解析:超声波增材制造技术

蓝林笑生2017-08-01 14:21

     近年国外发展起一套新的超声波增材制造技术,它采用大功率超声能量,以金属箔材作为原材料,利用金属层与层之间振动摩擦产生的热量,促进界面间金属原子相互扩散并形成界面固态物理冶金结合,从而实现金属带材逐层叠加的增材制造成形,同时将固结增材过程与数控铣削等减材工艺相结合,实现了超声波成形与制造一体化的超声波增材制造技术。与高能束金属快速成形技术相比,超声波增材制造技术具有温度低、无变形、速度快、绿色环保等优点,适合复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造,在航空航天、器装备、能源、交通等尖端领域有着重要的应用前景。

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    一、超声波增材制造技术的发展
    1、超声波金属焊接的发展

    超声波金属焊接技术是19 世纪30 年代偶然发现的。当时在做电流点焊电极加超声波振动试验时发现不通电流也能进行焊接,因而发展了超声金属冷焊技术。虽然超声波金属焊接技术的发现比超声波塑料焊接要早,但目前应用较广的还是超声波塑料焊接,这是因为超声波塑料焊接对于焊头质量和换能器功率的要求要比金属焊接低得多。所以,由于受超声波换能器功率的限制,多年来超声波焊接技术在金属焊接领域没有得到很好的应用和发展,主要局限于金属点焊、滚焊、线束和封管4个方面。
    超声波增材制造装备的关键是大功率超声波换能器,美国采用推-挽(push-pull)技术,通过将两个换能器串联,成功制造出了9kW 大功率超声波换能器,推- 挽(push-pull)式超声波换能器原理如图1 所示。大功率超声波换能器的出现使得超声波焊接技术能够对一定厚度金属箔材实现大面积快速固结成形,为超声波增材制造技术的发展奠定了技术基础。

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    2、超声波固结成形机理
    超声波固结成形技术是采用大功率超声波能量,以金属箔材作为原料,利用金属层与层之间振动摩擦而产生的热量,促进界面间金属原子的相互扩散并形成固态冶金结合,从而实现逐层累加的增材制造成形。图2为超声波固结原理示意图,当上层的金属箔材在超声波压头的驱动下相对于下层箔材高频振动时,由于摩擦生热导致箔材之间凸起部分温度升高,在静压力的作用下发生塑性变形,同时处于超声能场的金属原子将发生扩散形成界面结合,从而实现金属逐层增材固结成形制造。将增材快速成形与数控铣削等工艺相结合,形成超声波固结成形与制造一体化的3D 打印技术。

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    3、超声波增材制造技术的优点
    与高能束金属零件快速成形技术相比,超声波固结成形与制造技术具有以下优点:
    (1)原材料是采用一定厚度的普通商用金属带材,如铝带、铜带、钛带、钢带等,而不是特殊的增材制造用金属粉末,所以原材料来源广泛,价格低廉。
    (2)超声波固结过程是固态连接成形,温度低,一般是金属熔点的25%~50%,因此材料内部的残余内应力低,结构稳定性好,成形后无须进行去应力退火。
    (3)节省能源,所消耗的能量只占传统成形工艺的5% 左右;不产生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染,因而是一种节能环保的快速成形与制造方法。
    (4)该技术与数控系统相结合,易实现三维复杂形状零件的叠层制造和数控加工一体化,可制作深槽、空洞、网格、内部蜂巢状结构,以及形状复杂的传统加工技术无法制造的金属零件,还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度功能。
    (5)超声波固结不仅可以获得近100% 的物理冶金界面结合率,且在界面局部区域可发生晶粒再结晶,局部生长纳米簇,从而使材料结构性能
提高。此外,固结过程箔材表面氧化膜可以被超声波击碎,无需事先对材料进行表面预处理。
    (6)该技术不仅可用于金属基复合材料和结构、金属泡沫和金属蜂窝夹芯结构面板的快速铺设成形和制造,且由于该技术的制造过程是低温固态物理冶金反应,因而可把功能元器件植入其中,制备出智能结构和零部件。
    (7)除了用于大型板状复杂结构零部件以外,超声波固结成形装备还可用于制造叠层封装材料、叠层复合电极、薄材叠层,并且采用这些材料以及后处理工艺制作出精密电子元器件封装结构和复杂的叠层薄壁结构件。

