Ultrasonic Additive Manufacturing: Laagtemperatuur 3D-Metaalprinten Uitgelegd

Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), ook bekend als Ultrasonic Consolidation (UC), is een additive manufacturing (AM) of 3D-metaalprinttechnologie. UAM behoort tot de 'vel laminatie'-familie van AM-processen, samen met Laminated Object Manufacturing (LOM).

In vergelijking met andere AM-technieken gebruikt UAM relatief lage temperaturen - ver onder de smelttemperaturen van de gebruikte materialen - en wordt het gebruikt om metaalonderdelen te produceren in plaats van plastic of nylon.

Een Korte Geschiedenis van UAM

Het UAM-proces werd ontwikkeld door Dawn White, die de uitvinding in 1999 commercialiseerde door Solidica Inc. op te richten om commerciële UAM-apparatuur te verkopen.

In 2007 werkte Solidica samen met het Edison Welding Institute om het toolingproces te herontwerpen om de bindingskwaliteit te verbeteren en het aantal metaalen dat gebruikt kon worden uit te breiden. De samenwerking resulteerde in een nieuw UAM-proces, bekend als 'zeer hoog vermogen Ultrasonic Additive Manufacturing'.

De samenwerking richtte in 2011 een nieuw bedrijf op - Fabrisonic LLC - om het nieuwe hoogvermogen UAM-proces te commercialiseren en een nieuwe lijn UAM-apparatuur te verkopen.

Ultrasonic Additive Manufacturing Uitgelegd

Zoals de meeste AM-processen, creëren UAM-machines onderdelen op basis van een Computer Aided Design (CAD)-model. Eenmaal een model gemaakt, wordt het bestand 'gesneden' in 2-dimensionale dwarsdoorsneden die gebruikt worden om het onderdeel laag voor laag te bouwen - meer hierover straks.

Echter, buiten het 3D-modelleringaspect, verschilt UAM aanzienlijk van andere AM-technieken. Waar de meeste AM-technieken - zoals SLS - onderdelen produceren uit poedermateriaal, gebruikt UAM vellen metaalfolie. Ook, in tegenstelling tot andere AM-technieken, gebruikt UAM geen warmte. In plaats daarvan gebruikt het een tool genaamd sonotrode om ultrasone trillingen te creëren die - in combinatie met druk - twee lagen metaal dwingen om samen te binden.

(Bron: The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

Het productieproces ziet er als volgt uit:

• Een solide metaal basisplaat wordt vastgemaakt op het build-platform.
• Metaalfolie wordt bovenop de basisplaat gelegd, en het hele build-platform wordt onder de sonotrode getrokken, de folie bindend aan de basisplaat. Op dit moment is het onderdeel nog niet gevormd.
• Dit proces wordt herhaald tot de gebonden lagen een vooraf bepaalde diepte bereiken.
• Een CNC-machine - vergelijkbaar met die gebruikt in traditionele subtractieve CNC-bewerking - snijdt het onderdeel in vorm door de overtollige folie te verwijderen.
• Deze cyclus wordt herhaald tot het onderdeel een gespecificeerde hoogte bereikt.
• Een kleiner freesgereedschap vormt het onderdeel verder en voltooit eventuele interne freesbewerkingen die vereist zijn voor het eindonderdeel.
• De volledige UAM-cyclus wordt herhaald tot het onderdeel klaar is.
• Het onderdeel wordt van het build-platform verwijderd, en de basisplaat wordt losgemaakt.

Zoals je kunt zien, is UAM eigenlijk een hybride additieve en subtractieve productieproces, dat de gelaagde aanpak van AM-technieken combineert met subtractieve CNC-frezen.

Ultrasonic Productiemachines

Het UAM-proces gebruikt een lijn ultrasone 3D-printmachines ontwikkeld door Fabrisonic, LLC. De machines kunnen extreem sterke bindingen creëren zelfs tussen verschillende metalen. En, aangezien het proces geen hoge hitte omvat, veroorzaakt het bindingsproces geen veranderingen in de moleculaire structuur van de lagen, wat de broze kenmerken vermijdt die inherent zijn aan sommige andere metaal AM-processen.

Een ander voordeel van de Fabrisonic-machines is dat ze metalen kunnen binden die niet met andere technieken gebruikt kunnen worden, waaronder koper en aluminium.

Natuurlijk, hoewel de machines ongetwijfeld indrukwekkend zijn, zijn ze niet geschikt voor thuisgebruik. Met zelfs de kleinere R&D-gefocuste machine die net onder de $200.000 komt, zijn Fabrisonic UAM-machines alleen voor industriële en onderzoeksdoeleinden.

Modellen Pre-Processing voor Ultrasonic Productie

Voordat je een onderdeel kunt produceren met UAM, moet je eerst door de pre-processing-fase gaan. Tijdens deze fase wordt het 3D CAD-model van het te produceren onderdeel geanalyseerd met gespecialiseerde modelleringssoftware.

