UAM 超声波增材制造：神奇的金属低温制造技术

今天为你带来的3D打印技术是基于金属超声波焊接的超声波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing) ，简称UAM。在金属3D打印领域，粉床熔融成形（PBF）占据着半壁江山，而UAM技术所具备的制造优势依然无法被其他任何金属3D打印技术所取代。


1. UAM技术发展历史

超声波在工业制造领域的应用兴起于上世纪40年代。作为机械能传递的形式之一，超声波早期主要用于对热塑性材料（PVC,ABS等）的成型与焊接。焊接过程中热塑材料在超声能量作用下完全熔融以填充焊缝。上世纪70年代开始超声波被应用于金属材料的切削、成型与焊接。由于金属熔点普遍较高，大部分金属在焊接过程中都完全处于固态状态，因此金属超声波焊接又称为固态焊接。然而在当时的焊接技术中，焊接界面仅限于点接触或线接触，面接触的金属超声波焊接尚未问世。

随着80年代末3D打印概念的兴起，基于面焊接的超声波3D打印应运而生。1999年，密西根大学教授Dawn White将多年对超声波焊接的研究成果转化为专利，并成立公司Solidica Inc，致力于将超声波3D打印技术商业化。2001年，Solidica发布第一代超声波3D打印机，当时机器还只能用于铝合金增材制造，但很快随着技术的更新，特别是大量高校以及科研院所用户的实验与开发，UAM制造材料被扩展至铜，镍，钛等几十种合金。2004年，Solidica发布了其第二代打印机Formation。

2007年，爱迪生焊接研究所（EWI，一家致力于开发、测试和实施行业先进制造技术的非盈利性工程和技术组织）和Solidica开始合作，开发了更高效率的超声波3D打印材料。而后2011年，EWI与Solidica合资创立了Fabrisonic并进一步开发该技术，将改进的超声波增材制造工艺商业化，目前也是唯一一家使用该技术的公司。公司创始人兼首席执行官Mark Norfolk毕业于俄亥俄州立大学，专业是焊接工程，在创办公司之前就在EWI中领导开发UAM技术。现在的Fabrisonic公司就位于俄亥俄州立大学校园内一个1.5万平方英尺的工厂里，并和大学展开合作。

▲Mark Norfolk

如今，UAM的应用呈现出指数级发展，被广泛实验应用于埋覆传感器和强化或记忆合金纤维，制造金属基复合材料（metal matrix composite），制造分层功能材料（functionally laminated materials）等等。

近期，美国Fabrisonic公司推出了以UAM技术为核心的工业级金属3D打印机：SonicLayer 4000和7200。这是一种将传统的减材与增材相结合的技术，即采用超声波焊接层层放置的金属箔得出大致形状（3D打印增材过程），然后用铣床切割（传统减材过程），以得到最终零件。去年3月份，他们升级了UAM 3D打印机，使其可以在普通平面3D打印的基础上再增加一个维度：在圆柱体表面进行3D打印。也就是将金属层通过超声波增材制造工艺焊接在圆柱体形状的零件表面。这种工艺主要将应用在为各种圆柱体零件、轴、管的外表面添加贵金属层或其他金属特征。

最近几年Fabrisonic公司一直在开发UAM 3D打印所需要的材料。2016年12月，Fabrisonic公司声称其使用超声波3D打印工艺的金属材料，拉伸强度达到部分钢的水平，但重量与同体积的铝差不多。这对于对重量很敏感的航天航空工业来说是个好消息。

虽然Fabrisonic才成立于2011年，但已经开始为NASA、波音等客户提供服务，供应钽、稀土、钛、钨等材料的打印服务。2016年NASA兰利研究中心与Fabrisonic公司合作，使用UAM 3D打印机将传感器嵌入到金属零部件中，以长期监测零件的温度、速度等变量。现在Fabrisonic现在更多的是通过打印服务而不是卖设备获得收入。

▲Fabrisonic公司的超声波3D打印机 — SonicLayer 4000

2. UAM技术原理

超声波增材制造是一种基于传统加工工艺“超声波焊接”的技术。超声波焊接是指利用超声波的振动能量使两个需要焊接的表面摩擦，形成分子间融合的一种焊接方式。UAM则是将这种焊接方式应用到3D打印机上形成新的3D打印工艺。

