3D打印技术在声学材料应用研究中的进展

吴友亮 陈瑶

（第七一五研究所，杭州，310023）

3D打印是一种将数字模型构建成为真实物体的快速成型技术，可用于金属、陶瓷、高分子等种类的材料成型。而美国材料学会的定义则更为宽泛，通过使用打印头、喷嘴或其他打印机技术沉积材料制作物体的技术即可称为 3D打印[1]。目前通行的3D打印技术皆为增材制造过程，可应用于教育、制造设计、医学、文物、建筑、食品等行业[2]。1986年，第一个3D打印技术光固化成型法成功申请专利；2011年11月，美国3D System公司在欧洲模具展上用3D打印机当场“打印”了一把锤子，实现了一次惊艳的“亮相”[3,4]。

随着应用的推广，近年来3D打印也逐步进入声学领域，并取得了一些成果。声学应用对材料功能的要求较为多样，涉及到吸声、透声、隔声和能量转换（有源）等多个方面。高分子材料以其价廉、质轻、耐腐蚀、便于性能剪裁、材料外形多样和能通过几种功能材料的复合实现多种功能等优点，越来越多地进入声学领域。目前3D打印的主要材料都为高分子材料，正迎合了这一需求。通过3D打印，设计人员可以在较低的成本下实现二维、三维声学材料的成型，不同高分子材料的性能差异拓宽了最终结构的性能。

1 吸声材料

Gao[5]等人通过3D打印，采用了聚乳酸制成了一种高吸声系数的微螺旋超材料，其吸声原理是基于空气和螺旋通道间的摩擦，该螺旋的直径为 4.5 mm，螺距为2 mm，单元中心距为9.5 mm，在772 Hz下吸声系数达0.7。

董明锐[6]等人则是基于生物仿真原理，采用3D打印技术，制备了基于木材内部构造设计的吸声结构，并研究了穿孔率、主孔直径和侧孔深度对吸声性能的影响，发现该试样在300 Hz和3 500 Hz具有良好的吸声性能。

Zhang[7]等人利用3D打印技术制备了三维方向上连续梯度渐变的材料，控制声波入射方向的孔隙率呈线性分布，当这种声子晶体的孔隙率为 0.6，厚度为30 mm时，在阻抗管中测得2 700 Hz、3 300 Hz、3 700 Hz下的吸声系数分别为0.94、0.96 和0.98。

王鲲鹏[8,9]等人制备了蜂窝板和加筋双层板试样，并测定不同介质耦合下的隔声量，结果表明增加双层板面板、筋板和蜂窝板厚度可使阻尼控制区向低频移动。作者利用驻波管测量不同介质耦合情况，发现耦合方式对隔声量影响很大。

2015年，美国Purdue大学的Su[10]等人报道了同时具有负有效质量密度和负有效杨氏模量的 3D打印超材料梁。该材料利用局域共振抑制低频声波，通过有限元软件 ABAQUS分析，单个元胞的稳态反应精确预测带隙区，当晶格参数为40 mm时，双负区频率为668～703 Hz。在此区域内，相速度为负；一条狭窄的通带则出现在 579.28～579.37 Hz之间。作者按以下三个步骤进行3D打印：（1）预处理，采用CAD软件设计3D模型，导入打印机；（2）逐层堆砌液体光敏聚合物，并同时喷射凝胶状态支撑材料，UV固化；（3）喷水除去支撑材料。

Qureshi[11]等人研究了一种能够通过 3D打印实现一维Bernoulli-Euler梁的负有效质量行为，通过有限元计算得到共振频率出现在100 Hz和277 Hz。

在三维材料方面，瑞士和意大利的科研人员[12]利用局域共振原理设计了一种针对低频宽带吸声材料。该材料将局域共振与结构模态耦合，以 3D打印 PC（Polycarbonate）包裹的钢立方体为阵元，长度为3.65 mm，仿真在刚度最低的结构中测得带隙的核心频率为4 822 Hz，归一化带宽为62%，值得注意的是该文采用的3D打印材料PC在打印方向上展现出各向异性，这是由于取向所致。

对原料的改性源于对3D打印产品功能、性能提升的期望，伊朗的科研人员[13]报道了一种由Cloisite 30B粘土和 SD0150 ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）复合材料制成的耳罩，复合后的噪声降低了19.4 dB，优于纯ABS材料制品。

2 透声材料

在换能器制作方面，目前常见的是利用3D打印制作骨架或匹配层。Yang[14]等人采用3D打印技术的光敏树脂制备了痕量气体的声学检测模块。另一些中国科研人员[15]也将蜂窝结构用于改善换能器与空气的声学匹配情况，该材料中空气体积达30%，作者将之用于单晶硅探伤，通过对Lamb波的 A0模态进行激发与检测，计算可得缺陷的位置和尺寸。

随着技术的发展，3D打印能获得越来越复杂的结构。2017年，Dikshit[16]等人报道了多层3D打印的三明治结构用于裂纹检测，两种交替的原材料分别为橡胶状弹性体和硬质 ABS材料。Laureti[17]等人将3D打印超材料用于低频高分辨声成像换能器的滤波器，该材料由 PMMA（Polymethylmethacrylate）光敏树脂和空气构成，当厚度为14.8 mm、孔边长为1.48 mm、间距为2.96 mm时，能选择性地透过5 kHz和22.9 kHz的声波。

