增材制造和切削混合加工机床（二）

    4 Fabrisonic的超声增材制造

    美国Fabrisonic公司是一家与众不同的工业级三维打印机生产商。该公司使用爱迪生焊接研究所的专利开发了一种将超声波焊接与数控加工结合起来的技术，称为超声增材制造( ultrasonic additive manufacturing，UAM)。超声增材制造与LSA、FDM、SLS等增材制造(3D打印)工艺不同，不是采用液态树脂固化、丝材熔融涂覆或激光粉末烧结，而是用超声波去熔融带状金属薄片，一层层叠加起来，从而实现基于叠层制造(layer manufacturing)原理的三维打印。超声增材制造与分层实体的薄材选择性切割(LOM)有些类似，不过不是将纸用激光轮廓切割后一层层粘接成零件，而是使用频率高20000Hz的超声波施加在金属片上，借助超声波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续地焊接金属片，并同时通过机械加工来实现精细的三维形状，从而形成坚实的金属物体。其原理如图16所示。

    图16 超声增材制造(3D打印)的原理

    借助Fabrisonic的方法可以同时“打印”多种金属材料，如铝、铜、不锈钢和钛合金。由于超声焊接的工作温度很低，不会产生不必要的金相变化。该工艺能够使用成卷的铝或铜质金属箔片制造出有高度复杂内部通道的金属部件。

    大多数金属三维打印机成形效率较低，小于100cm3，且工作空间有限。Fabrisonic公司的SonicLayer系列超声增材制造机床的打印效率能达到250cm3～500cm3，其工作台面积为1000mm×600mm，机床外观和工作空间如图17所示。

    从图中可见，SonicLayer000超声增材制造机床的结构分为两部分，中间是用于铣削加工的主轴，功率19kW，转速8000r/min;右侧为9kW的超声增材制造焊头，焊接力1200kg，最大进给速度5000mm/min，用于增材制造金属零件。

    由此可见，这种超声增材制造设备是在3轴数控机床的基础上衍生出来的，焊接过程可以在任何时点停止，然后再用机械加工做出内部的三维通道。然后再用增材制造将其密封起来。

    由于电子设备往往会产生热量，热管理组件往往会成为设计的关键部分。这种热交换器装置过去是借助数控机床加工而成的，但机加工在创建复杂的通道以及阵列式的交叉钻孔和内部路径的能力十分有限。而如今可以通过超声增材制造来制造出拥有复杂内部通路的金属部件，使其具备良好的热传导性。因为超声增材制造工艺是固态的，温度低于250℃，没有达到金属熔化温度。超声增材制造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，从而为电子器件的设计带来新的可能性，如图18所示。

    图17 超声增材制造机床的外观和工作空间

    图18 超声增材制造的典型应用

    5 结语

    增材制造与传统切削加工的集成在一起，解决了许多传统加工方法，包括3D打印的难题，为产品设计师开创拓了的新的创新空间，成为智能制造的一支新的生力军。