3D打印最新技术追踪——超声波增材制造

现在一提起3D打印技术，人们往往会想到比较传统的经典增材制造技术，比如选区激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结技术（DMLS），激光立体成形技术（LSF）等，而这些增材制造技术的原理并无差异，都是由许多层材料融合成最终的产品形状。但是，对于这些增材制造技术而言，并不总是那样完美地成形产品的最终形状。事实上，对于熟悉金属3D打印技术的人而言，3D打印分为两个不同的成形过程，一个是近净成形过程，激光立体成形（LSF）、激光熔覆技术（LFD）等属于近净成形过程；另一个是净成形过程，比如选区激光熔化（SLM）等属于净成形工艺。对于近净成形工艺而言，大多数的金属3D打印零件都需要后续的加工，比如研磨，抛光等手段，只是加工工序与传统加工技术相比要小得多。

事实上，有一种特殊的金属3D打印技术，属于金属3D打印领域的冷门技术——超声波增材制造技术（UAM）。超声波增材制造（UAM）这个名字听起来虽然新鲜，但他它也是基于一种传统的加工工艺，叫做“超声波焊接”。超声波焊接是指利用超声波的振动能量使两个需焊接的表面摩擦，形成分子间融合的一种焊接方式。而当这种焊接方式被应用到3D打印机上时，也就成就了这项新的3D打印工艺：“超声波增材制造”。

目前，该技术主要用于为机器设备上的传感器打造金属保护壳。因为一般大型设备中经常要面临的问题是传感器的维护，这些传感器往往会由于腐蚀、磨损和冲击等原因随着时间而老化失效。为了延长其使用寿命，使用者往往会在其外面罩上一层金属保护壳。

超声波增材制造（UAM）使用超声波去熔融普通用金属薄片拉出的金属层，从而完成3D打印。该方法能够实现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。

UAM的制造过程包括通过超声波逐层连续焊接金属片，并不时通过机械加工来实现指定的3D形状，从而形成坚实的金属物体。这种技术有点像Mcor公司的纸质3D打印技术，只不过Mcor使用的是复写纸和粘合剂，而UAM则是使用金属片和超声波。通过结合增材和减材处理能力，UAM可以制造出深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构，以及其它复杂的几何形状，这些结构和形状是无法使用传统的减材制造工艺完成的。

另外，因为金属没有被加热焊接，所以许多电子装置可以嵌入而不损坏。过去使用常规焊接技术加工智能材料所面临的最大挑战就是，材料融化往往会大大降低智能材料的性能。因为UAM工艺是固态的，不涉及熔化，这个工艺可以用来将导线、带、箔和所谓的“智能材料”，比如传感器、电子电路和致动器等完全嵌入密实的金属结构，而不会导致任何损坏。因此，电磁波增材制造非常适用于“智能材料”的打印以及“智能结构”成形。

首先简单介绍一下“智能材料”。截止到现在， ”智能材料“还没有形成一个具体的定义，一般意义上讲，所谓的“智能材料”就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。常见的有压电体、电致伸缩和电活性聚合物（机电耦合），磁致伸缩（磁耦合）和形状记忆合金（热机械耦合）等。

UAM可以结合智能材料本身的特点随时改变不同结构零部件材料的特点，因此UAM技术具有以下优势：

（1）高速金属增材制造，成形复杂结构。

UAM与传统3D打印技术一样，同样具有成形的高效性与高复杂性，属于自由净成形工艺。

（2）固态焊接可以实现：异种金属的接合、包层、金属基复合材料、“智能”或反应式结构。

UAM工艺是基于传统的电磁波焊接技术，因此，成形过程可以实现固态焊接，实现异种金属的链接或包层。

（3）低温工艺可以实现：电子嵌入防篡改结构、非破坏性、完全封装的光纤嵌入。

UAM工艺不需要高温环境，在低温下就可以实现制造过程，因此，对于那些在高温下会改变本身特性的材料而言，UAM可以轻松实现复杂结构的成形或者对结构需要封装的嵌入制造过程。

在工程上应用方面，由于形状记忆合金材料方面的许多应用受限于材料本身的物理特性，往往只能使用UAM技术。此外，在航空航天领域，由于材料受热膨胀会造成翘曲的制动转子、涡轮机中的间隙变化等负面问题，它的低温成形工艺特点还能有效解决材料的热膨胀问题。而在一定的温度范围内，记忆合金材料具有与热胀冷缩相反的特性，即其在加热时实际上是收缩的。因此通过在另一种金属中嵌入形状记忆合金材料，可以降低整体结构的热膨胀系数。拥有这种热膨胀系数的材料可以用于需要高精确度的旋转部件，如飞机涡轮机方面的应用。

其它方面的应用包括使用UAM技术将叠加了智能材料的形状记忆合金材料嵌入弹簧钢以开发出可实现带扩展频带的多频带/宽带光圈开关网络。

编辑：窗前听雨 欢迎加入材料人“材料人3D打印交流群 436368744”

参考：天工社，中国3D打印网，3D沙虫网，百度百科及其他网络资源。