吳友亮 陳瑤

（第七一五研究所，杭州，310023）

3D打印是一種將數(shù)字模型構(gòu)建成為真實(shí)物體的快速成型技術(shù)，可用于金屬、陶瓷、高分子等種類的材料成型。而美國(guó)材料學(xué)會(huì)的定義則更為寬泛，通過使用打印頭、噴嘴或其他打印機(jī)技術(shù)沉積材料制作物體的技術(shù)即可稱為 3D打印[1]。目前通行的3D打印技術(shù)皆為增材制造過程，可應(yīng)用于教育、制造設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)、文物、建筑、食品等行業(yè)[2]。1986年，第一個(gè)3D打印技術(shù)光固化成型法成功申請(qǐng)專利；2011年11月，美國(guó)3D System公司在歐洲模具展上用3D打印機(jī)當(dāng)場(chǎng)“打印”了一把錘子，實(shí)現(xiàn)了一次驚艷的“亮相”[3,4]。

隨著應(yīng)用的推廣，近年來3D打印也逐步進(jìn)入聲學(xué)領(lǐng)域，并取得了一些成果。聲學(xué)應(yīng)用對(duì)材料功能的要求較為多樣，涉及到吸聲、透聲、隔聲和能量轉(zhuǎn)換（有源）等多個(gè)方面。高分子材料以其價(jià)廉、質(zhì)輕、耐腐蝕、便于性能剪裁、材料外形多樣和能通過幾種功能材料的復(fù)合實(shí)現(xiàn)多種功能等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地進(jìn)入聲學(xué)領(lǐng)域。目前3D打印的主要材料都為高分子材料，正迎合了這一需求。通過3D打印，設(shè)計(jì)人員可以在較低的成本下實(shí)現(xiàn)二維、三維聲學(xué)材料的成型，不同高分子材料的性能差異拓寬了最終結(jié)構(gòu)的性能。

1 吸聲材料

Gao[5]等人通過3D打印，采用了聚乳酸制成了一種高吸聲系數(shù)的微螺旋超材料，其吸聲原理是基于空氣和螺旋通道間的摩擦，該螺旋的直徑為 4.5 mm，螺距為2 mm，單元中心距為9.5 mm，在772 Hz下吸聲系數(shù)達(dá)0.7。

董明銳[6]等人則是基于生物仿真原理，采用3D打印技術(shù)，制備了基于木材內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)的吸聲結(jié)構(gòu)，并研究了穿孔率、主孔直徑和側(cè)孔深度對(duì)吸聲性能的影響，發(fā)現(xiàn)該試樣在300 Hz和3 500 Hz具有良好的吸聲性能。

Zhang[7]等人利用3D打印技術(shù)制備了三維方向上連續(xù)梯度漸變的材料，控制聲波入射方向的孔隙率呈線性分布，當(dāng)這種聲子晶體的孔隙率為 0.6，厚度為30 mm時(shí)，在阻抗管中測(cè)得2 700 Hz、3 300 Hz、3 700 Hz下的吸聲系數(shù)分別為0.94、0.96 和0.98。

王鯤鵬[8,9]等人制備了蜂窩板和加筋雙層板試樣，并測(cè)定不同介質(zhì)耦合下的隔聲量，結(jié)果表明增加雙層板面板、筋板和蜂窩板厚度可使阻尼控制區(qū)向低頻移動(dòng)。作者利用駐波管測(cè)量不同介質(zhì)耦合情況，發(fā)現(xiàn)耦合方式對(duì)隔聲量影響很大。

2015年，美國(guó)Purdue大學(xué)的Su[10]等人報(bào)道了同時(shí)具有負(fù)有效質(zhì)量密度和負(fù)有效楊氏模量的 3D打印超材料梁。該材料利用局域共振抑制低頻聲波，通過有限元軟件 ABAQUS分析，單個(gè)元胞的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)精確預(yù)測(cè)帶隙區(qū)，當(dāng)晶格參數(shù)為40 mm時(shí)，雙負(fù)區(qū)頻率為668～703 Hz。在此區(qū)域內(nèi)，相速度為負(fù)；一條狹窄的通帶則出現(xiàn)在 579.28～579.37 Hz之間。作者按以下三個(gè)步驟進(jìn)行3D打?。海?）預(yù)處理，采用CAD軟件設(shè)計(jì)3D模型，導(dǎo)入打印機(jī)；（2）逐層堆砌液體光敏聚合物，并同時(shí)噴射凝膠狀態(tài)支撐材料，UV固化；（3）噴水除去支撐材料。

