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解析:超声波增材制造技术

导读: 近年国外发展起一套新的超声波增材制造技术,它采用大功率超声能量,以金属箔材作为原材料,利用金属层与层之间振动摩擦产生的热量,促进界面间金属原子相互扩散并形成界面固态物理冶金结合,从而实现金属带材逐层叠加的增材制造成形。

     近年国外发展起一套新的超声波增材制造技术,它采用大功率超声能量,以金属箔材作为原材料,利用金属层与层之间振动摩擦产生的热量,促进界面间金属原子相互扩散并形成界面固态物理冶金结合,从而实现金属带材逐层叠加的增材制造成形,同时将固结增材过程与数控铣削等减材工艺相结合,实现了超声波成形与制造一体化的超声波增材制造技术。与高能束金属快速成形技术相比,超声波增材制造技术具有温度低、无变形、速度快、绿色环保等优点,适合复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造,在航空航天、器装备、能源、交通等尖端领域有着重要的应用前景。

解析:超声波增材制造技术

    一、超声波增材制造技术的发展
    1、超声波金属焊接的发展

    超声波金属焊接技术是19 世纪30 年代偶然发现的。当时在做电流点焊电极加超声波振动试验时发现不通电流也能进行焊接,因而发展了超声金属冷焊技术。虽然超声波金属焊接技术的发现比超声波塑料焊接要早,但目前应用较广的还是超声波塑料焊接,这是因为超声波塑料焊接对于焊头质量和换能器功率的要求要比金属焊接低得多。所以,由于受超声波换能器功率的限制,多年来超声波焊接技术在金属焊接领域没有得到很好的应用和发展,主要局限于金属点焊、滚焊、线束和封管4个方面。
    超声波增材制造装备的关键是大功率超声波换能器,美国采用推-挽(push-pull)技术,通过将两个换能器串联,成功制造出了9kW 大功率超声波换能器,推- 挽(push-pull)式超声波换能器原理如图1 所示。大功率超声波换能器的出现使得超声波焊接技术能够对一定厚度金属箔材实现大面积快速固结成形,为超声波增材制造技术的发展奠定了技术基础。

解析:超声波增材制造技术

    2、超声波固结成形机理
    超声波固结成形技术是采用大功率超声波能量,以金属箔材作为原料,利用金属层与层之间振动摩擦而产生的热量,促进界面间金属原子的相互扩散并形成固态冶金结合,从而实现逐层累加的增材制造成形。图2为超声波固结原理示意图,当上层的金属箔材在超声波压头的驱动下相对于下层箔材高频振动时,由于摩擦生热导致箔材之间凸起部分温度升高,在静压力的作用下发生塑性变形,同时处于超声能场的金属原子将发生扩散形成界面结合,从而实现金属逐层增材固结成形制造。将增材快速成形与数控铣削等工艺相结合,形成超声波固结成形与制造一体化的3D 打印技术。

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    3、超声波增材制造技术的优点
    与高能束金属零件快速成形技术相比,超声波固结成形与制造技术具有以下优点:
    (1)原材料是采用一定厚度的普通商用金属带材,如铝带、铜带、钛带、钢带等,而不是特殊的增材制造用金属粉末,所以原材料来源广泛,价格低廉。
    (2)超声波固结过程是固态连接成形,温度低,一般是金属熔点的25%~50%,因此材料内部的残余内应力低,结构稳定性好,成形后无须进行去应力退火。
    (3)节省能源,所消耗的能量只占传统成形工艺的5% 左右;不产生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染,因而是一种节能环保的快速成形与制造方法。
    (4)该技术与数控系统相结合,易实现三维复杂形状零件的叠层制造和数控加工一体化,可制作深槽、空洞、网格、内部蜂巢状结构,以及形状复杂的传统加工技术无法制造的金属零件,还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度功能。
    (5)超声波固结不仅可以获得近100% 的物理冶金界面结合率,且在界面局部区域可发生晶粒再结晶,局部生长纳米簇,从而使材料结构性能
提高。此外,固结过程箔材表面氧化膜可以被超声波击碎,无需事先对材料进行表面预处理。
    (6)该技术不仅可用于金属基复合材料和结构、金属泡沫和金属蜂窝夹芯结构面板的快速铺设成形和制造,且由于该技术的制造过程是低温固态物理冶金反应,因而可把功能元器件植入其中,制备出智能结构和零部件。
    (7)除了用于大型板状复杂结构零部件以外,超声波固结成形装备还可用于制造叠层封装材料、叠层复合电极、薄材叠层,并且采用这些材料以及后处理工艺制作出精密电子元器件封装结构和复杂的叠层薄壁结构件。

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