超声增材制造(UAM)：低温3D金属打印技术深度解析

超声增材制造（UAM），又称超声固化（UC），属于增材制造（AM）或3D金属打印技术。UAM归属“片材叠层”家族，与叠层物体制造（LOM）同源。

区别于其他AM技术，UAM采用相对低温——远低于材料熔点——且用于生产金属件而非塑料/尼龙。

UAM简史

Dawn White开发UAM工艺，1999年创立Solidica Inc.商业化设备。

2007年，Solidica与爱迪生焊接研究所合作重塑工艺，提升结合质量并扩展适用金属，催生“超高功率UAM”新工艺。

合作方2011年创立Fabrisonic LLC，商业化新工艺并推出新设备线。

超声增材制造原理

同大多数AM工艺，UAM机器基于CAD模型造件。模型切片为二维横截面，逐层构建——详见下文。

但除3D建模外，UAM与其他AM技术差异巨大：

• 主流AM（如SLS）用粉末材料，UAM用金属箔片
• 主流AM用热能，UAM用声极产生超声振动，配合压力强迫两层金属结合

（来源：《超声增材制造对集成印刷电子导体的影响》，Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018）

制造流程：

1. 实心金属基板固定于构建平台
2. 金属箔铺于基板，平台引入声极下，箔与基板结合（此时未成形）
3. 重复结合至预设深度
4. CNC机床（似传统减材CNC）切削去除多余箔料成形
5. 循环直至达指定高度
6. 小型铣刀进一步成形并完成内部铣削
7. 重复全UAM循环至成品
8. 取出成品，分离基板

可见，UAM实为混合增材/减材制造工艺，融合AM分层法与减材CNC铣削。

超声制造设备

UAM使用Fabrisonic LLC开发的超声3D打印机系列。设备能在不同金属间形成极强结合，且无高热避免分子结构变化、规避其他金属AM工艺固有的脆性问题。

另一优势：能结合其他工艺无法处理的金属（如铜和铝）。

当然，设备非家用级。即使小型研发机也近20万美元，Fabrisonic UAM设备仅面向工业和科研。

超声制造模型预处理

UAM生产前必须经预处理阶段。此阶段用专业建模软件分析零件3D CAD模型。

UAM数据准备流程似SLS。虽无SLS的薄壁/锐边限制，仍需预处理：

• 复杂几何零件需用几何简化工具简化
• 设计师应用仿真建模工具验证零件适配UAM打印及实用性

处理后用“切片”软件将3D模型转为二维层（横截面）。免费应用虽可完成，专业设计师建议用认可软件包。

若贵组织开发处理UAM预处理的应用，Spatial助您一臂之力。

凭借三十余年3D建模经验，Spatial提供综合预处理能力与预建库，可内嵌您的软件应用。无需投入多年研发自建这些能力，即可扩展应用/硬件功能并差异化竞争。

详询Spatial行业验证的3D建模软件开发工具包。

UAM优势与局限

UAM提供三大独特优势，多数AM工艺难以企及：

1. 制造具“不可能”内部流道的金属件

许多零件需内部流道（常为冷却）。但FDM、SLS甚至传统减材工艺，几乎无法制造复杂共形3D流道。超高功率UAM可用铝、铜制件，兼顾散热与减重。

2. 多金属结合

无高热意味着金属微观结构不变。UAM可结合异种金属，避免其他金属AM工艺固有的失配与脆性结构。材料组合范围广泛。

3. 嵌入传感器与电路

最惊人的是，UAM零件可内置传感器和电路——AM领域独有。传统制造的应变和高温会损坏敏感元件。UAM可在金属结构任意位置嵌入传感器，赋能医疗、过程控制、物联网(IoT)等高价值应用。

此外，UAM比SLS等技术少挖空，材料浪费更少。

但代价高昂。前述最小机近20万美元，大型机价格未公开但预期高得多。

何时需要UAM？

凭借广泛异种金属结合能力，UAM在航空航天、汽车显现应用价值。其制造复杂冷却流道的能力在这些及工业制造、医疗器械、高科技装备领域极具价值。

内置传感器/电路能力使其成为跨行业生产智能IoT设备的理想选择。传统行业广泛用传感器/追踪器自主管理运营，UAM常用于制造此类设备零件。

当然，UAM高度依赖制造商产出精准优化的3D模型。鉴于UAM零件复杂性，需要强大软件支撑建模。

准备将强大UAM功能与完整预建库集成进软硬件方案？立即联系Spatial专家。