rapid prototyping and additive manufacturing

相信大多數人都聽說過增材制造。沒錯,就是我們常說的3D打印。那么,你知道什么是超聲波增材制造(UAM)嗎?顧名思義,是利用大功率超聲波能量和金屬層間振動摩擦產生的熱量,使材料局部塑性變形,實現相同或不同金屬材料之間物理連接的一種特殊方法。其實這項技術是在金屬超聲波固結成型技術的基礎上發展起來的。那么,rapid prototyping and additive manufacturingUAM的技術優勢和局限性是什么呢?

實際上,上世紀40年代超聲波就已被廣泛應用到中國工業生產制造企業領域發展當中,只不過早期研究主要可以用來對熱塑性材料進行成型與焊接。直到上世紀70年代,超聲波才開始被應用於各種金屬結構材料的切削、成型和焊接。後來學習到了80年代末,3D打印信息技術不斷興起,基於面焊接的超聲波3D打印也應運而生。

超聲波添加劑制造技術原理

事實上,超聲波三維打印是基於傳統的“超聲波焊接”制造技術,這種技術利用超聲波振動產生的能量在需要焊接的兩個表面之間產生摩擦,結果是分子的融合,而 UAM 是這種焊接方法在3D 打印機上的應用,形成一種新的3D 打印工藝。

在持續的超聲波振動壓力下,兩個金屬箔之間會發生高頻摩擦。在這個摩擦過程中,覆蓋在金屬表面的氧化物和汙染物被剝離,露出下面的純金屬。然後利用超聲波的能量輻射(或外加熱)將相對純淨的金屬材料軟化填充在焊接的金屬箔表面。在這個過程中,兩片金屬箔的分子會相互滲透融合,進一步提高焊接面的強度,然後如此反複,一層一層堆疊,直到形成最終的形狀。

UAM的技術優勢

那么,UAM有哪些信息技術發展優勢呢?首先,低溫是其最大經濟技術企業優勢,整個打印一個過程的初始溫度是150°C,焊接生產過程中產生摩擦和塑性變形的產熱可使局部環境溫度沒有達到200°C左右,而其他3D打印數據技術則通常我們要將金屬加熱至熔點。因此,UAM技術人員可將多種不同金屬結構材料作為連接在一起,還可以將傳感器rapid injection moulding、合金纖維等那些對溫度變化敏感的低熔點材料或電子器件嵌入其中。

當然,UAM還有更多的東西。 除了低溫外,該技術還具有優於其他金屬印刷技術工件尺寸,用UAM印刷的工件尺寸高達6 x 6 x 3英尺,加工的工件具有高表面光潔度,這也是由於添加了UAM添加劑CNC材料處理程序,工件表面光潔度可以通過添加研磨程序進行加工。

打印尺寸大,卻並不重要影響UAM的打印發展速度。實際上,一般的3D打印技術速度在5mm/s-300mm/s,而超聲波3D打印機的速度則能達到100mm³/s,且不會產生影響其打印模型精度,這是我們因為一個超聲波3D打印機的高精度是由後期的數控系統加工企業實現的。此外,通過不斷調整以及超聲波的頻率與幅度,還可對摩擦損壞的表面或裂縫問題進行研究超聲波焊修複,從而可以達到提高工件的重複學生使用,節約資源成本。

UAM的技術限制

我們說任何事物都有兩面性,一項技術自然會有利有弊。那么,有哪些技術瓶頸或限制會阻礙超聲波增材制造技術在制造業的快速普及?

首先是學生來自換能器的功率控制問題。礙於轉換工作效率的限制,其實際進行輸出的超聲能量管理難以得到大幅發展提高。此外,超聲波所帶來的機械共振也是我們一個國家不得不面對的問題,由於使用超聲波發生器的頻率分析一般在20kHz,因此對於工件很容易在20kHz頻率上發生共振,而共振將導致工件基板與上層建築金屬箔片的摩擦大幅減弱,使焊接產品質量可以降低。

此外,還有另一個問題,即UAM不能自動放置或取出支撐結構。由於超聲波鍵合的過程需要一定的壓力,在制造大面積懸空結構時,支撐的缺失會直接導致無法施加壓力,增加制造難度。因此,UAM對懸掛結構的尺寸有嚴格的限制。另外,數控加工的精度也限制了制造精度。UAM的制造精度可以達到100μm的水平,主要受限於數控加工的精度,無法使用UAM制造尺寸小於100 μm的精細結構。

“揚長避短”談應用

由於 UAM 具有低溫制造的優點,適用於制造功能或智能材料和結構,確保嵌入式功能部件不會損壞或失活; 另外,由於其獨特的層壓制造方法和制造過程中添加/還原材料的方法,UAM 可用於均質或非均質金屬層壓複合材料、纖維增強複合材料等。此外,超聲三維打印亦可用於電子封裝結構、航空航天元件、金屬蜂窩板結構及其他具有複雜腔體結構的元件制造。

如利用超聲波增材制造技術,將光纖、多功能元件等嵌入金屬基體中,從而制造金屬基功能智能複合材料。rapid prototyping types這樣可以大大提高部件的精度,簡化結構,提高空間利用率;或者制造金屬蜂窩夾芯板,滿足航空航天領域對新一代超輕高強材料的迫切需求;超聲波增材制造技術也可用於制造具有複雜精密型腔的疊層結構。

現在,增材制造企業技術已從‘學院派’逐漸轉向‘實用派’,我們教師可以通過看到該技術在形狀高度複雜,功能高度複合材料以及低成本制造能力方面,發揮著巨大影響作用。而作為=增材制造信息技術的一個重要分支,超聲波增材制造系統技術憑其諸多技術優點,在未來多個不同領域的發展經濟前景無疑是非常可觀的,並將自己成為中國現代主義先進制造工程技術不可或缺的技術支持。

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