3D打印又出新技术：什么是超声波增材制造？

当大多数人想到3D打印时，他们想到的是典型的增材过程，在这一过程中许多层材料被融合成期望的最终形状。然而，增材制造并不总是完美制成最终产品。事实上，为了创建最终零件，大多数金属3D打印工艺还需要额外的研磨或其他处理措施。
由于这个原因，有一些公司，如Mazak、 DMG MORI和Cincinnati Inc.，将增材和减材结合来实现预期的结果。最近有一家公司开发了一种新型混合制造技术，被称为超声波增材制造（UAM）。通过利用声波而不是热能，Fabrisonic的UAM平台可被用于一些其他系统做不到的应用。
在接受媒体采访时，Fabrisonic公司CEO Mark Norfolk解释说，UAM机器实际上是一个内置了超声波焊接技术的数控铣床。薄薄的金属箔被一层一层放置，继而用超声波焊接在一起。然后用铣床切割密集堆放的金属片，以创建出最终零件。

不像其他金属3D打印工艺，在UAM中金属不是被高温熔化。这就是UAM工艺的重要优势。“温度不会超过200华氏度，”Norfolk阐述道。“这使我们能够嵌入传感器，因为我们的零件不热。我们只是停止构造，钻出一个小通道，在里面放入一个传感器，然后继续在上面构造。再者，它是在低温下工作，不会损坏传感器。”
Fabrisonic通过制造服务而不是卖设备获得收入的80%，它发现一些客户要求将热电偶嵌入金属零件。将热电偶嵌入金属零件或者固定在零件的外部，这两种情况都需要热传感器在热环境或化学反应环境下提供温度读数，并保护热电偶不受潜在的危险环境影响。
对于一个客户来说，这个创建热交换器的过程意味着混合化学物质，根据Norfolk的说法这是一个热相关过程。他解释道：“你把化学物质A、B和C放到一起进行化学反应，然后生成了化学物质D。我们把热电偶沿着液体的混合通道相邻放置八九个位置，使客户精确知道它们混合的温度。

有了适当的热反馈，客户会更好地了解如何控制这些化学品的流量。在获得这些传感器之前，他们需要使用非常缓慢的流速，以防止化学品混合过程出现问题。
这个过程可以应用于各种各样的电子产品，包括加速度计、应变计，甚至光纤电缆。通过NASA的小企业创新研究奖，Fabrisonic能够与一些合作伙伴一起探讨如何将光纤嵌入金属零件，以监控影响组件的整体应力。
Norfolk描述了这种被称为光纤布拉格光栅（FBG）的光纤如何工作，他说，“把光纤嵌入金属，线里面是一些会反射光线的小划痕。你可以测量这些划痕之间的距离，并且，作为一个能拉伸的零件，你可以看到这些划痕变得更大。这是衡量一个固体零件应变的方法。”

Fabrisonic的CEO进一步解释说，一个100微米的纤维上可以有多达100个应变计，这使得将测量仪器遍布零件成为可能。在飞机机翼上，一个包含光缆的零件可以被放置在前端，为机翼整体情况提供重要的健康监测数据。
该技术在石油和天然气工业中也有应用，在那里，FBG可以检测到井下或几英里输油管道的零件应力。Norfolk指出它对于检测地震造成的管道磨损特别有用。
公司目前已经完成了项目的一个阶段，正在着手进行第二阶段，这一阶段将会使产品商业化。在这个2年阶段内，Fabrisonic将会进行技术授权和优化，Norfolk预计FBG将被添加到飞行样机上。
除了正在进行的NASA项目外，Fabrisonic正在探索将UAM用于制造专业辐射屏蔽。而辐射屏蔽会涉及到不同金属的组合，包括钽、稀土、钛、钨，Fabrisonic看到了构建多功能零件的优势。
“我们可以用一种非常特定的公式来打印以进行辐射屏蔽，“Norfolk说。“听起来很有趣，但是你可以把这些金属一层层堆叠。我们正在做的是将这些整合在一个非常独特的方法中。我们会给卫星做一个热交换器，所以我们要散出热量。这种结构内部有一个异构体，所以它是结构化的。现在零件有保温和结构特性。之后我们会用防护材料覆盖它，所以零件也可以辐射屏蔽。我们正在做的是打印多功能的多元零件。”
结合不同材料的能力使得Fabrisonic可以制造其他具有独特性能的零件，引导客户订购自定义热膨胀或弹性的产品。为了证实该潜力，该公司3D打印了一种金属基复合材料，让铝与连续陶瓷纤维混合。
“正常的复合材料可能由碳纤维和环氧树脂构成，”Norfolk指出。“金属基复合材料用铝取代环氧树脂，所以屈服强度更大。该材料没有使用碳，每平方英寸该材料有200千磅陶瓷纤维。”因此，零件重量轻，但强度极大。同时，由于铝的使用，该零件可焊接到另一个常规制造的结构上。
这一技术可能不是一种增材制造形式，但是对于NASA、波音等客户来说，结果可能要比过程更重要。在这种情况下，用户们最终可能得到的是具有新材料特性的智能金属零件或组件。正如Norfolk所说，Fabrisonic的UAM技术能够混合两种不同的材料，得到一种无法天然得到的新的工程特性。

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