金屬超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展*

李 鵬 ， 焦飛飛 ， 劉 郢 ， 劉曉兵 ， 果春煥 ， 姜風春

（1.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150001；2.南京大學(xué)現(xiàn)代工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，南京 210093；3.廣東佛山市順德區(qū)楚鑫機電有限公司，順德 528300）

增材制造（Additive Manufacturing,AM）技術(shù)是一種三維快速自由成形制造技術(shù)，它綜合了計算機的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、聲光學(xué)技術(shù)、機電技術(shù)和材料技術(shù)等多項高技術(shù)的優(yōu)勢[1]。目前逐漸普及的快速成形技術(shù)也叫3D打印技術(shù)（3D Printing），是“增材制造”的主要實現(xiàn)形式。此項技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的互補性非常強，將對傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)性調(diào)整起到積極的作用。近年來，隨著增材制造技術(shù)持續(xù)升溫，很多國家都在大力研究發(fā)展增材制造技術(shù)，歐美更有專家認為這項技術(shù)代表著制造業(yè)發(fā)展的新趨勢。英國的經(jīng)濟學(xué)權(quán)威雜志《經(jīng)濟學(xué)人》中曾將增材制造技術(shù)稱為第三次工業(yè)革命。美國《時代》周刊已將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。 我國政府積極推進3D打印技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新進程，2012年成立中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2013年成功舉辦首屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會。為了搶抓新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大機遇，加快國內(nèi)增材制造技術(shù)發(fā)展，2015年2月11日，我國政府有關(guān)部門制定了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》，目前正在全國范圍內(nèi)大力推進執(zhí)行。

目前，增材制造技術(shù)主要以激光、粒子束和等離子束作為加熱熱源，以金屬粉末為原材料來進行逐層成形和制造[2]，但這種以高能三束為主的增材快速成形與制造技術(shù)存在一定的局限性。為了克服現(xiàn)有的高能束成形直接制造技術(shù)的不足，美國近年來發(fā)展了新的非高能束直接快速成形與制造技術(shù)，即超聲波增材制造技術(shù)。它采用大功率超聲能量，以金屬箔材作為原材料，利用金屬層與層之間振動摩擦產(chǎn)生的熱量，促進界面間金屬原子相互擴散并形成固態(tài)物理冶金結(jié)合，從而實現(xiàn)了快速逐層增材制造成形。同時將固結(jié)增材過程與數(shù)控銑削等減材工藝相結(jié)合，實現(xiàn)了超聲波成形與制造一體化的超聲波增材制造技術(shù)。超聲波固結(jié)與快速制造技術(shù)具有速度快、變形小、壓力低、能耗小、無污染、結(jié)合強度高且能固結(jié)異種金屬材料的優(yōu)點，在汽車制造業(yè)、電工電子技術(shù)、電器及儀表制造業(yè)、航空、宇航工業(yè)、密封技術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用，是近年來發(fā)展起來的又一種先進的增材制造技術(shù)[3]。

本文簡要介紹了超聲波固結(jié)成形技術(shù)原理，超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展、特點及應(yīng)用，以及我國近年來在超聲波增材制造技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展狀況。

增材制造技術(shù)概述

增材制造技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，增材制造是一種“自下而上”的制造方法。作為一種全新概念的制造技術(shù)，自20世紀90年代出現(xiàn)以來，經(jīng)過20余年的發(fā)展，增材制造已經(jīng)成為先進制造領(lǐng)域一種無法取代的制造方法?！翱焖僭椭圃欤≧apid Prototyping）”、“3D 打印”、“實體自由制造（Solid Free-form Fabrication）”等對增材制造技術(shù)的不同命名都體現(xiàn)了該制造方法的技術(shù)特點[4]。

增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件的“自由制造”，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形難度，并減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其制造速度的提升就越顯著[5]。以現(xiàn)今應(yīng)用較為廣泛的幾種金屬增材制造技術(shù)為例，電子束熔絲沉積成形、激光直接沉積增材成形、電子束選區(qū)熔化成形及激光選區(qū)熔化增材成形技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空領(lǐng)域當中，能夠制造出具有復(fù)雜點陣夾芯減震梁及點陣夾芯連接件，以及異形復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)件[6]。快速原型制造也是增材制造技術(shù)的分支之一，主要服務(wù)于產(chǎn)品概念設(shè)計優(yōu)化、功能評估、商業(yè)宣傳、工裝模具制造等[7]。

