广东工业大学王成勇教授团队原创成果：声直接制造热固性树脂基等高分子材料零件

“无中声有随意遂性”

生活中我们身边遍布着各种各样的声音，不同于光和热，它可以穿透介质，作用范围和能量都容易控制。长期以来，声作为辅助能量被广泛用于零件制造、化学反应、3D打印等，可否利用声直接制造零件并调控性能？研究人员提出声制造理论，即利用压电效应产生的非接触可穿透聚焦声波，与高分子材料及复合材料相互作用，通过调控声波的产生、聚焦和传输，来调控材料的微观结构和界面的结合状态，实现以高分子材料为基体的多种零件的形性连续、稳定、可靠制造。

近日，广东工业大学机电学院王成勇教授团队以“Sound Continuous Production of Thermosets”为题发表在《Advanced Functional Materials》，实现了高分子材料的全维度自由制造、多材料连续制造和性能可控制造。广东工业大学机电工程学院博士后姚光为论文的第一作者，王成勇教授为论文通讯作者。

无中声有—声制造基本原理

研究人员报道了声波对高分子材料表现出机械物理化学复合作用。机械效应是声头的机械振动以及材料中声波的传输聚焦；物理效应是高强度声波导致材料发生剧烈的空化和射流效应；化学效应是固化过程中发生了显著的化学基团变化诱发聚合反应。

研究人员利用声波这三个效应的复合作用直接制造零件，可在任意方向连续生成，也可在任意位置结合。通过改变声场焦域调控界面的结合状态，实现同质和异质材料的连续结合制造。

图1.声制造机理。A) 声波的机械效应；B) 声波的物理效应；C) 声波的化学效应；D) 声制造装置和概念示意图；E) 材料在声波下的成型机理；F) 声连续制造机理；G) 声制造样件。

随意遂性—全维度自由制造、性能可控制造

全维度自由制造：

研究人员将声制造与机械臂的结合拓展了制造自由度，无支撑制造了垂直和横向螺旋结构，成功实现360°全维度制造。受限于光的穿透性差和温度控制灵敏性低等原因，目前基于光固化和热固化的3D打印技术尚无法实现360°全自由度制造和材料性能的无极调控。

由于其薄壁，通过传统的成型和打印方法制造起来很困难或效率低下。但是这些薄壁圆柱体可以通过在声制造中引入旋转轴即可轻松实现。

图2.360°全维度自由制造。B) 声头设定的移动轨迹；C)垂直螺旋结构的打印过程；D) 横向螺旋结构的打印过程；E) 无支撑打印悬垂结构。

性能可控制造：

声制造还具备广泛的机械性能梯度调控能力，改变声波强度可以调控材料的固化度，实现从液体-胶态-固态的调控，从而调控力学性能，性能调控范围高达5倍，实现功能梯度材料制造。声制造的性能调控能力可以拓展应用到超材料、甚至是具有梯度特性的器官模型和仿生复合材料。

图3.声压调控材料的力学性能。A) 声压通过影响化学反应来改变树脂状态从而调控材料力学性能. B) 声压对PDMS基材料化学基团转化率的影响；C）声压对环氧树脂基材料化学基团转化率的影响；D）不同声压下制造的环氧树脂的压缩应力-应变曲线；H）不同声压下制造的环氧树脂的压缩模量和压缩强度；F）声压调控制造的梯度环氧树脂材料。

拓展应用

研究人员开发了系列在声波作用下会发生强烈的物理效应从而引起聚合反应，完成固态化转换，也称为声敏感材料，包括PDMS基、丙烯酸酯基、环氧树脂基等多种不同固化体系的热固性材料，初步展现了该技术具有较广的材料适应面。

声制造还可以直接制造功能性复合材料。可以通过添加颗粒、纤维等增强材料直接制造，例如用于心血管治疗的磁性支架、多孔陶瓷复合体，陶瓷金属复合连续体。

声制造还可以直接制备多层碳纤维树脂基复合材料，操作方便、绿色低碳；利用声波的强穿透性，实现了隔空隔物制造。

图4.声波直接制造功能复合材料.A) 颗粒复合材料的声制造机理; B) 声波直接制造的金属增强复合材料，即软磁圆柱体；C）声波直接制造的陶瓷增强复合材料；D）声波直接制造的陶瓷金属复合连续体；E）多层碳纤维复合材料的声制造机理；F）声波直接制造多层碳纤维复合材料的流程及样件。

综述，声制造是一种快速制造热固性材料的新策略，与其他制造技术相比，具备跨尺度、多材料、全自由度、性能调控、可穿透、绿色低能耗。等特点。有望在3D打印、航空航天、医疗、3C电子、海洋船舶、零件加工等多个领域拓展应用。

该研究工作得到了国家自然科学基金原创探索计划项目“高性能零件的声制造原理及其形性调控方法”(No.52250109)的资助。

参考文献：
https://doi.org/10.1002/adfm.202312736

来源：高分子科学前沿

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