美國Fabrisonic公司是一家與眾不同的工業級三維打印機生產商。該公司使用愛迪生焊接研究所的專利開發了一種將超聲波焊接與數控加工結合起來的技術,稱為超聲增材制造(ultrasonicadditivemanufacturing,UAM)。超聲增材制造與LSA、FDM、SLS等增材制造(3D打印)工藝不同,不是采用液態樹脂固化、絲材熔融涂覆或激光粉末燒結,而是用超聲波去熔融帶狀金屬薄片,一層層疊加起來,從而實現基于疊層制造(layermanufacturing)原理的三維打印。
超聲增材制造與分層實體的薄材選擇性切割(LOM)有些類似,不過不是將紙用激光輪廓切割后一層層粘接成零件,而是使用頻率高達20000Hz的超聲波施加在金屬片上,借助超聲波的振蕩能量使兩個需焊接的表面摩擦,構成分子層間的熔合,然后以同樣的原理逐層連續地焊接金屬片,并同時通過機械加工來實現精細的三維形狀,從而形成堅實的金屬物體。
借助Fabrisonic的方法可以同時“打印”多種金屬材料,如鋁、銅、不銹鋼和鈦合金。由于超聲焊接的工作溫度很低,不會產生不必要的金相變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質金屬箔片制造出有高度復雜內部通道的金屬部件。大多數金屬三維打印機成形效率較低,小于100cm3,且工作空間有限。
Fabrisonic公司的SonicLayer系列超聲增材制造機床的打印效率能達到250cm3~500cm3,其工作臺面積為1000mm×600mm,SonicLayer4000超聲增材制造機床的結構分為兩部分,中間是用于銑削加工的主軸,功率為19kW,轉速為8000r/min;右側為9kW的超聲增材制造焊頭,焊接力1200kg,最大進給速度為5000mm/min,用于增材制造金屬零件。
由此可見,這種超聲增材制造設備是在3軸數控機床的基礎上衍生出來的,焊接過程可以在任何時點停止,然后再用機械加工做出內部的三維通道。然后再用增材制造將其密封起來。由于電子設備往往會產生熱量,熱管理組件往往會成為設計的關鍵部分。這種熱交換器裝置過去是借助數控機床加工而成的,但機加工在創建復雜的通道以及陣列式的交叉鉆孔和內部路徑的能力十分有限。
而如今可以通過超聲增材制造來制造出擁有復雜內部通路的金屬部件,使其具備良好的熱傳導性。因為超聲增材制造工藝是固態的,溫度低于250℃,沒有達到金屬熔化溫度。超聲增材制造工藝可以用來將導線、帶、箔和所謂的“智能材料”比如傳感器、電子電路和致動器等完全嵌入密實的金屬結構,而不會導致任何損壞,從而為電子器件的設計帶來新的可能性。
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