由以上諸多優(yōu)點及現(xiàn)有應(yīng)用情況可見，增材制造技術(shù)在各個領(lǐng)域當中都能得到廣泛的應(yīng)用，如電子消費產(chǎn)品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術(shù)設(shè)計等。增材制造的特點是單件或小批量的快速制造，這一技術(shù)特點決定了它在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著的作用。

超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展

1 超聲波金屬焊接的發(fā)展

超聲波金屬焊接技術(shù)是19世紀30年代偶然發(fā)現(xiàn)的[8]。當時在做電流點焊電極加超聲波振動試驗時發(fā)現(xiàn)不通電流也能進行焊接，因而發(fā)展了超聲金屬冷焊技術(shù)。雖然超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)現(xiàn)比超聲波塑料焊接要早，但目前應(yīng)用較廣的還是超聲波塑料焊接，這是因為超聲波塑料焊接對于焊頭質(zhì)量和換能器功率的要求要比金屬焊接低得多。所以，由于受超聲波換能器功率的限制，多年來超聲波焊接技術(shù)在金屬焊接領(lǐng)域沒有得到很好的應(yīng)用和發(fā)展，主要局限于金屬點焊、滾焊、線束和封管4個方面[9-10]。

超聲波增材制造裝備的關(guān)鍵是大功率超聲波換能器，美國采用推-挽（push-pull）技術(shù)，通過將兩個換能器串聯(lián)，成功制造出了9kW大功率超聲波換能器，推-挽（push-pull）式超聲波換能器原理如圖1所示[11]。大功率超聲波換能器的出現(xiàn)使得超聲波焊接技術(shù)能夠?qū)σ欢ê穸冉饘俨膶崿F(xiàn)大面積快速固結(jié)成形，為超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[12]。

圖1 推-挽（push-pull）式超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of push-pull ultrasonic transducer

2 超聲波固結(jié)成形機理

超聲波固結(jié)成形技術(shù)是采用大功率超聲波能量，以金屬箔材作為原料，利用金屬層與層之間振動摩擦而產(chǎn)生的熱量，促進界面間金屬原子的相互擴散并形成固態(tài)冶金結(jié)合，從而實現(xiàn)逐層累加的增材制造成形。圖2為超聲波固結(jié)原理示意圖[13]，當上層的金屬箔材在超聲波壓頭的驅(qū)動下相對于下層箔材高頻振動時，由于摩擦生熱導(dǎo)致箔材之間凸起部分溫度升高，在靜壓力的作用下發(fā)生塑性變形，同時處于超聲能場的金屬原子將發(fā)生擴散形成界面結(jié)合，從而實現(xiàn)金屬逐層增材固結(jié)成形制造。將增材快速成形與數(shù)控銑削等工藝相結(jié)合，形成超聲波固結(jié)成形與制造一體化的3D打印技術(shù)。

圖2 金屬箔材超聲波固結(jié)成形機理Fig.2 Forming mechanism of ultrasonic consolidation of metal foil

3 超聲波增材制造技術(shù)的優(yōu)點

與高能束金屬零件快速成形技術(shù)相比[13-18]，超聲波固結(jié)成形與制造技術(shù)具有以下優(yōu)點：

（1） 原材料是采用一定厚度的普通商用金屬帶材，如鋁帶、銅帶、鈦帶、鋼帶等，而不是特殊的增材制造用金屬粉末，所以原材料來源廣泛，價格低廉。

（2） 超聲波固結(jié)過程是固態(tài)連接成形，溫度低，一般是金屬熔點的25%～50%，因此材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，成形后無須進行去應(yīng)力退火。

（3） 節(jié)省能源，所消耗的能量只占傳統(tǒng)成形工藝的5%左右；不產(chǎn)生任何焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，因而是一種節(jié)能環(huán)保的快速成形與制造方法。

