Explicación de la fabricación aditiva ultrasónica

La fabricación aditiva ultrasónica (UAM), también conocida como consolidación ultrasónica (UC), es una tecnología de fabricación aditiva (AM) o de impresión de metal en 3D. UAM pertenece a la familia de procesos AM de "laminación de láminas", junto con la fabricación de objetos laminados (LOM).

En comparación con otras técnicas de fabricación aditiva, la UAM utiliza temperaturas relativamente bajas, muy por debajo de las temperaturas de fusión de los materiales utilizados, y se utiliza para producir piezas de metal en lugar de plástico o nailon.

Una breve historia de la UAM

El proceso UAM fue desarrollado por Dawn White, quien comercializó la invención en 1999 al fundar Solidica Inc. para vender equipos UAM comerciales.

En 2007, Solidica colaboró ​​con el Edison Welding Institute para rediseñar el proceso de herramientas para mejorar la calidad de la unión y ampliar la cantidad de metales que podrían usarse. La colaboración dio como resultado un nuevo proceso UAM, conocido como "fabricación aditiva ultrasónica de muy alta potencia".

La asociación fundó una nueva empresa, Fabrisonic LLC, en 2011 para comercializar el nuevo proceso UAM de alta potencia y vender una nueva línea de equipos UAM.

Explicación de la fabricación aditiva ultrasónica

Como la mayoría de los procesos AM, las máquinas UAM crean piezas basadas en un modelo de diseño asistido por computadora (CAD). Una vez que se ha creado un modelo, el archivo se "corta" en secciones transversales bidimensionales que se utilizan para construir la pieza capa por capa; más en un momento.

Sin embargo, más allá del aspecto del modelado 3D, UAM difiere significativamente de otras técnicas de AM. Donde la mayoría de las técnicas AM, como SLS, producen piezas a partir de material en polvo, UAM utiliza láminas de lámina metálica. Además, a diferencia de otras técnicas AM, UAM no usa calor. En su lugar, utiliza una herramienta llamada sonotrodo para crear vibraciones ultrasónicas que, en combinación con la presión, obligan a dos capas de metal a unirse.

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

El proceso de fabricación se ve así:

• Una placa base de metal sólido se fija en su lugar en la plataforma de construcción.
• La lámina de metal se coloca encima de la placa base y toda la plataforma de construcción se dibuja debajo del sonotrodo, uniendo la lámina a la placa base. En este punto, la pieza no tiene forma de ninguna manera.
• Este proceso luego se repite hasta que las capas unidas alcanzan una profundidad predeterminada.
• Una máquina CNC, similar a las que se utilizan en el mecanizado CNC sustractivo tradicional, recorta la pieza para darle forma quitando el exceso de lámina.
• Este ciclo se repite hasta que la pieza alcanza una altura específica.
• Una herramienta de fresado más pequeña da forma a la pieza y completa cualquier fresado interno necesario para la pieza acabada.
• El ciclo UAM completo se repite hasta que se termina la pieza.
• La pieza se retira de la plataforma de construcción y la placa base se separa.

Como puede ver, UAM es en realidad un proceso de fabricación aditivo y sustractivo híbrido, que combina el enfoque en capas de las técnicas AM con el fresado CNC sustractivo.

Máquinas de fabricación por ultrasonidos

El proceso UAM utiliza una línea de máquinas de impresión 3D ultrasónicas desarrolladas por Fabrisonic, LLC. Las máquinas pueden crear enlaces extremadamente fuertes incluso entre diferentes metales. Y, dado que el proceso no implica altas temperaturas, el proceso de unión no provoca cambios en la estructura molecular de los últimos, lo que evita las características frágiles inherentes a otros procesos de fabricación aditiva de metales.

Otro beneficio de las máquinas Fabrisonic es que pueden unir metales que no se pueden usar con otras técnicas, incluidos el cobre y el aluminio.

Por supuesto, si bien las máquinas son sin duda impresionantes, no son adecuadas para uso doméstico. Con incluso la máquina más pequeña enfocada en I+D con un precio de poco menos de $200 000, las máquinas Fabrisonic UAM son solo para fines industriales y de investigación.

