全球首款,超声波增材制造技术

[据复合材料世界网站2015年6月3日报道]纺织结构复合材料技术是应用编织、机织、针织及缝织技术来制作3D增强体,然后将增强体与粘结剂或基体结合,来制造复杂形状。尽管纺织结构复合材料具有结构完整、损伤容限和成本效益高的优势,但是其制造中的根本性技术障碍的存在,导致了复合材料性能的不一致。目前,美国特拉华大学研究人员正在进行利用增材制造技术制作3D复合材料预制件的可行性研究。研究成果于2015年5月23日发表于《今日材料》网络版上。增材制造技术是一种从计算机模型直接逐层堆积构建物体的工艺。该技术无需工具及机械加工,就能直接制造复杂形状物体,也消除了将大量简单零件连接成一个整体复杂件的需求。在传统工艺中,复杂零件通常是由不同的简单零件组装而成,这引起了材料连接处过早的结构失效。该工艺可缩短交付周期并可进行小批量定制。增材制造的另一个优势是在加工阶段,在零件的特定位置材料成分可以改变,确保在制造期间,各种功能及梯度性能的直接并入。在增材制造中,材料仅仅放置在需要的地方,剩余材料常常易于回收再利用,减少了材料浪费。这些优势使得增材制造在复合材料开发中具有吸引力。美国特拉华大学研究人员正在进行利用增材制造技术制作3D复合材料预制件的可行性研究,并针对该项研究于2015年5月23日在《今日材料》网络版上发表了题为《多向复合材料预制件增材制造的机遇与挑战》的论文,综述了复合材料发展现状,讨论了在定向增强复合材料加工中广泛采用增材制造技术面临的挑战。这些挑战包括对新型CAD工具、工程技术标准的需求,以及在过程监控、零件尺寸限制、打印精度、层厚及表面光洁度方面面临的困难。尽管存在上述限制,研究人员看到了增材制造在纤维增强预制件制造中的重大潜能,尤其适用于航空航天和生物医药应用的复合材料零件。

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导读:如同在其他工业领域一样,3D打印在船舶工业领域也有望大展拳脚。那么它是否会对传统制造技术形成巨大冲击,甚至取代后者?
一直以来,技术进步都在不断突破人们的想象。3D打印技术这个近来日渐升温的概念,正在渗透到生产生活的各个角落,从房子、汽车,到国庆期间天安门广场的花卉布置,3D打印似乎“无所不能”。如同在其他工业领域一样,3D打印在船舶工业领域也有望大展拳脚。那么它是否会对传统制造技术形成巨大冲击,甚至取代后者?在北京造船工程学会组织召开的3D打印技术专题讲座上,有关专家认为,作为一种变革性的制造新技术,3D打印有望与传统制造技术各展所长,但是难以产生颠覆性的效果。

5月20-23日在美国密歇根州底特律市举办的“RAPID+ TCT2019”展会是增材制造领域最具影响力的盛会之一。瑞典先进产品制造商山特维克推出全球首款3D打印金刚石复合材料,颠覆了人们的想象。

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。

认识3D打印
3D打印,是一种利用激光、电子束或其他手段逐层叠加而直接、快速、制造零件的技术。其“打印”过程,是把通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面,然后一层一层打印出来并按原来的位置堆积到一起,形成一个实体。

3D打印金刚石复合材料

一、超声波增材制造技术的发展

俗称的3D打印技术,还有一个学术性的名称,叫“增材制造”。作为中国3D打印技术产业联盟理事长王明华带领的材料研发团队成员,张述泉用通俗的语言介绍说,之所以叫增材制造,是因为从原理上讲,用这一方法制造的零件是“生长”出来的,从无到有,与传统加工生产的减材方式有所不同。其主要手段,包括熔合焊接、烧结、黏结,从整体而言,是一种集零件的结构设计、材料的制备方式和零件的加工方法为一体的先进技术。

据悉,Sandvik采用了立体光固化技术,利用一种由金刚石微粉和聚合物组成的浆料打印并烧结固化成金刚石复合材料,这种材料经过测试保持了金刚石的物理性能。

1、超声波金属焊接的发展

凭借计算机自动控制、无模具、无工装等特点,3D打印这一“逐层增加材料”的数字制造技术充分体现出其变革性。来自中国船舶重工集团公司经济研究中心的曹林指出,在具体的制造过程中,这一技术相对于传统制造技术,优势尽显。从制造周期来讲,3D打印省去了传统模具制作过程,使得制作周期大大缩短,一般几个小时,甚至几十分钟,就可以完成一个模型的打印。从使用材料来看,3D打印系统可以实现不同材料的打印,来满足不同领域的需要。例如,金属、石料、高分子材料都可以应用于3D打印。与此同时,传统金属加工过程中有大量金属原材料被丢弃,而3D打印过程中金属的浪费量明显减少。

