3d打印技术在声学材料应用研究中的进展

用于声学领域，并取得了一些成果。文章将3D打印在声学材料领域中的应用作一些综述，并对其未来发展作 了展望，未来3D打印可能在设计工具、材料和实现方法等方向上有所发展。关键词3D打印；声学应用；增材制造；阻尼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⑴。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、食品等行业国。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” ［X41o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Gao⑸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0.7o董明锐冏等人则是基于生物仿真原理，釆用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。52Zhang®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。王鲍鹏【&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SN°】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 Hzo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［⑴等人研究了一种能够通过3D打印实 现一维Bemoulli-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［卬

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，伊朗的科研人员问报道了一种由吴友亮 等：3D打印技术在声学材料应用研究中的进展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 19.4dB,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网等人采用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A。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,Dikshi严］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。Laureti1171

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 ( Polymethy­

lmethacrylate) 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BaTiCh混合；(2)打印、固 化；(3) 600°C惰性气氛脫除树脂；(4) 1 300°C烧 结 BaTiCh；(5) 100°C下极化。奥地利的研究人员［切则将磁性材料引入，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Haque㈤］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。Tiller1211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、BiTiOs压电材料和导电材料混合后打印，产物的d33 为 2〜3 pC/No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SI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。

Yang1231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。

BauerP］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。Pavlosky1261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

研究人员卩“采用3D打印制备了 PEKPolyetherimide) 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［291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

53吴友亮等：3D打印技术在声学材料应用研究中的进展阶段，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㈤],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

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