Qureshi[11]等人研究了一種能夠通過 3D打印實(shí)現(xiàn)一維Bernoulli-Euler梁的負(fù)有效質(zhì)量行為，通過有限元計(jì)算得到共振頻率出現(xiàn)在100 Hz和277 Hz。

在三維材料方面，瑞士和意大利的科研人員[12]利用局域共振原理設(shè)計(jì)了一種針對(duì)低頻寬帶吸聲材料。該材料將局域共振與結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合，以 3D打印 PC（Polycarbonate）包裹的鋼立方體為陣元，長(zhǎng)度為3.65 mm，仿真在剛度最低的結(jié)構(gòu)中測(cè)得帶隙的核心頻率為4 822 Hz，歸一化帶寬為62%，值得注意的是該文采用的3D打印材料PC在打印方向上展現(xiàn)出各向異性，這是由于取向所致。

對(duì)原料的改性源于對(duì)3D打印產(chǎn)品功能、性能提升的期望，伊朗的科研人員[13]報(bào)道了一種由Cloisite 30B粘土和 SD0150 ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）復(fù)合材料制成的耳罩，復(fù)合后的噪聲降低了19.4 dB，優(yōu)于純ABS材料制品。

2 透聲材料

在換能器制作方面，目前常見的是利用3D打印制作骨架或匹配層。Yang[14]等人采用3D打印技術(shù)的光敏樹脂制備了痕量氣體的聲學(xué)檢測(cè)模塊。另一些中國(guó)科研人員[15]也將蜂窩結(jié)構(gòu)用于改善換能器與空氣的聲學(xué)匹配情況，該材料中空氣體積達(dá)30%，作者將之用于單晶硅探傷，通過對(duì)Lamb波的 A0模態(tài)進(jìn)行激發(fā)與檢測(cè)，計(jì)算可得缺陷的位置和尺寸。

隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印能獲得越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。2017年，Dikshit[16]等人報(bào)道了多層3D打印的三明治結(jié)構(gòu)用于裂紋檢測(cè)，兩種交替的原材料分別為橡膠狀彈性體和硬質(zhì) ABS材料。Laureti[17]等人將3D打印超材料用于低頻高分辨聲成像換能器的濾波器，該材料由 PMMA（Polymethylmethacrylate）光敏樹脂和空氣構(gòu)成，當(dāng)厚度為14.8 mm、孔邊長(zhǎng)為1.48 mm、間距為2.96 mm時(shí)，能選擇性地透過5 kHz和22.9 kHz的聲波。

3 有源材料

也有通過將打印材料中混合壓電材料粉末的方式來直接獲得換能器模塊的報(bào)道。Chen[18]等人詳細(xì)描述了其制備醫(yī)學(xué)超聲成像有源陣列的工藝步驟：（1）光敏樹脂與 BaTiO3混合；（2）打印、固化；（3）600℃惰性氣氛脫除樹脂；（4）1 300℃燒結(jié)BaTiO3；（5）100℃下極化。

奧地利的研究人員[19]則將磁性材料引入，得到一種非接觸式絕對(duì)線性位移檢測(cè)磁體，通過調(diào)節(jié)磁性物質(zhì)的比例來改變磁場(chǎng)分布，該傳感器的分辨率為次毫米級(jí)。有源材料的引入使換能器的制作變得廉價(jià)高效。

法國(guó)的Haque[20]等人也報(bào)道了一種基于3D打印和2D噴墨打印混合技術(shù)的電容聲學(xué)共振器制備技術(shù)。該技術(shù)先采用3D打印制備具有花紋的硬質(zhì)基底，再采用噴墨打印直接“寫上”導(dǎo)電銀層，該換能器可等效為電容，在其共振頻率具有良好的靈敏度和選擇性。

Tiller[21]等人通過數(shù)字光處理3D打印工藝制備了一種壓電麥克風(fēng)，集成了壓電材料、導(dǎo)電材料和結(jié)構(gòu)分子層。作者將光敏單體、光引發(fā)劑、吸光劑、BiTiO3壓電材料和導(dǎo)電材料混合后打印，產(chǎn)物的d33為2～3 pC/N。

建筑領(lǐng)域多將3D打印用于模型制作，作為聲學(xué)分析，Adobe公司的研究人員[22]將聲源植入 3D模型，其方法是先將選定的聲音文件插入一個(gè)微控制芯片，再將芯片絕緣和定位并植入3D模型中，使其成為一個(gè)可用計(jì)算機(jī)控制的聲源。

4 其他聲學(xué)材料

聲學(xué)斗篷是近來新興的材料，可用于聲隱身。Yang[23]等人利用3D打印實(shí)現(xiàn)了空穴和空管交替的層狀結(jié)構(gòu)聲學(xué)斗篷，該材料通過改變聲波傳播的路徑改變聲傳播方向，作用頻率在1 000 Hz附近。