（4） 該技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，易實現(xiàn)三維復(fù)雜形狀零件的疊層制造和數(shù)控加工一體化，可制作深槽、空洞、網(wǎng)格、內(nèi)部蜂巢狀結(jié)構(gòu)，以及形狀復(fù)雜的傳統(tǒng)加工技術(shù)無法制造的金屬零件，還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現(xiàn)梯度功能。

（5） 超聲波固結(jié)不僅可以獲得近100%的物理冶金界面結(jié)合率，且在界面局部區(qū)域可發(fā)生晶粒再結(jié)晶，局部生長納米簇，從而使材料結(jié)構(gòu)性能提高。此外，固結(jié)過程箔材表面氧化膜可以被超聲波擊碎，無需事先對材料進行表面預(yù)處理。

（6） 該技術(shù)不僅可用于金屬基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)、金屬泡沫和金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)面板的快速鋪設(shè)成形和制造，且由于該技術(shù)的制造過程是低溫固態(tài)物理冶金反應(yīng)，因而可把功能元器件植入其中，制備出智能結(jié)構(gòu)和零部件。

（7） 除了用于大型板狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件以外，超聲波固結(jié)成形裝備還可用于制造疊層封裝材料、疊層復(fù)合電極、薄材疊層，并且采用這些材料以及后處理工藝制作出精密電子元器件封裝結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的疊層薄壁結(jié)構(gòu)件。

表1 美國研發(fā)的三代超聲波快速增材制造裝備性能比較

超聲波增材制造裝備

在研發(fā)出大功率超聲波換能器的基礎(chǔ)上，美國首先研發(fā)了國際上第一臺利用超聲波能量固結(jié)成形的非高能束成形增材制造裝備。該系統(tǒng)單道次固結(jié)的金屬箔材寬度達到25mm，實現(xiàn)了超聲波固結(jié)從點對點到面對面的拓展。經(jīng)過10余年的發(fā)展，目前超聲波增材制造裝備已發(fā)展到第三代產(chǎn)品。表1為美國一、二、三代超聲波增材制造裝備技術(shù)指標對比[19]。從總體技術(shù)水平來看，第一代產(chǎn)品僅能被稱作為原型機，許多功能并不完善。第二代裝備在第一代的基礎(chǔ)上增加了3軸CNC加工系統(tǒng)、自動送料系統(tǒng)并擴大了工作空間，第三代裝備則又進一步擴大了工作空間和焊頭的最大垂直載荷，從而使之具有快速制造大尺寸零部件的能力，第三代超聲波增材制造裝備如圖3所示[19]。美國第三代超聲波增材制造裝備的工作空間大小已達到（1800×1800×900）mm3，而且加工的材料也從最初的低強度鋁合金擴展到了Cu、316不銹鋼、 Ni和Ti-6-4合金等[20-26]。美國研發(fā)的具有快速制造能力的超聲波增材制造裝備和技術(shù)代表了目前國際超聲波增材成形與制造技術(shù)的最高水平，它可以用于金屬疊層復(fù)合材料、纖維增強金屬層狀復(fù)合材料、疊層智能結(jié)構(gòu)等的快速制造，也可用于深槽、空洞、網(wǎng)格、內(nèi)部蜂巢狀結(jié)構(gòu)體等形狀復(fù)雜的金屬零件的快速成形與制造。由于超聲固結(jié)材料、技術(shù)和設(shè)備的特殊用途及其在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用背景，美國對中國實施嚴格的技術(shù)封鎖，禁止有關(guān)公司向中國出口超聲波固結(jié)設(shè)備和技術(shù)。

圖3 美國發(fā)展的第三代超聲波固結(jié)設(shè)備Fig.3 The 3rd generation UAM equipment of America

