Manufaktur Aditif Ultrasonik: Cetak 3D Logam Suhu Rendah Dijelaskan

Manufaktur Aditif Ultrasonik (UAM), juga dikenal sebagai Konsolidasi Ultrasonik (UC), adalah teknologi manufaktur aditif (AM) atau pencetakan logam 3D. UAM termasuk dalam keluarga proses AM ‘sheet lamination’, bersama dengan Laminated Object Manufacturing (LOM).

Dibandingkan dengan teknik AM lainnya, UAM menggunakan suhu yang relatif rendah - jauh di bawah suhu leleh bahan yang digunakan - dan digunakan untuk memproduksi bagian logam bukan plastik atau nylon.

Sejarah Singkat UAM

Proses UAM dikembangkan oleh Dawn White, yang mengkomersialkan penemuan pada tahun 1999 dengan mendirikan Solidica Inc. untuk menjual peralatan UAM komersial.

Pada tahun 2007, Solidica bekerja sama dengan Edison Welding Institute untuk meredesain proses perkakasan untuk meningkatkan kualitas ikatan dan memperluas jumlah logam yang dapat digunakan. Kolaborasi tersebut menghasilkan proses UAM baru, dikenal sebagai ‘UAM daya ultrasonik sangat tinggi.’

Partnership mendirikan perusahaan baru - Fabrisonic LLC - pada tahun 2011 untuk mengkomersialkan proses UAM daya tinggi baru dan menjual garis peralatan UAM baru.

Manufaktur Aditif Ultrasonik Dijelaskan

Seperti sebagian besar proses AM, mesin UAM membuat bagian berdasarkan model Desain Terbantu Komputer (CAD). Setelah model dibuat, file tersebut ‘diiris’ menjadi potongan lintang 2 dimensi yang digunakan untuk membangun bagian lapis demi lapis - lebih lanjut dalam sebentar.

Namun, di luar aspek pemodelan 3D, UAM berbeda secara signifikan dari teknik AM lainnya. Di mana sebagian besar teknik AM — seperti SLS — menghasilkan bagian dari serbuk bahan, UAM menggunakan lembaran foil logam. Juga, tidak seperti teknik AM lainnya, UAM tidak menggunakan panas. Sebaliknya, ini menggunakan alat yang disebut sonotrode untuk menciptakan geteran ultrasonik yang - dalam kombinasi dengan tekanan - memaksa dua lapisan logam untuk menyatu.

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

Proses manufaktur terlihat seperti ini:

• Piring logam padat dipasang di platform bangunan.
• Foil logam diletakkan di atas piring dasar, dan seluruh platform bangunan ditarik di bawah sonotrode, menyatukan foil ke piring dasar. Pada titik ini, bagian tidak terbentuk sama sekali.
• Proses ini kemudian diulang sampai lapisan yang menyatu mencapai kedalaman yang ditentukan sebelumnya.
• Mesin CNC - mirip dengan yang digunakan dalam pemesinan CNC pengurangan tradisional - memotong bagian menjadi bentuk dengan menghapus foil berlebih.
• Siklus ini diulang sampai bagian mencapai tinggi yang ditentukan.
• Alat pemotongan kecil lebih lanjut memotong bagian dan menyelesaikan pemotongan internal yang diperlukan untuk bagian yang selesai.
• Siklus UAM penuh diulang sampai bagian selesai.
• Bagian dikeluarkan dari platform bangunan, dan piring dasar dilepaskan.

Seperti yang Anda lihat, UAM sebenarnya adalah proses manufaktur aditif dan pengurangan hibrida, yang menggabungkan pendekatan berlapis dari teknik AM dengan pemesinan CNC pengurangan.

Mesin Manufaktur Ultrasonik

Proses UAM menggunakan garis mesin pencetakan 3D ultrasonik yang dikembangkan oleh Fabrisonic, LLC. Mesin dapat membuat ikatan yang sangat kuat bahkan antara logam yang berbeda. Dan, karena proses tidak melibatkan panas tinggi, proses penyatuan tidak menyebabkan perubahan pada struktur molekuler lapisan, menghindari karakteristik rapuh yang ada dalam beberapa proses AM logam lainnya.

Manfaat lain dari mesin Fabrisonic adalah dapat menyatukan logam yang tidak dapat digunakan dengan teknik lainnya, termasuk tembaga dan aluminium.

Tentu saja, meskipun mesin tersebut tentu saja mengesankan, tidak cocok untuk penggunaan rumah tangga. Dengan bahkan mesin R&D yang lebih kecil dengan harga kurang dari $200.000, mesin UAM Fabrisonic hanya untuk tujuan industri dan penelitian.

Pra-Pemrosesan Model untuk Manufaktur Ultrasonik

Sebelum Anda dapat memproduksi bagian menggunakan UAM, Anda harus melalui tahap pra-pemrosesan terlebih dahulu. Selama tahap ini, model CAD 3D bagian yang akan diproduksi dianalisis menggunakan perangkat lunak pemodelan khusus.

