超声波增材制造解释

2021年4月27日(星期二)

超声增材制造(UAM),又称超声固化(UC),是一种增材制造(AM)或3D金属打印技术。UAM与层压物体制造(LOM)一样,属于AM过程的“薄板层压”家族。

与其他AM技术相比,UAM使用的温度相对较低——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年通过创建Solidica公司销售商用UAM设备将这项发明商业化。

2007年,Solidica与爱迪生焊接研究所(Edison Welding Institute)合作,重新设计了模具工艺,以提高粘结质量,并扩大可使用的金属数量。这种协作产生了一个新的UAM流程,称为“超高功率超声增材制造”。

该合伙公司于2011年成立了一家新公司——Fabrisonic LLC,以实现新型大功率UAM工艺的商业化,并销售新的UAM设备生产线。

超声波增材制造解释

像大多数AM过程一样,UAM机器基于计算机辅助设计(CAD)模型创建零件。一旦模型制作完成,文件就会被“切片”成二维的横截面,用来一层一层地构建零件。

然而,除了三维建模方面,UAM与其他AM技术有很大的不同。哪里大多数AM技术-如SLS-使用粉末材料生产零件,UAM使用金属箔片。而且,不像其他AM技术,UAM不使用热量。相反,它使用一种叫做sonotrode制造超声波振动,再加上压力,迫使两层金属结合在一起。

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

制造过程是这样的:

  • 一个坚固的金属底板固定在建造平台上。
  • 在所述基板上铺设金属箔,在所述声纳极下绘制整个构建平台,将所述金属箔与所述基板粘结。在这一点上,这个部分没有以任何方式成型。
  • 然后重复这个过程,直到粘结层达到预定的深度。
  • 一台数控机床-类似于传统减法数控加工中使用的那些-通过去除多余的箔片来修整零件的形状。
  • 这个循环不断重复,直到零件达到指定的高度。
  • 一个较小的铣削工具进一步成形的部分,并完成任何内部铣削所需的成品部分。
  • 整个UAM循环不断重复,直到该部分完成。
  • 将该部件从搭建平台上拆下,拆下底板。

如您所见,UAM实际上是一个增减混合制造工艺,将AM技术的分层方法与减法数控铣削相结合。

超声波生产机器

UAM工艺使用了由Fabrisonic有限责任公司开发的一系列超声波3D打印机器。这些机器甚至可以在不同的金属之间产生极强的化学键。同时,由于该工艺不涉及高温,因此不会改变分子结构,避免了其他金属AM工艺固有的脆性特征。

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

当然,尽管这些机器无疑令人印象深刻,但它们并不适合家庭使用。与连小型研发聚焦机它的售价不到20万美元,只用于工业和研究用途。

超声波制造的预处理模型

超声波增材制造解释

在使用UAM生产部件之前,必须先经过预处理阶段。在这一阶段,使用专门的建模软件分析被生产的零件的三维CAD模型。

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零件应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打印和保持在现实世界的使用。

一旦零件加工完毕,“切片”软件就会将3D模型转换成二维的截面。而免费应用程序可以完成这一点数据准备过程中,专业的设计人员最好使用公认的软件包。

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超声增材制造的优势与局限性

UAM提供了大多数其他AM进程无法提供的三个显著优势。

1.它可以生产带有“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,对于其他的AM工艺,如FDM和SLS——当然还有传统的减法制造技术——生产具有复杂的保角三维流道的零件几乎是不可能的。使用“非常高功率的UAM”,现代Fabrisonic机器可以用铝和铜制造零件,这有助于释放热量,同时减轻重量。

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工艺技术中固有的不匹配和脆性结构。各种材料的组合是可能的。

3.它可以嵌入传感器和电路。

最令人难以置信的是,UAM部件甚至可以用内部传感器和电路打印出来——这是AM的独特功能。这在传统制造中是不可能的,因为涉及的应变和温度会损坏这些敏感组件。通过使用UAM,传感器可以嵌入金属结构的任何位置,在医疗保健、过程控制甚至物联网(IoT)领域提供了许多有价值的应用。

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,这一切都是有代价的——毫不夸张地说。正如我们前面提到的,Fabrisonic公司出售的最小的机器价格接近20万美元。该公司没有列出大型机器的价格,但企业可能会为它们支付高得多的价格。

什么时候需要使用UAM?

超声波制造的预处理模型

鉴于它能结合各种不同的金属,UAM在航空航天领域有明显的应用和汽车行业。它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中是非常宝贵的。

此外,UAM生产内置传感器和电路的部件的设施,使其在广泛的行业中生产智能物联网式设备非常理想。许多传统行业现在使用各种各样的传感器和跟踪设备来自主管理运营,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,需要功能强大的软件来生成这些模型。

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