超聲波增材制造技術(shù)的應(yīng)用

超聲波增材制造技術(shù)具有的一系列優(yōu)點，使其更適用于復(fù)雜疊層材料零件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計、成形、加工一體化的數(shù)字化快速制造，代表了國際先進增材制造技術(shù)又一新的發(fā)展方向。由于超聲波增材制造技術(shù)獨特的低溫制造優(yōu)點[27]，在制造需嵌入功能性元器件的復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)時，能夠保證功能元器件不被損壞和失效，因此尤為適合將功能性元器件嵌入制成功能/智能材料和結(jié)構(gòu)。同時，其獨特的疊層制造方式，以及增材制造中增材/減材相搭配的制造方法，使得超聲波增材制造技術(shù)成功地應(yīng)用于同種[28]、異種[29]金屬層狀復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料[30]、梯度功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)[31]、智能材料與結(jié)構(gòu)[32-33]。此外，超聲波增材制造技術(shù)還被應(yīng)用于電子封裝結(jié)構(gòu)、航空零部件、金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)、熱交換器等復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)零部件的制造[13,34-35]。因此，該技術(shù)和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。下面簡要介紹超聲波增材制造技術(shù)在復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、零部件等制造中的應(yīng)用。

1 層狀材料和結(jié)構(gòu)材料

超聲波增材制造技術(shù)的應(yīng)用之一即為層狀材料的疊層堆積制造，可制備出疊層復(fù)合材料。無論是對于同種金屬還是異種金屬都能取得理想的固結(jié)質(zhì)量。在層狀材料的制備中，超聲波增材制造技術(shù)有著相比其他制備方法更加迅速、節(jié)能的優(yōu)點，并能達到近100%的界面結(jié)合率及良好界面結(jié)合強度（圖4為超聲波固結(jié)Ti/Al異種金屬SEM掃描圖像）。在金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的兩步法制備過程中，超聲波固結(jié)方法已成功制造出Ti/Al疊層毛坯，用于后續(xù)的燒結(jié)制備金屬間化合物基層狀復(fù)合材料。

圖4 Ti/Al層狀復(fù)合材料SEM掃描圖像Fig.4 SEM scan image of Ti/Al laminated composites

2 纖維增強復(fù)合材料

現(xiàn)有的材料技術(shù)已經(jīng)越來越多地由之前的純金屬及合金轉(zhuǎn)向復(fù)合材料的應(yīng)用研究。雖然復(fù)合材料有著許多純材料及合金無法比擬的優(yōu)點，但相關(guān)學(xué)者仍在不斷地尋找復(fù)合材料的強化機制。以層狀復(fù)合材料為例，在基體中埋入SiC陶瓷纖維或者NiTi形狀記憶合金纖維，能夠在很大程度上改善原有復(fù)合材料的強度和韌性等力學(xué)指標以及取得減震降噪等特殊性能，達到材料的強韌化及功能性等目的。采用超聲波增材制造技術(shù)制造出的Al2O3纖維增強鋁基復(fù)合材料如圖5（a）所示，碳芯SiC纖維強化Ti/Al復(fù)合材料如圖5（b）所示。

圖5 纖維增強復(fù)合材料界面掃描圖像Fig.5 Scan images of the interface of fiber renforced composites

3 功能/智能材料

利用超聲波增材制造技術(shù)已經(jīng)成功地在金屬基體中埋入光導(dǎo)纖維、多功能元器件等，從而制造出金屬基功能/智能復(fù)合材料[34]。在金屬基體中直接植入電子元器件等能夠在很大程度上提高元器件的精密度，并簡化結(jié)構(gòu)，提高空間利用率。同時，超聲波增材制造過程中進行的局部低溫固態(tài)物理冶金反應(yīng)，避免了高能束成形制造時導(dǎo)致植入元器件的失效和增強體性能的劣化問題。試驗表明[36]，采用優(yōu)化的超聲波增材制造技術(shù)，在鋁合金疊層中埋入的光纖沒有出現(xiàn)明顯的變形和破壞，保持了原有的性能。圖6所示為鋁基體中使用超聲波增材制造方法嵌入光纖材料的功能材料[13]。

4 金屬蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)

超聲波增材制造技術(shù)的另一個應(yīng)用是金屬蜂窩夾芯板的制造[37]。眾所周知，目前航空航天領(lǐng)域?qū)τ谛乱淮某p高強材料的需求迫切，復(fù)合材料雖然能夠在一定程度上滿足這些需求但還不夠完美，利用超聲波增材制造技術(shù)能夠制造出新一代輕質(zhì)金屬蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)材料，中空蜂窩骨架結(jié)構(gòu)的支撐及表層金屬共同構(gòu)成的三明治夾心結(jié)構(gòu)優(yōu)化了強度和密度比，使其擁有優(yōu)異的力學(xué)性能和輕質(zhì)特性。圖7所示為超聲波增材制造技術(shù)制備出的金屬蜂窩夾芯板[36]。

