超声波 3D 打印的技术优势在哪？

本文选自《前哨·王煜全》前哨团系列

张柳健，曾任 Renault Sport 声学工程师，法国普瓦捷大学博士生，研究高速流体产生的漩涡及产生的声音。

3D 打印也叫做增材制造 ，超声波增材制造是一种基于传统加工工艺“超声波焊接”的技术。

超声波焊接是指利用超声波的振动能量使两个需要焊接的表面摩擦，形成分子间融合的一种焊接方式。

超声波增材制造就是将这种焊接方式应用到 3D 打印机上形成的新的3D打印工艺。

美国的 Fabrisonic 公司推出的 “超声波增材制造” 工艺为核心的工业金属 3D 打印机，是一种类似于将传统的减材与增材相结合的技术，即采用超声波焊接层层放置的金属箔得出大致形状（3D打印增材过程），然后用铣床切割(传统减材过程)，以得到最终零件。 这种技术比传统工艺省料，与 3D 打印技术相比，相同成本下成型件表面更光滑。

在连续的超声波振动压力下，两层金属箔之间会产生高频率的摩擦，而在摩擦过程中金属表面覆盖的氧化物被剥离，进而通过超声波的能量辐射（或外部加热）将较为纯净的金属材料软化填充至已焊接完毕的金属箔片的表面，在这个过程中，两片金属箔片的分子会相互渗透融合，进一步提高焊接面的强度，因此也就可以更好地保留其原先材料的机械性能 ，而后周而复始，层层累加，最终成型。

此工艺不同于以往的 3D 打印的熔融机制，其超声波驱动器对箔施加超声波振动，产生的震动摩擦去除表面氧化物和污染物，同时新的薄片填平原来表面的粗糙，并在压力下瞬时结合形成新表面。

之前，Fabrisonic 公司推出了两款超声波 3D 打印机：SonicLayer 4000 和 7200。去年3月份，他们升级了超声波3D打印机，使其可以在普通平面3D打印的基础上再增加一个维度：在圆柱体表面进行 3D 打印。也就是将金属层通过超声波增材制造工艺焊接在圆柱体形状的零件表面。

这种工艺主要将应用在为各种圆柱体零件、轴、管的外表面添加贵金属层或其他金属特征。最近几年他们一直在开发超声波 3D 打印所需要的材料。去年12月份，他们声称其使用超声波增材制造工艺的金属材料，拉伸强度达到部分钢的水平，但重量与同体积的铝差不多，这对于对重量很敏感的航天航空工业来说是个好消息。

其实，对于 3D 打印，人们首先想到的就是粉末在激光加热下凝结成物体。而这家位于俄亥俄州的 Fabrisonic 公司则采用金属箔薄膜，逐层添加，然后增加一些减材加工，以实现良好的精度。虽然 Fabrisonic 才成立于2011年，但已经开始为 NASA、波音等客户提供服务，供应钽、稀土、钛、钨等材料的打印服务。

Fabrisonic 现在更多的是通过制造服务而不是卖设备获得收入。2016年 NASA 兰利研究中心与 Fabrisonic 公司合作，使用 Fabrisonic 的超声波 3D 打印机将传感器嵌入到金属零部件中，以长期监测零件的温度、速度等变量。

超声波增材制造的最大优势

超声波增材制造技术的最大优势是在低温下就可以进行 3D 金属打印。Fabrisonic 的超声波 3D 打印平台工作温度通常小于金属基体熔融温度的50％，因此具有将多种金属类型连接在一起的能力，允许温度敏感材料的嵌入，例如我们能够在打印过程中直接嵌入传感器。

而超声波增材制造低温的特性可以更多地保留原材料机械性能，也不会产生热残余应力和热变形。其生产的零件内部不会产生热应力，也就不需要对零件进行后处理。可以大大减少生产零件的周期 ，降低公司的库存压力。

此外，超声波 3D 打印机还能通过调整超声波的频率与幅度，对摩擦损坏的表面或者裂缝进行裂痕超声波焊修复，实现零件的重复使用，进而节省成本。

目前，超声波 3D 打印的技术专利基本上由 Fabrisonic 所垄断。之所以还没有产生颠覆性的影响在于一些技术层面的难题：

超声波换能器的功率限制——由于受压电陶瓷换能器转换效率的制约，实际输出的超声能量难以大幅提高，超声波发生器的频率一般在 20kHz 左右。

超声波所带来的机械共振——超声波的使用不可避免地引入机械振动，鉴于成本的考虑和技术制约，超声波发生器的频率一般在 20kHz, 而工件很容易在 20kHz 频率上引发共振，共振会导致工件基板与上层金属箔片之间的摩擦显著减弱，从而引发焊接质量下降甚至完全失效。

这些因素一定程度上限制了制造工件的几何尺寸与形状结构，使得超声波增材制造的普及受到一定的影响。

国内在这方面的研究才刚刚起步，目前哈尔滨工程大学对此技术有研究，并和广东的楚鑫机电合作研发。

《前哨·王煜全》第二季近期上线，敬请期待！