    二、超声波增材制造装备
    在研发出大功率超声波换能器的基础上,美国首先研发了国际上第一台利用超声波能量固结成形的非高能束成形增材制造装备。该系统单道次固结的金属箔材宽度达到25mm,实现了超声波固结从点对点到面对面的拓展。经过10 余年的发展,目前超声波增材制造装备已发展到第三代产品。

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    表1 为美国一、二、三代超声波增材制造装备技术指标对比。从总体技术水平来看,第一代产品仅能被称作为原型机,许多功能并不完善。第二代装备在第一代的基础上增加了3 轴CNC 加工系统、自动送料系统并扩大了工作空间,第三代装备则又进一步扩大了工作空间和焊头的最大垂直载荷,从而使之具有快速制造大尺寸零部件的能力,第三代超声波增材制造装备如图3 所示。美国第三代超声波增材制造装备的工作空间大小已达到(1800×1800×900)mm3,而且加工的材料也从最初的低强度铝合金扩展到了Cu、316 不锈钢、 Ni 和Ti-6-4 合金等。

    美国研发的具有快速制造能力的超声波增材制造装备和技术代表了目前国际超声波增材成形与制造技术的最高水平,它可以用于金属叠层复合材料、纤维增强金属层状复合材料、叠层智能结构等的快速制造,也可用于深槽、空洞、网格、内部蜂巢状结构体等形状复杂的金属零件的快速成形与制造。由于超声固结材料、技术和设备的特殊用途及其在军工领域的应用背景,美国对中国实施严格的技术封锁,禁止有关公司向中国出口超声波固结设备和技术。

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    三、超声波增材制造技术的应用
    由于超声波增材制造技术独特的低温制造优点,在制造需嵌入功能性元器件的复合材料和结构时,能够保证功能元器件不被损坏和失效,因此尤为适合将功能性元器件嵌入制成功能/ 智能材料和结构。同时,其独特的叠层制造方式,以及增材制造中增材/ 减材相搭配的制造方法,使得超声波增材制造技术成功地应用于同种、异种金属层状复合材料、纤维增强复合材料、梯度功能复合材料与结构、智能材料与结构。此外,超声波增材制造技术还被应用于电子封装结构、航空零部件、金属蜂窝板结构、热交换器等复杂内腔结构零部件的制造。因此,该技术和装备在航空航天、国防、能源、交通等尖端支柱领域有着重要的应用前景。下面简要介绍超声波增材制造技术在复合材料与结构、零部件等制造中的应用。
    1、层状材料和结构材料
    超声波增材制造技术的应用之一即为层状材料的叠层堆积制造,可制备出叠层复合材料。无论是对于同种金属还是异种金属都能取得理想的固结质量。在层状材料的制备中,超声波增材制造技术有着相比其他制备方法更加迅速、节能的优点,并能达到近100% 的界面结合率及良好界面结合强度(图4 为超声波固结Ti/Al 异种金属SEM 扫描图像)。在金属间化合物基层状复合材料的两步法制备过程中,超声波固结方法已成功制造出Ti/Al 叠层毛坯,用于后续的烧结制备金属间化合物基层状复合材料。

