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UAM 超声波增材制造:神奇的金属低温制造技术

导读: 在金属3D打印领域,粉床熔融成形(PBF)占据着半壁江山,而UAM技术所具备的制造优势依然无法被其他任何金属3D打印技术所取代。

今天为你带来的3D打印技术是基于金属超声波焊接的超声波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing) ,简称UAM。在金属3D打印领域,粉床熔融成形(PBF)占据着半壁江山,而UAM技术所具备的制造优势依然无法被其他任何金属3D打印技术所取代。

1. UAM技术发展历史

超声波在工业制造领域的应用兴起于上世纪40年代。作为机械能传递的形式之一,超声波早期主要用于对热塑性材料(PVC,ABS等)的成型与焊接。焊接过程中热塑材料在超声能量作用下完全熔融以填充焊缝。上世纪70年代开始超声波被应用于金属材料的切削、成型与焊接。由于金属熔点普遍较高,大部分金属在焊接过程中都完全处于固态状态,因此金属超声波焊接又称为固态焊接。然而在当时的焊接技术中,焊接界面仅限于点接触或线接触,面接触的金属超声波焊接尚未问世。

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随着80年代末3D打印概念的兴起,基于面焊接的超声波3D打印应运而生。1999年,密西根大学教授Dawn White将多年对超声波焊接的研究成果转化为专利,并成立公司Solidica Inc,致力于将超声波3D打印技术商业化。2001年,Solidica发布第一代超声波3D打印机,当时机器还只能用于铝合金增材制造,但很快随着技术的更新,特别是大量高校以及科研院所用户的实验与开发,UAM制造材料被扩展至铜,镍,钛等几十种合金。2004年,Solidica发布了其第二代打印机Formation。

2007年,爱迪生焊接研究所(EWI,一家致力于开发、测试和实施行业先进制造技术的非盈利性工程和技术组织)和Solidica开始合作,开发了更高效率的超声波3D打印材料。而后2011年,EWI与Solidica合资创立了Fabrisonic并进一步开发该技术,将改进的超声波增材制造工艺商业化,目前也是唯一一家使用该技术的公司。公司创始人兼首席执行官Mark Norfolk毕业于俄亥俄州立大学,专业是焊接工程,在创办公司之前就在EWI中领导开发UAM技术。现在的Fabrisonic公司就位于俄亥俄州立大学校园内一个1.5万平方英尺的工厂里,并和大学展开合作。

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▲Mark Norfolk

如今,UAM的应用呈现出指数级发展,被广泛实验应用于埋覆传感器和强化或记忆合金纤维,制造金属基复合材料(metal matrix composite),制造分层功能材料(functionally laminated materials)等等。

近期,美国Fabrisonic公司推出了以UAM技术为核心的工业级金属3D打印机:SonicLayer 4000和7200。这是一种将传统的减材与增材相结合的技术,即采用超声波焊接层层放置的金属箔得出大致形状(3D打印增材过程),然后用铣床切割(传统减材过程),以得到最终零件。去年3月份,他们升级了UAM 3D打印机,使其可以在普通平面3D打印的基础上再增加一个维度:在圆柱体表面进行3D打印。也就是将金属层通过超声波增材制造工艺焊接在圆柱体形状的零件表面。这种工艺主要将应用在为各种圆柱体零件、轴、管的外表面添加贵金属层或其他金属特征。

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最近几年Fabrisonic公司一直在开发UAM 3D打印所需要的材料。2016年12月,Fabrisonic公司声称其使用超声波3D打印工艺的金属材料,拉伸强度达到部分钢的水平,但重量与同体积的铝差不多。这对于对重量很敏感的航天航空工业来说是个好消息。

虽然Fabrisonic才成立于2011年,但已经开始为NASA、波音等客户提供服务,供应钽、稀土、钛、钨等材料的打印服务。2016年NASA兰利研究中心与Fabrisonic公司合作,使用UAM 3D打印机将传感器嵌入到金属零部件中,以长期监测零件的温度、速度等变量。现在Fabrisonic现在更多的是通过打印服务而不是卖设备获得收入。

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▲Fabrisonic公司的超声波3D打印机 — SonicLayer 4000

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