UAM 超聲波增材制造：神奇的金屬低溫制造技術(shù)

今天為你帶來的3D打印技術(shù)是基于金屬超聲波焊接的超聲波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing) ,，簡稱UAM,。在金屬3D打印領(lǐng)域，粉床熔融成形（PBF）占據(jù)著半壁江山,，而UAM技術(shù)所具備的制造優(yōu)勢依然無法被其他任何金屬3D打印技術(shù)所取代,。


1. UAM技術(shù)發(fā)展歷史

超聲波在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用興起于上世紀(jì)40年代。作為機(jī)械能傳遞的形式之一,，超聲波早期主要用于對(duì)熱塑性材料（PVC,ABS等）的成型與焊接,。焊接過程中熱塑材料在超聲能量作用下完全熔融以填充焊縫。上世紀(jì)70年代開始超聲波被應(yīng)用于金屬材料的切削,、成型與焊接,。由于金屬熔點(diǎn)普遍較高，大部分金屬在焊接過程中都完全處于固態(tài)狀態(tài),，因此金屬超聲波焊接又稱為固態(tài)焊接,。然而在當(dāng)時(shí)的焊接技術(shù)中，焊接界面僅限于點(diǎn)接觸或線接觸,，面接觸的金屬超聲波焊接尚未問世,。

隨著80年代末3D打印概念的興起，基于面焊接的超聲波3D打印應(yīng)運(yùn)而生,。1999年,，密西根大學(xué)教授Dawn White將多年對(duì)超聲波焊接的研究成果轉(zhuǎn)化為專利，并成立公司Solidica Inc,，致力于將超聲波3D打印技術(shù)商業(yè)化,。2001年，Solidica發(fā)布第一代超聲波3D打印機(jī),，當(dāng)時(shí)機(jī)器還只能用于鋁合金增材制造,，但很快隨著技術(shù)的更新，特別是大量高校以及科研院所用戶的實(shí)驗(yàn)與開發(fā),，UAM制造材料被擴(kuò)展至銅,，鎳，鈦等幾十種合金,。2004年,，Solidica發(fā)布了其第二代打印機(jī)Formation。

2007年,，愛迪生焊接研究所（EWI,，一家致力于開發(fā)、測試和實(shí)施行業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)的非盈利性工程和技術(shù)組織）和Solidica開始合作，開發(fā)了更高效率的超聲波3D打印材料,。而后2011年,，EWI與Solidica合資創(chuàng)立了Fabrisonic并進(jìn)一步開發(fā)該技術(shù)，將改進(jìn)的超聲波增材制造工藝商業(yè)化,，目前也是唯一一家使用該技術(shù)的公司,。公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ark Norfolk畢業(yè)于俄亥俄州立大學(xué)，專業(yè)是焊接工程,，在創(chuàng)辦公司之前就在EWI中領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)UAM技術(shù)�,，F(xiàn)在的Fabrisonic公司就位于俄亥俄州立大學(xué)校園內(nèi)一個(gè)1.5萬平方英尺的工廠里，并和大學(xué)展開合作,。

▲Mark Norfolk

如今,，UAM的應(yīng)用呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)發(fā)展，被廣泛實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于埋覆傳感器和強(qiáng)化或記憶合金纖維,，制造金屬基復(fù)合材料（metal matrix composite）,，制造分層功能材料（functionally laminated materials）等等。

近期,，美國Fabrisonic公司推出了以UAM技術(shù)為核心的工業(yè)級(jí)金屬3D打印機(jī)：SonicLayer 4000和7200,。這是一種將傳統(tǒng)的減材與增材相結(jié)合的技術(shù)，即采用超聲波焊接層層放置的金屬箔得出大致形狀（3D打印增材過程）,，然后用銑床切割（傳統(tǒng)減材過程）,，以得到最終零件。去年3月份,，他們升級(jí)了UAM 3D打印機(jī),，使其可以在普通平面3D打印的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)維度：在圓柱體表面進(jìn)行3D打印。也就是將金屬層通過超聲波增材制造工藝焊接在圓柱體形狀的零件表面,。這種工藝主要將應(yīng)用在為各種圓柱體零件,、軸、管的外表面添加貴金屬層或其他金屬特征,。