圖6 超聲波增材制造制備的光纖功能材料Fig.6 Functional optical material manufactured by UAM

圖7 金屬蜂窩夾芯板Fig.7 Metal honeycomb sandwich panel

5 金屬疊層零部件制造

由于超聲波增材制造技術(shù)能夠制造出內(nèi)腔復(fù)雜、精確的疊層結(jié)構(gòu)，所以近年來在金屬零部件制造領(lǐng)域中的應(yīng)用前景漸顯。逐層制造的特點使得很容易設(shè)計并制造出獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于精密電子元器件的封裝（圖8（a）），鋁合金航空零部件（圖8（b））的快速制造和鋁合金微通道熱交換器（圖8（c））等零部件及結(jié)構(gòu)件的制造[13]。

國內(nèi)金屬超聲波增材制造技術(shù)研究進展

1 超聲波焊接的主要應(yīng)用

圖8 應(yīng)用超聲波增材制造技術(shù)制造的典型零部件Fig.8 Typical parts manufactured by UAM

由于目前國內(nèi)超聲波金屬焊接技術(shù)與裝備還不夠完善，僅僅停留在點焊、滾焊等點、線焊接層面，遠沒有達到面與面間的大尺度焊接能力，所以目前國內(nèi)超聲波金屬焊接僅能應(yīng)用在電池電極的點焊，汽車線束焊，太陽能電池板滾焊，冰箱、空調(diào)等行業(yè)銅管封尾等應(yīng)用。

眾所周知，制約超聲波金屬焊接技術(shù)發(fā)展的最大技術(shù)瓶頸為超聲波換能器的功率。由于受換能器壓電陶瓷轉(zhuǎn)換效率的制約，實際輸出的超聲能量難以大幅提高，這是超聲波焊接技術(shù)應(yīng)用范圍受限的主要原因。目前國內(nèi)普通低功率超聲波金屬焊接的應(yīng)用還主要集中在對超聲能量要求不高的金屬絲、箔、片等結(jié)構(gòu)的連接，其主要的焊接方式也大多只能實現(xiàn)點焊、滾焊和線束焊等低功率要求的超聲波焊接，這一狀況嚴重阻礙了國內(nèi)超聲波金屬焊接技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展以及超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展。

2 超聲波焊接技術(shù)在層狀復(fù)合材料制備方面的研究

雖然受到試驗條件限制，但是國內(nèi)一些學(xué)者仍利用超聲波點焊機對金屬焊接制備層狀復(fù)合材料工藝和機理進行了研究。其中南昌大學(xué)的朱政強等[3]對超聲波金屬焊接的焊接機理進行了研究，確定了Al/Al同種金屬和Ti/Al異種金屬的最佳的焊接工藝參數(shù)，并對焊接工藝對焊接界面以及力學(xué)性能的影響進行了相關(guān)的測試。南昌大學(xué)的張義福通過超聲波金屬焊接快速成形方法將光纖布拉格光柵(FBG)傳感器埋入6061鋁基體中制備出金屬基智能復(fù)合材料，并建立了詳細的超聲波金屬焊接制備復(fù)合材料的材料模型、摩擦模型及界面溫度場等模型[38]。