“在过去,3D打印金刚石是无法想象的,即便现在,我们也只是刚刚开始掌握这一突破带来的可能性和应用”,Sandvik添加剂制造公司的交付经理AndersOhlsson说,“我们开始想,在比钢硬3倍、导热率高于铜、热膨胀率接近因瓦合金、密度接近铝的材料中,3D打印复杂形状还有什么可能。”Sandvik增材团队看到了它在航空康田和汽车等现金领域的潜力,“这些好处使我们相信,在未来几年内,您将看到金刚石复合材料在从磨损零件到太空计划等新的先进工业应用中的应用。”

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。

当然,成本也是一个关键因素。在这方面,3D打印的特殊之处在于,一方面,不管是一个模型还是多个,都以相同的成本打印出来;另一方面,传统方式制造的物体形状越复杂,制造成本越高,而利用3D打印技术制造形状复杂的物体,成本不会随之增加。曹林坦言:“在现阶段,金属材料3D打印具有较高的直接制造成本。从成本构成来看,设备和材料占据主体部分,但随着技术的发展和市场规模的扩大,这两方面都存在较大的下降空间,因而有望在未来带动直接制造成本的下降。”

使用立体光刻技术,山特维克增材制造部门的研究人员开发了一种由金刚石粉末和聚合物组成的浆料,用于3D打印金刚石复合材料。该材料已经过测试并保持了纯金刚石的物理特性。

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。

关注实际应用
任何一种技术要想拥有生命力,都不能“只中看不中用”,因此实际应用可谓关键。张述泉介绍说,用3D打印技术制造的产品具体可分为三大类,而每一类都有着各自的应用领域。其中,非金属模型样件主要用于文化艺术创意领域的新产品设计开发,非金属生物医学“支架”主要用于人体器官的体外或体内“培养”等,而高性能金属构件则主要用于包括船舶工业在内的国防及工业重大装备制造领域。

山特维克增材制造部门的交付经理Anders Ohlsson说:“从历史上看,钻石中的3D打印是我们想象中无法实现的。即使是现在,我们也刚刚开始掌握这一突破可能带来的可能性和应用。”

2、超声波固结成形机理

美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度的一份报告中指出,在过去的几年中,航空零件制造和医学是3D打印增长快的应用领域。此外,其在消费产品和电子领域、汽车领域、工业设备领域均得到不同程度的应用。而根据近的媒体报道,欧美等发达国家一些从事3D打印设备生产和技术服务的公司,已经将目光瞄准了市场规模巨大的船舶和海洋工程装备制造业。

钻石被认为是世界上最坚硬的材料,山特维克增材制造团队在航空航天和汽车等先进领域发挥了潜力。

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。

曹林认为,作为制造业的组成部分,船舶工业将不可避免地受到3D打印技术的影响。然而,实际情况如何呢?据介绍,有关部门组织的调研结果显示,目前在国内,3D打印技术还处于起步阶段,应用相当有限。已经涉足过3D打印技术领域的有中国船舶重工集团公司第十二研究所等4家单位。然而从这几家单位的实践来看,其应用要么是由于资金或者市场需求不足等原因而搁置,要么是专注在船舶之外的民用产品领域,也就是说,几乎没有真正用在船舶领域。

Ohlsson补充道,“我们开始想知道3D打印复杂形状还有什么可能,其材料比钢材硬3倍,导热率高于铜,热膨胀接近钢,密度接近铝。”

3、超声波增材制造技术的优点

不过,3D打印在船舶工业的应用前景仍然是光明的,这当然也取决于3D打印所拥有的种种优势。据了解,包括研发设计、船舶建造、配套设备制造、维修保障在内的船舶工业链各个环节,都能用得上3D打印技术。具体而言,在研发设计阶段,利用3D打印技术制造新模型,可以更好地验证和改进设计参数及思路,提高设计水平与效率。在船舶建造阶段,3D打印不受曲率和形状的限制,非常适合空间曲面结构零件的制作;可以有效解决三维曲面外板成型困难、制作效率低的问题;无须焊接,可提高建造效率,缩短建造周期。在船舶配套设备领域,根据3D打印技术的特点,其主要应用方向为动力机械类产品及其他设备机械部分的研发、设计和制造,如活塞式内燃机的机体、缸盖及齿轮箱模具等。在维修保障方面,由于3D打印技术能够直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,因此将给船舶的维修保障带来重大变化。

