Manufatura Aditiva Ultrassônica Explicada

Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), também conhecido como Ultrasonic Consolidation (UC), é uma tecnologia de fabricação aditiva (AM) ou impressão de metal 3D. A UAM pertence à família de processos de 'laminação de chapas', juntamente com a manufatura de objetos laminados (LOM).

Comparado a outras técnicas de AM, o UAM usa temperaturas relativamente baixas - bem abaixo das temperaturas de fusão dos materiais usados ​​- e é usado para produzir peças de metal em vez de plástico ou nylon.

Uma breve história da UAM

O processo UAM foi desenvolvido por Dawn White, que comercializou a invenção em 1999 ao fundar a Solidica Inc. para vender equipamentos UAM comerciais.

Em 2007, a Solidica colaborou com o Edison Welding Institute para redesenhar o processo de ferramental para melhorar a qualidade da ligação e expandir o número de metais que poderiam ser usados. A colaboração resultou em um novo processo UAM, conhecido como 'fabricação aditiva ultrassônica de alta potência'.

A parceria fundou uma nova empresa - Fabrisonic LLC - em 2011 para comercializar o novo processo UAM de alta potência e vender uma nova linha de equipamentos UAM.

Fabricação aditiva ultrassônica explicada

Como a maioria dos processos AM, as máquinas UAM criam peças com base em um modelo CAD (Computer Aided Design). Uma vez que um modelo foi feito, o arquivo é “fatiado” em seções transversais bidimensionais usadas para construir a peça camada por camada - mais em um momento.

No entanto, além do aspecto de modelagem 3D, o UAM difere significativamente de outras técnicas de AM. Onde a maioria das técnicas de AM – como SLS – produz peças de material em pó, a UAM usa folhas de folha de metal. Além disso, ao contrário de outras técnicas de AM, o UAM não usa calor. Em vez disso, ele usa uma ferramenta chamada sonotrodo para criar vibrações ultrassônicas que - em combinação com a pressão - forçam duas camadas de metal a se unirem.

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

O processo de fabricação fica assim:

• Uma placa de base de metal sólido é fixada na plataforma de construção.
• A folha de metal é colocada no topo da placa de base e toda a plataforma de construção é desenhada sob o sonotrodo, unindo a folha à placa de base. Neste ponto, a peça não é moldada de forma alguma.
• Esse processo é repetido até que as camadas ligadas atinjam uma profundidade predeterminada.
• Uma máquina CNC - semelhante às usadas na usinagem CNC subtrativa tradicional - apara a peça em forma removendo o excesso de folha.
• Este ciclo é repetido até que a peça atinja uma altura especificada.
• Uma ferramenta de fresamento menor molda ainda mais a peça e completa qualquer fresamento interno necessário para a peça acabada.
• O ciclo completo do UAM é repetido até que a peça seja concluída.
• A peça é removida da plataforma de construção e a placa de base é destacada.

Como você pode ver, o UAM é na verdade um processo híbrido de manufatura aditiva e subtrativa, que combina a abordagem em camadas das técnicas de AM com fresamento CNC subtrativo.

Máquinas de fabricação ultrassônicas

O processo UAM usa uma linha de máquinas de impressão 3D ultrassônicas desenvolvidas pela Fabrisonic, LLC. As máquinas podem criar ligações extremamente fortes mesmo entre diferentes metais. E, como o processo não envolve altas temperaturas, o processo de ligação não causa alterações na estrutura molecular dos posteriores, evitando as características frágeis inerentes a alguns outros processos de AM de metais.

Outro benefício das máquinas Fabrisonic é que elas podem unir metais que não podem ser usados ​​com outras técnicas, incluindo cobre e alumínio.

É claro que, embora as máquinas sejam, sem dúvida, impressionantes, elas não são adequadas para uso doméstico. Mesmo com a menor máquina focada em P&D chegando a pouco menos de US$ 200.000, as máquinas Fabrisonic UAM são apenas para fins industriais e de pesquisa.

Modelos de pré-processamento para fabricação ultrassônica

Antes de poder produzir uma peça usando o UAM, você deve primeiro passar pela fase de pré-processamento. Durante esta fase, o modelo CAD 3D da peça que está sendo produzida é analisado usando um software de modelagem especializado.

