Bài 8.9Tạo hình ban đầuChương 8 · Sản xuất bồi đắp

Sản xuất bồi đắp siêu âm (UAM)

Rung siêu âm hàn các lá kim loại mà không làm nóng chảy, rồi máy phay cắt tỉa chúng (ghép lớp tấm)

Sản xuất bồi đắp siêu âm (UAM) tạo chi tiết kim loại bằng cách hàn các lá mỏng lên nhau nhờ rung tần số cao. Không có gì nóng chảy: kim loại vẫn ở thể rắn, giống như hai bề mặt kim loại rất sạch có thể dính vào nhau khi cọ xát mạnh. Vì chạy nguội, UAM có thể chôn cảm biến, dây dẫn và kênh làm mát bên trong kim loại đặc.

Ảnh: Fabrisonic LLC, CC BY-SA 4.0, qua Wikimedia Commons

sản xuất bồi đắp siêu âm · hàn và gia công, 5 bướcTrái: các lá đang được hàn, với mối nối phóng đại bên dưới. Phải: bước gia công tiếp theo. Các số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới.

Cách hoạt động

Đặt một lá. Một dải lá kim loại, thường dày khoảng 0,15 mm và rộng 25 mm, được trải ra trên chi tiết.
Ép và rung. Một sonotrode (đầu rung hình bánh xe được dẫn động bằng rung siêu âm) lăn qua lá. Nó ép mạnh và cọ lá sang hai bên khoảng 20.000 lần mỗi giây (20 kHz).
Liên kết mà không nóng chảy. Việc cọ làm vỡ màng oxit mỏng (lớp xỉn màu) trên cả hai bề mặt. Kim loại sạch chạm kim loại sạch và các nguyên tử liên kết, trong khi chi tiết chỉ ấm lên, không nóng chảy.
Lặp lại. Các lá được đặt cạnh nhau và chồng lên nhau, xây dựng một khối đặc từng lớp một.
Gia công và nhúng chèn. Cứ vài lớp, một máy phay CNC tích hợp (dao cắt điều khiển bằng máy tính) cắt tỉa đường viền và cắt các kênh hoặc hốc. Cảm biến hoặc sợi được đặt vào một hốc, và các lá mới bịt kín chúng lại.

Thông số chính

Vật liệu: Hợp kim nhôm (phổ biến nhất), lá đồng, titan, niken và thép; các cặp khác loại như nhôm với đồng hoặc titan
Chi tiết thường gặp: Bộ trao đổi nhiệt có kênh bên trong, chi tiết có cảm biến hoặc sợi nhúng, tấm đa kim loại và mối nối chuyển tiếp
Kích thước chi tiết: Từ vài centimet đến khoảng 1,8 m trên những máy lớn nhất
Độ chính xác: Do máy phay CNC tích hợp quyết định: khoảng ±0,05 mm trên các mặt gia công
Bề mặt hoàn thiện: Được gia công nên nhẵn như mọi chi tiết phay
Số lượng phù hợp: Mẫu thử, chiếc đơn lẻ và loạt nhỏ chi tiết giá trị cao
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn dụng cụ. Máy thường có giá từ vài trăm nghìn đến hàng triệu USD
Tốc độ: Hàng giờ đến hàng ngày mỗi chi tiết: hàn thì nhanh, nhưng các lần dừng để gia công làm tốn thêm thời gian

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Không nóng chảy nên các kim loại khác loại nối được mà không tạo lớp giòn
Cảm biến, sợi và linh kiện điện tử vẫn nguyên vẹn khi bị chôn trong kim loại
Kênh bên trong không cần giá đỡ hay bột rời để dọn ra
Độ chính xác và độ bóng của gia công từ cùng một máy

Hạn chế

Hoạt động tốt nhất với kim loại mềm hơn; nhôm là dễ nhất cho đến nay
Liên kết giữa các lá có thể yếu hơn theo phương xếp chồng
Chủ yếu là hình khối; chi tiết mỏng, cao hoặc tinh vi thì khó
Ít nhà sản xuất máy và thiết bị đắt tiền

Ứng dụng

Hàng không và vũ trụBộ trao đổi nhiệt và chi tiết điều khiển nhiệt cho vệ tinh và máy bay
Điện tửTấm tản nhiệt lạnh và vỏ có kênh làm mát tích hợp
Năng lượng và nghiên cứuKết cấu có cảm biến sợi quang hoặc nhiệt độ nhúng bên trong
Công nghiệp nặngMối nối chuyển tiếp đa kim loại, như nhôm liên kết với thép hoặc đồng

Cách nhận biết

Chi tiết dạng khối trông như phay từ phôi đặc, không có vân lớp bên ngoài.
Trên mặt cắt đã ăn mòn, thấy các sọc mỏng cách nhau khoảng 0,15 mm: đó là các lớp lá.
Hai kim loại khác nhau trong một khối, như nhôm trên đồng, gặp nhau tại một ranh giới thẳng, sắc nét.
Các kênh hoặc dây bên trong ẩn mà không dao cắt nào có thể tới được từ bên ngoài.

So sánh với

Hàn siêu âm7.7cùng loại liên kết rung dùng để nối hai chi tiết; UAM lặp lại nó hết lá này đến lá khác để tạo một chi tiết.Nung chảy lớp bột bằng laser8.4cũng tạo kênh bên trong, nhưng bằng cách nung chảy bột, nên không thể chôn cảm biến hay trộn kim loại tự do.Phay5.2UAM có máy phay tích hợp; hình dạng cuối cùng được cắt gọt, nên độ chính xác tương đương phay.

Xem video

Fabrisonic3D · Nhà sản xuất giải thích hàn siêu âm liên kết các lá mà không nóng chảy như thế nào

Fabrisonic3D · Cảnh quay thực tế máy đặt, hàn và cắt tỉa các lá

Fabrisonic3D · Chi tiết mẫu: cảm biến nhúng, kênh bên trong, kim loại hỗn hợp

Fabrisonic3D · Một máy sản xuất lớn đang làm việc

Xem ảnh thật

Wikipedia: Ultrasonic consolidation — quy trình và lịch sử; chỉ có văn bản, không có ảnh
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

UAM hàn các lá kim loại bằng áp lực và rung siêu âm, không bao giờ làm chúng nóng chảy.
Nhiệt thấp cho phép nó nối các kim loại khác loại và chôn cảm biến bên trong kim loại đặc.
Nó luân phiên giữa hàn và gia công CNC, nên chi tiết ra chính xác.