“这些优势使我们相信,从现在开始的几年内,您将在新的先进工业应用中看到钻石复合材料,从磨损部件到太空计划。”

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:

张述泉也认为,未来,高性能金属构件3D打印的一个主要发展方向,便是高性能难加工大型金属构件的制造,其主要应用领域就是国防和工业重大装备,包括航空航天、船舶、石油化工、电力等行业的大型装备。面对这些工业领域产品的大型化、整体化和轻量化趋势以及高性能、高可靠性、高寿命要求,3D打印将有效解决现有工业领域当中难以破解的大型装备和大型零件等的制造难题。

然而,尽管具有这些性能,3D打印的金刚石复合材料仍不能保持天然钻石的光泽。复制和3D打印钻石的属性已被证明是一个挑战。

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。

并非“神器”
看起来,3D打印相较于传统制造技术有着种种优势,甚至有可能撼动其地位。然而,业内专家并不这样认为,他们呼吁理性认识3D打印这一新技术。“尽管作为一种变革性的制造新技术,3D打印的发展潜力巨大,但是它与传统制造技术同为制造技术大家庭的成员,各有所长。”张述泉进而指出,3D打印并不会颠覆或者取代传统的制造技术。他认为,3D打印有一定的适用范围,包括利用贵而难加工的材料进行制造以及制作大而复杂的高性能整体构件等。

在SLA工艺之后,山特维克团队开发了一种定制的专有后处理方法,能够生成钻石复合材料的精确属性。山特维克增材制造公司研发和运营主管Mikael Schuisky继续说道,“这一步非常复杂。然而,经过广泛的研发和多次试验,我们设法控制了这一过程。”

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。

“3D打印技术还处于初级发展阶段,并不是‘神器’。”曹林对此表达了同样的观点,并且建议,当前对于已经成功应用3D打印技术制造的模型和产品,可在船舶工业中大力推广应用。尤其是在研发设计阶段,3D打印能够与传统制造技术形成优势互补。

“当我们将山特维克在材料技术领域的领先专业技术与我们在增材制造和后处理方面的强大能力相结合时,我们能够实现的目标令人难以置信。”

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。

随着技术的发展,3D打印在现有基础上也有望发挥更大的作用,从而真正与传统制造技术在各自的“势力范围”内显身手。曹林表示,从中期看,一批船用复杂结构零件、特种零件、合金构件、复合材料构件的3D打印制造及修复技术有望实现突破,并终朝大型化、轻量化方向发展。

“我们在材料和增材制造方面拥有一些世界领先的专家,在这种情况下,这样可以使全球各地的许多行业受益,使得钻石可能会在应用中使用钻石,而且形状可能从未有过。”

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。

当然,这样的变化不是一朝一夕就能实现的,而是需要集结各方力量予以推动。曹林认为,3D打印涉及从基础科学、工程化应用到产业化的各个层次,因此需要整合国内产、学、研相关资源,发挥各自优势,促进3D打印在船舶工业的体系化发展。

尽管有这些特性,3D打印金刚石复合材料并不能保持天然金刚石的光泽,以假乱真的复制钻石可不像电影里描述的那么简单,它目前还是一项挑战。不过当Sandvik在材料技术方面尤其是超硬材料应用领域的实力,结合其增材制造和后处理方面的强大技术,将使得人们能够在以前从未设想过的应用领域利用从未设想过的形状的金刚石。

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

针对目前的技术发展水平,曹林提出了具体建议:由于3D打印的前提是有三维模型可供打印,但目前船舶工业的产品设计仍然以二维设计为主,因此要实现3D打印,需要进一步提升产品三维数字化设计能力和水平;应加强基础科学研究,了解各种材料的局限性和优点,并结合企业需求,掌握3D打印材料和现有材料在性能、成本等方面的互换性;立足现有技术,引进可用于船舶工业的成熟3D打印技术及相关工艺,并有针对性地开展可行性研究,条件成熟后可逐步开展工艺验证和样件试制;积极开展原材料以及打印设备方面的标准研究。“从长期看,3D打印技术有望未来船舶工业的发展方向,推动现有船舶工业体系的变革。”曹林这样认为。
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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。

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。

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。

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。

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。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。

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所示,碳芯SiC 纤维强化Ti/Al 复合材料如图5所示。

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。

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。

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),铝合金航空零部件)的快速制造和铝合金微通道热交换器)等零部件及结构件的制造。

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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