UAM 超聲波增材制造：神奇的金屬低溫制造技術(shù)

今天為你帶來(lái)的3D打印技術(shù)是基于金屬超聲波焊接的超聲波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing) ，簡(jiǎn)稱(chēng)UAM。在金屬3D打印領(lǐng)域，粉床熔融成形（PBF）占據(jù)著半壁江山，而UAM技術(shù)所具備的制造優(yōu)勢(shì)依然無(wú)法被其他任何金屬3D打印技術(shù)所取代。


1. UAM技術(shù)發(fā)展歷史

超聲波在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用興起于上世紀(jì)40年代。作為機(jī)械能傳遞的形式之一，超聲波早期主要用于對(duì)熱塑性材料（PVC,ABS等）的成型與焊接。焊接過(guò)程中熱塑材料在超聲能量作用下完全熔融以填充焊縫。上世紀(jì)70年代開(kāi)始超聲波被應(yīng)用于金屬材料的切削、成型與焊接。由于金屬熔點(diǎn)普遍較高，大部分金屬在焊接過(guò)程中都完全處于固態(tài)狀態(tài)，因此金屬超聲波焊接又稱(chēng)為固態(tài)焊接。然而在當(dāng)時(shí)的焊接技術(shù)中，焊接界面僅限于點(diǎn)接觸或線接觸，面接觸的金屬超聲波焊接尚未問(wèn)世。

隨著80年代末3D打印概念的興起，基于面焊接的超聲波3D打印應(yīng)運(yùn)而生。1999年，密西根大學(xué)教授Dawn White將多年對(duì)超聲波焊接的研究成果轉(zhuǎn)化為專(zhuān)利，并成立公司Solidica Inc，致力于將超聲波3D打印技術(shù)商業(yè)化。2001年，Solidica發(fā)布第一代超聲波3D打印機(jī)，當(dāng)時(shí)機(jī)器還只能用于鋁合金增材制造，但很快隨著技術(shù)的更新，特別是大量高校以及科研院所用戶(hù)的實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)，UAM制造材料被擴(kuò)展至銅，鎳，鈦等幾十種合金。2004年，Solidica發(fā)布了其第二代打印機(jī)Formation。

2007年，愛(ài)迪生焊接研究所（EWI，一家致力于開(kāi)發(fā)、測(cè)試和實(shí)施行業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)的非盈利性工程和技術(shù)組織）和Solidica開(kāi)始合作，開(kāi)發(fā)了更高效率的超聲波3D打印材料。而后2011年，EWI與Solidica合資創(chuàng)立了Fabrisonic并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該技術(shù)，將改進(jìn)的超聲波增材制造工藝商業(yè)化，目前也是唯一一家使用該技術(shù)的公司。公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ark Norfolk畢業(yè)于俄亥俄州立大學(xué)，專(zhuān)業(yè)是焊接工程，在創(chuàng)辦公司之前就在EWI中領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)UAM技術(shù)�，F(xiàn)在的Fabrisonic公司就位于俄亥俄州立大學(xué)校園內(nèi)一個(gè)1.5萬(wàn)平方英尺的工廠里，并和大學(xué)展開(kāi)合作。

▲Mark Norfolk

如今，UAM的應(yīng)用呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)發(fā)展，被廣泛實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于埋覆傳感器和強(qiáng)化或記憶合金纖維，制造金屬基復(fù)合材料（metal matrix composite），制造分層功能材料（functionally laminated materials）等等。

近期，美國(guó)Fabrisonic公司推出了以UAM技術(shù)為核心的工業(yè)級(jí)金屬3D打印機(jī)：SonicLayer 4000和7200。這是一種將傳統(tǒng)的減材與增材相結(jié)合的技術(shù)，即采用超聲波焊接層層放置的金屬箔得出大致形狀（3D打印增材過(guò)程），然后用銑床切割（傳統(tǒng)減材過(guò)程），以得到最終零件。去年3月份，他們升級(jí)了UAM 3D打印機(jī)，使其可以在普通平面3D打印的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)維度：在圓柱體表面進(jìn)行3D打印。也就是將金屬層通過(guò)超聲波增材制造工藝焊接在圓柱體形狀的零件表面。這種工藝主要將應(yīng)用在為各種圓柱體零件、軸、管的外表面添加貴金屬層或其他金屬特征。

最近幾年Fabrisonic公司一直在開(kāi)發(fā)UAM 3D打印所需要的材料。2016年12月，F(xiàn)abrisonic公司聲稱(chēng)其使用超聲波3D打印工藝的金屬材料，拉伸強(qiáng)度達(dá)到部分鋼的水平，但重量與同體積的鋁差不多。這對(duì)于對(duì)重量很敏感的航天航空工業(yè)來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。

雖然Fabrisonic才成立于2011年，但已經(jīng)開(kāi)始為NASA、波音等客戶(hù)提供服務(wù)，供應(yīng)鉭、稀土、鈦、鎢等材料的打印服務(wù)。2016年NASA蘭利研究中心與Fabrisonic公司合作，使用UAM 3D打印機(jī)將傳感器嵌入到金屬零部件中，以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)零件的溫度、速度等變量�，F(xiàn)在Fabrisonic現(xiàn)在更多的是通過(guò)打印服務(wù)而不是賣(mài)設(shè)備獲得收入。

▲Fabrisonic公司的超聲波3D打印機(jī) — SonicLayer 4000

2. UAM技術(shù)原理

超聲波增材制造是一種基于傳統(tǒng)加工工藝“超聲波焊接”的技術(shù)。超聲波焊接是指利用超聲波的振動(dòng)能量使兩個(gè)需要焊接的表面摩擦，形成分子間融合的一種焊接方式。UAM則是將這種焊接方式應(yīng)用到3D打印機(jī)上形成新的3D打印工藝。

