La fabrication additive par ultrasons expliquée

La fabrication additive par ultrasons (UAM), également connue sous le nom de consolidation par ultrasons (UC), est une technologie de fabrication additive (AM) ou d'impression métallique 3D. L'UAM appartient à la famille des processus de fabrication additive "laminage de feuilles", avec la fabrication d'objets laminés (LOM).

Comparé à d'autres techniques de fabrication additive, l'UAM utilise des températures relativement basses - bien inférieures aux températures de fusion des matériaux utilisés - et est utilisée pour produire des pièces métalliques plutôt que du plastique ou du nylon.

Un bref historique de l'UAM

Le processus UAM a été développé par Dawn White, qui a commercialisé l'invention en 1999 en fondant Solidica Inc. pour vendre des équipements UAM commerciaux.

En 2007, Solidica a collaboré avec l'Edison Welding Institute pour repenser le processus d'outillage afin d'améliorer la qualité de la liaison et d'augmenter le nombre de métaux pouvant être utilisés. La collaboration a abouti à un nouveau processus UAM, connu sous le nom de "fabrication additive par ultrasons à très haute puissance".

Le partenariat a fondé une nouvelle société - Fabrisonic LLC - en 2011 pour commercialiser le nouveau procédé UAM haute puissance et vendre une nouvelle gamme d'équipements UAM.

Explication de la fabrication additive par ultrasons

Comme la plupart des processus AM, les machines UAM créent des pièces basées sur un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO). Une fois qu'un modèle a été créé, le fichier est "découpé" en sections bidimensionnelles utilisées pour construire la pièce couche par couche - plus dans un instant.

Cependant, au-delà de l'aspect modélisation 3D, l'UAM diffère significativement des autres techniques de FA. Alors que la plupart des techniques de fabrication additive - telles que SLS - produisent des pièces à partir de matériaux en poudre, UAM utilise des feuilles de feuille métallique. De plus, contrairement aux autres techniques AM, UAM n'utilise pas de chaleur. Au lieu de cela, il utilise un outil appelé sonotrode pour créer des vibrations ultrasonores qui, combinées à la pression, forcent deux couches de métal à se lier.

(Source :L'effet de la fabrication additive par ultrasons sur les conducteurs électroniques imprimés intégrés, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

Le processus de fabrication ressemble à ceci :

• Une plaque de base en métal solide est fixée en place sur la plate-forme de construction.
• Une feuille métallique est posée sur le dessus de la plaque de base, et toute la plate-forme de construction est tirée sous la sonotrode, liant la feuille à la plaque de base. À ce stade, la pièce n'est en aucune façon façonnée.
• Ce processus est ensuite répété jusqu'à ce que les couches liées atteignent une profondeur prédéterminée.
• Une machine CNC - similaire à celles utilisées dans l'usinage CNC soustractif traditionnel - découpe la pièce en forme en enlevant l'excès de feuille.
• Ce cycle est répété jusqu'à ce que la pièce atteigne une hauteur spécifiée.
• Un outil de fraisage plus petit façonne davantage la pièce et complète tout fraisage interne requis pour la pièce finie.
• Le cycle UAM complet est répété jusqu'à ce que la pièce soit terminée.
• La pièce est retirée de la plate-forme de fabrication et la plaque de base est détachée.

Comme vous pouvez le voir, l'UAM est en fait un processus de fabrication hybride additif et soustractif, qui combine l'approche en couches des techniques de fabrication additive avec le fraisage CNC soustractif.

Machines de fabrication à ultrasons

Le processus UAM utilise une gamme de machines d'impression 3D à ultrasons développées par Fabrisonic, LLC. Les machines peuvent créer des liaisons extrêmement solides même entre différents métaux. Et, comme le processus n'implique pas de chaleur élevée, le processus de liaison ne provoque pas de modifications de la structure moléculaire des couches ultérieures, évitant ainsi les caractéristiques de fragilité inhérentes à certains autres processus de fabrication additive métallique.

Un autre avantage des machines Fabrisonic est qu'elles peuvent lier des métaux qui ne peuvent pas être utilisés avec d'autres techniques, y compris le cuivre et l'aluminium.

Bien sûr, bien que les machines soient sans aucun doute impressionnantes, elles ne conviennent pas à un usage domestique. Avec même la plus petite machine axée sur la R&D enregistrant un peu moins de 200 000 $, les machines Fabrisonic UAM sont uniquement destinées à des fins industrielles et de recherche.