3 有源材料

也有通过将打印材料中混合压电材料粉末的方式来直接获得换能器模块的报道。Chen[18]等人详细描述了其制备医学超声成像有源阵列的工艺步骤：（1）光敏树脂与 BaTiO3混合；（2）打印、固化；（3）600℃惰性气氛脱除树脂；（4）1 300℃烧结BaTiO3；（5）100℃下极化。

奥地利的研究人员[19]则将磁性材料引入，得到一种非接触式绝对线性位移检测磁体，通过调节磁性物质的比例来改变磁场分布，该传感器的分辨率为次毫米级。有源材料的引入使换能器的制作变得廉价高效。

法国的Haque[20]等人也报道了一种基于3D打印和2D喷墨打印混合技术的电容声学共振器制备技术。该技术先采用3D打印制备具有花纹的硬质基底，再采用喷墨打印直接“写上”导电银层，该换能器可等效为电容，在其共振频率具有良好的灵敏度和选择性。

Tiller[21]等人通过数字光处理3D打印工艺制备了一种压电麦克风，集成了压电材料、导电材料和结构分子层。作者将光敏单体、光引发剂、吸光剂、BiTiO3压电材料和导电材料混合后打印，产物的d33为2～3 pC/N。

建筑领域多将3D打印用于模型制作，作为声学分析，Adobe公司的研究人员[22]将声源植入 3D模型，其方法是先将选定的声音文件插入一个微控制芯片，再将芯片绝缘和定位并植入3D模型中，使其成为一个可用计算机控制的声源。

4 其他声学材料

声学斗篷是近来新兴的材料，可用于声隐身。Yang[23]等人利用3D打印实现了空穴和空管交替的层状结构声学斗篷，该材料通过改变声波传播的路径改变声传播方向，作用频率在1 000 Hz附近。

泡沫是一种常见的声学材料，韩国的 Oh[24]利用3D打印技术制备出Kelvin泡沫，并在1 MHz下测定其声速，该泡沫的元胞为多面体，采用 ABS制得，为测定其声速，以硬质石蜡填充，实验表明，泡沫的声速约为ABS体型材料的4%。

更接近实际声学应用的还是用传感器的构件。Bauer[25]等人则预制MEMS器件外壳，并通过改变其声通道形状改善其定向性能。Pavlosky[26]则用3D打印制作听诊器，采用 ABS替代传统金属部位。Marzo[27]等人则在碗形模具中打印出支架，精确控制换能器排列方向，得到一种声悬浮器，实现对水、熔融硅胶、小型昆虫和电路元件的悬浮。土耳其的研究人员[28]采用3D打印制备了PEI（Polyetherimide）柱阵列，嵌入半导体As2Se3包覆的PES（Polyether sulfone），以铝带作为基底兼电极，该器件可以作为压电纳米发电机，被运动和声波激发。美国的Guarato[29]等人则将3D打印用于制作伪声呐，尝试模拟多种蝙蝠的外耳轮廓，提高声呐定位精度。

5 小结与展望

通过以上综述可以看出，目前国内外对3D打印在声学上的应用还存在一定的差距。主要表现在复杂声学结构的设计和实现以及多重打印方式交替成型等方面。由于声学超材料可以在厘米级设计，前者对声学性能的影响在文献报道中已有体现；对于换能器所需的有源材料的打印而言，必须考虑上下电极、压电材料和引出导线等不同材料的打印，目前国外已有这样的技术。

此外，3D打印已经全面接触声学的应用领域，但是程度还不够深入，主要原因还是由于其本身存在的一些问题，如3D打印设计软件仍然处在通用阶段，未根据专业进行细分；选材范围仍然比较狭窄；成型工艺仍然比较单一，精度仍然无法与传统的加工相比。

3Dprinter.net网站创始人马克·弗莱明认为，3D打印打破了 20世纪效率低下的制造形式，并用一种全新的生产模式将其替代。作为新兴的材料成型技术，3D打印技术仍然在蓬勃发展中[30]，其在未来声学领域的发展可能出现在以下三个方面：

（1）设计工具的发展。与专业的声学仿真软件ANSYS和COMSOL等的对接仍然存在间隙，需要进行转换和简化，这对设计工作造成了一定的困难。

（2）材料的发展。新材料将会越来越多地应用于3D打印。金属、纤维复合材料、粉末甚至细胞都已在实验室实现3D打印。在复合材料方面，目前已有公司推出名为Proto-Pasta打印材料，这是一种聚乳酸和短碳纤维复合的材料；Mark-Forged公司则在开发一种能够嵌入连续碳纤维、玻璃纤维或Kevlar的打印材料。声的传播需要材料发生形变，纤维复合材料的引入，提高了材料的力学性能，在不改变性能的前提下，替代现有的声学材料成为可能。

（3）实现方法的发展。目前的3D打印技术几乎都是基于增材法的制造技术，而传统的车削则是减材法，随着粉末冶金等技术的引入，减材法也可能成为另一条实现途径。受制于打印头出料孔的尺寸，3D打印的精度还无法满足准确定位的需要，这对声场的分布等指标会造成不利影响，尤其是高频下，阻碍了超声成像等领域的应用。借鉴传统机加工常用的减材法有望提高成型精度。