yè)有望實現(xiàn)更多難以想象的創(chuàng)新。這一技術的出現(xiàn)不僅為快速、高效的3D打印提供了新的解決方案，還為處理復雜材料、實現(xiàn)遠程打印開辟了全新的可能性。未來，HDSP可能將在醫(yī)療、航空航天、電子產(chǎn)品等多個領域發(fā)揮關鍵作用。

圖6：HDPS全息圖相關過程表征。a制造的全息圖和理論全息圖之間的表面偏差和偏差分布。b通過有限元分析獲得理論全息圖（b左）和掃描的制造全息圖（b右）的壓力模式。c通過改變 OD 和 f 0 調(diào)查圖像和打印分辨率，以低分辨率（c 左）構建理論曼荼羅圖像（c 右），OD = 25 mm，f 0 = 1.5 MHz，以高分辨率（c 右）構建理論曼荼羅圖像（c 中心）。d、e理論曼荼羅圖像（c中心）相對于?OD?和f 0的相關性和NMSE。f圖像平面位置、Z目標及其對相關性和 NMSE 的影響。

總的來說，全息直接聲音打?。℉DSP）作為聲學增材制造的新范式，標志著3D打印技術進入了一個全新的階段。我們期待著更多關于 HDSP 技術應用的實際案例，以及它在工業(yè)和醫(yī)療領域的進一步突破。

導讀：直接聲音打?。―SP）是一種由聲化學聚合驅動的替代性增材制造工藝，傳統(tǒng)上僅限于單個聲學焦點區(qū)域，從而導致逐個體素的打印方式。為了克服這一局限性，康考迪亞大學的研究人員引入了全息直接聲音打?。℉DSP）技術。在該技術中，聲學全息圖用于存儲部件的橫截面圖像，聲波被圖案化以誘導特定區(qū)域的空化氣泡，并在所需區(qū)域實現(xiàn)聚合，生成無層次結構的打印件。

2024年10月10日，據(jù)資源庫了解，來自康考迪亞大學的研究人員成功開發(fā)出一種全新的打印方法——全息直接聲音打印（HDSP），據(jù)稱比現(xiàn)有的3D打印方法速度更快，且能制造出更為復雜的物體。相關研究論文已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

HDSP的關鍵技術是聲全息圖，這是一種能夠精準操控聲場的技術。相比傳統(tǒng)的相控陣換能器（PAT），聲全息圖不僅能以較低成本創(chuàng)造復雜的聲場，還具備更高的自由度。在醫(yī)學成像、細胞圖案化、粒子組裝等多個領域，聲全息技術已經(jīng)展現(xiàn)出其強大的應用潛力。通過將聲全息技術與增材制造結合，HDSP成為了一種突破性的新工藝，既能縮短打印時間，又能節(jié)省能源。

圖1：HDSP 概念和打印物體。a HDSP 工藝示意圖，其中打印部件位于安裝在機器人末端執(zhí)行器上的平臺上，顯示末端執(zhí)行器坐標系 (ECS) 和平移 ( xyz ) 和旋轉 ( ωx , ωy , ωz ) 自由度。b打印區(qū)域的詳細視圖，在目標壓力圖像附近產(chǎn)生空化氣泡。c打印的“DSP”字母，打印參數(shù)：P ?= 20 W、f 0 ?= 2.28 MHz、DC = ?35%，及其相應的模擬壓力模式p，歸一化到最大壓力PMAX。d打印的楓葉，打印參數(shù)：P ?= 25 W、OD = 50 mm、f 0 = 2.28 ?MHz、DC = 30%。e沿 + z軸通過進給f軸向擠壓/打印的全透明打印壁，打印參數(shù)：P ?= 6 W、OD = 25 mm、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 20%。f通過多軸 HDSP 中平臺的平移和旋轉運動打印的透明螺旋。g使用與 ( e )相同的打印條件，通過計算的機器人軌跡打印的自支撐U形物體。OD、 P、f 0和DC分別是換能器孔徑大小、聲功率、聲學中心頻率和占空比。

HDSP的基礎技術——直接聲音打?。―SP），這是一種利用聲化學聚合驅動的增材制造工藝，通過聲空化氣泡在打印介質(zhì)中的聚合反應完成打印?？栈F(xiàn)象即聲波產(chǎn)生的氣泡在低壓時膨脹并在高壓時劇烈坍塌，氣泡坍塌所產(chǎn)生的極端高溫和高壓，能夠瞬間引發(fā)化學反應，實現(xiàn)材料的聚合。與傳統(tǒng)依賴光或熱能激活化學反應的3D打印工藝不同，DSP通過聲波產(chǎn)生化學反應，成為一種全新的材料處理方式。

與立體光刻（SLA）等傳統(tǒng)增材制造工藝類似，早期的DSP每次只能打印一個體素，打印速度受到限制。為了解決這一問題，研究人員引入了全息直接聲音打?。℉DSP）。通過聲全息技術，HDSP能夠在整個橫截面上同時進行聚合，而不再局限于逐點打印，大大提升了打印效率。

聲全息圖是一種存儲打印部件橫截面信息的聲壓模式，當超聲波通過這些全息圖時，會在材料內(nèi)的目標區(qū)域引發(fā)空化氣泡，并完成聚合反應。這種方法不僅加速了打印過程，還允許創(chuàng)建復雜的無層次結構。

