综述：通过高强度超声波聚焦实现直接体积式3D打印：从二维逐层沉积技术迈向三维空间结构

《Ultrasonics》：Achieving direct volumetric 3D printing via high-intensity ultrasonic focusing: leaping from 2D layer-wise deposition to 3D spatial structures

本文系统综述超声体积3D打印技术，基于超声波热效应与空化效应实现材料快速固化与三维成型，探讨物理机制、现有系统（单元件与相控阵HIFU）、挑战（参数优化、设备开发、材料适用性）及发展路线图。

　　

程光|王硕|齐振杰|刘立成|程强|李南雅

东南大学机械工程学院，中国南京东南大学路2号，211189

摘要

体积式3D打印的发展相较于分层打印方法（如熔融沉积建模和光固化立体成型）具有显著优势。作为在介质材料中传播的机械波，超声波能够持续提供机械振动，用于材料加工。作为3D打印领域的一项新兴技术，超声波体积式3D打印展现了声热效应和空化驱动化学效应等独特物理特性。这些独特特性可以用来促进固化反应并实现快速原型制作。本文详细阐述了该技术的相关物理原理，包括超声波在材料操控、加热和固化过程中的作用机制。随后，全面介绍了当前的研究进展，涵盖了多种高强度聚焦超声（HIFU）辅助的3D打印系统。此外，还分析了该技术面临的挑战，包括超声参数优化、设备开发以及材料适用性等问题。超声波辅助的体积式3D打印的发展有望实现空间区域的同步沉积，并实现聚合物材料的高效增材制造。

引言

3D打印是一系列先进的制造技术，能够直接从三维CAD模型制造零件。这是通过将3D模型数据离散化为连续的二维截面，并利用计算机自动化逐层沉积材料来实现的，逐步构建从点到线、再到表面的几何形状[1]。自20世纪80年代第一个增材制造工艺问世以来，这种创新方法使得复杂结构的灵活生产成为可能，从而实现了前所未有的几何设计自由度[2]。尽管现有的3D技术（如熔融沉积建模[3]、选择性激光烧结[4]和光固化立体成型[5]）应用广泛，但逐层制造过程本身存在局限性，例如生产速率相对较低（通常需要数小时才能完成数立方厘米的零件[6]），可打印材料种类有限，以及经常需要使用牺牲性支撑结构，尤其是在处理悬垂特征或高度复杂的几何形状时[8]。这些挑战促使人们探索可以规避严格平面制造限制的替代性增材制造范式。

近年来，一类被称为体积式增材制造（VAM）的新技术应运而生，成为实现真正三维、无支撑制造的有希望的途径。VAM的概念不是通过扫描和固化连续表面来实现的，而是通过在响应性介质中空间重叠的能量场来直接诱导固化。当局部能量剂量在选定区域超过非线性阈值时，聚合或交联可以几乎同时且近乎瞬间地在整个目标体积内发生，从而能够在一步或少数几次旋转中形成复杂物体[8],[9],[10],[11]。这种体积式方法有望大幅缩短构建时间，获得无阶梯瑕疵的平滑表面，以及更加各向同性的机械响应，同时还能缓解与支撑结构相关的某些几何限制。

根据物理刺激和场合成方法的不同，VAM平台大致可以分为基于光的、基于超声波的以及其他新兴的非光学方案。基于光的VAM目前是最成熟的分支。早期的体积固化演示依赖于多束光叠加，即在光敏树脂内使多个静态图案化的光投影重叠；处于超阈值剂量区域的树脂会快速发生光聚合，而未曝光的树脂则保持液态[12]。随后，受X射线计算机断层扫描技术启发的计算轴向光刻技术取得了重大突破。该技术计算出一系列2D光图案，将其投影到旋转的树脂体积中，能够在数十秒内制造出具有复杂拓扑结构的厘米级物体[13]。后续的断层扫描和全息实现提高了分辨率和稳定性。进一步扩展体积式技术范围的Xolography引入了双波长光引发剂系统和正交排列的光场，使聚合作用局限于薄光片和图案化曝光的交集处，从而在线性VAM配置中实现微米级特征和光滑表面[14]。关于光驱动体积打印的光学物理、材料和工艺架构的综述可见其他文献[11],[12]。然而，基于光的VAM仍然受到构建材料中光传输的限制。散射、吸收和折射率不均匀性限制了结构化光场的穿透深度和空间精度，尤其是在含有颜料、填料或细胞的大规模零件或悬浮液中。尽管最近在折射率匹配[15]和断层扫描校正算法[16]方面的进展扩展了不透明悬浮液中的光学条件适用范围，但人们对不依赖光的补充体积策略越来越感兴趣。