A preparação de dados para UAM segue um processo semelhante à preparação de dados para SLS. Embora o UAM não tenha as mesmas limitações que o SLS quando se trata de paredes finas e bordas afiadas, ainda requer um grau de pré-processamento:

• Peças que incorporam geometrias complexas devem ser simplificadas usando uma ferramenta de simplificação de geometria.
• Os projetistas devem usar ferramentas e técnicas de modelagem de simulação para garantir que a peça seja adequada para impressão UAM e possa ser usada no mundo real.

Uma vez que a peça tenha sido processada, o software de 'fatiação' é usado para converter o modelo 3D em camadas bidimensionais conhecidas como seções transversais. Embora os aplicativos gratuitos possam concluir esse processo de preparação de dados, os designers profissionais são mais bem servidos ao usar um pacote de software reconhecido.

Se sua organização desenvolve aplicativos que lidam com pré-processamento para UAM, a Spatial está aqui para ajudar.

Com mais de três décadas de experiência em modelagem 3D, a Spatial oferece recursos abrangentes de pré-processamento e bibliotecas pré-construídas que você pode incorporar em seus aplicativos de software. Expanda a funcionalidade de seus aplicativos ou produtos de hardware e diferencie suas ofertas dos concorrentes - sem investir anos de pesquisa e desenvolvimento para desenvolver esses recursos internamente.

Para saber mais sobre como a Spatial pode ajudar, confira nossos kits de ferramentas de desenvolvimento de software de modelagem 3D comprovados no setor.

Vantagens e limitações da fabricação aditiva ultrassônica

O UAM oferece três vantagens significativas que a maioria dos outros processos de AM não pode oferecer.

1. Pode produzir peças metálicas com canais internos “impossíveis”.

Muitas peças requerem canais internos, geralmente para fins de resfriamento. No entanto, com outros processos de AM como FDM e SLS - e certamente com técnicas tradicionais de fabricação subtrativa - a produção de peças com caminhos de fluxo 3D conformados complexos é praticamente impossível. Com o uso de 'UAM de potência muito alta', as modernas máquinas Fabrisonic podem fabricar peças de alumínio e cobre, o que ajuda a liberar calor e, ao mesmo tempo, diminuir o peso.

2. Pode unir vários metais.

Como o UAM não envolve alto calor, não altera a microestrutura dos metais usados. Como resultado, o UAM pode unir metais diferentes sem criar incompatibilidades e estruturas frágeis inerentes a outras tecnologias de processo de metal AM. Uma ampla gama de combinações de materiais é possível.

3. Pode incorporar sensores e circuitos.

Mais incrivelmente, as peças UAM podem até ser impressas com sensores e circuitos internos - uma capacidade única em AM. Isso não é possível na fabricação tradicional, pois as tensões e temperaturas envolvidas danificariam esses componentes sensíveis. Com o UAM, os sensores podem ser incorporados em qualquer lugar em uma estrutura metálica, proporcionando muitas aplicações valiosas em saúde, controle de processos e até mesmo na Internet das Coisas (IoT).

Finalmente, como o UAM requer menos esvaziamento do que técnicas como SLS, ele também desperdiça menos material.

No entanto, tudo isso tem um preço - literalmente. Como observamos anteriormente, a menor máquina vendida pela Fabrisonic custa quase US$ 200.000. A empresa não lista os preços de suas máquinas maiores, mas as organizações podem esperar pagar uma quantia substancialmente maior por elas.

Quando você precisa usar o UAM?

Dada a sua capacidade de unir uma ampla variedade de metais diferentes, a UAM tem aplicações claras nas indústrias aeroespacial e automotiva. Sua capacidade de produzir peças com canais de resfriamento complexos é extremamente valiosa nessas indústrias e em outras, como manufatura industrial, dispositivos médicos e equipamentos de alta tecnologia.

Além disso, a facilidade da UAM de produzir peças com sensores e circuitos embutidos torna altamente desejável a produção de dispositivos inteligentes no estilo IoT em uma ampla variedade de setores. Muitas indústrias tradicionais agora usam uma ampla gama de sensores e dispositivos de rastreamento para gerenciar as operações de forma autônoma, e o UAM é frequentemente usado para produzir peças para esses dispositivos.

Obviamente, por mais valioso que seja o UAM, ele depende muito da capacidade do fabricante de produzir modelos 3D precisos e otimizados. E, dada a complexidade de muitas peças de UAM, é necessário um software poderoso para produzir esses modelos.

Pronto para criar funcionalidades poderosas de UAM e bibliotecas completas e pré-criadas em suas soluções de software e hardware? Entre em contato com os especialistas da Spatial hoje mesmo.