在連續(xù)的超聲波振動(dòng)壓力下，兩層金屬箔之間會(huì)產(chǎn)生高頻率的摩擦，而在摩擦過(guò)程中金屬表面覆蓋的氧化物和污染物被剝離，露出純金屬。進(jìn)而通過(guò)超聲波的能量輻射（或外部加熱）將較為純凈的金屬材料軟化填充至已焊接完畢的金屬箔片的表面，在這個(gè)過(guò)程中，兩片金屬箔片的分子會(huì)相互滲透融合，進(jìn)一步提高焊接面的強(qiáng)度，而后周而復(fù)始，層層疊加，最終成型。

▲UAM技術(shù)原理示意圖

3. UAM優(yōu)勢(shì)&技術(shù)限制

優(yōu)勢(shì)：

1. 低溫。這也是UAM技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。整個(gè)打印過(guò)程的初始溫度是150°C，焊接過(guò)程中摩擦和塑性變形的產(chǎn)熱可使局部溫度達(dá)到200°C上下，比起其他通常要將金屬加熱至熔點(diǎn)的3D打印技術(shù)，溫度要低上很多。而低溫帶來(lái)的好處有：

• 具有將多種金屬類(lèi)型連接在一起的能力，允許溫度敏感材料的嵌入�？稍谠霾倪^(guò)程中嵌入傳感器，合金纖維，以及其他低熔點(diǎn)材料或電子器件
• 幾乎沒(méi)有熱殘余應(yīng)力與熱變形。其生產(chǎn)的零件內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，也就不需要對(duì)零件進(jìn)行后處理。
• 保留了原材料機(jī)械性能。例如，在加工鋁的過(guò)程中，最高溫度低于120℃，由于材料僅被稍微加熱，所以材料不會(huì)改變晶粒尺寸或產(chǎn)生相應(yīng)的變化。
  
  

▲嵌入傳感器的金屬件

2. 打印尺寸大。用UAM打印的最大工件尺寸可以達(dá)到6英尺x6英尺x3英尺，明顯大于其他金屬打印技術(shù)的工件尺寸。

3. 加工表面光潔度較高。由于UAM增材中加入了數(shù)控減材加工工序，工件表面（特別是內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面）的光潔度可以通過(guò)加入磨削工序加以控制。

4. 打印速度快。一般3D打印速度在5mm/s-300mm/s，而超聲波3D打印機(jī)可達(dá)100mm3/s。SLM或SLS技術(shù)若要實(shí)現(xiàn)高精度，打印速度會(huì)進(jìn)一步降低，而超聲波3D打印技術(shù)不存在這個(gè)問(wèn)題，他的高精度是由后期的數(shù)控加工來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

5. UAM技術(shù)可以通過(guò)調(diào)整超聲波的頻率與幅度，對(duì)摩擦損壞的表面或者裂縫進(jìn)行裂縫超聲波焊修復(fù)，從而達(dá)到工件的重復(fù)使用，進(jìn)而節(jié)省成本。

2016年，NASA蘭利研究中心與Fabrisonic公司合作，將FBG傳感器嵌入到金屬零件中，以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)零件的溫度、速度等變量。FBG是一種可以精準(zhǔn)地測(cè)量位移、速度、加速度、溫度的傳感器，廣泛應(yīng)用于橋梁建筑、航空航天、石油化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。普通的金屬3D打印會(huì)產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致嵌入的FBG傳感器失去敏感性。而利用UAM技術(shù)，溫度始終低于94℃，從而避免了傳感器的損壞。

▲光纖完美嵌入金屬，安全性得以大幅提高，就算在惡劣環(huán)境下也不易損壞。

技術(shù)限制

目前超聲波3D打印技術(shù)基本上由Fabrisonic所壟斷。之所以在制造業(yè)還沒(méi)有產(chǎn)生顛覆性的影響，在于一些技術(shù)層面上的限制：

1. 超聲波換能器的功率限制。由于轉(zhuǎn)換效率的制約，實(shí)際輸出的超聲能量難以大幅提高，超聲波發(fā)生器的頻率一般在20kHz左右。

2. 超聲波所帶來(lái)的機(jī)械共振。由于超聲波發(fā)生器一般在20kHz，而工件很容易在20kHz頻率上發(fā)生共振，共振會(huì)導(dǎo)致工件基板與上層金屬箔片的摩擦顯著減弱，從而引發(fā)焊接質(zhì)量降低。

3. 無(wú)法自動(dòng)放置/取出支撐結(jié)構(gòu)。超聲波粘合的過(guò)程需要適當(dāng)?shù)膲毫�，而在制造大面積的懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，缺乏支撐將直接導(dǎo)致壓力無(wú)法施加和制造困難。因此UAM對(duì)懸空結(jié)構(gòu)尺寸有嚴(yán)格的要求。

4. 數(shù)控加工精度限制制造精度。UAM的制造精度可以達(dá)到100μm級(jí)別，主要受限于數(shù)控加工的精度。這一限制使得尺寸低于100μ的精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)法使用UAM進(jìn)行制造。

國(guó)內(nèi)在超聲波3D打印的研究才剛剛起步，目前哈爾濱工程大學(xué)正在與廣東楚鑫機(jī)電合作研發(fā)該技術(shù)。楚鑫機(jī)電是超聲波金屬焊接設(shè)備專(zhuān)業(yè)制造商，所以有一定的基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備，但也僅僅停留在點(diǎn)焊、滾焊等點(diǎn)、線焊接層面，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到面與面間的大尺度焊接能力。哈爾濱工程大學(xué)在2016年發(fā)表了數(shù)篇論文，但也僅僅屬于實(shí)驗(yàn)室的成果，離商業(yè)化還有一段距離。