Объяснение ультразвукового аддитивного производства

Ультразвуковое аддитивное производство (UAM), также известное как Ultrasonic Consolidation (UC), представляет собой технологию аддитивного производства (AM) или 3D-печати металлом. UAM относится к семейству процессов AM «листового ламинирования» наряду с производством ламинированных объектов (LOM).

По сравнению с другими методами аддитивного производства, UAM использует относительно низкие температуры (значительно ниже температуры плавления используемых материалов) и используется для производства металлических деталей, а не пластика или нейлона.

Краткая история UAM

Процесс UAM был разработан Дон Уайт, которая коммерциализировала изобретение в 1999 году, основав Solidica Inc. для продажи коммерческого оборудования UAM.

В 2007 году Solidica сотрудничала с Институтом сварки Эдисона, чтобы перепроектировать инструментальный процесс, чтобы улучшить качество соединения и расширить количество металлов, которые можно использовать. Результатом сотрудничества стал новый процесс UAM, известный как «ультразвуковое аддитивное производство сверхвысокой мощности».

Партнерство основало новую компанию — Fabrisonic LLC — в 2011 году для коммерциализации нового мощного процесса UAM и продажи новой линейки оборудования UAM.

Объяснение ультразвукового аддитивного производства

Как и большинство процессов AM, машины UAM создают детали на основе модели автоматизированного проектирования (CAD). После создания модели файл «нарезается» на двумерные поперечные сечения, используемые для построения детали слой за слоем — подробнее чуть позже.

Однако помимо аспекта трехмерного моделирования UAM значительно отличается от других методов AM. В то время как большинство методов AM, таких как SLS, производят детали из порошкового материала, UAM использует листы металлической фольги. Кроме того, в отличие от других методов AM, UAM не использует тепло. Вместо этого он использует инструмент, называемый сонотродом, для создания ультразвуковых колебаний, которые в сочетании с давлением заставляют два слоя металла соединяться вместе.

(Источник:«Влияние ультразвукового аддитивного производства на интегрированные печатные электронные проводники», письма об электронных материалах 14, 413–425, 2018 г.)

Процесс изготовления выглядит так:

• Основная пластина из цельного металла закреплена на рабочей платформе.
• Металлическая фольга укладывается поверх опорной плиты, и вся рабочая платформа проходит под сонотродом, приклеивая фольгу к опорной плите. На данный момент деталь никак не оформлена.
• Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока склеенные слои не достигнут заданной глубины.
• Станок с ЧПУ, аналогичный тем, которые используются в традиционной субтрактивной обработке с ЧПУ, обрезает деталь, удаляя лишнюю фольгу.
• Этот цикл повторяется до тех пор, пока деталь не достигнет заданной высоты.
• Фрезер меньшего размера дополнительно формирует деталь и выполняет любое внутреннее фрезерование, необходимое для готовой детали.
• Полный цикл UAM повторяется до тех пор, пока деталь не будет завершена.
• Деталь снимается с платформы сборки, а опорная плита отсоединяется.

Как видите, UAM на самом деле представляет собой гибрид аддитивного и субтрактивного производственного процесса, который сочетает в себе многоуровневый подход методов AM с субтрактивным фрезерованием на станках с ЧПУ.

Ультразвуковые производственные машины

В процессе UAM используется линейка ультразвуковых 3D-печатных машин, разработанных Fabrisonic, LLC. Машины могут создавать чрезвычайно прочные соединения даже между различными металлами. И, поскольку процесс не требует высокой температуры, процесс склеивания не вызывает изменений в молекулярной структуре последних, что позволяет избежать хрупких характеристик, присущих некоторым другим процессам AM с металлами.

Еще одним преимуществом машин Fabrisonic является то, что они могут склеивать металлы, которые нельзя использовать с другими методами, включая медь и алюминий.

Конечно, хотя машины, несомненно, впечатляют, они не подходят для домашнего использования. Несмотря на то, что даже небольшая машина, предназначенная для исследований и разработок, стоит чуть менее 200 000 долларов США, машины Fabrisonic UAM предназначены только для промышленных и исследовательских целей.

Модели предварительной обработки для ультразвукового производства

Прежде чем вы сможете изготовить деталь с помощью UAM, вы должны сначала пройти этап предварительной обработки. На этом этапе трехмерная CAD-модель производимой детали анализируется с использованием специализированного программного обеспечения для моделирования.