3 國內(nèi)超聲波增材制造裝備

雖然我國對于超聲波增材制造技術(shù)的研究起步較晚，又受制于歐美等發(fā)達國家長期以來的技術(shù)封鎖，尤其是超聲波換能器功率不足的技術(shù)瓶頸長久無法突破，不過近些年隨著超聲波焊接技術(shù)應(yīng)用的愈加廣泛，國內(nèi)幾家具有自主研發(fā)制造超聲波換能器的公司無論在技術(shù)上還是設(shè)計制造能力上都取得了極大的進展，雙換能器推-挽（push-pull）技術(shù)和長壽命焊頭等關(guān)鍵部件制造可靠性的實現(xiàn)，使得設(shè)計并制造國內(nèi)自主超聲波增材制造裝備成為可能，歐美等發(fā)達國家十幾年的技術(shù)封鎖隨即打破。隨著我國近兩年大力推進增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各科研院所及高等院校等研究機構(gòu)也開始投入極大的科研力量，我國的超聲波增材制造技術(shù)的研究和應(yīng)用前景日益廣闊[39]。哈爾濱工程大學(xué)已經(jīng)擁有了國內(nèi)第一臺具有超聲波增材制造能力的裝備，并開展了一系列超聲波增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研究。雖然該裝備的技術(shù)水平僅相當于美國的第一代產(chǎn)品，但該裝備具有連續(xù)層狀復(fù)合材料固結(jié)成形能力，換能器功率已達9kW，單道次固結(jié)寬度達到25mm，可用于鈦、鋁、銅、不銹鋼等金屬疊層復(fù)合材料、纖維增強金屬層狀復(fù)合材料、纖維均布預(yù)制帶材等的制造，以及用來開展金屬原子擴散、界面固結(jié)成形機理等研究。相信隨著對超聲波增材制造技術(shù)研究的不斷深入，我國超聲波增材制造高端裝備的建造及其制造技術(shù)和能力在短期內(nèi)會有較大的發(fā)展，能夠進一步地縮小與國外發(fā)達國家的差距。

結(jié)束語

當前，增材制造技術(shù)已經(jīng)從研發(fā)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，數(shù)字化增材制造技術(shù)在高形狀復(fù)雜度、高功能復(fù)雜度、低成本和輕量化零件的制造方面發(fā)揮著巨大的作用，被認為是現(xiàn)代制造業(yè)的一次工業(yè)革命，正在向高功能、高性能材料零件直接制造方向發(fā)展。作為增材制造技術(shù)的一種，超聲波增材制造技術(shù)具有諸多技術(shù)優(yōu)點，并可以預(yù)見到在多個領(lǐng)域內(nèi)有很大的發(fā)展前景。但對目前而言，超聲波增材制造技術(shù)還存在一些不足，如目前的超聲波功率只能對厚度小于0.4mm的鋁箔進行快速成形，對于鈦合金可實施固結(jié)的厚度則更小。這是因為當超聲波固結(jié)技術(shù)應(yīng)用于較大厚度和較高強度金屬板材時，需要大幅提高超聲波換能器的輸出功率，這給加載系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計及制造帶來一系列難以解決的問題。所以，如何拓寬超聲波增材制造技術(shù)的工藝適用范圍和加工能力，滿足厚度大和強度高金屬板材的增材制造是目前國內(nèi)外研究的熱點。

超聲波增材制造技術(shù)在原有較為初級的超聲波金屬焊接的基礎(chǔ)上經(jīng)過不斷發(fā)展，在技術(shù)上突破了對金屬材料焊接應(yīng)用中焊頭強度和換能器功率的限制，具有能夠固結(jié)大尺寸連續(xù)材料的能力，并具有了其他傳統(tǒng)制造方法所欠缺的快速精密制造能力。雖然目前超聲波增材制造技術(shù)還不及其他幾種高能束增材制造方法完善，但由于其獨特的低溫快速、綠色環(huán)保的技術(shù)特點，可以預(yù)見在未來能夠應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如大型復(fù)雜薄壁板狀零部件、連續(xù)纖維輕金屬預(yù)制帶材、金屬泡沫蜂窩夾芯板材、智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料疊層電極等的快速成形和制造。超聲波快速固結(jié)成形制造技術(shù)必將成為現(xiàn)代先進制造技術(shù)的一個不可取代的分支。

[1]李滌塵, 田小永, 王永信, 等. 增材制造技術(shù)的發(fā)展[J]. 電加工與模具, 2012(S2):20-22.LI Dichen, TIAN Xiaoyong, WANG Yongxin, et al. Developments of additive manufacturing technology[J]. Electromachining &Mould, 2012(S2): 20-22.