在连续的超声波振动压力下，两层金属箔之间会产生高频率的摩擦，而在摩擦过程中金属表面覆盖的氧化物和污染物被剥离，露出纯金属。进而通过超声波的能量辐射（或外部加热）将较为纯净的金属材料软化填充至已焊接完毕的金属箔片的表面，在这个过程中，两片金属箔片的分子会相互渗透融合，进一步提高焊接面的强度，而后周而复始，层层叠加，最终成型。

▲UAM技术原理示意图

3. UAM优势&技术限制

优势：

1. 低温。这也是UAM技术的最大优势。整个打印过程的初始温度是150°C，焊接过程中摩擦和塑性变形的产热可使局部温度达到200°C上下，比起其他通常要将金属加热至熔点的3D打印技术，温度要低上很多。而低温带来的好处有：

• 具有将多种金属类型连接在一起的能力，允许温度敏感材料的嵌入。可在增材过程中嵌入传感器，合金纤维，以及其他低熔点材料或电子器件
• 几乎没有热残余应力与热变形。其生产的零件内部不会产生热应力，也就不需要对零件进行后处理。
• 保留了原材料机械性能。例如，在加工铝的过程中，最高温度低于120℃，由于材料仅被稍微加热，所以材料不会改变晶粒尺寸或产生相应的变化。
  
  

▲嵌入传感器的金属件

2. 打印尺寸大。用UAM打印的最大工件尺寸可以达到6英尺x6英尺x3英尺，明显大于其他金属打印技术的工件尺寸。

3. 加工表面光洁度较高。由于UAM增材中加入了数控减材加工工序，工件表面（特别是内部结构表面）的光洁度可以通过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，而超声波3D打印机可达100mm3/s。SLM或SLS技术若要实现高精度，打印速度会进一步降低，而超声波3D打印技术不存在这个问题，他的高精度是由后期的数控加工来实现的。

5. UAM技术可以通过调整超声波的频率与幅度，对摩擦损坏的表面或者裂缝进行裂缝超声波焊修复，从而达到工件的重复使用，进而节省成本。

2016年，NASA兰利研究中心与Fabrisonic公司合作，将FBG传感器嵌入到金属零件中，以长期监测零件的温度、速度等变量。FBG是一种可以精准地测量位移、速度、加速度、温度的传感器，广泛应用于桥梁建筑、航空航天、石油化学工业等领域。普通的金属3D打印会产生高温，导致嵌入的FBG传感器失去敏感性。而利用UAM技术，温度始终低于94℃，从而避免了传感器的损坏。

▲光纤完美嵌入金属，安全性得以大幅提高，就算在恶劣环境下也不易损坏。

技术限制

目前超声波3D打印技术基本上由Fabrisonic所垄断。之所以在制造业还没有产生颠覆性的影响，在于一些技术层面上的限制：

1. 超声波换能器的功率限制。由于转换效率的制约，实际输出的超声能量难以大幅提高，超声波发生器的频率一般在20kHz左右。

2. 超声波所带来的机械共振。由于超声波发生器一般在20kHz，而工件很容易在20kHz频率上发生共振，共振会导致工件基板与上层金属箔片的摩擦显著减弱，从而引发焊接质量降低。

3. 无法自动放置/取出支撑结构。超声波粘合的过程需要适当的压力，而在制造大面积的悬空结构时，缺乏支撑将直接导致压力无法施加和制造困难。因此UAM对悬空结构尺寸有严格的要求。

4. 数控加工精度限制制造精度。UAM的制造精度可以达到100μm级别，主要受限于数控加工的精度。这一限制使得尺寸低于100μ的精细结构无法使用UAM进行制造。

国内在超声波3D打印的研究才刚刚起步，目前哈尔滨工程大学正在与广东楚鑫机电合作研发该技术。楚鑫机电是超声波金属焊接设备专业制造商，所以有一定的基础和技术储备，但也仅仅停留在点焊、滚焊等点、线焊接层面，远没有达到面与面间的大尺度焊接能力。哈尔滨工程大学在2016年发表了数篇论文，但也仅仅属于实验室的成果，离商业化还有一段距离。