Ультразвуковое аддитивное производство: низкотемпературная 3D-металлическая печать

Ультразвуковое аддитивное производство (UAM), также известное как ультразвуковая консолидация (UC), — технология аддитивного производства (AM) или 3D-металлической печати. UAM принадлежит к семейству процессов AM «слоистая ламинация» вместе с ламинированным объектным моделированием (LOM).

По сравнению с другими техниками AM, UAM использует относительно низкие температуры — значительно ниже температур плавления используемых материалов — и применяется для производства металлических деталей, а не пластиковых или нлоновых.

Краткая история UAM

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

В 2007 году Solidica сотрудничала с Институтом сварки Эдисона для переработки инструментального процесса для улучшения качества связи и расширения числа используемых металлов. Сотрудничество привело к новому процессу UAM, известному как «очень высокомощное ультразвуковое аддитивное производство».

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

Ультразвуковое аддитивное производство: объяснение

Как большинство процессов AM, станки UAM создают детали на основе модели CAD. После создания модели файл «нарезается» на 2D-поперечные сечения для построения детали слой за слоем.

Однако, помимо 3D-моделирования, UAM значительно отличается от других техник AM. Где большинство техник (например, SLS) производят детали из порошкового материала, UAM использует листы металлической фольги. Также, в отличие от других техник, UAM не использует тепло. Вместо этого используется инструмент — сонотрод — для создания ультразвуковых вибраций, которые в сочетании с давлением заставляют два слоя металла связаться.

(Источник: The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

Производственный процесс выглядит так:

• Твердая металлическая базовая пластина закрепляется на строительной платформе
• Металлическая фольга укладывается на базовую пластину, и вся платформа проходит под сонотродом, связывая фольгу с базой. На этом этапе деталь не имеет формы
• Процесс повторяется до достижения заданной глубины связанных слоев
• ЧПУ-станок — похожий на используемые в традиционном субтрактивном ЧПУ-фрезеровании — обрезает деталь в форму, удаляя лишнюю фольгу
• Цикл повторяется до достижения заданной высоты
• Меньший фрезерный инструмент дополнительно формирует деталь и завершает внутреннюю фрезеровку для готовой детали
• Полный цикл UAM повторяется до завершения детали
• Деталь извлекается с платформы, и базовая пластина отделяется

Как видите, UAM — гибридный аддитивный и субтрактивный процесс, сочетающий слоистый подход AM с субтрактивным ЧПУ-фрезерованием.

Станки ультразвукового производства

Процесс UAM использует линейку ультразвуковых 3D-принтеров, разработанных Fabrisonic, LLC. Станки могут создавать экстремально прочные связи даже между разными металлами. Поскольку процесс не включает высокое тепло, связывание не вызывает изменений в молекулярной структуре слоев, избегая хрупких характеристик, присущих другим металлическим AM-процессам.

Другое преимущество станков Fabrisonic — способность связывать металлы, непригодные для других техник, включая медь и алюминий.

Конечно, станки впечатляющие, но не для домашнего использования. Даже меньший R&D-станок стоит чуть менее $200 000, поэтому станки Fabrisonic UAM только для промышленных и исследовательских целей.

Предварительная обработка моделей для ультразвукового производства

Перед производством детали с UAM необходимо пройти фазу предобработки. На этом этапе 3D CAD-модель детали анализируется с помощью специализированного ПО моделирования.

Подготовка данных для UAM следует процессу, похожему на подготовку для SLS. Хотя UAM не имеет тех же ограничений, что SLS, для тонких стен и острых краев, все равно требует степени предобработки:

• Детали со сложными геометриями должны упрощаться с помощью инструмента упрощения геометрии
• Конструкторы должны использовать инструменты и техники симуляционного моделирования для обеспечения пригодности детали для UAM-печати и выносливости в реальном использовании

После обработки «нарезающее» ПО конвертирует 3D-модель в 2D-слоя (поперечные сечения). Хотя бесплатные приложения могут выполнить эту подготовку, профессионалам лучше использовать признанные программные пакеты.

Если ваша организация разрабатывает приложения для предобработки UAM, Spatial здесь, чтобы помочь.

С более чем трехдесятилетним опытом 3D-моделирования, Spatial предоставляет комплексные возможности предобработки и предварительно собранные библиотеки, которые можно встроить в ваши программные приложения. Расширьте функциональность своих приложений или аппаратных продуктов и дифференцируйте свои предложения от конкурентов — без вложения лет R&D в внутреннюю разработку этих возможностей.

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

Преимущества и ограничения ультразвукового аддитивного производства

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

1. Производство металлических деталей с «невозможными» внутренними каналами.

Многие детали требуют внутренние каналы, часто для охлаждения. Однако с другими AM-процессами (FDM, SLS) и тем более с традиционными субтрактивными техниками — создание деталей со сложными конформными 3D-путями потока практически невозможно. С «очень высокомощным UAM» современные станки Fabrisonic могут делать детали из алюминия и меди, что помогает отводить тепло и снижать вес.

2. Связывание множественных металлов.

Поскольку UAM не включает высокое тепло, оно не меняет микроструктуру металлов. В результате UAM может связывать несродные металлы без создания несовпадений и хрупких структур, присущих другим металлическим AM-технологиям. Возможен широкий спектр комбинаций материалов.

3. Встраивание датчиков и цепей.

Невероятно, детали UAM могут печататься со встроенными датчиками и схемами — уникальная возможность в AM. В традиционном производстве это невозможно, так как напряжения и температуры повредили бы чувствительные компоненты. С UAM датчики можно встраивать где угодно в металлической структуре, давая ценные применения в здравоохранении, процессном контроле и Интернете вещей (IoT).

Наконец, поскольку UAM требует меньше выпрямления, чем техники вроде SLS, оно также тратит меньше материала.

Однако всё это имеет свою цену — буквально. Как отмечалось, наименьший станок Fabrisonic стоит почти $200 000. Компания не публикует цены для крупных станков, но организации могут ожидать существенно более высокую сумму.

Когда нужно использовать UAM?

Учитывая способность связывать широкий спектр разных металлов, UAM имеет четкие применения в авиакосмической и автомобильной отраслях. Его способность производить детали со сложными каналами охлаждения крайне ценна в этих и других отраслях: промышленное производство, медицинские устройства, высокотехнологичное оборудование.

Кроме того, возможность UAM производить детали со встроенными датчиками и схемами делает его высокожелательным для производства умных IoT-устройств во многих отраслях. Многие традиционные отрасли теперь используют широкий спектр датчиков и устройств отслеживания для автономного управления операциями, и UAM часто используется для производства деталей для этих устройств.

Конечно, как ценен UAM, он сильно полагается на способность производителя создавать точные, оптимизированные 3D-модели. И, учитывая сложность многих деталей UAM, нужно мощное ПО для их производства.

Готовы встроить мощную UAM-функциональность и полные предварительно собранные библиотеки в свои программные и аппаратные решения? Свяжитесь с экспертами Spatial сегодня.