[2]趙劍峰, 馬智勇, 謝德巧, 等. 金屬增材制造技術(shù)[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2014, 46(5): 675-683.ZHAO Jianfeng, MA Zhiyong, XIE Deqiao,et al. Metal additive manufacturing technique[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics, 2014, 46(5): 675-683.

[3]朱政強, 吳宗輝, 范靜輝. 超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 焊接技術(shù),2010， 39(12):1-6.ZHU Zhengqiang, WU Zonghui, FAN Jinghui. Research status and prospect of ultrasonic metal welding[J]. Welding Technology,2010, 39(12):1-6.

[4]盧秉恒, 李滌塵. 增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J]. 機械制造與自動化, 2013,42(4):1-4.LU Bingheng, LI Dichen. Development of the additive manufacturing ( 3D printing )technology [J]. Machine Building & Automation,2013, 42(4): 1-4.

[5]CONNER B P, MANOGHARAN G P, MARTOF N A, et al. Making sense of 3D printing: creating a map of additive manufacturing products and services[J]. Additive Manufacturing,2014, 1-4: 64-76.

[6]鞏水利, 鎖紅波, 李懷學(xué). 金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2013, 433(13): 66-71.GONG Shuili, SUO Hongbo, LI Huaixue.Development and application of metal additive manufacturing technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013, 433(13): 66-71.

[7]GIBSON I, ROSEN D, STUCKER B. Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing[M]. Berlin: Springer, 2014.

[8]DANIELS H P C. Ultrasonic welding[J]. Ultrasonics, 1965, 3(4): 190-196.

[9]楊圣文, 湯勇. 銅片-銅管的超聲波焊接機理研究[J]. 焊管, 2005, 28(5):28-31.YANG Shengwen, TANG Yong. Ultrasonic welding mechanism for copper fin to steel tube[J].Welded Pipe and Tube, 2005, 28(5):28-31.

[10]劉亞俊, 湯勇, 萬珍平, 等. 太陽能集熱銅片與銅管的超聲波縫焊技術(shù)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2003, 31(1):48-50.LIU Yajun, TANG Yong, WAN Zhenping,et al. Ultrasonic seam welding of copper plates and tubes for collecting solar energy[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2003,31(1):48-50.

[11]OBIELODAN J, STUCKER B.A fabrication methodology for dual-material engineering structures using ultrasonic additive manufacturing[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology , 2014, 70:277–284.

[12]GRAFF K, SHORT M, NORFOLK M. Very high power ultrasonic additive manufacturing (VHP UAM) for advanced materials[C]. International Conference on Additive Manufacturing, Leicestershire, 2010.

[13]VRIES E D. Mechanics and mechanisms of ultrasonic metal welding[D].Columbus: The Ohio State University, 2004.

[14]WHITE D R. Object consolidation employing friction joining: 6,4457,629[P]. 2002-10-1.

[15]ZHANG C B, DECEUSTER A, LI L J. A Method for bond strength evaluation for laminated structures with application to ultrasonic consolidation[J]. JMEPEG, ASM International,2009 (18):1124–1132.

[16]SHORT M. Ultrasonic additive manufacturing[C]. American Welding Society Conference on New Welding Technologies, Ft.Lauderdale, FL, 2010.

[17]RAMANUJAM S M, BABU S S,SHORT M. Bonding characteristics during very high power ultrasonic additive manufacturing of copper[J]. Scripta Materialia, 2010, 62(8): 560-563.

[18]KONG C Y, SOAR R C, DICKENS P M. Optimum process parameters for ultrasonic consolidation of 3003 aluminum [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 146(2):181-187.

[19]3D metal printing technology without the compromise[EB/OL]. [2015-08-29]. http://fabrisonic.com/ultrasonic-additivemanufacturing-overview/.

[20]FRIEL R J, JOHNSONB K E,DICKENSA P M, et al. The effect of interface topography for ultrasonic consolidation of aluminum[J]. Materials Science and Engineering:A, 2010, 527 (16-17):4474-4483.

[21]LI D Z, SOAR R. Influence of sonotrode texture on the performance of an ultrasonic consolidation machine and the interfacial bond strength[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(4): 1627-1634.