泡沫是一種常見的聲學(xué)材料，韓國(guó)的 Oh[24]利用3D打印技術(shù)制備出Kelvin泡沫，并在1 MHz下測(cè)定其聲速，該泡沫的元胞為多面體，采用 ABS制得，為測(cè)定其聲速，以硬質(zhì)石蠟填充，實(shí)驗(yàn)表明，泡沫的聲速約為ABS體型材料的4%。

更接近實(shí)際聲學(xué)應(yīng)用的還是用傳感器的構(gòu)件。Bauer[25]等人則預(yù)制MEMS器件外殼，并通過改變其聲通道形狀改善其定向性能。Pavlosky[26]則用3D打印制作聽診器，采用 ABS替代傳統(tǒng)金屬部位。Marzo[27]等人則在碗形模具中打印出支架，精確控制換能器排列方向，得到一種聲懸浮器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水、熔融硅膠、小型昆蟲和電路元件的懸浮。土耳其的研究人員[28]采用3D打印制備了PEI（Polyetherimide）柱陣列，嵌入半導(dǎo)體As2Se3包覆的PES（Polyether sulfone），以鋁帶作為基底兼電極，該器件可以作為壓電納米發(fā)電機(jī)，被運(yùn)動(dòng)和聲波激發(fā)。美國(guó)的Guarato[29]等人則將3D打印用于制作偽聲吶，嘗試模擬多種蝙蝠的外耳輪廓，提高聲吶定位精度。

5 小結(jié)與展望

通過以上綜述可以看出，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)3D打印在聲學(xué)上的應(yīng)用還存在一定的差距。主要表現(xiàn)在復(fù)雜聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及多重打印方式交替成型等方面。由于聲學(xué)超材料可以在厘米級(jí)設(shè)計(jì)，前者對(duì)聲學(xué)性能的影響在文獻(xiàn)報(bào)道中已有體現(xiàn)；對(duì)于換能器所需的有源材料的打印而言，必須考慮上下電極、壓電材料和引出導(dǎo)線等不同材料的打印，目前國(guó)外已有這樣的技術(shù)。

此外，3D打印已經(jīng)全面接觸聲學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，但是程度還不夠深入，主要原因還是由于其本身存在的一些問題，如3D打印設(shè)計(jì)軟件仍然處在通用階段，未根據(jù)專業(yè)進(jìn)行細(xì)分；選材范圍仍然比較狹窄；成型工藝仍然比較單一，精度仍然無法與傳統(tǒng)的加工相比。

3Dprinter.net網(wǎng)站創(chuàng)始人馬克·弗萊明認(rèn)為，3D打印打破了 20世紀(jì)效率低下的制造形式，并用一種全新的生產(chǎn)模式將其替代。作為新興的材料成型技術(shù)，3D打印技術(shù)仍然在蓬勃發(fā)展中[30]，其在未來聲學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展可能出現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)工具的發(fā)展。與專業(yè)的聲學(xué)仿真軟件ANSYS和COMSOL等的對(duì)接仍然存在間隙，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)化，這對(duì)設(shè)計(jì)工作造成了一定的困難。

（2）材料的發(fā)展。新材料將會(huì)越來越多地應(yīng)用于3D打印。金屬、纖維復(fù)合材料、粉末甚至細(xì)胞都已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)3D打印。在復(fù)合材料方面，目前已有公司推出名為Proto-Pasta打印材料，這是一種聚乳酸和短碳纖維復(fù)合的材料；Mark-Forged公司則在開發(fā)一種能夠嵌入連續(xù)碳纖維、玻璃纖維或Kevlar的打印材料。聲的傳播需要材料發(fā)生形變，纖維復(fù)合材料的引入，提高了材料的力學(xué)性能，在不改變性能的前提下，替代現(xiàn)有的聲學(xué)材料成為可能。

（3）實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展。目前的3D打印技術(shù)幾乎都是基于增材法的制造技術(shù)，而傳統(tǒng)的車削則是減材法，隨著粉末冶金等技術(shù)的引入，減材法也可能成為另一條實(shí)現(xiàn)途徑。受制于打印頭出料孔的尺寸，3D打印的精度還無法滿足準(zhǔn)確定位的需要，這對(duì)聲場(chǎng)的分布等指標(biāo)會(huì)造成不利影響，尤其是高頻下，阻礙了超聲成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。借鑒傳統(tǒng)機(jī)加工常用的減材法有望提高成型精度。