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增材制造

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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。

    二、超声波增材制造装备
    在研发出大功率超声波换能器的基础上,美国首先研发了国际上第一台利用超声波能量固结成形的非高能束成形增材制造装备。该系统单道次固结的金属箔材宽度达到25mm,实现了超声波固结从点对点到面对面的拓展。经过10 余年的发展,目前超声波增材制造装备已发展到第三代产品。

解析:超声波增材制造技术

    表1 为美国一、二、三代超声波增材制造装备技术指标对比。从总体技术水平来看,第一代产品仅能被称作为原型机,许多功能并不完善。第二代装备在第一代的基础上增加了3 轴CNC 加工系统、自动送料系统并扩大了工作空间,第三代装备则又进一步扩大了工作空间和焊头的最大垂直载荷,从而使之具有快速制造大尺寸零部件的能力,第三代超声波增材制造装备如图3 所示。美国第三代超声波增材制造装备的工作空间大小已达到(1800×1800×900)mm3,而且加工的材料也从最初的低强度铝合金扩展到了Cu、316 不锈钢、 Ni 和Ti-6-4 合金等。

    美国研发的具有快速制造能力的超声波增材制造装备和技术代表了目前国际超声波增材成形与制造技术的最高水平,它可以用于金属叠层复合材料、纤维增强金属层状复合材料、叠层智能结构等的快速制造,也可用于深槽、空洞、网格、内部蜂巢状结构体等形状复杂的金属零件的快速成形与制造。由于超声固结材料、技术和设备的特殊用途及其在军工领域的应用背景,美国对中国实施严格的技术封锁,禁止有关公司向中国出口超声波固结设备和技术。

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    三、超声波增材制造技术的应用
    由于超声波增材制造技术独特的低温制造优点,在制造需嵌入功能性元器件的复合材料和结构时,能够保证功能元器件不被损坏和失效,因此尤为适合将功能性元器件嵌入制成功能/ 智能材料和结构。同时,其独特的叠层制造方式,以及增材制造中增材/ 减材相搭配的制造方法,使得超声波增材制造技术成功地应用于同种、异种金属层状复合材料、纤维增强复合材料、梯度功能复合材料与结构、智能材料与结构。此外,超声波增材制造技术还被应用于电子封装结构、航空零部件、金属蜂窝板结构、热交换器等复杂内腔结构零部件的制造。因此,该技术和装备在航空航天、国防、能源、交通等尖端支柱领域有着重要的应用前景。下面简要介绍超声波增材制造技术在复合材料与结构、零部件等制造中的应用。
    1、层状材料和结构材料
    超声波增材制造技术的应用之一即为层状材料的叠层堆积制造,可制备出叠层复合材料。无论是对于同种金属还是异种金属都能取得理想的固结质量。在层状材料的制备中,超声波增材制造技术有着相比其他制备方法更加迅速、节能的优点,并能达到近100% 的界面结合率及良好界面结合强度(图4 为超声波固结Ti/Al 异种金属SEM 扫描图像)。在金属间化合物基层状复合材料的两步法制备过程中,超声波固结方法已成功制造出Ti/Al 叠层毛坯,用于后续的烧结制备金属间化合物基层状复合材料。

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    2、纤维增强复合材料
    现有的材料技术已经越来越多地由之前的纯金属及合金转向复合材料的应用研究。虽然复合材料有着许多纯材料及合金无法比拟的优点,但相关学者仍在不断地寻找复合材料的强化机制。以层状复合材料为例,在基体中埋入SiC 陶瓷纤维或者NiTi 形状记忆合金纤维,能够在很大程度上改善原有复合材料的强度和韧性等力学指标以及取得减震降噪等特殊性能,达到材料的强韧化及功能性等目的。采用超声波增材制造技术制造出的Al2O3 纤维增强铝基复合材料如图5(a)所示,碳芯SiC 纤维强化Ti/Al 复合材料如图5(b)所示。

解析:超声波增材制造技术

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