蝙蝠俠:別以為我們只會超聲探路,我們還會搞3D金屬打印

美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)整理的金屬3D打印主要包括四大技術,分別是:粉末床燒結(SLS),粉末床融化(SLM,EBM),直接能量沉積(LENS),粘結劑噴射(3DP)。另外像化學氣相沉積(CVD)、物理蒸汽沉積(PVD)、液態金屬射流3D打印以及在高速氣體流中沉積金屬粒子的冷噴塗技術等新技術的出現也為金屬3D打印的進一步發展提供了更多的發展機會。

然而除了美帝科學家歸結的這些,另一種能量源的啟用,讓3D金屬打印機家族又添丁壯大了。這種能量源和大名鼎鼎的蝙蝠俠有關。蝙蝠在夜間飛行不是靠眼睛看的,而是靠耳朵和發音器官飛行的。蝙蝠在飛行時,會發出一種尖叫聲,這是一種超聲波信號,是人類無法聽到的,因為它的音頻很高。

蝙蝠俠:別以為我們只會超聲探路,我們還會搞3D金屬打印

超聲波是一種頻率高於20000赫茲的聲波,它的方向性好,穿透能力強,易於獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠,可用於測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫學、軍事、工業、農業上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大於人的聽覺上限而得名(人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz-20000Hz)。

理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個物體振動的能量與振動頻率成正比,超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大。近年國外發展起一套新的超聲波增材製造技術,它採用大功率超聲能量,以金屬箔材作為原材料,利用金屬層與層之間振動摩擦產生的熱量,促進界面間金屬原子相互擴散並形成界面固態物理冶金結合,進一步提高焊接面的強度,而後周而復始,層層疊加,從而實現金屬帶材逐層疊加的增材製造成型。

蝙蝠俠:別以為我們只會超聲探路,我們還會搞3D金屬打印

上圖為超聲波固結原理示意圖,當上層的金屬箔材在超聲波壓頭的驅動下相對於下層箔材高頻振動時,由於摩擦生熱導致箔材之間凸起部分溫度升高,在靜壓力的作用下發生塑性變形,同時處於超聲能場的金屬原子將發生擴散形成界面結合,從而實現金屬逐層增材固結成形制造。

與高能束金屬零件快速成形技術相比,超聲波固結成形與製造技術具有以下優點:原材料採用普通商用金屬帶材而非特製金屬粉末,來源廣泛,價格低廉;超聲波固結過程材料內部的殘餘內應力低,結構穩定性好,成形後無須進行去應力退火;節省能源,所消耗的能量只佔傳統成形工藝的5% 左右;可以獲得近100% 的物理冶金界面結合率,且在界面局部區域可發生晶粒再結晶,局部生長納米簇,從而使材料結構性能提高。此外,固結過程箔材表面氧化膜可以被超聲波擊碎,無需事先對材料進行表面預處理。

光是原材料來源這一點,成本上的優勢就讓超聲波增材製造技術在3D打印領域有鶴立雞群的優越感。更特別的是,超聲波增材製造技術具有獨特的低溫製造優點,在製造需嵌入功能性元器件的複合材料和結構時,能夠保證功能元器件不被損壞和失效,因此尤為適合將功能性元器件嵌入製成功能/ 智能材料和結構。目前利用超聲波增材製造技術已經成功地在金屬基體中埋入光導纖維、多功能元器件等,從而製造出金屬基功能/ 智能複合材料。

經過10 餘年的發展,目前超聲波增材製造裝備已發展到第三代產品。美國第三代超聲波增材製造裝備的工作空間大小已達到(1800×1800×900)mm3,而且加工的材料也從最初的低強度鋁合金擴展到了Cu、316 不鏽鋼、 Ni 和Ti-6-4 合金等。

今年2月份,美國俄亥俄州金屬3D打印技術公司Fabrisonic獲得一項新的美國專利(專利號為9446475),專利內容是採用一種能在其已有超聲波增材製造(UAM)設備中協同定位增材、減材單元的技術。該公司以超聲波增材製造技術而著稱,宣稱此項專利進一步提高了其金屬混合3D打印設備的能力。這項創新性的技術使用聲波來逐層熔融金屬薄片來成形三維結構。這意味著整個成形過程不需要很高的溫度,可在正常的工廠環境下使用。

Fabrisonic公司的代表作是以超聲波增材製造技術(Ultrasonic Additive Manufacturing,簡稱UAM) 為核心的工業級金屬3D打印機:SonicLayer 4000和7200。它採用超聲波焊接層層放置的金屬箔得出大致形狀(3D打印增材過程),然後用銑床切割(傳統減材過程),以得到最終零件。將增材快速成形與數控銑削等工藝相結合,就形成了超聲波固結成形與製造一體化的3D 打印技術。

遺憾的是,由於超聲固結材料、技術和設備的特殊用途及其在軍工領域的應用背景,美國對中國實施嚴格的技術封鎖,禁止有關公司向中國出口超聲波固結設備和技術。

一方面美帝對華封鎖超聲波3D製造技術,另一方面,對於美國DC漫畫旗下超級英雄——蝙蝠俠(Batman),在“閹割”掉其超聲技術武裝後,他們倒是很大方地向中國兜售撈金了。

蝙蝠俠:別以為我們只會超聲探路,我們還會搞3D金屬打印

雖然目前超聲波增材製造技術還不及其他幾種高能束增材製造方法完善,但由於其獨特的低溫快速、綠色環保的技術特點,可以預見在未來能夠應用於很多領域,如大型複雜薄壁板狀零部件、連續纖維輕金屬預製帶材、金屬泡沫蜂窩夾芯板材、智能複合材料與結構、複合材料疊層電極等的快速成形和製造。

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