Datavoorbereiding voor UAM volgt een vergelijkbaar proces als datavoorbereiding voor SLS. Hoewel UAM niet dezelfde beperkingen heeft als SLS wat betreft dunne wanden en scherpe randen, vereist het nog steeds een mate van pre-processing:

• Onderdelen die complexe geometrieën incorporeren, moeten vereenvoudigd worden met een geometrie-vereenvoudigingstool.
• Ontwerpers moeten simulatiemodelleringstools en -technieken gebruiken om te garanderen dat het onderdeel geschikt is voor UAM-printen en bestand is tegen real-world gebruik.

Eenmaal het onderdeel verwerkt is, wordt 'snijden' software gebruikt om het 3D-model te converteren in 2-dimensionale lagen bekend als dwarsdoorsneden. Hoewel gratis applicaties dit datavoorbereidingsproces kunnen voltooien, worden professionele ontwerpers beter bediend door een erkend softwarepakket te gebruiken.

Als je organisatie applicaties ontwikkelt die pre-processing voor UAM afhandelen, is Spatial hier om te helpen.

Met meer dan drie decennia 3D-modelleringservaring, biedt Spatial uitgebreide pre-processing-mogelijkheden en voorgebouwde bibliotheken die je in je softwareapplicaties kunt bouwen. Breid de functionaliteit van je applicaties of hardwareproducten uit en differentieer je aanbiedingen van concurrenten - zonder jaren aan R&D te investeren om deze mogelijkheden in-house te ontwikkelen.

Om meer te weten te komen over hoe Spatial kan helpen, bekijk onze bewezen 3D Modeling Software Development Toolkits.

Voordelen en Beperkingen van Ultrasonic Additive Manufacturing

UAM biedt drie significante voordelen die de meeste andere AM-processen niet kunnen leveren.

1. Het kan metaalonderdelen produceren met 'onmogelijke' interne kanalen.

Veel onderdelen vereisen interne kanalen, vaak voor koeldoeleinden. Echter, met andere AM-processen zoals FDM en SLS - en zeker met traditionele subtractieve productietechnieken - is het produceren van onderdelen met complexe conformale 3D-stroompaden allereerst onmogelijk. Met het gebruik van 'zeer hoog vermogen UAM' kunnen moderne Fabrisonic-machines onderdelen maken van aluminium en koper, wat helpt warmte af te voeren terwijl ook het gewicht verminderd wordt.

2. Het kan meerdere metalen binden.

Omdat UAM geen hoge hitte omvat, verandert het niet de microstructuur van de gebruikte metalen. Als resultaat kan UAM ongelijke metalen binden zonder de mismatches en broze structuren die inherent zijn aan andere metaal AM-processtechnologieën. Een breed scala aan materiaalcombinaties is mogelijk.

3. Het kan sensoren en schakelingen inbedden.

Meest ongelooflijk, UAM-onderdelen kunnen zelfs geprint worden met interne sensoren en schakelingen - een unieke capaciteit in AM. Dit is niet mogelijk in traditionele productie, omdat de spanningen en temperaturen deze gevoelige componenten zouden beschadigen. Met UAM kunnen sensoren overal in een metaalstructuur ingesloten worden, wat veel waardevolle toepassingen geeft in gezondheidszorg, procescontrole en zelfs het Internet of Things (IoT).

Ten slotte, aangezien UAM minder uithollen vereist dan technieken zoals SLS, verspilt het ook minder materiaal.

Echter, al deze voordelen komen met een prijs - letterlijk. Zoals we eerder noemden, kost de kleinste machine die door Fabrisonic verkocht wordt bijna $200.000. Het bedrijf noemt geen prijzen voor de grotere machines, maar organisaties kunnen een aanzienlijk hoger bedrag verwachten voor ze.

Wanneer Heb Je UAM Nodig?

Gegeven de mogelijkheid om een grote verscheidenheid aan verschillende metalen te binden, heeft UAM duidelijke toepassingen in de luchtvaart- en auto-industrie. De capaciteit om onderdelen met complexe koelkanalen te produceren is extreem waardevol in deze industrieën en andere zoals industriële productie, medische apparatuur en high-tech apparatuur.

Verder maakt UAM's faciliteit om onderdelen met ingebouwde sensoren en schakelingen te produceren het zeer wenselijk voor het produceren van slimme IoT-stijl apparaten over een breed scala aan industrieën. Veel traditionele industrieën gebruiken nu een brede reeks sensoren en tracking-apparaten om operaties autonoom te beheren, en UAM wordt vaak gebruikt om onderdelen voor deze apparaten te produceren.

Natuurlijk, zo waardevol UAM ook is, het vertrouwt zwaar op de fabricant's vermogen om nauwkeurige, geoptimaliseerde 3D-modellen te produceren. En, gegeven de complexiteit van veel UAM-onderdelen, is krachtige software nodig om deze modellen te produceren.

Klaar om krachtige UAM-functionaliteit en complete, voorgebouwde bibliotheken in je software- en hardware-oplossingen te bouwen? Neem vandaag nog contact op met de experts bij Spatial.