近日，美國航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）采用一種不同于基于激光或電子束的增材制造工藝生產了一種鋁合金航天器用熱交換裝置。采用新設計的熱交換器取代了在長期任務或極端條件下可能出現故障的數十個小零件和接頭，不僅對太空應用而且在石油鉆井和航空等領域都有潛在益處。NASA JPL 技術專家表示，該工藝所能解決的不僅是一個任務的一個問題，同時將為NASA和工業界解決一類問題。該工藝就是由Fabrisonic公司推出的超聲波增材制造（UAM）技術。

超聲波增材制造實現了鋁合金熱交換器的整體制造

超聲波增材制造的技術原理

超聲波增材制造（UAM）是基于傳統的 “超聲波焊接”工藝，其利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。而當這種焊接方式被應用到3D打印機上時，也就成就了這項新的3D打印工藝——“超聲波增材制造”。

超聲波增材制造原理

超聲波增材制造能夠實現不同金屬間的冶金結合

超聲波增材制造采用金屬薄片為材料，能夠實現真正冶金學意義上的熔合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。UAM的制造過程包括通過超聲波逐層連續焊接金屬片，并不時通過機械加工來實現指定的3D形狀，從而形成堅實的金屬物體。通過結合增材和減材處理能力，UAM可以制造出深槽、中空、柵格狀或蜂窩狀的內部結構，以及其它復雜的幾何形狀，這些結構和形狀通常無法使用傳統減材制造工藝完成。此外，該技術的重要優勢是能夠制造多金屬零件。

超聲波增材制造生產多材料一體化構件

自 2011 年成立以來，Fabrisonic 已多次與 NASA 合作。2018 年，Fabrisonic和NASA JPL開始探索如何使用超聲波增材制造來生產 3D打印熱交換器。當時，3D 打印組件通過了NASA的質量控制測試，并被認為可以在太空使用。今年早些時候，NASA JPL宣布他們使用 Fabrisonic的設備為衛星開發了價值更高的3D打印熱交換器。

3D打印的散熱器由鋁和銅兩種材料構成，可以讓熱量更均勻地分布在整個表面

在太空中，極端溫度可能會有數百度變化。熱交換器可以通過吸入或排出熱量來幫助航天器內部保持穩定溫度。熱交換器通常內置流道，并連接到帶有支架和環氧樹脂的金屬板上。傳統上，熱交換器由多個相互連接的部件組成，這會給設備帶來許多潛在故障風險，NASA JPL選擇采用UAM技術3D打印一體化的熱交換器。

由UAM技術3D打印的大尺寸熱交換器

事實證明，整體制造可以使組件的可靠性得到顯著提高，并降低長期太空任務或地球極端條件下的故障可能性。3D打印熱交換器還帶來了性能提升，與通過傳統方法制造的熱交換器相比，重量減輕了約 30%，性能提高了30%。除此之外，這項技術在幾天之內便完成了這種復雜結構的零件生產，縮短了NASA航天器的開發周期。

含有內部通道的鋁銅復合材料部件

除鋁和銅的一體化制造之外，NASA JPL還利用Fabrisonic的UAM 技術實現了金屬鉭與鋁合金部件的結合。為保護電子組件免受強烈空間輻射并保持組件盡可能輕巧，NASA JPL在鋁合金航天部件的中間添加了能夠抗輻射的金屬鉭層，從而獲得了既抗輻射又極輕的3D 打印組件，該組件的每種金屬特性均保持不變并能按預期運行。

除以上應用之外，NASA還于2020年在 SBIR項目中使用UAM技術成功將不同的非晶合金與其他金屬合并來克服腐蝕問題。

超聲波增材制造生產內置傳感器的“智能結構”

因為金屬沒有被加熱焊接，UAM技術可以在零件的制造過程中嵌入電子裝置同時不會發生損壞。過去使用常規焊接技術加工智能材料所面臨的最大挑戰就是，材料融化往往會大大降低智能材料的性能。因為UAM工藝是固態的，不涉及熔化，這個工藝可以用來將導線、帶、箔和所謂的“智能材料”，比如傳感器、電子電路和制動器等完全嵌入密實的金屬結構，而不會導致任何損壞。因此，超聲波增材制造非常適用于“智能材料”的打印以及“智能結構”成形。

內置電子裝置的“智能結構”

NASA在其航空測試中利用通過UAM技術打印的光纖傳感器來檢測商用機身的弱點和性能問題。這些傳感器使用UAM技術內置于鋁合金零件內部，能夠獲取有關金屬健康和性能的準確、實時數據。同時，由于外層金屬的保護，傳統器可以在太空等惡劣環境中工作。除此之外，NASA還于 2019年采用UAM技術將傳感器直接3D打印到了燃料管道中，用來收集低溫燃料管道中的數據，以更好地了解發動機的運行情況。

內置傳感器的發動機燃料管道

UAM可以結合智能材料本身的特點隨時改變不同結構零部件材料的特點，因此UAM技術具有以下優勢：

（1）高速金屬增材制造，成形復雜結構。

UAM與傳統3D打印技術一樣，同樣具有成形的高效性與高復雜性，屬于自由凈成形工藝。

（2）固態焊接可以實現：異種金屬的結合、包層、金屬基復合材料、“智能”或反應式結構。

UAM工藝是基于傳統的電磁波焊接技術，因此，成形過程可以實現固態焊接，實現異種金屬的鏈接或包層。

（3）低溫工藝可以實現：電子嵌入防篡改結構、非破壞性、完全封裝的光纖嵌入。

END

UAM工藝不需要高溫環境，在低溫下就可以實現制造過程，因此，對于那些在高溫下會改變本身特性的材料而言，UAM可以輕松實現復雜結構的成形或者對需要封裝的嵌入結構實現制造。基于傳統工藝的新型3D打印形式正在使增材制造工藝的種類更加豐富，同時也滿足了更多的制造需求。除超聲波增材制造工藝外，3D打印技術參考在往期文章中提到的攪拌摩擦焊也是其中一種。