近日，美國(guó)航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）采用一種不同于基于激光或電子束的增材制造工藝生產(chǎn)了一種鋁合金航天器用熱交換裝置。采用新設(shè)計(jì)的熱交換器取代了在長(zhǎng)期任務(wù)或極端條件下可能出現(xiàn)故障的數(shù)十個(gè)小零件和接頭，不僅對(duì)太空應(yīng)用而且在石油鉆井和航空等領(lǐng)域都有潛在益處。NASA JPL 技術(shù)專家表示，該工藝所能解決的不僅是一個(gè)任務(wù)的一個(gè)問題，同時(shí)將為NASA和工業(yè)界解決一類問題。該工藝就是由Fabrisonic公司推出的超聲波增材制造（UAM）技術(shù)。

超聲波增材制造實(shí)現(xiàn)了鋁合金熱交換器的整體制造

超聲波增材制造的技術(shù)原理

超聲波增材制造（UAM）是基于傳統(tǒng)的 “超聲波焊接”工藝，其利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。而當(dāng)這種焊接方式被應(yīng)用到3D打印機(jī)上時(shí)，也就成就了這項(xiàng)新的3D打印工藝——“超聲波增材制造”。

超聲波增材制造原理

超聲波增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)不同金屬間的冶金結(jié)合

超聲波增材制造采用金屬薄片為材料，能夠?qū)崿F(xiàn)真正冶金學(xué)意義上的熔合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。UAM的制造過程包括通過超聲波逐層連續(xù)焊接金屬片，并不時(shí)通過機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn)指定的3D形狀，從而形成堅(jiān)實(shí)的金屬物體。通過結(jié)合增材和減材處理能力，UAM可以制造出深槽、中空、柵格狀或蜂窩狀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及其它復(fù)雜的幾何形狀，這些結(jié)構(gòu)和形狀通常無法使用傳統(tǒng)減材制造工藝完成。此外，該技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)是能夠制造多金屬零件。

超聲波增材制造生產(chǎn)多材料一體化構(gòu)件

自 2011 年成立以來，F(xiàn)abrisonic 已多次與 NASA 合作。2018 年，F(xiàn)abrisonic和NASA JPL開始探索如何使用超聲波增材制造來生產(chǎn) 3D打印熱交換器。當(dāng)時(shí)，3D 打印組件通過了NASA的質(zhì)量控制測(cè)試，并被認(rèn)為可以在太空使用。今年早些時(shí)候，NASA JPL宣布他們使用 Fabrisonic的設(shè)備為衛(wèi)星開發(fā)了價(jià)值更高的3D打印熱交換器。

3D打印的散熱器由鋁和銅兩種材料構(gòu)成，可以讓熱量更均勻地分布在整個(gè)表面

在太空中，極端溫度可能會(huì)有數(shù)百度變化。熱交換器可以通過吸入或排出熱量來幫助航天器內(nèi)部保持穩(wěn)定溫度。熱交換器通常內(nèi)置流道，并連接到帶有支架和環(huán)氧樹脂的金屬板上。傳統(tǒng)上，熱交換器由多個(gè)相互連接的部件組成，這會(huì)給設(shè)備帶來許多潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，NASA JPL選擇采用UAM技術(shù)3D打印一體化的熱交換器。

由UAM技術(shù)3D打印的大尺寸熱交換器

事實(shí)證明，整體制造可以使組件的可靠性得到顯著提高，并降低長(zhǎng)期太空任務(wù)或地球極端條件下的故障可能性。3D打印熱交換器還帶來了性能提升，與通過傳統(tǒng)方法制造的熱交換器相比，重量減輕了約 30%，性能提高了30%。除此之外，這項(xiàng)技術(shù)在幾天之內(nèi)便完成了這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件生產(chǎn)，縮短了NASA航天器的開發(fā)周期。

