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听过增材制造 但你知道什么是超声波增材制造吗?

2018-06-12 00:15 卡夫卡 A+

   【PConline 杂谈】相信绝大多数人都听说过增材制造,没错,它就是我们口中经常说起的3D打印。那么,你知道什么是超声波增材制造(UAM)吗?顾名思义,就是利用大功率超声能量,利用金属层之间振动摩擦产生的热量,使材料局部发生塑性变形,是实现同种或异种金属材料间物理连接的特殊方法。其实,该技术是在金属超声波固结成型技术的基础上,发展而来。那么,UAM有哪些技术优势与限制呢?


听过增材制造 但你知道什么是超声波增材制造吗?

   实际上,上世纪40年代超声波就已被应用到工业制造领域当中,只不过早期主要用来对热塑性材料成型与焊接。直到上世纪70年代,超声波才开始被应用于金属材料的切削、成型和焊接。后来到了80年代末,3D打印技术兴起,基于面焊接的超声波3D打印也应运而生。

超声波增材制造的技术原理

   其实,超声波增材制造是基于“超声波焊接”这种传统制造工艺的技术,既利用超声波振动所产生的能量让两个需要焊接的表面摩擦,最终形成分子间融合的一种焊接方式;而UAM则是将这种焊接方式应用到3D打印机上形成一种新的3D打印工艺。

   在连续的超声波振动压力下,两层金属箔之间会产生高频率的摩擦,在这个摩擦过程中,金属表面覆盖的氧化物和污染物被剥离,露出下面的纯金属,之后利用超声波的能量辐射(或外部加热)将较为纯净的金属材料软化填充到已完成焊接的金属箔片表面。在这个过程中,两片金属箔片的分子会相互渗透融合,进一步提高焊接面的强度,之后周而复始,层层叠加至最终成型。

UAM的技术优势

   那么,UAM有哪些技术优势呢?首先,低温是其最大技术优势,整个打印过程的初始温度是150°C,焊接过程中摩擦和塑性变形的产热可使局部温度达到200°C左右,而其他3D打印技术则通常要将金属加热至熔点。因此,UAM技术可将多种金属材料连接在一起,还可以将传感器、合金纤维等那些对温度敏感的低熔点材料或电子器件嵌入其中

   当然,UAM的技术优势不止这一个。除了低温,该技术还拥有优于其他金属打印技术的工件尺寸,用UAM打印工件的尺寸最大可达6x6x3英尺,且加工出来的工件表面光洁度较高,这还要得益于UAM增材中加入了数控减材加工工序,工件表面的光洁度可通过加入磨削工序进行处理。

   打印尺寸大,却并不影响UAM的打印速度。实际上,一般的3D打印速度在5mm/s-300mm/s,而超声波3D打印机的速度则能达到100mm³/s,且不会影响其打印精度,这是因为超声波3D打印机的高精度是由后期的数控加工实现的。此外,通过调整超声波的频率与幅度,还可对摩擦损坏的表面或裂缝进行超声波焊修复,从而达到工件的重复使用,节约成本。

UAM的技术限制

   我们说,事物都是具有两面性的,一项技术自然也会集优缺点于一身。那么,超声波增材制造技术会因为哪些技术层面的瓶颈或限制,使其在制造业没有得到快速普及呢?

   首先是来自换能器的功率问题。碍于转换效率的限制,其实际输出的超声能量难以大幅提高。此外,超声波所带来的机械共振也是一个不得不面对的问题,由于超声波发生器的频率一般在20kHz,因此工件很容易在20kHz频率上发生共振,而共振将导致工件基板与上层金属箔片的摩擦大幅减弱,使焊接质量降低。 

   此外,还有一个问题就是UAM无法自动放置或取出支撑结构。由于超声波粘合的过程是需要施以一定压力的,在制造较大面积的悬空结构时,缺少支撑将直接导致压力无法施加而加大制造难度。因此,UAM对悬空结构尺寸有严格的限制。另外,数控加工精度也限制了制造精度,UAM的制造精度可达100μm级别,主要受限于数控加工的精度,这使得尺寸低于100μ的精细结构无法使用UAM进行制造

“扬长避短”谈应用

   鉴于UAM拥有低温制造的优点,能够保证被嵌入的功能元器件不会被损坏或失效,因此很适合制造那些功能或智能材料和结构;另外,因UAM具有独特的叠层制造方式,加之其制造过程中增材/减材相搭配的制造方法,可以很好的用于同种或异种金属层状复合材料、纤维增强复合材料等。不仅如此,超声波增材制造还能被用于电子封装结构,航天航空零部件,金属蜂窝板结构等拥有复杂内腔结构的零部件制造中。

   例如,利用超声波增材制造技术在金属基体中埋入光导纤维、多功能元器件等,从而制造出金属基功能/ 智能复合材料。这样可以很大程度上提高元器件的精密度,简化结构从而提高空间利用率;又或是制造金属蜂窝夹芯板,以迎合航空航天领域对于新一代超轻高强材料的迫切需求;还可利用超声波增材制造技术制造那些内腔复杂、精确的叠层结构等等。

   现在,增材制造技术已从‘学院派’逐渐转向‘实用派’,我们可以看到该技术在形状高度复杂,功能高度复合以及低成本制造方面,发挥着巨大作用。而作为=增材制造技术的一个分支,超声波增材制造技术凭其诸多技术优点,在未来多个领域的发展前景无疑是非常可观的,并将成为现代先进制造技术不可或缺的技术支持。

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