Ultraschall-Additive Fertigung: Niedrigtemperatur-3D-Metalldruck erklärt

Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), auch bekannt als Ultrasonic Consolidation (UC), ist eine additive Fertigung (AM) oder 3D-Metalldrucktechnologie. UAM gehört zur „Schichtlaminierung“-Familie von AM-Prozessen, zusammen mit Laminated Object Manufacturing (LOM).

Im Vergleich zu anderen AM-Techniken verwendet UAM relativ niedrige Temperaturen – weit unter den Schmelztemperaturen der verwendeten Materialien – und wird zur Herstellung von Metallteilen statt von Kunststoff oder Nylon eingesetzt.

Kurze Geschichte von UAM

Der UAM-Prozess wurde von Dawn White entwickelt, die die Erfindung 1999 durch die Gründung von Solidica Inc. kommerzialisierte, um kommerzielle UAM-Geräte zu verkaufen.

2007 arbeitete Solidica mit dem Edison Welding Institute zusammen, um den Werkzeugprozess neu zu gestalten, um die Verbindungsqualität zu verbessern und die Anzahl der verwendbaren Metalle zu erweitern. Die Zusammenarbeit führte zu einem neuen UAM-Prozess, bekannt als „Very High Power Ultrasonic Additive Manufacturing“.

Die Partnerschaft gründete 2011 ein neues Unternehmen – Fabrisonic LLC – um den neuen High-Power-UAM-Prozess zu kommerzialisieren und eine neue Reihe von UAM-Geräten zu verkaufen.

Ultraschall-Additive Fertigung erklärt

Wie bei den meisten AM-Prozessen erstellen UAM-Maschinen Teile basierend auf einem Computer-Aided-Design (CAD)-Modell. Sobald ein Modell erstellt wurde, wird die Datei in 2-dimensionale Querschnitte „gesliced“, die verwendet werden, um das Teil schichtweise aufzubauen – dazu gleich mehr.

Abgesehen vom 3D-Modellierungsaspekt unterscheidet sich UAM jedoch erheblich von anderen AM-Techniken. Wo die meisten AM-Techniken – wie SLS – Teile aus pulverförmigem Material herstellen, verwendet UAM Metallfolien. Auch im Gegensatz zu anderen AM-Techniken verwendet UAM keine Hitze. Stattdessen verwendet es ein Werkzeug namens Sonotrode, um Ultraschallvibrationen zu erzeugen, die – in Kombination mit Druck – zwei Metallschichten miteinander verbinden.

(Quelle: The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

Der Fertigungsprozess sieht wie folgt aus:

• Eine solide Metallbasisplatte wird auf der Bauplattform fixiert.
• Metallfolie wird auf die Basisplatte gelegt, und die gesamte Bauplattform wird unter die Sonotrode gezogen, wodurch die Folie mit der Basisplatte verbunden wird. An diesem Punkt ist das Teil noch nicht geformt.
• Dieser Prozess wird wiederholt, bis die verbundenen Schichten eine vorbestimmte Tiefe erreichen.
• Eine CNC-Maschine – ähnlich denen im traditionellen subtraktiven CNC-Fräsen – schneidet das Teil in Form, indem sie die überschüssige Folie entfernt.
• Dieser Zyklus wird wiederholt, bis das Teil eine bestimmte Höhe erreicht.
• Ein kleineres Fräswerkzeug formt das Teil weiter und führt alle für das fertige Teil erforderlichen internen Fräsarbeiten durch.
• Der vollständige UAM-Zyklus wird wiederholt, bis das Teil fertig ist.
• Das Teil wird von der Bauplattform entfernt und die Basisplatte abgetrennt.

Wie Sie sehen, ist UAM tatsächlich ein hybrider additiver und subtraktiver Fertigungsprozess, der den Schichtansatz von AM-Techniken mit subtraktivem CNC-Fräsen kombiniert.

Ultraschall-Fertigungsmaschinen

Der UAM-Prozess nutzt eine Reihe von ultraschallbasierten 3D-Druckmaschinen, die von Fabrisonic, LLC entwickelt wurden. Die Maschinen können extrem starke Verbindungen sogar zwischen verschiedenen Metallen herstellen. Und da der Prozess keine hohe Hitze beinhaltet, verursacht der Verbindungsprozess keine Veränderungen der molekularen Struktur der Schichten und vermeidet die spröden Eigenschaften, die in einigen anderen Metall-AM-Prozessen inhärent sind.

Ein weiterer Vorteil der Fabrisonic-Maschinen ist, dass sie Metalle verbinden können, die mit anderen Techniken nicht verwendet werden können, einschließlich Kupfer und Aluminium.

Natürlich sind die Maschinen, so beeindruckend sie auch sind, nicht für den Heimgebrauch geeignet. Selbst die kleinere, auf Forschung und Entwicklung fokussierte Maschine kostet knapp 200.000 $, sodass Fabrisonic UAM-Maschinen nur für industrielle und Forschungszwecke bestimmt sind.

Vorverarbeitung von Modellen für die Ultraschallfertigung

Bevor Sie ein Teil mit UAM herstellen können, müssen Sie zunächst die Vorverarbeitungsphase durchlaufen. In dieser Phase wird das 3D-CAD-Modell des herzustellenden Teils mit spezialisierter Modellierungssoftware analysiert.

