Использование технологии ультразвукового аддитивного производства на фрезерном станке с ЧПУ

Компания Fabrisonic разработала технологию низкотемпературного ультразвукового аддитивного производства (UAM). Гибридная технология позволяет создавать изделия, которые невозможно получить при традиционном субтрактивном производстве. Это приводит к улучшению производительности и качества продукции, а также снижению себестоимости.

Основные преимущества этого процесса заключаются в объединении разнородных металлов, создании деталей со сложной внутренней геометрией и внедрении датчиков в твердые металлические детали. В последнее время Fabrisonic сделала шаг вперед, объединив эти возможности с помощью технологии металлической печати Powder Bed Fusion (PBF). Так родилась гибридная технология UAM-PBF.

Ультразвуковое аддитивное производство (UAM), разработанное компанией Fabrisonic, сочетает в себе уникальный процесс осаждения металла при комнатной температуре. Запатентованная ультразвуковая печатающая головка интегрирована в 3-осевой фрезерный станок с ЧПУ для создания гибридного аддитивно-субтрактивного процесса, где переход от аддитивного к субтрактивному так же прост, как смена инструмента. 

Гибридный станок

UAM сочетает в себе преимущества аддитивного и субтрактивного подходов к изготовлению, позволяя формировать сложные 3D-детали с высокой точностью размеров и гладкими поверхностями, включая объекты со сложными внутренними каналами. 

Установка Fabrisonic SonicLayer 4000 представляет собой 3-осевой фрезерный станок с ЧПУ, в который интегрирована запатентованная ультразвуковая сварочная головка. Система способна очищать поверхность заготовки, проводить доработку мелких деталей и выполнять ультразвуковую сварку.

Сварка металла ультразвуком

Ультразвуковая сварка начинается с надежного прижатия тонкой металлической фольги к металлической заготовке. При этом ультразвуковые колебания прикладываются к металлической фольге для создания прочного контакта между ней и поверхностью металлического компонента. Предварительно поверхность очищается от оксидов с помощью трения, чтобы затем обеспечить прямой контакт чистого металла (см. рис.).

В результате получается твердотельная металлическая связь с минимальным нагревом компонентов. Высокие скорости сдвига и результирующая пластическая деформация способствуют диффузии и перекристаллизации на границе раздела, что приводит к сильной металлургической связи. Ультразвуковая сварка может быть выполнена при очень низкой температуре и без каких-либо специальных условий. Для всех металлов температура соединения значительно ниже соответствующей температуры плавления. 

Преимуществом ультразвуковых сварных швов

Сохраняются физические и химические свойства обрабатываемого изделия, поскольку материалы лишь слегка нагреваются, они не испытывают изменений в размере зерен, реакциях осаждения или фазовых изменениях. Свойства поступающего сырья такие же, как и свойства конечной детали.

Связь между разнородными металлами создается без плавления металла, соответственно, меньше требуется энергии на обработку. Например, слои молибдена могут быть напечатаны в алюминиевом теплообменнике.

Появляется возможность встроить чувствительную к нагреву электронику в твердые металлические детали, включая микропроцессоры, датчики и телеметрию. UAM позволяет внедрить тончайшие компоненты в твердый металл без ущерба, наносимого аддитивными процессами на основе лазерного или индукционного плавления.

Как UAM может решить тепловые проблемы?

Технология UAM активно используется для 3D-печати теплообменников для аэрокосмической промышленности, состоящих из разнородных металлов, таких как медь и алюминий. 

3D-печатные металлические теплообменники позволяют повысить эффективность конструкций проточных трактов, интегрировать нескольких компонентов в одну деталь, создать конструкции с градиентами металла для повышения прочности и производительности систем.

Печать меди в областях с высоким тепловым потоком усиливает ее способность быстро отводить тепло. К сожалению, медь является одновременно дорогой и тяжелой по сравнению с другими металлами, такими как алюминий. Алюминиевые сплавы легче и дешевле, но они не могут сравниться по тепловым характеристикам с медью. Fabrisonic преодолевает разрыв между этими двумя материалами и их свойствами, печатая оба металла в одной и той же детали.

Чередование слоев высокопрочного алюминия 6061 со слоями теплопроводной чистой меди позволяет инженерам-теплотехникам достичь требуемой производительности теплообменника при снижении его веса.

Использование при высоких температурах

Технология часто применяется для наплавки дорогостоящих металлов на оборудование, рассчитанное на работу при высокой температуре. Например, сплавы тантала и никеля были с помощью 3D-печати размещены на поверхности низкосортных сталей. Эти сплавы защищают поверхность стали от агрессивных сред и обеспечивают более высокие рабочие температуры.

