Lektion 8.9UrformenKapitel 8 · Additive Fertigung

Ultraschall-Additive-Fertigung (UAM)

Ultraschallschwingungen verschweißen Metallfolien ohne Aufschmelzen, dann fräst eine Fräse sie in Form (Schichtlaminierung)

Die Ultraschall-Additive-Fertigung (UAM) baut Metallteile auf, indem sie dünne Folien mit hochfrequenten Schwingungen aufeinanderschweißt. Nichts schmilzt: Das Metall bleibt fest, ähnlich wie zwei sehr saubere Metalloberflächen aneinander haften können, wenn man sie kräftig aneinander reibt. Weil das Verfahren kühl abläuft, kann UAM Sensoren, Kabel und Kühlkanäle in massives Metall einbetten.

Foto: Fabrisonic LLC, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Ultraschall-Additive-Fertigung · Schweißen und Bearbeiten, 5 SchritteLinks: die Folien beim Verschweißen, mit der darunter vergrößerten Verbindung. Rechts: der anschließende Bearbeitungsschritt. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Eine Folie auflegen. Ein Metallfolienstreifen, typischerweise etwa 0,15 mm dick und 25 mm breit, wird auf das Teil abgerollt.
Andrücken und vibrieren. Eine Sonotrode (ein radförmiges Horn, das von Ultraschallschwingungen angetrieben wird) rollt über die Folie. Sie drückt kräftig und reibt sie etwa 20.000-mal pro Sekunde (20 kHz) hin und her.
Ohne Schmelzen verbinden. Das Reiben bricht den dünnen Oxidfilm (eine Anlaufschicht) auf beiden Oberflächen auf. Sauberes Metall berührt sauberes Metall, und die Atome verbinden sich, während das Teil warm bleibt, nicht geschmolzen.
Wiederholen. Folien werden nebeneinander und übereinander gelegt und bauen Schicht für Schicht einen massiven Block auf.
Bearbeiten und einbetten. Alle paar Schichten schneidet eine eingebaute CNC-Fräse (ein computergesteuertes Schneidwerkzeug) die Kontur nach und fräst Kanäle oder Taschen. Sensoren oder Fasern kommen in eine Tasche, und neue Folien schließen sie ein.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Aluminiumlegierungen (am häufigsten), Kupfer-, Titan-, Nickel- und Stahlfolien; ungleiche Paarungen wie Aluminium mit Kupfer oder Titan
Typische Teile: Wärmetauscher mit Innenkanälen, Teile mit eingebetteten Sensoren oder Fasern, Mehrmetallplatten und Übergangsverbindungen
Bauteilgröße: Von einigen Zentimetern bis etwa 1,8 m Breite bei den größten Maschinen
Präzision: Bestimmt durch die eingebaute CNC-Fräse: etwa ±0,05 mm an bearbeiteten Flächen
Oberfläche: Bearbeitet, daher so glatt wie jedes gefräste Teil
Geeignete Losgröße: Prototypen, Einzelstücke und kleine Serien hochwertiger Teile
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug. Maschinen kosten typischerweise mehrere Hunderttausend bis Millionen Dollar
Geschwindigkeit: Stunden bis Tage pro Teil: Das Schweißen ist schnell, aber die Bearbeitungsstopps kosten Zeit

Stärken und Grenzen

Stärken

Kein Aufschmelzen, daher verbinden sich ungleiche Metalle ohne spröde Schichten
Sensoren, Fasern und Elektronik überstehen das Einbetten in Metall
Innenkanäle ohne Stützen oder loses Pulver, das ausgeräumt werden müsste
Bearbeitungsgenauigkeit und -oberfläche von derselben Maschine

Grenzen

Funktioniert am besten mit weicheren Metallen; Aluminium ist mit Abstand am einfachsten
Die Verbindungen zwischen den Folien können in Stapelrichtung schwächer sein
Meist blockförmige Formen; dünne, hohe oder filigrane Merkmale sind schwierig
Wenige Maschinenhersteller und teure Ausrüstung

Wo es eingesetzt wird

Luft- und RaumfahrtWärmetauscher und Teile der Temperaturregelung für Satelliten und Flugzeuge
ElektronikKühlplatten und Gehäuse mit eingebauten Kühlkanälen
Energie und ForschungStrukturen mit eingebetteten Glasfaser- oder Temperatursensoren
SchwerindustrieMehrmetall-Übergangsverbindungen, etwa Aluminium, das mit Stahl oder Kupfer verbunden ist

So erkennen Sie es

Blockförmige Teile, die aussehen, als wären sie aus dem Vollen gefräst, ohne Schichtlinien an der Außenseite.
Auf einem geschnittenen und geätzten Schnitt dünne Streifen im Abstand von etwa 0,15 mm: die Folienlagen.
Zwei verschiedene Metalle in einem Block, etwa Aluminium auf Kupfer, die an einer scharfen, geraden Grenze aufeinandertreffen.
Verborgene Innenkanäle oder Drähte, die kein Fräser von außen hätte erreichen können.

Im Vergleich mit

Ultraschallschweißen7.7dieselbe Schwingungsverbindung, mit der zwei Teile gefügt werden; UAM wiederholt sie Folie für Folie, um ein Teil aufzubauen.Laser-Pulverbettschmelzen8.4erzeugt ebenfalls Innenkanäle, aber durch Schmelzen von Pulver, sodass es keine Sensoren einbetten oder Metalle frei mischen kann.Fräsen5.2UAM hat eine Fräse eingebaut; die Endform wird geschnitten, daher entspricht die Genauigkeit der des Fräsens.

Ansehen

Fabrisonic3D · Der Hersteller erklärt, wie Ultraschallschweißen Folien ohne Aufschmelzen verbindet

Fabrisonic3D · Echtes Filmmaterial der Maschine beim Auflegen, Verschweißen und Beschneiden von Folien

Fabrisonic3D · Beispielteile: eingebettete Sensoren, Innenkanäle, gemischte Metalle

Fabrisonic3D · Eine große Produktionsmaschine bei der Arbeit

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Ultraschallverfestigung — das Verfahren und seine Geschichte; nur Text, keine Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

UAM verschweißt Metallfolien mit Druck und Ultraschallschwingungen, ohne sie je zu schmelzen.
Die niedrige Wärme erlaubt es, ungleiche Metalle zu verbinden und Sensoren in massives Metall einzubetten.
Es wechselt zwischen Schweißen und CNC-Bearbeitung, daher werden die Teile genau.