Процесс подготовки данных для UAM аналогичен процессу подготовки данных для SLS. Хотя UAM не имеет тех же ограничений, что и SLS, когда речь идет о тонких стенках и острых краях, он по-прежнему требует предварительной обработки:

• Детали со сложной геометрией следует упростить с помощью инструмента упрощения геометрии.
• Дизайнеры должны использовать инструменты и методы имитационного моделирования, чтобы убедиться, что деталь подходит для печати UAM и подходит для использования в реальных условиях.

После того, как деталь обработана, используется программное обеспечение для «нарезки» для преобразования 3D-модели в 2-мерные слои, известные как поперечные сечения. В то время как бесплатные приложения могут выполнять этот процесс подготовки данных, профессиональные дизайнеры лучше используют признанный программный пакет.

Если ваша организация разрабатывает приложения, выполняющие предварительную обработку для UAM, вам поможет Spatial.

Обладая более чем тридцатилетним опытом 3D-моделирования, Spatial предоставляет комплексные возможности предварительной обработки и готовые библиотеки, которые вы можете встраивать в свои программные приложения. Расширяйте функциональность своих приложений или аппаратных продуктов и отличайте свои предложения от предложений конкурентов, не тратя годы на исследования и разработки для разработки этих возможностей собственными силами.

Чтобы узнать больше о том, как Spatial может помочь, ознакомьтесь с нашими проверенными в отрасли наборами инструментов для разработки программного обеспечения для 3D-моделирования.

Преимущества и ограничения ультразвукового аддитивного производства

UAM предлагает три существенных преимущества, которые не могут обеспечить большинство других процессов AM.

1. Он может производить металлические детали с «невозможными» внутренними каналами.

Для многих деталей требуются внутренние каналы, часто для целей охлаждения. Однако с другими процессами аддитивного производства, такими как FDM и SLS, и, конечно же, с традиционными субтрактивными методами производства, изготовление деталей со сложными конформными трехмерными путями потока практически невозможно. Благодаря использованию сверхмощного UAM современные станки Fabrisonic могут изготавливать детали из алюминия и меди, что помогает выделять тепло, а также снижает вес.

2. Может соединять несколько металлов.

Поскольку UAM не требует высоких температур, он не изменяет микроструктуру используемых металлов. В результате UAM может соединять разнородные металлы, не создавая несоответствий и хрупких структур, присущих другим технологиям обработки металлов AM. Возможен широкий спектр комбинаций материалов.

3. Он может встраивать датчики и схемы.

Самое невероятное, что детали UAM можно даже печатать с внутренними датчиками и схемой — уникальная возможность в AM. Это невозможно при традиционном производстве, так как возникающие напряжения и температуры могут повредить эти чувствительные компоненты. Благодаря UAM датчики можно встроить в металлическую конструкцию в любом месте, что дает множество полезных приложений в здравоохранении, управлении технологическими процессами и даже в Интернете вещей (IoT).

Наконец, поскольку UAM требует меньше полостей, чем такие методы, как SLS, он также тратит меньше материала.

Однако за все это приходится платить – в буквальном смысле. Как мы отмечали ранее, самая маленькая машина, продаваемая Fabrisonic, стоит почти 200 000 долларов. Компания не указывает цены на свои более крупные машины, но организации могут ожидать, что они будут платить за них значительно больше.

Когда вам нужно использовать UAM?

Учитывая его способность связывать широкий спектр различных металлов, UAM находит применение в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Его способность производить детали со сложными каналами охлаждения чрезвычайно ценна в этих и других отраслях, таких как промышленное производство, медицинское оборудование и высокотехнологичное оборудование.

Кроме того, способность UAM производить детали со встроенными датчиками и схемами делает ее весьма востребованной для производства интеллектуальных устройств в стиле IoT в самых разных отраслях. Многие традиционные отрасли теперь используют широкий спектр датчиков и устройств слежения для автономного управления операциями, и UAM часто используется для производства деталей для этих устройств.

Конечно, какой бы ценной ни была UAM, она в значительной степени зависит от способности производителя создавать точные, оптимизированные 3D-модели. А учитывая сложность многих деталей UAM, для производства этих моделей требуется мощное программное обеспечение.

Готовы внедрить мощные функции UAM и готовые готовые библиотеки в свои программные и аппаратные решения? Свяжитесь со специалистами Spatial сегодня.