今天為你帶來的3D打印技術是基于金屬超聲波焊接的超聲波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing) ，簡稱UAM。在金屬3D打印領域，粉床熔融成形（PBF）占據著半壁江山，而UAM技術所具備的制造優勢依然無法被其他任何金屬3D打印技術所取代。

1. UAM技術發展歷史

超聲波在工業制造領域的應用興起于上世紀40年代。作為機械能傳遞的形式之一，超聲波早期主要用于對熱塑性材料（PVC,ABS等）的成型與焊接。焊接過程中熱塑材料在超聲能量作用下完全熔融以填充焊縫。上世紀70年代開始超聲波被應用于金屬材料的切削、成型與焊接。由于金屬熔點普遍較高，大部分金屬在焊接過程中都完全處于固態狀態，因此金屬超聲波焊接又稱為固態焊接。然而在當時的焊接技術中，焊接界面僅限于點接觸或線接觸，面接觸的金屬超聲波焊接尚未問世。

隨著80年代末3D打印概念的興起，基于面焊接的超聲波3D打印應運而生。1999年，密西根大學教授Dawn White將多年對超聲波焊接的研究成果轉化為專利，并成立公司Solidica Inc，致力于將超聲波3D打印技術商業化。2001年，Solidica發布第一代超聲波3D打印機，當時機器還只能用于鋁合金增材制造，但很快隨著技術的更新，特別是大量高校以及科研院所用戶的實驗與開發，UAM制造材料被擴展至銅，鎳，鈦等幾十種合金。2004年，Solidica發布了其第二代打印機Formation。

2007年，愛迪生焊接研究所（EWI，一家致力于開發、測試和實施行業先進制造技術的非盈利性工程和技術組織）和Solidica開始合作，開發了更高效率的超聲波3D打印材料。而后2011年，EWI與Solidica合資創立了Fabrisonic并進一步開發該技術，將改進的超聲波增材制造工藝商業化，目前也是唯一一家使用該技術的公司。公司創始人兼首席執行官Mark Norfolk畢業于俄亥俄州立大學，專業是焊接工程，在創辦公司之前就在EWI中領導開發UAM技術。現在的Fabrisonic公司就位于俄亥俄州立大學校園內一個1.5萬平方英尺的工廠里，并和大學展開合作。

▲Mark Norfolk

如今，UAM的應用呈現出指數級發展，被廣泛實驗應用于埋覆傳感器和強化或記憶合金纖維，制造金屬基復合材料（metal matrix composite），制造分層功能材料（functionally laminated materials）等等。

近期，美國Fabrisonic公司推出了以UAM技術為核心的工業級金屬3D打印機：SonicLayer 4000和7200。這是一種將傳統的減材與增材相結合的技術，即采用超聲波焊接層層放置的金屬箔得出大致形狀（3D打印增材過程），然后用銑床切割（傳統減材過程），以得到最終零件。去年3月份，他們升級了UAM 3D打印機，使其可以在普通平面3D打印的基礎上再增加一個維度：在圓柱體表面進行3D打印。也就是將金屬層通過超聲波增材制造工藝焊接在圓柱體形狀的零件表面。這種工藝主要將應用在為各種圓柱體零件、軸、管的外表面添加貴金屬層或其他金屬特征。

最近幾年Fabrisonic公司一直在開發UAM 3D打印所需要的材料。2016年12月，Fabrisonic公司聲稱其使用超聲波3D打印工藝的金屬材料，拉伸強度達到部分鋼的水平，但重量與同體積的鋁差不多。這對于對重量很敏感的航天航空工業來說是個好消息。

雖然Fabrisonic才成立于2011年，但已經開始為NASA、波音等客戶提供服務，供應鉭、稀土、鈦、鎢等材料的打印服務。2016年NASA蘭利研究中心與Fabrisonic公司合作，使用UAM 3D打印機將傳感器嵌入到金屬零部件中，以長期監測零件的溫度、速度等變量。現在Fabrisonic現在更多的是通過打印服務而不是賣設備獲得收入。

▲Fabrisonic公司的超聲波3D打印機 — SonicLayer 4000

2. UAM技術原理

超聲波增材制造是一種基于傳統加工工藝“超聲波焊接”的技術。超聲波焊接是指利用超聲波的振動能量使兩個需要焊接的表面摩擦，形成分子間融合的一種焊接方式。UAM則是將這種焊接方式應用到3D打印機上形成新的3D打印工藝。