Die Datenvorbereitung für UAM folgt einem ähnlichen Prozess wie die Datenvorbereitung für SLS. Obwohl UAM nicht die gleichen Einschränkungen wie SLS bei dünnen Wänden und scharfen Kanten hat, erfordert es dennoch einen gewissen Grad an Vorverarbeitung:

• Teile, die komplexe Geometrien beinhalten, sollten mit einem Geometrievereinfachungstool vereinfacht werden.
• Designer sollten Simulationsmodellierungstools und -techniken verwenden, um sicherzustellen, dass das Teil für den UAM-Druck geeignet ist und realen Belastungen standhält.

Sobald das Teil verarbeitet wurde, wird „Slicing“-Software verwendet, um das 3D-Modell in 2-dimensionale Schichten, sogenannte Querschnitte, umzuwandeln. Obwohl kostenlose Anwendungen diesen Datenvorbereitungsprozess abschließen können, sind professionelle Designer besser beraten, ein anerkanntes Softwarepaket zu verwenden.

Wenn Ihre Organisation Anwendungen entwickelt, die Vorverarbeitung für UAM handhaben, ist Spatial hier, um zu helfen.

Mit mehr als drei Jahrzehnten 3D-Modellierungserfahrung bietet Spatial umfassende Vorverarbeitungsfunktionen und vorgefertigte Bibliotheken, die Sie in Ihre Softwareanwendungen einbauen können. Erweitern Sie die Funktionalität Ihrer Anwendungen oder Hardwareprodukte und differenzieren Sie Ihre Angebote von Wettbewerbern – ohne Jahre von Forschung und Entwicklung, um diese Fähigkeiten intern zu entwickeln.

Um mehr darüber zu erfahren, wie Spatial helfen kann, sehen Sie sich unsere branchenbewährten 3D-Modellierungs-Software-Development-Toolkits an.

Vorteile und Einschränkungen der Ultraschall-Additiven Fertigung

UAM bietet drei bedeutende Vorteile, die die meisten anderen AM-Prozesse nicht liefern können.

1. Es kann Metallteile mit „unmöglichen“ inneren Kanälen herstellen.

Viele Teile erfordern innere Kanäle, oft für Kühlzwecke. Mit anderen AM-Prozessen wie FDM und SLS – und sicherlich mit traditionellen subtraktiven Fertigungstechniken – ist die Herstellung von Teilen mit komplexen konformen 3D-Strömungspfaden praktisch unmöglich. Mit der Verwendung von „Very High Power UAM“ können moderne Fabrisonic-Maschinen Teile aus Aluminium und Kupfer herstellen, was hilft, Wärme abzuführen und gleichzeitig das Gewicht zu verringern.

2. Es kann mehrere Metalle verbinden.

Da UAM keine hohe Hitze beinhaltet, verändert es nicht die Mikrostruktur der verwendeten Metalle. Daher kann UAM ungleiche Metalle verbinden, ohne die Fehlanpassungen und spröden Strukturen zu erzeugen, die in anderen Metall-AM-Prozesstechnologien inhärent sind. Eine breite Palette von Materialkombinationen ist möglich.

3. Es kann Sensoren und Schaltkreise einbetten.

Am beeindruckendsten: UAM-Teile können sogar mit internen Sensoren und Schaltkreisen gedruckt werden – eine einzigartige Fähigkeit in der AM. Dies ist in der traditionellen Fertigung nicht möglich, da die dabei auftretenden Belastungen und Temperaturen diese empfindlichen Komponenten beschädigen würden. Mit UAM können Sensoren überall in einer Metallstruktur eingebettet werden, was viele wertvolle Anwendungen in der Gesundheitsversorgung, Prozesssteuerung und sogar dem Internet der Dinge (IoT) bietet.

Schließlich verschwendet UAM auch weniger Material, da es weniger Aushöhlung erfordert als Techniken wie SLS.

All dies hat jedoch seinen Preis – buchstäblich. Wie bereits erwähnt, kostet die kleinste von Fabrisonic verkaufte Maschine fast 200.000 $. Das Unternehmen listet Preise für seine größeren Maschinen nicht auf, aber Organisationen können mit erheblich höheren Beträgen rechnen.

Wann benötigen Sie UAM?

Angesichts seiner Fähigkeit, eine Vielzahl verschiedener Metalle zu verbinden, hat UAM klare Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie. Seine Fähigkeit, Teile mit komplexen Kühlkanälen herzustellen, ist in diesen und anderen Branchen wie industrieller Fertigung, Medizintechnik und High-Tech-Ausrüstung äußerst wertvoll.

Darüber hinaus macht UAMs Möglichkeit, Teile mit eingebauten Sensoren und Schaltkreisen herzustellen, es äußerst begehrenswert für die Produktion intelligenter IoT-ähnlicher Geräte in einer Vielzahl von Branchen. Viele traditionelle Branchen nutzen nun eine breite Palette von Sensoren und Tracking-Geräten, um Operationen autonom zu verwalten, und UAM wird häufig zur Herstellung von Teilen für diese Geräte verwendet.

Natürlich ist UAM, so wertvoll es auch ist, stark von der Fähigkeit des Herstellers abhängig, präzise, optimierte 3D-Modelle zu erstellen. Und angesichts der Komplexität vieler UAM-Teile ist leistungsstarke Software erforderlich, um diese Modelle zu produzieren.

Bereit, leistungsstarke UAM-Funktionalität und vollständige, vorgefertigte Bibliotheken in Ihre Software- und Hardwarelösungen zu integrieren? Kontaktieren Sie noch heute die Experten von Spatial.