Ultradźwiękowe wytwarzanie przyrostowe (UAC – Ultrasonic Additive Manufacturing) to mniej znana technologia produkcji wyrobów metalowych, mająca charakter hybrydowy, a więc łączący w sobie elementy metody addytywnej z obróbką ubytkową, w celu osiągnięcia finalnej geometrii części. W odróżnieniu od większości technologii przyrostowych przebiega w temperaturze znacznie poniżej temperatury topnienia, a więc w stałym stanie skupienia.
Ultradźwiękowe wytwarzanie przyrostowe powstało poprzez połączenie elementów dwóch technologii z różnych dziedzin produkcji przemysłowej: addytywnej techniki laminowania arkuszy, np. LOM (laminated object manufacturing) i zgrzewania ultradźwiękowego.
Początki technologii sięgają końca XX wieku. W 2000 roku dr Down White złożyła wniosek patentowy dotyczący wynalazku określonego jako ultrasonic object consolidation. W 2007 roku, we współpracy z Edison Welding Institute opracowano wersję rozwojową technologii, nazwaną high power UAM, wykorzystującą generatory ultradźwiękowe o łącznej mocy 9,0 kW i głowicę o sile nacisku 20 kN. Tym sposobem możliwe stało się zwiększenie gamy obsługiwanych metali i stopów, prędkości konsolidacji i rozmiarów powierzchni roboczej.
Zasadniczo urządzenia do UAC zabudowywane są na bazie trzy- lub pięcioosiowej frezarki, z efektorem w postaci głowicy roboczej stosowanym naprzemiennie z wrzecionem obrabiarki, zgodnie z metodologią wytwarzania hybrydowego. Głowica robocza pobiera surowiec w postaci metalowej taśmy, standardowo o szerokości 25 mm i grubości od 25 do 250 µm. Po rozwiniętym fragmencie taśmy przejeżdża specjalna rolka, pełniąca dwojaką funkcję: jest to rolka kompaktująca o sile nacisku ok. 20 kN, a zarazem sonotroda, oscylująca prostopadle do kierunku ruchu tocznego, wprawiająca materiał w drgania ultradźwiękowe. Po obu stronach sonotrody znajdują się falowody (tzw. boostery), wzmacniające amplitudę drgań, generowanych przez piezoelektryczne przetworniki, zamieniające energię elektryczną, dostarczaną z generatora, na energię mechaniczną.
Konsolidacja materiału zachodzi pod wpływem drgań o częstotliwości 20 kHz, pod naciskiem. Na efekt końcowy w postaci zgrzeiny składają się dwa osobne zjawiska: rozproszenie warstwy tlenków na powierzchni metalu pod wpływem ciśnienia i niwelacja nierówności powierzchni w wyniku odkształceń plastycznych – ścinania. Rozproszenie warstwy tlenków umożliwia wejście w kontakt powierzchni warstw metalicznych i powstanie wiązań metalicznych, a odkształcenia plastyczne sprzyjają dynamicznej rekrystalizacji mikrostruktury połączenia. Rezultatem jest płytka zgrzeina o głębokości 10-25 µm, praktycznie pozbawiona strefy wpływu ciepła, ze względu na stosunkowo niskie temperatury procesu. Metalowy detal powstały w wyniku nakładania na siebie kolejnych pasków taśmy, warstwa na warstwie, pasek przy pasku – na zakładkę, posiada charakterystykę wytrzymałościową materiału wyjściowego w osiach X, Y i osłabioną o mniej więcej 20% wytrzymałość w osi Z. Wynika to z warstwowej struktury wyrobu, specyfiki wiązań międzywarstwowych i ewentualnych pozostałości tlenków. Odpowiednie przekonstruowanie części, zgodne z prawidłami projektowania pod wytwarzanie przyrostowe, pozwala zminimalizować niekorzystny wpływ struktury warstwowej na wytrzymałość eksploatacyjną wyrobu poprzez zmianę orientacji detalu w przestrzeni roboczej urządzenia.
Cały artykuł dostępny jest w wydaniu płatnym 7/8 (202/203) lipiec/sierpień 2024
