3D打印部件可以超声波焊接吗？

来源：塑料焊接技术

3D打印部件可以超声波焊接吗？在某些情况下，是可以。材料和3D打印技术在分辨率、强度和坚固性方面差异，是影响超声波焊接成功与否的关键因素。

随着3D打印（3DP）变得普及，价格合理且实用，该技术已被许多行业采用，包括汽车，航空航天，消费品和医疗。因为该技术可以对塑料部件比传统制造方法（例如注塑成型）更快速和经济地进行评估和修改，所以许多制造商将3D打印技术积极用在产品开发中。

这一趋势促使越来越多的客户对超声波焊接提出了新的需求和挑战。那么这种常用的塑料焊接技术是否适用与3D打印制造的部件？要回答这些问题，首先要了解3D打印技术和材料的现状并评估几个问题：

超声波焊接原理，以及它对部件尺寸和物理特性要求，3D打印工艺过程和部件特性，包括超声波焊接所需的零件分辨率，强度和物理特性，用于制造3D打印零件的材料的可焊性。

3D打印部件可以超声波焊接吗？通常，答案是“有时”可以。所有3D打印部件都需要具有超声波焊接所需的一些关键特性：高分辨率，强度，坚固性和可焊性。但尚无法对采用3D打印的各种零件使用超声波焊接。然而，鉴于3D打印材料和技术的快速发展，似乎可以解决和克服这些当前的限制。

超声波焊接的基础知识
超声波焊接是使用通常称为“焊头”的模具，将高频振动（15-50Khz）传递到部件或者材料层。这些振动传递到两个部件的界面并通过交变应力和摩擦产生热量，将材料熔化并将两个部分粘合在一起。该技术快速有效且清洁，无消耗品。超声波工艺还可用于螺丝嵌入、铆接和点焊组件等。

超声波焊接十分适合热塑性材料的焊接。热固性材料经历不可逆的化学变化而不能重整，因此不能进行超声波焊接。

其他因素可能影响材料的超声所需能量和可焊性。主要因素包括聚合物结构、密度、熔化温度、粘度、刚度（弹性模量）、导热率和化学组成。无定形和半结晶聚合物都可以焊接。然而，无定形材料通常更容易焊接，因为它们具有较宽的软化温度并且更容易将超声波振动传递到焊接筋上。

在超声波焊接方面，主要有两种类型的超声波焊筋设计：导能筋和剪切焊缝设计，如下图1。两者都需要3D打印零件的高分辨率，因为超声工艺所需的零件特征公差可能非常小。

图1.导能筋（左）和剪切焊缝设计（右）的示例。

导能筋的焊缝设计
导能筋集中能量以快速软化和熔化塑料。它通常在接合面上有一个凸起的三角结构。在焊接过程中，尖角因较大的交变应力和摩擦迅速产生热量并熔化，软化或流体塑料流过整个接合区域并与另一零件熔化表面混合。三角筋的结构显着缩短了焊接时间。导能筋设计是无定形材料最常用的焊缝设计，但它们也可用于半结晶热塑性塑料的焊接。

导能筋的尺寸根据部件尺寸而变化，但通常在0.25mm到0.5mm高的范围内。对于无定形材料的夹角为90°，对于半结晶材料的夹角为60°。该导能筋设计的尖角上的点是很重要的，注塑部件的尖角半径优选为0.05mm或更小。

纹理表面通常是设计在配合的部件上。在配合部件上模制纹理可以通过增强摩擦特性和加强熔体控制来改善整体焊接强度和质量。通常纹理仅为0.075mm至0.15mm。这对于某些3D打印技术来说可能是不可能实现的。

剪切焊缝设计
半结晶树脂通常采用剪切型的焊缝设计会具有更好的焊接强度。半结晶树脂具有相对较窄的温度范围，从固态快速变为熔态并变回固态。采用切剪焊缝设计，可以让熔融材料保留在焊接区域并防止与周围空气接触，防止熔融塑料过早凝固。当采用导能筋的焊缝时，加热流出的熔融塑料在与邻近塑料表面熔融塑料混合之前便重新固化了，降低了焊接强度和气密。

剪切焊缝设计在两个部件之间有小的过盈配合。焊接从一个很小的接触区域开始，一旦熔化开始，便沿着部件的垂直壁继续向下，以获得较好的焊接强度和气密密封。

剪切量的大小：对于尺寸小于20mm的零件，剪切量0.2mm，建议公差为±0.025mm；对于较大的部件（38mm-76mm），剪切量约0.35mm，公差为±0.075mm。剪切焊缝设计需要刚性侧壁支撑以防止焊接过程中的挠曲变形导致剪切量变小。

3D打印技术如何影响超声波焊接零件的制造

虽然3D打印组件可以提供精确的零件几何形状，但这些零件的物理特性与注塑、挤压和机加工成型零件的物理特性是大不相同。

挤压

挤出是当今最常见，最受认可的3D打印技术。它通过熔化热塑性长条状塑料并使其通过管口挤出。挤出的材料沉积在薄层中，形成最终组件的二维切片。这些层连续地印刷堆积，熔融塑料硬化并粘合到下面的层，形成3D物体。