Persiapan data untuk UAM mengikuti proses yang mirip dengan persiapan data untuk SLS. Sementara UAM tidak memiliki keterbatasan yang sama seperti SLS ketika datang ke dinding tepi dan tepi tajam, ini masih memerlukan tingkat pra-pemrosesan:

• Bagian yang menggabungkan geometri kompleks harus disederhanakan menggunakan alat penyederhanaan geometri.
• Desainer harus menggunakan alat dan teknik pemodelan simulasi untuk memastikan bagian cocok untuk pencetakan UAM dan tahan terhadap penggunaan dunia nyata.

Setelah bagian telah diproses, perangkat lunak ‘pengiris’ digunakan untuk mengonversi model 3D menjadi lapisan 2 dimensi yang dikenal sebagai potongan lintang. Meskipun aplikasi gratis dapat menyelesaikan proses persiapan data ini, desainer profesional lebih baik menggunakan paket perangkat lunak yang diakui.

Jika organisasi Anda mengembangkan aplikasi yang menangani pra-pemrosesan untuk UAM, Spatial siap membantu.

Dengan lebih dari tiga dekade pengalaman pemodelan 3D, Spatial menyediakan kemampuan pra-pemrosesan komprehensif dan perpustakaan bawaan yang dapat Anda bangun ke dalam aplikasi perangkat lunak Anda. Perluas fungsionalitas aplikasi atau produk hardware Anda dan diferensiasikan penawaran Anda dari pesaing - tanpa berinvestasi bertahun-tahun R&D untuk mengembangkan kemampuan ini di rumah.

Untuk mengetahui lebih lanjut bagaimana Spatial dapat membantu, lihat Toolkit Pengembangan Perangkat Lunak Pemodelan 3D yang telah terbukti di industri kami.

Keuntungan dan Keterbatasan Manufaktur Aditif Ultrasonik

UAM menawarkan tiga keuntungan signifikan yang sebagian besar proses AM lainnya tidak dapat memberikan.

1. Ini dapat memproduksi bagian logam dengan saluran internal ‘mustahil’.

Banyak bagian membutuhkan saluran internal, seringkali untuk tujuan pendinginan. Namun, dengan proses AM lainnya seperti FDM dan SLS - dan tentu saja dengan teknik pengurangan tradisional - memproduksi bagian dengan jalur aliran 3D konformal kompleks hampir tidak mungkin. Dengan penggunaan ‘UAM daya sangat tinggi,’ mesin Fabrisonik modern dapat membuat bagian dari aluminium dan tembaga, yang membantu melepaskan panas sambil juga mengurangi bobot.

2. Ini dapat menyatukan beberapa logam.

Karena UAM tidak melibatkan panas tinggi, ini tidak mengubah mikrostruktur logam yang digunakan. Akibatnya, UAM dapat menyatukan logam yang berbeda tanpa menciptakan ketidakcocokan dan struktur rapuh yang ada dalam teknologi proses AM logam lainnya. Rentang kombinasi bahan yang luas mungkin.

3. Ini dapat menyematkan sensor dan sirkuit.

Sangat mengesankan, bagian UAM bahkan dapat dicetak dengan sensor dan sirkuit internal - kemampuan unik dalam AM. Ini tidak mungkin dalam manufaktur tradisional, karena tekanan dan suhu yang terlibat akan merusak komponen sensitif ini. Dengan UAM, sensor dapat disematkan di mana saja dalam struktur logam, memberikan banyak aplikasi yang berharga di perawatan kesehatan, kontrol proses, dan bahkan Internet of Things (IoT).

Terakhir, karena UAM membutuhkan lebih sedikit pembuatan rongga daripada teknik seperti SLS, ini juga menghasilkan lebih sedikit limbah.

Namun, semuanya ini datang dengan harga - secara harfiah. Seperti yang kami catat sebelumnya, mesin terkecil yang dijual oleh Fabrisonic berharga hampir $200.000. Perusahaan tidak mencantumkan harga untuk mesin yang lebih besar, tetapi organisasi dapat berharap membayar jumlah yang jauh lebih tinggi untuknya.

Kapan Anda Perlu Menggunakan UAM?

Dengan kemampuannya untuk menyatukan berbagai macam logam yang berbeda, UAM memiliki aplikasi yang jelas di industri penerbangan antariksa dan otomotif. Kemampuannya untuk memproduksi bagian dengan saluran pendinginan kompleks sangat berharga di industri ini dan lainnya seperti manufaktur industri, peralatan medis, dan peralatan teknologi tinggi.

Selanjutnya, kemampuan UAM untuk memproduksi bagian dengan sensor dan sirkuit built-in membuatnya sangat diinginkan untuk memproduksi perangkat IoT cerdas di berbagai macam industri. Banyak industri tradisional sekarang menggunakan berbagai macam sensor dan perangkat pelacak untuk mengelola operasi secara otonom, dan UAM sering digunakan untuk memproduksi bagian untuk perangkat ini.

Tentu saja, seberapa berharga pun UAM, ini sangat bergantung pada kemampuan produsen untuk menghasilkan model 3D yang akurat dan dioptimalkan. Dan, mengingat kompleksitas banyak bagian UAM, perangkat lunak yang canggih diperlukan untuk menghasilkan model ini.

Siap membangun fungsionalitas UAM yang canggih dan perpustakaan bawaan lengkap ke dalam solusi perangkat lunak dan hardware Anda? Hubungi para ahli Spatial hari ini.