最近幾年Fabrisonic公司一直在開發(fā)UAM 3D打印所需要的材料,。2016年12月，F(xiàn)abrisonic公司聲稱其使用超聲波3D打印工藝的金屬材料,，拉伸強(qiáng)度達(dá)到部分鋼的水平,，但重量與同體積的鋁差不多。這對(duì)于對(duì)重量很敏感的航天航空工業(yè)來說是個(gè)好消息,。

雖然Fabrisonic才成立于2011年,，但已經(jīng)開始為NASA、波音等客戶提供服務(wù),，供應(yīng)鉭,、稀土,、鈦、鎢等材料的打印服務(wù),。2016年NASA蘭利研究中心與Fabrisonic公司合作,，使用UAM 3D打印機(jī)將傳感器嵌入到金屬零部件中，以長期監(jiān)測零件的溫度,、速度等變量�,，F(xiàn)在Fabrisonic現(xiàn)在更多的是通過打印服務(wù)而不是賣設(shè)備獲得收入。

▲Fabrisonic公司的超聲波3D打印機(jī) — SonicLayer 4000

2. UAM技術(shù)原理

超聲波增材制造是一種基于傳統(tǒng)加工工藝“超聲波焊接”的技術(shù),。超聲波焊接是指利用超聲波的振動(dòng)能量使兩個(gè)需要焊接的表面摩擦,，形成分子間融合的一種焊接方式。UAM則是將這種焊接方式應(yīng)用到3D打印機(jī)上形成新的3D打印工藝,。

在連續(xù)的超聲波振動(dòng)壓力下,，兩層金屬箔之間會(huì)產(chǎn)生高頻率的摩擦，而在摩擦過程中金屬表面覆蓋的氧化物和污染物被剝離,，露出純金屬。進(jìn)而通過超聲波的能量輻射（或外部加熱）將較為純凈的金屬材料軟化填充至已焊接完畢的金屬箔片的表面,，在這個(gè)過程中,，兩片金屬箔片的分子會(huì)相互滲透融合，進(jìn)一步提高焊接面的強(qiáng)度,，而后周而復(fù)始,，層層疊加，最終成型,。

▲UAM技術(shù)原理示意圖

3. UAM優(yōu)勢&技術(shù)限制

優(yōu)勢：

1. 低溫,。這也是UAM技術(shù)的最大優(yōu)勢。整個(gè)打印過程的初始溫度是150°C,，焊接過程中摩擦和塑性變形的產(chǎn)熱可使局部溫度達(dá)到200°C上下,，比起其他通常要將金屬加熱至熔點(diǎn)的3D打印技術(shù)，溫度要低上很多,。而低溫帶來的好處有：

• 具有將多種金屬類型連接在一起的能力,，允許溫度敏感材料的嵌入�,？稍谠霾倪^程中嵌入傳感器,，合金纖維，以及其他低熔點(diǎn)材料或電子器件
• 幾乎沒有熱殘余應(yīng)力與熱變形,。其生產(chǎn)的零件內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,，也就不需要對(duì)零件進(jìn)行后處理。
• 保留了原材料機(jī)械性能,。例如,，在加工鋁的過程中,，最高溫度低于120℃，由于材料僅被稍微加熱,，所以材料不會(huì)改變晶粒尺寸或產(chǎn)生相應(yīng)的變化,。
  
  