含有內(nèi)部通道的鋁銅復(fù)合材料部件

除鋁和銅的一體化制造之外，NASA JPL還利用Fabrisonic的UAM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬鉭與鋁合金部件的結(jié)合。為保護(hù)電子組件免受強(qiáng)烈空間輻射并保持組件盡可能輕巧，NASA JPL在鋁合金航天部件的中間添加了能夠抗輻射的金屬鉭層，從而獲得了既抗輻射又極輕的3D 打印組件，該組件的每種金屬特性均保持不變并能按預(yù)期運(yùn)行。

除以上應(yīng)用之外，NASA還于2020年在 SBIR項(xiàng)目中使用UAM技術(shù)成功將不同的非晶合金與其他金屬合并來克服腐蝕問題。

超聲波增材制造生產(chǎn)內(nèi)置傳感器的“智能結(jié)構(gòu)”

因?yàn)榻饘贈(zèng)]有被加熱焊接，UAM技術(shù)可以在零件的制造過程中嵌入電子裝置同時(shí)不會(huì)發(fā)生損壞。過去使用常規(guī)焊接技術(shù)加工智能材料所面臨的最大挑戰(zhàn)就是，材料融化往往會(huì)大大降低智能材料的性能。因?yàn)閁AM工藝是固態(tài)的，不涉及熔化，這個(gè)工藝可以用來將導(dǎo)線、帶、箔和所謂的“智能材料”，比如傳感器、電子電路和制動(dòng)器等完全嵌入密實(shí)的金屬結(jié)構(gòu)，而不會(huì)導(dǎo)致任何損壞。因此，超聲波增材制造非常適用于“智能材料”的打印以及“智能結(jié)構(gòu)”成形。

內(nèi)置電子裝置的“智能結(jié)構(gòu)”

NASA在其航空測(cè)試中利用通過UAM技術(shù)打印的光纖傳感器來檢測(cè)商用機(jī)身的弱點(diǎn)和性能問題。這些傳感器使用UAM技術(shù)內(nèi)置于鋁合金零件內(nèi)部，能夠獲取有關(guān)金屬健康和性能的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于外層金屬的保護(hù)，傳統(tǒng)器可以在太空等惡劣環(huán)境中工作。除此之外，NASA還于 2019年采用UAM技術(shù)將傳感器直接3D打印到了燃料管道中，用來收集低溫燃料管道中的數(shù)據(jù)，以更好地了解發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。

內(nèi)置傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料管道

UAM可以結(jié)合智能材料本身的特點(diǎn)隨時(shí)改變不同結(jié)構(gòu)零部件材料的特點(diǎn)，因此UAM技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）高速金屬增材制造，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

UAM與傳統(tǒng)3D打印技術(shù)一樣，同樣具有成形的高效性與高復(fù)雜性，屬于自由凈成形工藝。

（2）固態(tài)焊接可以實(shí)現(xiàn)：異種金屬的結(jié)合、包層、金屬基復(fù)合材料、“智能”或反應(yīng)式結(jié)構(gòu)。

UAM工藝是基于傳統(tǒng)的電磁波焊接技術(shù)，因此，成形過程可以實(shí)現(xiàn)固態(tài)焊接，實(shí)現(xiàn)異種金屬的鏈接或包層。

（3）低溫工藝可以實(shí)現(xiàn)：電子嵌入防篡改結(jié)構(gòu)、非破壞性、完全封裝的光纖嵌入。

END

UAM工藝不需要高溫環(huán)境，在低溫下就可以實(shí)現(xiàn)制造過程，因此，對(duì)于那些在高溫下會(huì)改變本身特性的材料而言，UAM可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形或者對(duì)需要封裝的嵌入結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制造?；趥鹘y(tǒng)工藝的新型3D打印形式正在使增材制造工藝的種類更加豐富，同時(shí)也滿足了更多的制造需求。除超聲波增材制造工藝外，3D打印技術(shù)參考在往期文章中提到的攪拌摩擦焊也是其中一種。