在連續的超聲波振動壓力下，兩層金屬箔之間會產生高頻率的摩擦，而在摩擦過程中金屬表面覆蓋的氧化物和污染物被剝離，露出純金屬。進而通過超聲波的能量輻射（或外部加熱）將較為純凈的金屬材料軟化填充至已焊接完畢的金屬箔片的表面，在這個過程中，兩片金屬箔片的分子會相互滲透融合，進一步提高焊接面的強度，而后周而復始，層層疊加，最終成型。

▲UAM技術原理示意圖

3. UAM優勢&技術限制

優勢：

1. 低溫。這也是UAM技術的最大優勢。整個打印過程的初始溫度是150°C，焊接過程中摩擦和塑性變形的產熱可使局部溫度達到200°C上下，比起其他通常要將金屬加熱至熔點的3D打印技術，溫度要低上很多。而低溫帶來的好處有：

· 具有將多種金屬類型連接在一起的能力，允許溫度敏感材料的嵌入。可在增材過程中嵌入傳感器，合金纖維，以及其他低熔點材料或電子器件。

· 幾乎沒有熱殘余應力與熱變形。其生產的零件內部不會產生熱應力，也就不需要對零件進行后處理。

· 保留了原材料機械性能。例如，在加工鋁的過程中，最高溫度低于120℃，由于材料僅被稍微加熱，所以材料不會改變晶粒尺寸或產生相應的變化。

▲嵌入傳感器的金屬件

2. 打印尺寸大。用UAM打印的最大工件尺寸可以達到6英尺x6英尺x3英尺，明顯大于其他金屬打印技術的工件尺寸。

3. 加工表面光潔度較高。由于UAM增材中加入了數控減材加工工序，工件表面（特別是內部結構表面）的光潔度可以通過加入磨削工序加以控制。

4. 打印速度快。一般3D打印速度在5mm/s-300mm/s，而超聲波3D打印機可達100mm3/s。SLM或SLS技術若要實現高精度，打印速度會進一步降低，而超聲波3D打印技術不存在這個問題，他的高精度是由后期的數控加工來實現的。

5. UAM技術可以通過調整超聲波的頻率與幅度，對摩擦損壞的表面或者裂縫進行裂縫超聲波焊修復，從而達到工件的重復使用，進而節省成本。

2016年，NASA蘭利研究中心與Fabrisonic公司合作，將FBG傳感器嵌入到金屬零件中，以長期監測零件的溫度、速度等變量。FBG是一種可以精準地測量位移、速度、加速度、溫度的傳感器，廣泛應用于橋梁建筑、航空航天、石油化學工業等領域。普通的金屬3D打印會產生高溫，導致嵌入的FBG傳感器失去敏感性。而利用UAM技術，溫度始終低于94℃，從而避免了傳感器的損壞。

▲光纖完美嵌入金屬，安全性得以大幅提高，就算在惡劣環境下也不易損壞。

技術限制

目前超聲波3D打印技術基本上由Fabrisonic所壟斷。之所以在制造業還沒有產生顛覆性的影響，在于一些技術層面上的限制：

1. 超聲波換能器的功率限制。由于轉換效率的制約，實際輸出的超聲能量難以大幅提高，超聲波發生器的頻率一般在20kHz左右。

2. 超聲波所帶來的機械共振。由于超聲波發生器一般在20kHz，而工件很容易在20kHz頻率上發生共振，共振會導致工件基板與上層金屬箔片的摩擦顯著減弱，從而引發焊接質量降低。

3. 無法自動放置/取出支撐結構。超聲波粘合的過程需要適當的壓力，而在制造大面積的懸空結構時，缺乏支撐將直接導致壓力無法施加和制造困難。因此UAM對懸空結構尺寸有嚴格的要求。

4. 數控加工精度限制制造精度。UAM的制造精度可以達到100μm級別，主要受限于數控加工的精度。這一限制使得尺寸低于100μ的精細結構無法使用UAM進行制造。

國內在超聲波3D打印的研究才剛剛起步，目前哈爾濱工程大學正在與廣東楚鑫機電合作研發該技術。楚鑫機電是超聲波金屬焊接設備專業制造商，所以有一定的基礎和技術儲備，但也僅僅停留在點焊、滾焊等點、線焊接層面，遠沒有達到面與面間的大尺度焊接能力。哈爾濱工程大學在2016年發表了數篇論文，但也僅僅屬于實驗室的成果，離商業化還有一段距離。