拉夫堡团队帮助开拓超声波增材工艺

即将到来的先进制造工艺将使工程师能够设计和制造嵌入被动或主动设备的产品。这些产品的特性不仅可以在现场进行询问，而且可以在使用过程中进行修改。

其中一种制造工艺是超声波固化，这是一种基于使用超声波技术焊接一系列金属箔的增材制造技术。

在实践中，该技术利用表面摩擦和体积塑性软化效应，通过使用旋转的圆柱形声呐电极在两层金属箔之间建立连接。

当声纳电极被压电换能器激发时，它在金属箔条上滚动时以超声波频率振荡，将能量传递给顶部的金属箔条，并使其振动几十微米。

超声电极的夹紧力和箔的超声振动给箔带来的压力结合在一起产生摩擦，从而在两条条带之间形成固态焊缝。然后一层一层地重复这个过程，直到创建一个固体组件。然后使用CNC轮廓铣削来创建材料所需的形状。

拉夫堡大学(Loughborough University)高级讲师拉塞尔·哈里斯(Russell Harris)博士与美国Solidica公司合作多年，致力于改进这种系统。他表示，超声波固化技术与其他增材制造技术并没有完全不同，因为它也能将产品构建成一系列的层。“传统上，增材制造是用来制造许多相似的材料层，而超声波固化技术也可以用来粘合不同的金属材料，如铝和钛。”由于该过程是在材料处于固态的情况下进行的，因此实际上没有材料熔化，而且制造零件所需的压力很小。”

这意味着低温固态超声工艺可以在金属材料熔化温度的一小部分进行，与其他增材制造工艺相比，不仅速度快，而且能耗也更低。

Harris说，传统上认为，在超声波粘合过程中会发生三个不同的冶金阶段:粗糙体坍塌、部分氧化物破坏、局部软化和粘附。实际上，在Solidica开发的超声波固结生产机器中，粘合过程在几分之一秒内发生。

该技术还可用于粘合不同的金属材料，如铝和钛

应用于上箔的超声波频率与超声电极施加的压力相结合，导致两个箔之间表面的凹凸不平或粗糙或粗糙的塌陷，产生亲密接触。他说:“当声纳电极在铝箔表面滚动时，这种情况会沿着整个箔的长度发生。”

哈里斯说，该工艺也被证明可以操纵氧化层，氧化层自然存在于金属表面，如氧化铝层，这可能会阻碍两个箔之间连接的有效性。

这是由于超声波加工的一种独特现象，被称为“体积效应”或“声学软化”，导致在低温和低压下高水平的金属塑性流动。

同样的现象也允许不同的元素嵌入金属层之间。即使是那些由于对温度和压力的敏感性而无法被其他技术包裹在致密金属物体中的元素，也可以被周围以低温塑性状态流动的金属包裹起来，从而保持它们的功能。

Harris说，由于该过程可以在任何时候中断和修改，因此许多组件可以扩展到任何金属基体中以形成复合结构。这些先进的材料既坚固又轻便，是高应力、重临界环境的完美结合。

该技术已被用于制造将增强网格和纤维整合到金属基体中的部件，用于增强材料，用于传感应用的单模光纤，以及允许在使用过程中操纵成品部件物理特性的形状记忆合金纤维。

“它有可能创造出比现有复合材料更轻的复合材料。”

拉夫堡的拉塞尔·哈里斯

Harris认为这个过程可以进一步完善，为设计师提供更多的机会。例如，在铺设任何纤维元件之前，在箔片上的激光蚀刻通道将准确地保持其位置，并消除它们在超声波固化过程中移动的可能性。他还表示，这样的概念将有助于制造需要更大纤维包装体积的部件，使足够的金属能够通过它们之间的空间流动。

尽管目前的制造技术可能很灵活，但Harris承认，根据材料中嵌入的纤维的特性，可能需要优化声电极的功率或表面粗糙度等工艺参数。

哈里斯说:“例如，碳化硅纤维相对容易嵌入，而单模光纤是一种更脆的物体，这些不同的特性可能需要一组不同的工艺参数，才能成功地整合在一起。”

尽管如此，他认为这个过程很重要，尤其是对于那些想要制造极其复杂的多功能部件的工程师来说。他认为，超声波整合将使他们从传统的经济中解脱出来，比如计算工具成本和产量。

哈里斯说，这项技术最早的发展和应用是在航空航天和国防领域，但他认为它最终也会在汽车和高端消费领域得到利用。

“超声波加固技术有可能创造出比现有复合材料更轻的多功能智能复合材料，使设计师能够创造出不同的几何形状，并实时监测结构内的动态载荷。”该技术的优点之一是成本相对较低，不需要额外的材料制备或在高温下长时间加热块状材料。因此，它有可能变得更普遍。