Обычные операции наплавки используют дуговую сварку для нанесения дорогого металла на более дешевый металл. Однако два материала смешиваются при создании шва, что приводит к ухудшению свойств дорогого металла. Это приводит к тому, что требуется много слоев дуговой сварки для обеспечения соответствия поверхности необходимым свойствам. Эти дополнительные слои увеличивают затраты и сроки изготовления изделий. С UAM сварка производится в твердом состоянии, и нет никакого разбавления ценных металлов. Таким образом, UAM может покрывать одну и ту же трубу менее чем наполовину необходимым объемом высокоэффективного плакированного металла.

Защита от радиации

Еще одно применение UAM при высоких температурах было найдено в атомной промышленности. Реактор с высоким потоком изотопов состоит из горячей активной зоны, заполненной ядерными топливными стержнями, окруженными регулируемыми круглыми металлическими панелями управления, которые содержат встроенные нейтронные поглощающие материалы.

По заказу Oak Ridge National Laboratory (ORNL) была создана управляющая пластина ядерного реактора с внедренными материалами. Команда Fabrisonic разработала план 3D-печати алюминиевой контрольной пластины со специальными поглотителями радиации, встроенными в определенные места. Эти поглотители изготавливаются из тугоплавких металлов, таких как тантал и европий. С помощью 3D-печати этих металлов по определенному шаблону Fabrisonic смогла предоставить ORNL более дешевые и точные средства управления своим ядерным реактором. Эти же принципы могут быть использованы для 3D-печати корпусов для других применений, где встроенный материал может обеспечить неиспользованный тепловой, электрический или химический контроль.

Композитная природа и селективное пространственное распределение поглотителей нейтронов изогнутых панелей управления делают их дорогостоящими для изготовления традиционными методами формования с помощью комбинации порошковой обработки, сварки, прокатки, механической обработки и взрывной формовки. Технология UAM позволяет печатать эти композитные панели управления с большей точностью и эффективностью, а также быстро и без брака, характерного для традиционных технологий.

Впечатанная в металл проводка позволяет передавать данные от реактора и других устройств к контрольным приборам, обеспечивая непрерывный поток данных в реальном времени.

Применение для космонавтики

В рамках программы NASA Digital Twin компания Fabrisonic продемонстрировала способность встроить волоконно-оптические тензодатчики в кронштейны и стойки для спутников и самоходных аппаратов. Затем измерители использовались в лабораторных испытаниях для прямой корреляции внешних нагрузок с внутренними деформациями в конкретных местах. Подобные приложения позволяют ученым изучать поведение сбоев и реинжиниринг компонентов для повышения надежности космической техники.

Благодаря сварке ряда различных металлов в градиенте по толщине, UAM позволяет производителям спутников защищать чувствительную электронику от вредного воздействия радиации. Комбинация алюминиевой и танталовой фольги обладает способностью защищать спутниковое оборудование, делая структурные компоненты многофункциональными.

Cube Sat Cold Plate – спутниковая индустрия постоянно стремится к большей эффективности при меньших размерах. Этот означает, что инженеры должны проявить творческий подход к проектированию деталей, выполняющих несколько ролей. В одном приложении Fabrisonic 3D напечатала кубический спутниковый компонент с двойной функциональностью. Этот компонент выполняет роль конструктивного шасси, а также элемента криогенного охладителя. 

Автоматизированный мониторинг трубопроводов

UAM используется для встраивания датчиков в трубопроводы из нержавеющей стали в нефтегазовой отрасли и в ракетостроении. Чтобы встроить небольшие волоконные датчики в металлическую деталь, с помощью станка с ЧПУ вырезается канал. Затем датчик помещается в отверстие, и оно заваривается сверху с помощью ультразвуковой 3D-печати. Поток металла в процессе UAM (который аналогичен потоку металла при фрикционном перемешивании) создает прочное механическое соединение между матрицей и материалом датчика, что обеспечивает отличную связь с металлической матрицей как для измерения напряжений, так и для измерения температуры.

Оптические тензометрические датчики и традиционные термопары были встроены в алюминиевые, нержавеющие и никелевые сплавы для контроля деформации в определенных областях деталей, а также для измерения температуры. Поскольку при использовании UAM деталь не нагревается, всевозможные датчики могут быть встроены в 3D-печатный металлический компонент. Их можно использовать для контроля работоспособности изделия в течение всего срока ее службы, поскольку датчики надежно защищены от воздействия окружающей среды.

Комбинируя преимущества аддитивного производства с достоинствами UAM можно создавать прорывные технологии и уникальные изделия.

Источник: Fabrisonic