▲嵌入傳感器的金屬件

2. 打印尺寸大。用UAM打印的最大工件尺寸可以達(dá)到6英尺x6英尺x3英尺,，明顯大于其他金屬打印技術(shù)的工件尺寸,。

3. 加工表面光潔度較高。由于UAM增材中加入了數(shù)控減材加工工序,，工件表面（特別是內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面）的光潔度可以通過加入磨削工序加以控制,。

4. 打印速度快。一般3D打印速度在5mm/s-300mm/s,，而超聲波3D打印機(jī)可達(dá)100mm3/s,。SLM或SLS技術(shù)若要實(shí)現(xiàn)高精度，打印速度會(huì)進(jìn)一步降低,，而超聲波3D打印技術(shù)不存在這個(gè)問題,，他的高精度是由后期的數(shù)控加工來實(shí)現(xiàn)的。

5. UAM技術(shù)可以通過調(diào)整超聲波的頻率與幅度,，對(duì)摩擦損壞的表面或者裂縫進(jìn)行裂縫超聲波焊修復(fù),，從而達(dá)到工件的重復(fù)使用，進(jìn)而節(jié)省成本,。

2016年,，NASA蘭利研究中心與Fabrisonic公司合作，將FBG傳感器嵌入到金屬零件中,，以長期監(jiān)測零件的溫度,、速度等變量。FBG是一種可以精準(zhǔn)地測量位移,、速度,、加速度、溫度的傳感器,，廣泛應(yīng)用于橋梁建筑,、航空航天、石油化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域,。普通的金屬3D打印會(huì)產(chǎn)生高溫,，導(dǎo)致嵌入的FBG傳感器失去敏感性。而利用UAM技術(shù),，溫度始終低于94℃,，從而避免了傳感器的損壞。

▲光纖完美嵌入金屬,，安全性得以大幅提高,，就算在惡劣環(huán)境下也不易損壞,。

技術(shù)限制

目前超聲波3D打印技術(shù)基本上由Fabrisonic所壟斷。之所以在制造業(yè)還沒有產(chǎn)生顛覆性的影響,，在于一些技術(shù)層面上的限制：

1. 超聲波換能器的功率限制,。由于轉(zhuǎn)換效率的制約，實(shí)際輸出的超聲能量難以大幅提高,，超聲波發(fā)生器的頻率一般在20kHz左右,。

2. 超聲波所帶來的機(jī)械共振。由于超聲波發(fā)生器一般在20kHz,，而工件很容易在20kHz頻率上發(fā)生共振,，共振會(huì)導(dǎo)致工件基板與上層金屬箔片的摩擦顯著減弱，從而引發(fā)焊接質(zhì)量降低,。

3. 無法自動(dòng)放置/取出支撐結(jié)構(gòu),。超聲波粘合的過程需要適當(dāng)?shù)膲毫Γ�而在制造大面積的懸空結(jié)構(gòu)時(shí),，缺乏支撐將直接導(dǎo)致壓力無法施加和制造困難,。因此UAM對(duì)懸空結(jié)構(gòu)尺寸有嚴(yán)格的要求。

4. 數(shù)控加工精度限制制造精度,。UAM的制造精度可以達(dá)到100μm級(jí)別,，主要受限于數(shù)控加工的精度。這一限制使得尺寸低于100μ的精細(xì)結(jié)構(gòu)無法使用UAM進(jìn)行制造,。

國內(nèi)在超聲波3D打印的研究才剛剛起步，目前哈爾濱工程大學(xué)正在與廣東楚鑫機(jī)電合作研發(fā)該技術(shù),。楚鑫機(jī)電是超聲波金屬焊接設(shè)備專業(yè)制造商,，所以有一定的基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備，但也僅僅停留在點(diǎn)焊,、滾焊等點(diǎn),、線焊接層面，遠(yuǎn)沒有達(dá)到面與面間的大尺度焊接能力,。哈爾濱工程大學(xué)在2016年發(fā)表了數(shù)篇論文,，但也僅僅屬于實(shí)驗(yàn)室的成果，離商業(yè)化還有一段距離,。