[22]EDMONDS H C, HARRIS R A. The effect of electro-discharge machined sonotrode topology on interlaminar bonding in ultrasonic consolidation[C]//Behavior and Mechanics of Multifunctional Materials and Composites.Proceedings of SPIE, 2011,7978: 1-13.

[23]HU Y N, FADEL G M, BLOUIN V Y,et al. Optimal design for additive manufacturing of heterogeneous objects using ultrasonic consolidation[J]. Virtual and Physical Prototyping,2006, 1(1):53-62.

[24]JANAKI RAM G D, YANG Y,STUCKER B E. Effects of process parameters on bond formation during ultrasonic consolidation of aluminum alloy 3003[J]. Journal of Manufacturing System, 2006, 25(3): 221-238.

[25]JANAKI RAM G D, ROBINSON C,YANG Y, et al. Use of ultrasonic consolidation for fabrication of multi-material structures[J]. Rapid Prototyping Journal, 2007, 13: 26-235.

[26]FOSTER D R, DAPINO M J, BABU S S. Elastic constants of ultrasonic additive manufactured Al 3003-H18[J]. Ultrasonics,2013, 53(1): 211–218.

[27]曾純, 朱政強, 陳長青, 等. 超聲波金屬焊接中的溫度與應(yīng)力分布[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2010, 44 (S1):54-57.ZENG Chun, ZHU Zhengqiang, CHEN Changqing, et al. Temperature and stress distribution in ultrasonic metal welding[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2010, 44(S1):54-57.

[28]SCHICK D E, HAHNLEN R M, DEHOFF R, et al. Microstructural characterization of binding interfaces in aluminum 3003 blicks fabricated by ultrasonic additive manufacturing[J]. Welding Journal, 2010, 89(5):105s-115s.

[29]SANO T, CATALANO J, CASEM D,et al. Microstructural and mechanical behavior characterization of ultrasonically consolidated titanium-aluminum laminates[C]//The materials society annual meeting. Supplemental Proceedings: Materials Processing and Properties,New Orleans, 2008: 417-422.

[30]YANG Y, JANAKI RAM G D,STUCKER B. Bond formation and fiber embedment during ultrasonic consolidation[J].Journal of Materials Processing Technology,2009, 209(10):4915-4924.

[31]KUMAR S. Development of functionally graded materials by ultrasonic consolidation[J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2010, 3(1):85-87.

[32]KONG C Y, SOAR R C, DICKENS P M. Ultrasonic consolidation for embedding SMA fibers within aluminum matrices[J]. Composite Structures, 2004, 66(1-4): 421-427.

[33]MOU C B, SAFFARI P, LI D Z, et al.Smart structure sensors based on embedded fibre Bragg grating arrays in aluminium alloy matrix by ultrasonic consolidation[J]. Measurement Science and Technology, 2009, 20(3): 54-57.

[34]FRIEL R J, HARRIS R A. Ultrasonic additive manufacturing-a hybrid production process for novel functional products[J]. Procedia CIRP, 2013, 6(8): 35-40.

[35]NORFOLK M, JOHNSON H.Solid-state additive manufacturing for heat exchangers[J]. Jom the Journal of the Minerals Metals & Materials Society, 2015, 67(3): 655-659.

[36]KONG C Y, SOAR R. Method for embedding optical fibers in an aluminum matrix by ultrasonic consolidation[J]. Applied Optics,2005, 44(30): 6325-6333.

[37]GEORGE J, STUCKER B.Fabrication of lightweight structural panels through ultrasonic consolidation[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2006, 1(4): 227-241.

[38]張義福, 朱政強, 張剛昌, 等. 超聲波焊接下光纖埋入金屬基體的熱機耦合有限元分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2010,44(S1):142-145.ZHANG Yifu, ZHU Zhengqiang, ZHANG Gangchang, et al. Thermomechanical finite element analysis of embedding fiber within metal matrices under ultrasonic welding[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2010, 44(S1):142-145.

[39]劉曉兵, 李鵬, 夏慧, 等. 金屬超聲波焊接技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 熱加工工藝,2015(15):14-18.LIU Xiaobing, LI Peng, XIA Hui, et al.Ultrasonic metal welding techniques[J]. Hot Working Technology, 2015(15):14-18.