图2.熔丝制造过程的描述。

用于挤出的细丝材料包括经常用于超声波焊接的那些材料，例如ABS，HIPS，尼龙，PC，PC-ABS，PET和PLA，其中ABS和PLA是最常用的3D打印的细丝材料。材料等级由不同制造商定制，以达到特殊属性。3D打印部件的物理强度在层叠的方向上也明显变弱。结果这些层可能在超声波焊接过程中分离破坏。由于层之间的间隙或着同一层印刷路径之间的间隙，因此无法形成一致的气密接头。

挤出式3D打印机可达到的最高分辨率（最小层厚度）约为0.127mm。然而，实际层厚度随着3D打印机和材料而变化。可达到的尺寸公差也取决于打印部件的尺寸、形状和方向。例如，Stratasys Fortus 900mc生产的零件精度为±0.089mm，或每英寸±0.038mm，以较大者为准。使用挤出打印技术可能无法满足剪切焊缝设计所需的高公差要求。

图3（上方两张）显示了两个导能筋焊缝设计样件：一个由注塑模具生产，另一个采用挤出技术3D打印技术。采用一台Stratasys Dimension Elite 3D打印机，材料是深灰色ABS plus-P430，单层厚度0.17mm。由于打印机挤出宽度的限制，3D打印部件的导能筋通过两次路径创建，最终形成矩形形状（0.35mm高，0.56mm宽）。

剪切焊缝设计不需要尖锐的特征。但是，保持精确的剪切量对于获得可重复的焊接结果非常重要。图3（下方两张）还显示了两个剪切焊缝设计的样品：一个由注塑模具生产，另一个使用与导能筋样件相同的3D打印机和材料的样件。

图3.注塑样品（左）和挤出打印样品（右）。

虽然超声波焊接这类挤出式3D打印部件是可能的。但是，相比较相同材料的注塑部件，焊接强度、焊接能量、溢料和密封性能会大大不同。总之，受限于堆叠层与层之间的强度变化，导能筋形状的变化，剪切量的尺寸变化，导致挤出型3D打印部件的超声波焊接无法可重复性实现。如果在零件设计和3D打印制造中克服这些限制，那么零件是可以采用超声波焊接的。

选择性激光烧结
选择性激光烧结（SLS）使用由镜子导向的聚焦激光来熔化粉末形式的材料，例如金属，塑料或玻璃。常用的聚合物包括尼龙和PS。粉末通过辊子从粉末供应装置中推出，并在构建表面上以薄层形式铺展开来。镜子引导激光经过打印部件的2D轨迹，在焦点处升高温度将粉末熔化。然后降低构建表面并在顶部沉积另一薄层粉末。重复该过程直到对象打印完成。

图4.选择性激光烧结（SLS）过程的描述。

SLS工艺可以生产比挤出工艺更精确的零件。SLS工艺材料粉末有不同的颗粒大小。SLS工艺可实现的最小层厚度略小于挤出工艺的厚度，约为0.075mm，因此理论上可以获得更高分辨率的焊缝细节。然而，对于SLS工艺，通常不建议打印尺寸小于1mm的壁厚，并且由于SLS分层工艺，精细的细节（例如导能筋的尖点）可能会被“平滑”或丢失。

SLS工艺制造的部件有时带有较高孔隙率，会引起可焊性问题。SLS部件中的孔会吸收超声波能量，压缩部件细节特征（如导能筋）。在孔周围也容易产生应力集中，可能导致在超声波焊接过程中，在高频振动下破裂。裂缝不仅仅产生在与焊头接触的表面，也可以从部件的其它表面或者内部产生并传播。同时，部件中的显着孔隙率也导致泄露，难以实现稳定的气密性。

因此，尽管SLS工艺能够生产可超声波焊接的零件，但为了实现一致焊接性能，要求零件设计人员和制造商要克服因特征分辨率、零件孔隙率和零件应力相关问题的限制。

立体光刻（SLA）/数字光蚀（DLP）/材料喷射
有多种技术可以利用光敏聚合物树脂，例如立体光刻（SLA）和数字光蚀（DLP）。这些方法使用聚焦光将光敏聚合物树脂逐层固化成固体零件。第三种方法是材料喷射，用喷墨式印刷头打印薄层的光敏聚合物，并立即用UV光源固化聚合物。使用这些方法生产的零件具有高精度和光滑的表面，这是保证焊接性一致所需的两个基本要素。

图5.立体光刻（SLA）过程的描述。

不幸的是，基于光敏聚合物树脂工艺缺少可焊性的第三个基本要素。光敏聚合物树脂能使用紫外线（UV）能量固化，但它们不能使用超声波焊接的摩擦生热进行熔化、成形或者粘接。

