根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，NASA在3D 打印領(lǐng)域使用新型的焊接增材制造已經(jīng)有很多年的經(jīng)驗(yàn)。這種被稱為超聲波增材制造 (UAM) 的技術(shù)，還可以用來(lái)提高熱交換器的可靠性，或者內(nèi)置感應(yīng)器在金屬零部件中。
而根據(jù)NASA，在航天器領(lǐng)域的3D打印制造創(chuàng)新正在轉(zhuǎn)移到民用領(lǐng)域。
超聲波3D打印與熱交換器有什么關(guān)系?
溫度在太空中是一個(gè)特別困難的問(wèn)題，那里的極端情況可能會(huì)有數(shù)百度的變化。熱交換器通過(guò)去除多余的熱量或吸入更多熱量來(lái)幫助維持航天器內(nèi)部的穩(wěn)定溫度。傳統(tǒng)上，這些設(shè)備包括一根長(zhǎng)的蛇形管道，該管道通過(guò)支架和環(huán)氧樹(shù)脂連接到金屬板上。雖然有效，但它們由許多相互連接的部分組成，引入了許多潛在的故障點(diǎn)。
自2011年以來(lái)，F(xiàn)abrisonic一直在為航空航天、汽車(chē)、科研和工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)復(fù)雜而精密的金屬部件。Fabrisonic是一家與眾不同的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)生產(chǎn)商。它的獨(dú)特之處在于其使用了一種將超聲波焊接與CNC結(jié)合起來(lái)的技術(shù)，被稱為超聲波增材制造(UAM)技術(shù)。
超聲波焊接利用聲音和摩擦力在金屬層之間形成固態(tài)結(jié)合。它首先將薄箔壓在另一個(gè)金屬部件上，例如底板。恒壓和超聲波振動(dòng)會(huì)在面對(duì)面之間產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)，從而提高溫度并去除表面氧化物，從而使純金屬與純金屬直接接觸。結(jié)果是將金屬層焊接在一起，甚至不同的金屬層也可以粘合成一個(gè)整體。
由于金屬的粘合溫度明顯低于其熔化溫度，因此需要的熱量相對(duì)較少。Fabrisonic 可以將大至 6 平方英尺的層快速拼湊在一起，從而可以在幾天內(nèi)創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的零件，而不是傳統(tǒng)制造所需的幾個(gè)月。這縮短了航天器的開(kāi)發(fā)周期并加快了商業(yè)部件的制造。
該UAM超聲波增材制造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)真正冶金學(xué)意義上的粘合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。Fabrisonic的方法可以同時(shí)“打印”多金屬材料，而且不會(huì)產(chǎn)生不必要的冶金變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質(zhì)金屬箔片制造出帶有高度復(fù)雜內(nèi)部通道的金屬部件。
通過(guò)超聲波增材制造，整個(gè)熱交換器可以制作成一個(gè)整體。Fabrisonic的工藝通過(guò)將金屬與高頻振動(dòng)融合在一起來(lái)構(gòu)建多層金屬薄層。為了制造熱交換器，在分層金屬中雕刻出一個(gè)彎曲的通道，然后將其封閉在層下。
新設(shè)計(jì)取代了原來(lái)的含有數(shù)十個(gè)小部件和接頭的設(shè)計(jì)，可以更加有效的避免在長(zhǎng)期任務(wù)或極端條件下出現(xiàn)故障。
超聲波增材制造用于Cubesat立方體小衛(wèi)星的故事
立方體衛(wèi)星可用于各種任務(wù)，但它們的小尺寸使得安裝所有部件以及管理太空極端溫度所需的屏蔽成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
當(dāng)航天器上的所有東西都需要輕量化時(shí)，保護(hù)電子元件免受可能摧毀它們的強(qiáng)烈太空輻射是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
FBG傳感器是一種光纖光柵傳感器，可以精準(zhǔn)的測(cè)量位移、速度、加速度、溫度。主要應(yīng)用在煤礦圍巖、橋粱建筑、航空航天、石油化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。如果將FBG 傳感器嵌入到金屬零部件中，這個(gè)零部件將成為可以感知溫度、速度等變量的智能零部件。
與其他形式的焊接不同，UAM 不會(huì)導(dǎo)致不同的金屬液化和混合在一起。美國(guó)航空航天局(NASA)蘭利研究中心與Fabrisonic 公司合作，使用Fabrisonic的UAM 3D打印機(jī)將FGB 傳感器嵌入到金屬零部件中，以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)零件的應(yīng)變。
新的光纖傳感器可以檢測(cè)金屬應(yīng)變或弱點(diǎn)并預(yù)在它們發(fā)生之前確定可能的故障。但是使用傳統(tǒng)方法制造的金屬只能在零件的外部支持這些傳感器。為了嵌入它們，制造過(guò)程中使用的熱量會(huì)破壞精密的設(shè)備。
Fabrisonic通過(guò)超聲波焊接測(cè)試內(nèi)置于鋁部件內(nèi)部的傳感器的有效性。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)為這種創(chuàng)新應(yīng)用找到最佳傳感器后，工程師們能夠獲得有關(guān)金屬健康和性能的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于傳感器受到保護(hù)，它們可以在惡劣的環(huán)境中工作。
打印小零件，向民用領(lǐng)域跨界
一家名為 Ultra Tech 的機(jī)器自動(dòng)化公司與Fabrisonic 合作開(kāi)發(fā)了一種用于空間站的UAM 打印機(jī)。與原來(lái)的大型的UAM 工藝相比，這種技術(shù)通過(guò)小型化以制造更小的零件，這是更具成本效益的方法。目前這種小型的 SonicLayer 1200 3D打印機(jī)的商業(yè)銷(xiāo)售已經(jīng)產(chǎn)生了 100 萬(wàn)美元的收入，其中一個(gè)用戶在內(nèi)部生產(chǎn)了 70,000 多個(gè)零件。
NASA 在向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)讓技術(shù)方面有著悠久的歷史，從NASA的航天技術(shù)孵化出來(lái)的民用領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)形成一定的氣候，這也顯示了美國(guó)NASA對(duì)其太空計(jì)劃進(jìn)行投資所衍生出來(lái)的更廣泛的利益。
