3D打印又出新技術(shù)：什么是超聲波增材制造？

當(dāng)大多數(shù)人想到3D打印時(shí)，他們想到的是典型的增材過程，在這一過程中許多層材料被融合成期望的最終形狀。然而，增材制造并不總是完美制成最終產(chǎn)品。事實(shí)上，為了創(chuàng)建最終零件，大多數(shù)金屬3D打印工藝還需要額外的研磨或其他處理措施。
由于這個(gè)原因，有一些公司，如Mazak、 DMG MORI和Cincinnati Inc.，將增材和減材結(jié)合來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。最近有一家公司開發(fā)了一種新型混合制造技術(shù)，被稱為超聲波增材制造（UAM）。通過利用聲波而不是熱能，Fabrisonic的UAM平臺(tái)可被用于一些其他系統(tǒng)做不到的應(yīng)用。
在接受媒體采訪時(shí)，Fabrisonic公司CEO Mark Norfolk解釋說，UAM機(jī)器實(shí)際上是一個(gè)內(nèi)置了超聲波焊接技術(shù)的數(shù)控銑床。薄薄的金屬箔被一層一層放置，繼而用超聲波焊接在一起。然后用銑床切割密集堆放的金屬片，以創(chuàng)建出最終零件。

不像其他金屬3D打印工藝，在UAM中金屬不是被高溫熔化。這就是UAM工藝的重要優(yōu)勢(shì)?！皽囟炔粫?huì)超過200華氏度，”Norfolk闡述道。“這使我們能夠嵌入傳感器，因?yàn)槲覀兊牧慵粺帷Ｎ覀冎皇峭Ｖ箻?gòu)造，鉆出一個(gè)小通道，在里面放入一個(gè)傳感器，然后繼續(xù)在上面構(gòu)造。再者，它是在低溫下工作，不會(huì)損壞傳感器?！?/font>
Fabrisonic通過制造服務(wù)而不是賣設(shè)備獲得收入的80%，它發(fā)現(xiàn)一些客戶要求將熱電偶嵌入金屬零件。將熱電偶嵌入金屬零件或者固定在零件的外部，這兩種情況都需要熱傳感器在熱環(huán)境或化學(xué)反應(yīng)環(huán)境下提供溫度讀數(shù)，并保護(hù)熱電偶不受潛在的危險(xiǎn)環(huán)境影響。
對(duì)于一個(gè)客戶來說，這個(gè)創(chuàng)建熱交換器的過程意味著混合化學(xué)物質(zhì)，根據(jù)Norfolk的說法這是一個(gè)熱相關(guān)過程。他解釋道：“你把化學(xué)物質(zhì)A、B和C放到一起進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，然后生成了化學(xué)物質(zhì)D。我們把熱電偶沿著液體的混合通道相鄰放置八九個(gè)位置，使客戶精確知道它們混合的溫度。

有了適當(dāng)?shù)臒岱答仯蛻魰?huì)更好地了解如何控制這些化學(xué)品的流量。在獲得這些傳感器之前，他們需要使用非常緩慢的流速，以防止化學(xué)品混合過程出現(xiàn)問題。
這個(gè)過程可以應(yīng)用于各種各樣的電子產(chǎn)品，包括加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)，甚至光纖電纜。通過NASA的小企業(yè)創(chuàng)新研究獎(jiǎng)，Fabrisonic能夠與一些合作伙伴一起探討如何將光纖嵌入金屬零件，以監(jiān)控影響組件的整體應(yīng)力。
Norfolk描述了這種被稱為光纖布拉格光柵（FBG）的光纖如何工作，他說，“把光纖嵌入金屬，線里面是一些會(huì)反射光線的小劃痕。你可以測(cè)量這些劃痕之間的距離，并且，作為一個(gè)能拉伸的零件，你可以看到這些劃痕變得更大。這是衡量一個(gè)固體零件應(yīng)變的方法?！?/font>

Fabrisonic的CEO進(jìn)一步解釋說，一個(gè)100微米的纖維上可以有多達(dá)100個(gè)應(yīng)變計(jì)，這使得將測(cè)量?jī)x器遍布零件成為可能。在飛機(jī)機(jī)翼上，一個(gè)包含光纜的零件可以被放置在前端，為機(jī)翼整體情況提供重要的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
該技術(shù)在石油和天然氣工業(yè)中也有應(yīng)用，在那里，FBG可以檢測(cè)到井下或幾英里輸油管道的零件應(yīng)力。Norfolk指出它對(duì)于檢測(cè)地震造成的管道磨損特別有用。
公司目前已經(jīng)完成了項(xiàng)目的一個(gè)階段，正在著手進(jìn)行第二階段，這一階段將會(huì)使產(chǎn)品商業(yè)化。在這個(gè)2年階段內(nèi)，Fabrisonic將會(huì)進(jìn)行技術(shù)授權(quán)和優(yōu)化，Norfolk預(yù)計(jì)FBG將被添加到飛行樣機(jī)上。
除了正在進(jìn)行的NASA項(xiàng)目外，Fabrisonic正在探索將UAM用于制造專業(yè)輻射屏蔽。而輻射屏蔽會(huì)涉及到不同金屬的組合，包括鉭、稀土、鈦、鎢，Fabrisonic看到了構(gòu)建多功能零件的優(yōu)勢(shì)。
“我們可以用一種非常特定的公式來打印以進(jìn)行輻射屏蔽，“Norfolk說。“聽起來很有趣，但是你可以把這些金屬一層層堆疊。我們正在做的是將這些整合在一個(gè)非常獨(dú)特的方法中。我們會(huì)給衛(wèi)星做一個(gè)熱交換器，所以我們要散出熱量。這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部有一個(gè)異構(gòu)體，所以它是結(jié)構(gòu)化的?，F(xiàn)在零件有保溫和結(jié)構(gòu)特性。之后我們會(huì)用防護(hù)材料覆蓋它，所以零件也可以輻射屏蔽。我們正在做的是打印多功能的多元零件?！?/font>
結(jié)合不同材料的能力使得Fabrisonic可以制造其他具有獨(dú)特性能的零件，引導(dǎo)客戶訂購(gòu)自定義熱膨脹或彈性的產(chǎn)品。為了證實(shí)該潛力，該公司3D打印了一種金屬基復(fù)合材料，讓鋁與連續(xù)陶瓷纖維混合。
“正常的復(fù)合材料可能由碳纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成，”Norfolk指出?！敖饘倩鶑?fù)合材料用鋁取代環(huán)氧樹脂，所以屈服強(qiáng)度更大。該材料沒有使用碳，每平方英寸該材料有200千磅陶瓷纖維。”因此，零件重量輕，但強(qiáng)度極大。同時(shí)，由于鋁的使用，該零件可焊接到另一個(gè)常規(guī)制造的結(jié)構(gòu)上。
這一技術(shù)可能不是一種增材制造形式，但是對(duì)于NASA、波音等客戶來說，結(jié)果可能要比過程更重要。在這種情況下，用戶們最終可能得到的是具有新材料特性的智能金屬零件或組件。正如Norfolk所說，Fabrisonic的UAM技術(shù)能夠混合兩種不同的材料，得到一種無法天然得到的新的工程特性。

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