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    2、纤维增强复合材料
    现有的材料技术已经越来越多地由之前的纯金属及合金转向复合材料的应用研究。虽然复合材料有着许多纯材料及合金无法比拟的优点,但相关学者仍在不断地寻找复合材料的强化机制。以层状复合材料为例,在基体中埋入SiC 陶瓷纤维或者NiTi 形状记忆合金纤维,能够在很大程度上改善原有复合材料的强度和韧性等力学指标以及取得减震降噪等特殊性能,达到材料的强韧化及功能性等目的。采用超声波增材制造技术制造出的Al2O3 纤维增强铝基复合材料如图5(a)所示,碳芯SiC 纤维强化Ti/Al 复合材料如图5(b)所示。

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    3、功能/智能材料
    利用超声波增材制造技术已经成功地在金属基体中埋入光导纤维、多功能元器件等,从而制造出金属基功能/ 智能复合材料。在金属基体中直接植入电子元器件等能够在很大程度上提高元器件的精密度,并简化结构,提高空间利用率。同时,超声波增材制造过程中进行的局部低温固态物理冶金反应,避免了高能束成形制造时导致植入元器件的失效和增强体性能的劣化问题。试验表明,采用优化的超声波增材制造技术,在铝合金叠层中埋入的光纤没有出现明显的变形和破坏,保持了原有的性能。图6 所示为铝基体中使用超声波增材制造方法嵌入光纤材料的功能材料。

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    4、金属蜂窝夹芯板结构
    超声波增材制造技术的另一个应用是金属蜂窝夹芯板的制造。众所周知,目前航空航天领域对于新一代的超轻高强材料的需求迫切,复合材料虽然能够在一定程度上满足这些需求但还不够完美,利用超声波增材制造技术能够制造出新一代轻质金属蜂窝夹芯板结构材料,中空蜂窝骨架结构的支撑及表层金属共同构成的三明治夹心结构优化了强度和密度比,使其拥有优异的力学性能和轻质特性。图7 所示为超声波增材制造技术制备出的金属蜂窝夹芯板。

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    5、金属叠层零部件制造
    由于超声波增材制造技术能够制造出内腔复杂、精确的叠层结构,所以近年来在金属零部件制造领域中的应用前景渐显。逐层制造的特点使得很容易设计并制造出独特的内部结构,可应用于精密电子元器件的封装(图8(a)),铝合金航空零部件(图8(b))的快速制造和铝合金微通道热交换器(图8(c))等零部件及结构件的制造。

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    四、结束语
    当前,增材制造技术已经从研发转向产业化应用,数字化增材制造技术在高形状复杂度、高功能复杂度、低成本和轻量化零件的制造方面发挥着巨大的作用,被认为是现代制造业的一次工业革命,正在向高功能、高性能材料零件直接制造方向发展。作为增材制造技术的一种,超声波增材制造技术具有诸多技术优点,并可以预见到在多个领域内有很大的发展前景。但对目前而言,超声波增材制造技术还存在一些不足,如目前的超声波功率只能对厚度小于0.4mm的铝箔进行快速成形,对于钛合金可实施固结的厚度则更小。这是因为当超声波固结技术应用于较大厚度和较高强度金属板材时,需要大幅提高超声波换能器的输出功率,这给加载系统声学设计及制造带来一系列难以解决的问题。所以,如何拓宽超声波增材制造技术的工艺适用范围和加工能力,满足厚度大和强度高金属板材的增材制造是目前国内外研究的热点。
    超声波增材制造技术在原有较为初级的超声波金属焊接的基础上经过不断发展,在技术上突破了对金属材料焊接应用中焊头强度和换能器功率的限制,具有能够固结大尺寸连续材料的能力,并具有了其他传统制造方法所欠缺的快速精密制造能力。虽然目前超声波增材制造技术还不及其他几种高能束增材制造方法完善,但由于其独特的低温快速、绿色环保的技术特点,可以预见在未来能够应用于很多领域,如大型复杂薄壁板状零部件、连续纤维轻金属预制带材、金属泡沫蜂窝夹芯板材、智能复合材料与结构、复合材料叠层电极等的快速成形和制造。超声波快速固结成形制造技术必将成为现代先进制造技术的一个不可取代的分支。


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