圖2：SCL實驗利用全息圖展示化學反應的可模式化性。SCL設置包括一個 DSLR 相機，用于捕捉魯米諾溶液表面的頂視圖。b1 – e1捕捉到的魯米諾照明圖案。b2 – e2目標平面上對應的理論聲壓圖。( b ) 中使用的聲學參數(shù)為 OD = 25 mm、f 0 = 2.24 MHz、DC = ?100%、P ?= 15 W，( c ) 中使用的聲學參數(shù)為 OD = 35 mm、f 0 ?= 1.86 MHz、DC = 100%、P ?= 20 W，( d、e ) 中使用的聲學參數(shù)為 OD = 50 mm、f 0 ?= 2.28 MHz、DC = 100%、P ?= 25 W。

HDSP相比傳統(tǒng)DSP具備一個數(shù)量級的速度提升。與目前廣泛應用的光學增材制造技術相比，HDSP更適合用于難以通過光或熱處理的材料，如熱固性材料。此外，HDSP提出的“遠程距離打印”（RDP）概念，甚至讓通過障礙物（例如光學不透明材料或人體組織）進行非侵入性打印成為可能。

圖3：采用高速成像仔細觀察HDSP打印過程。a觀察裝置的側視圖，包括用于捕捉 HDSP 打印過程的高速攝像機。b 、c分別為設計的兩點和三點壓力圖像的歸一化測量壓力圖。每兩個點之間的間隙在 (b) 中為 3 毫米，在 ( c )中為4 毫米。d在 1 秒超聲處理期間使用HDSP過程打印的兩個點的高速成像鏡頭。e在 1 秒超聲處理期間三點打印的高速成像鏡頭。在所有情況下，平臺（圖像平面）都設計為距離換能器 20 毫米，打印參數(shù)：OD = 25 毫米、P ?= 5 W、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 50%。

研究人員指出，HDSP的技術進步不僅推動了增材制造的發(fā)展，還為超聲波驅動的3D打印開辟了新的研究領域。在醫(yī)學、工業(yè)加工以及環(huán)境治理等應用中，HDSP展現(xiàn)出巨大的潛力。例如，未來可能通過該技術實現(xiàn)體內(nèi)醫(yī)療設備的非侵入性打印，帶來醫(yī)療領域的革命性進展。

圖4：HDSP的特殊應用。a模擬多目標圖像平面的壓力場，一次性創(chuàng)建多個斑點。b使用單個聲全息圖在多層平臺上一次性打印各個斑點。c 在非透明材料上打印，實現(xiàn)遠程打印 (RDP) 應用。d通過RDP概念在活體生物體內(nèi)進行侵入式打印的想法示意圖。放大的視圖詳細顯示了 RDP 實驗中使用的豬組織層。e在( d )中顯示的包括豬組織的屏障上打印的扭曲螺旋。打印參數(shù)：OD = 25 毫米、P ?= 8 W、f 0 ?= 2.24 MHz、DC = 50%。f在非透明材料中打印的楓葉是 RDP 的另一個示例。打印參數(shù)：OD = 50 毫米、P ?= 25 W、f 0 ?= 2.85 MHz、DC = 50%。g HDSP中套印可能性的示例，其中兩壁打印在打印的空心圓形殼體上。制造步驟如圖1和圖2所示。

研究人員認為，HSDP有可能成為一種顛覆性技術——類似于光基3D打印技術的飛躍，從早期的立體光刻技術（SLA，使用激光逐點將樹脂硬化為固體）發(fā)展到如今的數(shù)字光處理技術（DLP，能夠同時固化整個樹脂層）。

圖5：機器人輔助HDSP。a實驗裝置包括安裝在機械臂末端執(zhí)行器上的打印平臺和用相應壓力模式打印的圓弧。b具有平面內(nèi)擠壓路徑的物體。c通過以可變進給繞z 軸旋轉同時以恒定進給沿 + z方向擠壓而創(chuàng)建的螺旋形物體。所使用的壓力模式如插圖所示。插圖顯示了預期部件的3D模型。d利用計算出的機器人軌跡形成的無支撐U形部件。e –h ( d )的打印過程示意圖和計算出的軌跡。

隨著HDSP技術的進一步發(fā)展，增材制造行業(yè)有望實現(xiàn)更多難以想象的創(chuàng)新。這一技術的出現(xiàn)不僅為快速、高效的3D打印提供了新的解決方案，還為處理復雜材料、實現(xiàn)遠程打印開辟了全新的可能性。未來，HDSP可能將在醫(yī)療、航空航天、電子產(chǎn)品等多個領域發(fā)揮關鍵作用。

圖6：HDPS全息圖相關過程表征。a制造的全息圖和理論全息圖之間的表面偏差和偏差分布。b通過有限元分析獲得理論全息圖（b左）和掃描的制造全息圖（b右）的壓力模式。c通過改變 OD 和 f 0 調(diào)查圖像和打印分辨率，以低分辨率（c 左）構建理論曼荼羅圖像（c 右），OD = 25 mm，f 0 = 1.5 MHz，以高分辨率（c 右）構建理論曼荼羅圖像（c 中心）。d、e理論曼荼羅圖像（c中心）相對于?OD?和f 0的相關性和NMSE。f圖像平面位置、Z目標及其對相關性和 NMSE 的影響。

總的來說，全息直接聲音打?。℉DSP）作為聲學增材制造的新范式，標志著3D打印技術進入了一個全新的階段。我們期待著更多關于 HDSP 技術應用的實際案例，以及它在工業(yè)和醫(yī)療領域的進一步突破。