Modèles de prétraitement pour la fabrication par ultrasons

Avant de pouvoir produire une pièce à l'aide d'UAM, vous devez d'abord passer par la phase de pré-traitement. Au cours de cette phase, le modèle CAO 3D de la pièce en cours de réalisation est analysé à l'aide d'un logiciel de modélisation spécialisé.

La préparation des données pour UAM suit un processus similaire à la préparation des données pour SLS. Bien que l'UAM n'ait pas les mêmes limites que le SLS en ce qui concerne les parois minces et les arêtes vives, il nécessite toujours un certain degré de prétraitement :

• Les pièces qui intègrent des géométries complexes doivent être simplifiées à l'aide d'un outil de simplification de géométrie.
• Les concepteurs doivent utiliser des outils et des techniques de modélisation de simulation pour s'assurer que la pièce est adaptée à l'impression UAM et résiste à une utilisation dans le monde réel.

Une fois la pièce traitée, un logiciel de « découpage » est utilisé pour convertir le modèle 3D en couches bidimensionnelles appelées coupes transversales. Bien que des applications gratuites puissent compléter ce processus de préparation des données, les concepteurs professionnels ont tout intérêt à utiliser un progiciel reconnu.

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Avantages et limites de la fabrication additive par ultrasons

UAM offre trois avantages significatifs que la plupart des autres processus AM ne peuvent pas offrir.

1. Il peut produire des pièces métalliques avec des canaux internes "impossibles".

De nombreuses pièces nécessitent des canaux internes, souvent à des fins de refroidissement. Cependant, avec d'autres processus de fabrication additive tels que FDM et SLS - et certainement avec les techniques de fabrication soustractives traditionnelles - la production de pièces avec des chemins d'écoulement 3D conformes complexes est pratiquement impossible. Grâce à l'utilisation d'un "UAM à très haute puissance", les machines Fabrisonic modernes peuvent fabriquer des pièces en aluminium et en cuivre, ce qui aide à évacuer la chaleur tout en réduisant le poids.

2. Il peut lier plusieurs métaux.

Parce que l'UAM n'implique pas de chaleur élevée, il ne modifie pas la microstructure des métaux utilisés. En conséquence, l'UAM peut lier des métaux dissemblables sans créer les décalages et les structures fragiles inhérentes aux autres technologies de processus de fabrication additive métallique. Une large gamme de combinaisons de matériaux est possible.

3. Il peut intégrer des capteurs et des circuits.

Plus incroyable encore, les pièces UAM peuvent même être imprimées avec des capteurs et des circuits internes - une capacité unique en AM. Cela n'est pas possible dans la fabrication traditionnelle, car les contraintes et les températures impliquées endommageraient ces composants sensibles. Avec UAM, les capteurs peuvent être intégrés n'importe où dans une structure métallique, ce qui lui confère de nombreuses applications précieuses dans les soins de santé, le contrôle des processus et même l'Internet des objets (IoT).

Enfin, comme l'UAM nécessite moins d'évidement que des techniques comme le SLS, il gaspille également moins de matière.

Cependant, tout cela a un prix - littéralement. Comme nous l'avons noté précédemment, la plus petite machine vendue par Fabrisonic coûte près de 200 000 $. L'entreprise n'indique pas les prix de ses plus grosses machines, mais les entreprises peuvent s'attendre à payer un montant nettement plus élevé pour celles-ci.

Quand devez-vous utiliser UAM ?

Compte tenu de sa capacité à lier une grande variété de métaux différents, UAM a des applications claires dans les industries aérospatiale et automobile. Sa capacité à produire des pièces avec des canaux de refroidissement complexes est extrêmement précieuse dans ces industries et d'autres telles que la fabrication industrielle, les dispositifs médicaux et les équipements de haute technologie.

De plus, l'installation d'UAM pour produire des pièces avec des capteurs et des circuits intégrés le rend hautement souhaitable pour produire des dispositifs intelligents de type IoT dans un large éventail d'industries. De nombreuses industries traditionnelles utilisent désormais un large éventail de capteurs et d'appareils de suivi pour gérer les opérations de manière autonome, et l'UAM est souvent utilisé pour produire des pièces pour ces appareils.

Bien sûr, aussi précieux que soit l'UAM, il dépend fortement de la capacité du fabricant à produire des modèles 3D précis et optimisés. Et, compte tenu de la complexité de nombreuses pièces UAM, un logiciel puissant est nécessaire pour produire ces modèles.

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