超聲波金屬3D打印技術為NASA制造智能部件
當大多數人想到3D打印時，他們想到的是典型的增材過程，在這一過程中許多層材料被融合成期望的最終形狀。然而，增材制造并不總是完美制成最終產品。事實上，為了創建最終零件，大多數金屬3D打印工藝還需要額外的研磨或其他處理措施。
由于這個原因，有一些公司，如Mazak、 DMG MORI和Cincinnati Inc.，將增材和減材結合來實現預期的結果。最近有一家公司開發了一種新型混合制造技術，被稱為超聲波增材制造（UAM）。通過利用聲波而不是熱能，Fabrisonic的UAM平臺可被用于一些其他系統做不到的應用。
在接受媒體采訪時，Fabrisonic公司CEO Mark Norfolk解釋說，UAM機器實際上是一個內置了超聲波焊接技術的數控銑床。薄薄的金屬箔被一層一層放置，繼而用超聲波焊接在一起。然后用銑床切割密集堆放的金屬片，以創建出最終零件。
不像其他金屬3D打印工藝，在UAM中金屬不是被高溫熔化。這就是UAM工藝的重要優勢。“溫度不會超過200華氏度，”Norfolk闡述道。“這使我們能夠嵌入傳感器，因為我們的零件不熱。我們只是停止構造，鉆出一個小通道，在里面放入一個傳感器，然后繼續在上面構造。再者，它是在低溫下工作，不會損壞傳感器。”
Fabrisonic通過制造服務而不是賣設備獲得收入的80%，它發現一些客戶要求將熱電偶嵌入金屬零件。將熱電偶嵌入金屬零件，或者固定在零件的外部，這兩種情況都需要熱傳感器在熱環境或化學反應環境下提供溫度讀數，并保護熱電偶不受潛在的危險環境影響。
對于一個客戶來說，這個創建熱交換器的過程意味著混合化學物質，根據Norfolk的說法這是一個熱相關過程。他解釋道：“你把化學物質A、B和C放到一起進行化學反應，然后生成了化學物質D。我們把熱電偶沿著液體的混合通道相鄰放置八九個位置，使客戶精確知道它們混合的溫度。
有了適當的熱反饋，客戶會更好地了解如何控制這些化學品的流量。在獲得這些傳感器之前，他們需要使用非常緩慢的流速，以防止化學品混合過程出現問題。
這個過程可以應用于各種各樣的電子產品，包括加速度計、應變計，甚至光纖電纜。通過NASA的小企業創新研究獎，Fabrisonic能夠與一些合作伙伴一起探討如何將光纖嵌入金屬零件，以監控影響組件的整體應力。
Norfolk描述了這種被稱為光纖布拉格光柵（FBG）的光纖如何工作，他說，“把光纖嵌入金屬。線里面是一些會反射光線的小劃痕。你可以測量這些劃痕之間的距離，并且，作為一個能拉伸的零件，你可以看到這些劃痕變得更大。這是衡量一個固體零件應變的方法。”
Fabrisonic的CEO進一步解釋說，一個100微米的纖維上可以有多達100個應變計，這使得將測量儀器遍布零件成為可能。在飛機機翼上，一個包含光纜的零件可以被放置在前端，為機翼整體情況提供重要的健康監測數據。
該技術在石油和天然氣工業中也有應用，在那里，FBG可以檢測到井下或幾英里輸油管道的零件應力。Norfolk指出它對于檢測地震造成的管道磨損特別有用。公司目前已經完成了項目的一個階段，正在著手進行第二階段，這一階段將會使產品商業化。在這個2年階段內，Fabrisonic將會進行技術授權和優化，Norfolk預計FBG將被添加到飛行樣機上。
除了正在進行的NASA項目外，Fabrisonic正在探索將UAM用于制造專業輻射屏蔽。而輻射屏蔽會涉及到不同金屬的組合，包括鉭、稀土、鈦、鎢，Fabrisonic看到了構建多功能零件的優勢。
“我們可以用一種非常特定的公式來打印以進行輻射屏蔽，“Norfolk說。“聽起來很有趣，但是你可以把這些金屬一層層堆疊。我們正在做的是將這些整合在一個非常獨特的方法中。我們會給衛星做一個熱交換器，所以我們要散出熱量。這種結構內部有一個異構體，所以它是結構化的。現在零件有保溫和結構特性。之后我們會用防護材料覆蓋它，所以零件也可以輻射屏蔽。我們正在做的是打印多功能的多元零件。”
結合不同材料的能力使得Fabrisonic可以制造其他具有獨特性能的零件，引導客戶訂購自定義熱膨脹或彈性的產品。為了證實該潛力，該公司3D打印了一種金屬基復合材料，讓鋁與連續陶瓷纖維混合。
“正常的復合材料可能由碳纖維和環氧樹脂構成，”Norfolk指出。“金屬基復合材料用鋁取代環氧樹脂，所以屈服強度更大。該材料沒有使用碳，每平方英寸該材料有200千磅陶瓷纖維。”因此，零件重量輕，但強度極大。同時，由于鋁的使用，該零件可焊接到另一個常規制造的結構上。
這一技術可能不是一種增材制造形式，但是對于NASA、波音等客戶來說，結果可能要比過程更重要。在這種情況下，用戶們最終可能得到的是具有新材料特性的智能金屬零件或組件。正如Norfolk所說，Fabrisonic的UAM技術能夠混合兩種不同的材料，得到一種無法天然得到的新的工程特性。
（編譯自Engineering）
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