虽然基于光敏聚合物的3D打印工艺不能直接生产超声波可焊接的零件，但它们为零件设计师提供了另一种选择——这些3D打印工艺已被用于制造注塑模具。而这些模具受益于SLA打印或材料喷射工艺的高分辨率和光滑表面，能够准确复制零件特征，并且可以使用与后续大批量生产相同的材料。因此，可以高精度地评估部件的焊接性能、强度和密封性。在减少交付周期和产品开发成本方面是一个优势。

由于这些模具由塑料而不是金属制成，因此它们通常仅用于生产有限数量的部件。具有良好流动特性和低熔融温度（<300°C）的材料，例如ABS，PS，PE和PP，可使用由材料喷射工艺生产的模具多达100次；对于高性能塑料如含玻纤的尼龙或者PC，该类模具只能使用约5至15次。

SLA/DLP 3D打印部件的分辨率非常小，例如FormLabs Form 2 能够实现25μm层厚度。材料喷射技术，例如Stratasys的PolyJet技术，可以实现低至16μm的层厚度。

超声波焊接的零件设计考虑因素

如上所述，不同的3D打印技术能够达到不同的分辨率。但是更高的分辨率并不意味着更好或更尖锐的焊缝设计。

图6展示了使用注塑成型和三种不同3D打印技术成型的导能筋详细视图。挤出加工（FFF）的部件使用的是Stratasys Dimension Elite 3D打印机，材料是Stratasys深灰色ABS plus-P430，层厚度0.18mm。SLS工艺加工的部件使用3D Systems sPro 60 3D打印机，材料Duraform PA（由3D Systems开发的尼龙粉末）。SLA工艺加工的部件使用Stratasys Objet 260 Connex 2打印机喷射加工，材料是一种不透明光敏聚合物Vero White。请注意，尽管材料喷射加工的组件具有更光滑的表面并且沿其长度方向尺寸更加一致，但它使用的是光敏聚合物材料，因此不能进行超声波焊接。

图6.使用注塑模具和三种3D打印技术成型的导能筋放大图。

材料选择
材料是影响可焊性的一个主要因素。许多专门用于3D打印的工程树脂，不应与可焊接塑料混淆。例如，ABS是最容易进行超声波焊接的聚合物之一。而由Stratasys开发的ABS，模仿ABS树脂的特性，但由于它是一种光敏聚合物，所以无法采用超声波焊接。

3DP打印方向
目前使用的3D打印技术，当从零件不同方向打印时，焊缝的几何形状可能会有很大差异。焊筋并不总沿着直线路径布置，单个导能筋的朝向可以位于多个方向。在三种不同方向上打印焊接筋将产生不同的形状误差结果，并且影响部件的拉伸性能。

焊头设计与治具支撑
通常在评估零件设计时，3D打印零件可大大减少评估时间和成本。为了评估焊缝设计，焊接筋上方的表面应该抬高，从而保证所有与焊头接触的表面都是平面，如图7所示。这样可以使用通用的平面焊头接触3D打印部件进行超声波焊接，并将振动传递到焊缝位置。此外，焊头接触面应尽可能靠近焊接筋，以减少超声波振动在到达焊筋位置之前能量的衰减。

超声波焊接还需要治具刚性支撑。为了避免因定制治具而产生时间和成本，组件应在焊接筋下方具有平坦表面，以便它可以站立在坚硬的平面上。

零件实心设计
十分重要的一点，在焊接筋与焊头之间的所有零件侧壁必须是以最大填充设置（100%实心）打印。一些3D打印部件设计有内部空隙和薄壁几何形状，以减少打印所需的材料。然而，部件内部的这种空隙，因阻碍超声波能量的传递，会使超声波焊接更加困难或不可能。

即使在实体打印中，在沿着层边缘和层与层之间，也可能出现小孔和空隙。这些问题影响超声波焊接结果，导致焊接部件泄漏等问题。3D打印设置应尽可能选择高密度模式。

图7.焊接筋上方（红色）和下方（蓝色）的平面接触区域。

3D打印技术为新产品评估提供了一种全新且令人兴奋的快捷方式。然而，使用3D打印部件评估其超声波可焊性目前是有局限性的，主要是受限于当前的3D打印技术。超声波焊接要求部件具有高分辨率，较高强度和坚固性，并且是使用可焊接聚合物材料。

这里提到的3D打印技术：挤出，激光烧结（SLS）和立体光刻（SLA）/数字光蚀（DLP）/材料喷射，目前尚未证明通过这些技术直接打印的零件具有与注塑件相同的物理特性和可焊性。尽管通过改善，制造商可能生产出接近注塑件性能的3D打印零件，但是仍需注意使用3D打印零件对焊缝设计的评估结果可能是错误的，可能无法反映最终的生产结果。

鉴于3D打印技术和材料的最新进展，3D打印注塑模具可以为生产原型零件提供经济高效的解决方案，其超声焊接性能和质量可以使用注塑零件更准确地预测最终生产结果。