在这种背景下，基于超声波的体积制造（或称声学VAM）作为一种强大且概念上不同的方法应运而生。超声波通过多种机制与软物质相互作用，包括声辐射力、声流、热效应和声空化。这些效应可以用来移动、集中、变形或激活悬浮在液体介质深处的液滴、颗粒和反应性物种，而无需光学透明性[17]。最近在超声辅助组织工程和声学流控领域的研究表明，使用聚焦超声场和声驻波可以精确操控细胞、水凝胶前体和三维微结构[18]。在此基础上，已经报道了几种概念验证的声学VAM平台。直接声音打印利用局部惯性空化作为微反应器，在超声焦点处引发聚合，从而在空化敏感树脂中逐个体素构建3D物体[19]。深穿透声学体积打印采用自增强的声学墨水和定制的超声曝光方案，在对光基系统来说具有挑战性的深度实现体积固化[20]。全息直接声音打印进一步扩展了声学VAM的应用，通过使用预制的全息图生成复杂的3D压力场，从而在单次曝光步骤中激活多个空间分布的焦点[21]。与这些发展并行，还探索了微波驱动的体积固化，其中计算设计的微波场用于在树脂中聚焦能量并触发局部交联[22]。如图1所示，这些光学、声学和微波方法共同表明，VAM应该被视为跨不同能量领域的通用体积制造框架，而不仅仅局限于任何单一刺激。

虽然基于光的VAM已经从光学、光化学和材料的角度进行了广泛研究[11]，但基于超声波的体积制造原理和机会相对较少得到系统总结。同时，聚焦超声技术在医学治疗和组织工程等领域取得了快速进展，开发出了复杂的声学聚焦策略、相控阵架构和数值建模工具。因此，现在有必要整合这些领域的知识，阐明如何利用超声聚焦实现高通量、无层的体积3D制造。

本综述特别关注高强度聚焦超声（HIFU）在体积3D打印中的应用，将声学体积增材制造置于更广泛的增材制造背景下进行讨论，同时将基于光的方法作为背景介绍而非核心主题。第2节集中讨论单换能器HIFU系统，从基础的超声-材料相互作用机制出发，介绍代表性的硬件配置和实验设置，最后展示使用单个聚焦换能器的直接体积3D打印演示。第3节讨论HIFU过程的仿真和优化：我们概述了传播、衰减和非线性的控制波物理，介绍了用于建模聚焦过程的k空间及相关数值工具，然后讨论如何结合实验来优化关键工艺参数。第4节将重点从单元素转向相控阵HIFU，后者能够实现体积打印的灵活相位和幅度控制。基于这些关键点，第5节提出了使用相控阵HIFU进行体积3D打印的路线图。第6节总结了超声体积3D打印的独特优势和当前瓶颈，并指出了未来发展方向。通过从单换能器物理和材料响应出发，经过仿真指导的工艺优化和相控阵驱动，再到面向应用的路线图制定，本综述旨在为超声体积3D打印系统的合理设计提供连贯的框架。

节选内容

超声-材料相互作用机制

超声辅助的体积3D打印是通过施加的声场与声反应性墨水之间的多尺度耦合实现的。聚焦超声在声反应性墨水中产生高度局部的机械能和热能沉积，从而触发材料转化。与主要受光子吸收和自由基扩散控制的基于光的VAM不同，声学体积打印依赖于超声的物理效应，其空间分布

聚焦过程仿真

生成定制的聚焦超声场的硬件策略，从单元素聚焦换能器到相控阵及其驱动电子设备，都至关重要。然而，仅凭硬件难以揭示声能如何通过均匀、非均匀或衰减的介质传播，以及最终如何沉积在声反应性打印体积中。数值仿真填补了这一空白：数值模型连接了换能器几何形状和驱动

基于时间延迟算法的相控阵换能器驱动方法

由换能器和多通道激励源组成的相控阵可以通过优化每个元素的相位延迟和幅度来电子地引导和重塑焦点，实现快速焦点扫描和多焦点叠加，而无需任何机械运动。对于中心频率为$f_0$${\tau }_{}$的激励，施加在$n$