无须高能热源，NASA实现铝和铜等多材料一体3D打印

近日，美国航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）采用一种不同于基于激光或电子束的增材制造工艺生产了一种铝合金航天器用热交换装置。采用新设计的热交换器取代了在长期任务或极端条件下可能出现故障的数十个小零件和接头，不仅对太空应用而且在石油钻井和航空等领域都有潜在益处。NASA JPL 技术专家表示，该工艺所能解决的不仅是一个任务的一个问题，同时将为NASA和工业界解决一类问题。该工艺就是由Fabrisonic公司推出的超声波增材制造（UAM）技术。

超声波增材制造实现了铝合金热交换器的整体制造

超声波增材制造的技术原理

超声波增材制造（UAM）是基于传统的 “超声波焊接”工艺，其利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。而当这种焊接方式被应用到3D打印机上时，也就成就了这项新的3D打印工艺——“超声波增材制造”。

超声波增材制造原理

超声波增材制造能够实现不同金属间的冶金结合

超声波增材制造采用金属薄片为材料，能够实现真正冶金学意义上的熔合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。UAM的制造过程包括通过超声波逐层连续焊接金属片，并不时通过机械加工来实现指定的3D形状，从而形成坚实的金属物体。通过结合增材和减材处理能力，UAM可以制造出深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构，以及其它复杂的几何形状，这些结构和形状通常无法使用传统减材制造工艺完成。此外，该技术的重要优势是能够制造多金属零件。 

超声波增材制造生产多材料一体化构件

自 2011 年成立以来，Fabrisonic 已多次与 NASA 合作。2018 年，Fabrisonic和NASA JPL开始探索如何使用超声波增材制造来生产 3D打印热交换器。当时，3D 打印组件通过了NASA的质量控制测试，并被认为可以在太空使用。今年早些时候，NASA JPL宣布他们使用 Fabrisonic的设备为卫星开发了价值更高的3D打印热交换器。

3D打印的散热器由铝和铜两种材料构成，可以让热量更均匀地分布在整个表面

在太空中，极端温度可能会有数百度变化。热交换器可以通过吸入或排出热量来帮助航天器内部保持稳定温度。热交换器通常内置流道，并连接到带有支架和环氧树脂的金属板上。传统上，热交换器由多个相互连接的部件组成，这会给设备带来许多潜在故障风险，NASA JPL选择采用UAM技术3D打印一体化的热交换器。

由UAM技术3D打印的大尺寸热交换器

事实证明，整体制造可以使组件的可靠性得到显著提高，并降低长期太空任务或地球极端条件下的故障可能性。3D打印热交换器还带来了性能提升，与通过传统方法制造的热交换器相比，重量减轻了约 30%，性能提高了30%。除此之外，这项技术在几天之内便完成了这种复杂结构的零件生产，缩短了NASA航天器的开发周期。

含有内部通道的铝铜复合材料部件

除铝和铜的一体化制造之外，NASA JPL还利用Fabrisonic的UAM 技术实现了金属钽与铝合金部件的结合。为保护电子组件免受强烈空间辐射并保持组件尽可能轻巧，NASA JPL在铝合金航天部件的中间添加了能够抗辐射的金属钽层，从而获得了既抗辐射又极轻的3D 打印组件，该组件的每种金属特性均保持不变并能按预期运行。

除以上应用之外，NASA还于2020年在 SBIR项目中使用UAM技术成功将不同的非晶合金与其他金属合并来克服腐蚀问题。

超声波增材制造生产内置传感器的“智能结构”

因为金属没有被加热焊接，UAM技术可以在零件的制造过程中嵌入电子装置同时不会发生损坏。过去使用常规焊接技术加工智能材料所面临的最大挑战就是，材料融化往往会大大降低智能材料的性能。因为UAM工艺是固态的，不涉及熔化，这个工艺可以用来将导线、带、箔和所谓的“智能材料”，比如传感器、电子电路和制动器等完全嵌入密实的金属结构，而不会导致任何损坏。因此，超声波增材制造非常适用于“智能材料”的打印以及“智能结构”成形。

内置电子装置的“智能结构”

NASA在其航空测试中利用通过UAM技术打印的光纤传感器来检测商用机身的弱点和性能问题。这些传感器使用UAM技术内置于铝合金零件内部，能够获取有关金属健康和性能的准确、实时数据。同时，由于外层金属的保护，传统器可以在太空等恶劣环境中工作。除此之外，NASA还于 2019年采用UAM技术将传感器直接3D打印到了燃料管道中，用来收集低温燃料管道中的数据，以更好地了解发动机的运行情况。

内置传感器的发动机燃料管道

UAM可以结合智能材料本身的特点随时改变不同结构零部件材料的特点，因此UAM技术具有以下优势：

（1）高速金属增材制造，成形复杂结构。
UAM与传统3D打印技术一样，同样具有成形的高效性与高复杂性，属于自由净成形工艺。
（2）固态焊接可以实现：异种金属的结合、包层、金属基复合材料、“智能”或反应式结构。
UAM工艺是基于传统的电磁波焊接技术，因此，成形过程可以实现固态焊接，实现异种金属的链接或包层。
（3）低温工艺可以实现：电子嵌入防篡改结构、非破坏性、完全封装的光纤嵌入。

END

UAM工艺不需要高温环境，在低温下就可以实现制造过程，因此，对于那些在高温下会改变本身特性的材料而言，UAM可以轻松实现复杂结构的成形或者对需要封装的嵌入结构实现制造。基于传统工艺的新型3D打印形式正在使增材制造工艺的种类更加丰富，同时也满足了更多的制造需求。除超声波增材制造工艺外，3D打印技术参考在往期文章中提到的搅拌摩擦焊也是其中一种。

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