Modelos de preprocesamiento para fabricación ultrasónica

Antes de que pueda producir una pieza con UAM, primero debe pasar por la fase de preprocesamiento. Durante esta fase, el modelo CAD en 3D de la pieza que se está produciendo se analiza utilizando un software de modelado especializado.

La preparación de datos para UAM sigue un proceso similar a la preparación de datos para SLS. Si bien UAM no tiene las mismas limitaciones que SLS cuando se trata de paredes delgadas y bordes afilados, aún requiere un grado de preprocesamiento:

• Las piezas que incorporan geometrías complejas deben simplificarse mediante una herramienta de simplificación de geometría.
• Los diseñadores deben usar herramientas y técnicas de modelado de simulación para garantizar que la pieza sea adecuada para la impresión UAM y se mantenga en condiciones de uso en el mundo real.

Una vez que se ha procesado la pieza, se utiliza un software de "rebanado" para convertir el modelo 3D en capas bidimensionales conocidas como secciones transversales. Si bien las aplicaciones gratuitas pueden completar este proceso de preparación de datos, a los diseñadores profesionales les conviene más usar un paquete de software reconocido.

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Ventajas y limitaciones de la fabricación aditiva ultrasónica

UAM ofrece tres ventajas significativas que la mayoría de los demás procesos de AM no pueden ofrecer.

1. Puede producir piezas de metal con canales internos "imposibles".

Muchas piezas requieren canales internos, a menudo con fines de refrigeración. Sin embargo, con otros procesos AM como FDM y SLS, y ciertamente con las técnicas tradicionales de fabricación sustractiva, la producción de piezas con rutas de flujo 3D conformadas complejas es casi imposible. Con el uso de "UAM de muy alta potencia", las modernas máquinas Fabrisonic pueden fabricar piezas de aluminio y cobre, lo que ayuda a liberar calor y al mismo tiempo reduce el peso.

2. Puede unir múltiples metales.

Debido a que UAM no involucra altas temperaturas, no cambia la microestructura de los metales utilizados. Como resultado, UAM puede unir metales diferentes sin crear los desajustes y las estructuras quebradizas inherentes a otras tecnologías de proceso AM de metal. Es posible una amplia gama de combinaciones de materiales.

3. Puede integrar sensores y circuitos.

Lo más increíble es que las piezas UAM pueden incluso imprimirse con sensores y circuitos internos, una capacidad única en AM. Esto no es posible en la fabricación tradicional, ya que las tensiones y temperaturas involucradas dañarían estos componentes sensibles. Con UAM, los sensores se pueden incrustar en cualquier lugar de una estructura metálica, lo que le brinda muchas aplicaciones valiosas en el cuidado de la salud, el control de procesos e incluso el Internet de las cosas (IoT).

Finalmente, dado que UAM requiere menos vaciado que técnicas como SLS, también desperdicia menos material.

Sin embargo, todo esto tiene un precio, literalmente. Como señalamos anteriormente, la máquina más pequeña vendida por Fabrisonic cuesta casi $200,000. La empresa no enumera los precios de sus máquinas más grandes, pero las organizaciones pueden esperar pagar una cantidad sustancialmente mayor por ellas.

¿Cuándo necesita usar UAM?

Dada su capacidad para unir una amplia variedad de metales diferentes, UAM tiene aplicaciones claras en las industrias aeroespacial y automotriz. Su capacidad para producir piezas con canales de enfriamiento complejos es extremadamente valiosa en estas industrias y otras, como la fabricación industrial, dispositivos médicos y equipos de alta tecnología.

Además, la facilidad de UAM para producir piezas con sensores y circuitos incorporados lo hace muy deseable para producir dispositivos inteligentes de estilo IoT en una amplia gama de industrias. Muchas industrias tradicionales ahora usan una amplia gama de sensores y dispositivos de seguimiento para administrar las operaciones de manera autónoma, y ​​la UAM se usa a menudo para producir piezas para estos dispositivos.

Por supuesto, a pesar de lo valioso que es UAM, depende en gran medida de la capacidad del fabricante para producir modelos 3D precisos y optimizados. Y, dada la complejidad de muchas piezas UAM, se necesita un software potente para producir estos modelos.

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