未来制造业重要技术,三D打印和声波打印

3D印刷的变革技术正在撼动许多行业，但与即将到来的建筑三D打印相比，这还算不上什么。Swinburne可持续基础设施中心主任、Swinburne混凝土结构教授杰伊·桑贾扬教授领导七所澳大利亚大学进行了价值130万美元的合作，以开发混凝土的三维打印技术。桑贾扬教授说：“建筑仍然主要是手工施工，这使得它非常昂贵，并且使得全球对住房和基础设施的需求很难满足。”“建筑是开放的，自动化可以破坏，而3D印刷是一种可以帮助的技术。”

虽然3D打印机在商业上可以用于制造，但飞机部件的打印和打印的房子有很大的区别。桑贾扬教授说：“我们必须在天气中打印出来，而不是工厂条件。”“我们要处理的不是几公斤材料，而是吨。虽然我们不需要和航空工业一样的精确性，但我们必须用它来换取低成本。为了应对这些挑战，桑贾扬教授探讨了两种方法。临时选择是“粉末床”3D打印，打印机在其中铺上一层薄薄的混凝土粉末，然后打印一种水基“墨水”，该“墨水”设置了应用墨水的具体位置。

一层地重复这个过程。桑贾扬说，目前的挑战是自动化收集和再利用每一次印刷所产生的大量未反应粉末。粉末床是一个很好的选择，形成预制部分的建筑物在一个工厂。

“我们可以制造非常复杂的结构。但这不是一个在风雨中发生的过程。“桑贾扬教授说，现场混凝土印刷需要一台能挤压液体混凝土的机器.“在这里，主要问题是混凝土本身，”他说。

混凝土必须保持液体在打印机内，但一旦它被打印出来，以保持它的形状，所以下一层可以应用。传统的混凝土并不是这样的。目前，最常见的方法是大量使用混凝土用化学阻燃剂保持液体，然后在挤压时大量使用促进剂。但这种方法损害了成品的力学性能。桑贾扬教授说：“我们正在研发具有这些特性的新型水泥。”虽然他还不能透露细节，但一个选择是使用一种土聚合物水泥，这是一种由工业废物“飞灰”制成的材料。“建筑师已经用电脑设计了一切，”桑贾扬说。“与其把他们的计划打印在纸上，不如用3D打印，我们只要按下按钮，机器就能制造出来-这是我们的终极梦想。”哈佛大学的研究人员开发了一种新的印刷方法，利用声波从组成和粘度前所未有的液体中产生液滴。这项技术最终可以制造许多新的生物制药、化妆品和食品，并扩大光学和导电材料的可能性。“通过利用声力，我们创造了一种新技术，能够以点播的方式打印大量材料，”哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(Harvard John A.Paulson School of Engineering and Application Sciences)生物启发工程学教授詹妮弗·刘易斯(Jennifer Lewis)说。她也是这篇论文的资深作者。刘易斯还是怀斯生物启发工程研究所的核心学院成员，也是哈佛大学余建明文理系教授。这项研究发表在科学进步.液滴在许多应用中都是印刷油墨在纸上创造微胶囊用于药物输送。喷墨打印是最常用的印刷技术。液滴但它只适用于比水粘稠10倍的液体。然而，许多研究人员感兴趣的流体的粘性要大得多。例如，生物聚合物和富含细胞的溶液对生物制药和生物漂洗至关重要，它们的粘性至少是水的100倍。一些糖基生物聚合物可能和蜂蜜一样粘稠，比水粘稠25，000倍。

这些流体的粘度也随着温度和成分的变化而急剧变化，这使得优化印刷参数来控制液滴尺寸变得更加困难。“我们的目标是通过开发一种独立于流体材料特性的印刷系统，将粘度从图片中剔除，”这篇论文的第一作者、布兰科·韦斯(Branco Weiss)海洋材料科学与机械工程研究员兼研究员丹尼尔·福雷斯蒂(Daniele ForesTI)和怀斯研究所(Wyss InsTItute)说。

为了做到这一点，研究人员转向声波。由于重力的作用，任何液体都可以滴下-从水龙头滴出的水到长达一个世纪的沥青滴实验。单靠重力，液滴尺寸仍然很大，滴速很难控制。沥青的粘度大约是水的2000亿倍，每十年就会下降一次。为了加强滴落形成，研究小组依靠产生声波。这些压力波通常被用来对抗重力，例如声波悬浮。现在，研究人员正在利用它们来辅助重力，将这一新技术配音到印刷术中。

研究人员建造了一种亚波长声学谐振器，它能产生高度受限的声场，产生的拉力超过打印机喷嘴顶端的正常引力(1G)的100倍-这是太阳表面引力的四倍多。

当喷嘴达到特定尺寸时，这种可控力将每个液滴从喷嘴中拉出，并将其喷射到打印目标。声波振幅越大，液滴尺寸越小，与流体粘度无关。福雷斯蒂说：“这个想法是产生一个声场，从喷嘴中分离出微小的水滴，就像从树上摘苹果一样。”研究人员对从蜂蜜到干细胞油墨、生物聚合物、光学树脂甚至液态金属等多种材料进行了测试。重要的是，声波不要穿越液滴，即使是敏感的生物物质，如活细胞或蛋白质，也可以安全地使用这种方法。刘易斯说：“我们的技术应该立即对制药业产生影响。”“不过，我们相信这将成为多个行业的重要平台。”NSF MRSEC项目主任DanFinotello说：“这是合作研究的广度和广度的一个精巧而有影响力的例子。”“作者开发了一种新的使用声学力的印刷平台，与其他方法不同的是，它与材料无关，因此提供了巨大的印刷多功能性。”应用空间是无限的。