超声波添加剂制造说明

超声增材制造(UAM),又称超声固结(UC),是一种增材制造(AM)或3D金属打印技术。UAM属于AM工艺的“片层压”家族,以及层压对象制造(LOM)。

与其他AM技术相比,UAM使用相对较低的温度——远低于所用材料的熔化温度——用于生产金属部件,而不是塑料或尼龙。

UAM简史

UAM工艺是由Dawn White开发的,他在1999年通过成立Solidica Inc.将这项发明商业化,以销售商用UAM设备。

2007年,Solidica与爱迪生焊接研究所合作,重新设计了模具工艺,以提高粘结质量并增加可使用金属的数量。这种协作产生了一个新的UAM流程,称为“超高功率超声添加剂制造。”

2011年,该合作伙伴成立了一家新公司——Fabrisonic LLC,以商业化新的高性能UAM工艺,并销售一条新的UAM设备生产线。

超声波添加剂制造说明

像大多数AM过程一样,UAM机器基于计算机辅助设计(CAD)模型创建部件。一旦建立了模型,文件就会被“切”成二维截面,用于一层一层地构建部件。

然而,除了3D建模方面,UAM与其他AM技术显著不同。在哪里大多数AM技术-如SLS-从粉末材料生产零件,UAM使用金属箔片。此外,不像其他AM技术,UAM不使用热量。相反,它使用一种叫做sonotrode产生超声波振动,结合压力,迫使两层金属粘合在一起。

(来源:超声增材制造对集成印刷电子导体的影响,电子材料快报14,413-425,2018)

制造过程是这样的:

  • 一个坚固的金属底座固定在建造平台上。
  • 在基板的顶部铺设金属箔,整个构建平台被拉到声纳极下,将箔与基板粘接。在这一点上,部分是不成形的任何方式。
  • 然后重复这个过程,直到粘结层达到预定的深度。
  • 数控机床——类似于那些在传统的减色法数控加工中使用的机床——通过去除多余的箔来修整零件。
  • 这个循环不断重复,直到零件达到指定的高度。
  • 一个较小的铣刀进一步形状的部分,并完成任何内部铣削要求完成的部分。
  • 整个UAM循环重复,直到部件完成。
  • 将零件从搭建平台上拆下,并将底板拆下。

如你所见,UAM实际上是一个混合添加剂和减法制造工艺,它结合分层方法的AM技术与减法数控铣削。

超声波生产机器

UAM工艺使用了由Fabrisonic, LLC开发的超声波3D打印机器。这些机器甚至可以在不同的金属之间产生非常强的粘结。而且,由于该过程不涉及高热,键合过程不会引起后期分子结构的变化,避免了其他一些金属AM过程固有的脆性特征。

Fabrisonic机器的另一个好处是,它们可以粘接其他技术无法使用的金属,包括铜和铝。

当然,虽然这些机器无疑令人印象深刻,但它们并不适合家庭使用。与连小型研发型机器在刚刚低于20万美元,Fabrisonic UAM机器只用于工业和研究目的。

超声波制造的预处理模型

超声波添加剂制造说明

在使用UAM生产部件之前,您必须先完成预处理阶段。在这一阶段,使用专门的建模软件对被生产零件的三维CAD模型进行分析。

UAM的数据准备过程与SLS的数据准备过程类似。虽然UAM在薄壁和锐边方面没有SLS那样的限制,但它仍然需要一定程度的预处理:

  • 包含复杂几何形状的部件应该使用几何简化工具进行简化。
  • 设计师应该使用仿真建模工具和技术,以确保零件适合UAM打印,并保持现实世界的使用。

一旦零件被处理好,“切片”软件就会被用来将三维模型转换成二维层,也就是所谓的横截面。而免费的应用程序可以完成这一点数据准备过程中,专业设计师最好使用公认的软件包。

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超声添加剂制造的优点和局限性

UAM提供了三个其他大多数AM进程无法提供的显著优势。

1.它可以生产具有“不可能”内部通道的金属部件。

许多部件需要内部通道,通常用于冷却目的。然而,与其他AM过程,如FDM和SLS -当然与传统的减法制造技术-生产零件复杂共形三维流动路径几乎是不可能的。通过使用“非常高功率的UAM”,现代Fabrisonic机器可以用铝和铜制造零部件,这有助于释放热量,同时也减轻重量。

2.它能结合多种金属。

因为UAM不涉及高温,它不会改变所用金属的微观结构。因此,UAM可以结合不同的金属,而不会产生其他金属AM工艺技术固有的错配和脆性结构。多种材料组合是可能的。

3.它可以嵌入传感器和电路。

最令人难以置信的是,UAM部件甚至可以打印内部传感器和电路-一个独特的能力在AM。这在传统制造中是不可能的,因为相关的应变和温度会损坏这些敏感部件。有了UAM,传感器可以嵌入到金属结构的任何地方,使其在医疗保健、过程控制甚至物联网(IoT)中有许多有价值的应用。

最后,由于UAM比SLS等技术需要更少的空化,它也浪费更少的材料。

然而,所有这些都是有代价的——毫不夸张地说。正如我们之前提到的,Fabrisonic公司销售的最小的机器售价近20万美元。该公司没有公布其大型机器的价格,但企业可以预期为它们支付更高的价格。

什么时候需要使用UAM?

超声波制造的预处理模型

鉴于它能粘结各种不同的金属,UAM在航空航天领域有着明确的应用和汽车行业。其生产具有复杂冷却通道的部件的能力在这些行业和其他行业,如工业制造、医疗设备和高科技设备非常有价值。

此外,UAM的工厂生产带有内置传感器和电路的部件,这使得它非常适合在各行各业生产智能物联网风格的设备。许多传统行业现在都使用各种传感器和跟踪设备来自主管理操作,而UAM通常用于为这些设备生产零部件。

当然,与UAM一样有价值的是,它在很大程度上依赖于制造商生产精确、优化的3D模型的能力。而且,考虑到许多UAM部件的复杂性,需要强大的软件来生产这些模型。

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