CN108349001B - 利用局部超声波增强的材料流和熔合的增材制造系统和方法 - Google Patents

Abstract

可用于实现固体(>95％)金属材料的室温3D打印的超声波细丝建模系统和方法。将振动工具应用于金属细丝以形成体素，诱导机械变形以及层间和层内的物质传输。可在体素到体素的基础上建造所期望的结构。此外，通过改变所施加的超声波能量，可以控制所得结构的微结构。

Description

利用局部超声波增强的材料流和熔合的增材制造系统和方法

技术领域

本公开涉及增材制造，具体涉及利用局部超声增强材料流和熔合的增材制造方法。

背景技术

目前，增材制造方法具有各种各样的缺点。因此，仍然需求改进的增材制造系统和方法。

附图简要说明

关于以下说明和附图：

图1显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统；

图2A显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统的操作；

图2B显示一示例性实施方式的在平行和正交层方法中的示例性增材制造系统的操作；

图2C显示一示例性实施方式的在连续缝合方法中的示例性增材制造系统的操作；

图3A显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统沉积单体素的操作；

图3B显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统沉积一对相邻的体素的操作；

图3C显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统沉积两层相邻的体素的操作；

图4显示一示例性实施方式的在连续缝合模式中的示例性增材制造系统的操作的结果；

图5显示一示例性实施方式的在正交层方法中的示例性增材制造系统的操作的结果；

图6A显示一示例性实施方式的作为独立式金属增材制造方法的示例性增材制造系统的操作的结果；

图6B显示一示例性实施方式的作为复合型增材－减材制造方法的一部分的示例性增材制造系统的操作的结果；

图7A和图7B显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统的操作的热学表征；

图8A和图8B显示通过一示例性实施方式的示例性增材制造系统的操作形成的材料的微结构特征；

具体实施方式

以下描述仅仅是各种示例性实施方式，并非意在以任何方式限定本公开的范围、适用性或构造。相反地，以下的描述意在提供用于实施包括最佳模式的各种实施方式的合适的说明。显而易见，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对这些实施方式中描述的元件的功能和布置进行各种改变。

为了简洁起见，可以不在此详细描述用于增材制造、引线接合、3-D打印等的常规技术。此外，此处包含的各种图片中所示的连接线旨在表示各种元素之间的示例性功能关系和/或物理耦合或通信耦合(communicative couplings)。应注意，在实际的增材制造系统和相关的使用方法中可能存在许多替代或附加的功能关系。

在过去几十年里，逐层“添加地”建造三维物体的想法已从用于概念可视化的快速原型工具变为目前的能生产终端用户工程部件的生产工具，并且不仅朝着革新制造业的方向发展，还朝着从根本上重新定义如何制造物体的方向发展。这种转变的意义是巨大的：渗透到可想到的人类经验的各个层面：航空航天、汽车、生物医药、军事、电子、消费品、食品和个人产品。目前，具有生产质量的聚合物的增材制造是可负担得起的且易于获得。然而，现有的全致密金属的增材制造的方法远不能负担得起且易于获得。

现有的金属增材制造工艺包括：粘合剂喷射工艺、超声固结(UC)和分层实体制造(LOM)等间接方法；以及选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)和激光工程净成形(LENS)等直接方法。间接方法需要后处理以生产全致密部件。在某些处理方法中，金属部件部分地熔化，或者使用低熔点粘合剂将金属部件粘合在一起。因此，当需要高体积密度部件时，需要后处理操作，例如粘合剂去除、烧结或液态金属浸渗。超声固结是复合的增材－减材工艺，其中，金属箔的片(或条)首先通过超声波焊接成堆叠。然后利用切割操作(通常为端铣)将金属堆叠成形为所需的层形状。通过在这些焊接和切割工艺之间交替，来建造三维物体。LOM采用与US相同的交替的增材和切割工艺，但是焊接步骤替换为在片之间施加粘合剂，且可能需要后摩擦烧结工艺。

此外，现有的直接金属工艺涉及通过操作熔池使用热能将材料熔化和粘接，上述熔池通过激光或电子束热耦合到金属粉末中而产生。所得的结构、形态和微结构高度依赖于微焊接过程中的热物理和热传递过程。这些直接金属增材制造工艺的另一个独特特征是使用细粉末作为起始材料，平均直径通常为20微米左右，并且该工艺在惰性气体或真空的受控环境下进行以防止氧化、电子束熔化时的光束散射、以及工艺危害。尽管能生产高质量的金属部件，但这些特征对于技术成本的降低和易于获得性而言成为主要障碍。

与现有的方法的缺陷相比，本文公开的示例性实施方式允许在室温下在环境条件下增材制造实际上全致密(例如固体金属密度的95％以上)的金属制品。各种示例性实施方式利用超声细丝建模(UFM)工艺。UFM工艺的工作原理可以类比为引线结合法与熔融沉积成型法的结合：使用固体金属丝作为起始材料，通过在路和层之间的冶金结合形成三维物体。

现在参考图1，在一个示例性实施方式中，增材制造系统100包括细丝建模组件110和控制组件120。细丝建模组件110构造成在基底上提供和增材堆积细丝(例如，包括铝、钛、银、金、铜、钢合金、金属－聚合物混合物等当中的一种或多种的细丝)。控制组件120控制细丝建模组件110的操作，使得形成复合的3D结构。

如图2A和2B所示，在一些实施方式中，UFM的示例性机械和工具配置类似于FDM工艺，其中，被加热的热塑性挤出机直接“书写”构成3D组件的路和层。但是，相比之下，在UFM中，使用定位系统上的导向工具逐个体素地将固体金属细丝引导、成形和冶金粘接至基底(或前一层)和相邻的细丝。

本领域技术人员知晓UFM工艺的重要方面或特征是：(1)与材料的屈服强度相比，在施加的超声波振荡的存在下，将所述细丝“成形”为所期望的路几何形状所需的机械应力(并且因此机械能量输入)大幅降低(<50％)；(2)在观察到的条件下，观察到的跨纤维间和层间界面形成冶金结合的物质传输量比菲克扩散预测的高10000倍以上；和(3)UFM工艺的温度升高几乎可以忽略不计，这反映了从声能输入到所需的塑性和物质传输的高耦合效率。这些独特的特征使得本文公开的超声细丝建模工艺能够在桌面3D打印环境内以及在高精度、高保真度的工业增材制造环境内实施。此外，UFM在室温下全致密的金属3D打印的独特性质使得可以同时打印聚合物和金属，这种材料组合在基于金属熔融的金属增材制造工艺中是不可完成的。

现在参考图2A和图2B，在一个示例性实施方式中，增材制造系统100(例如增材制造系统200)包括声能源212、X轴马达216、y轴马达217、至少一个z轴马达218、打印机控制板222和电源224。增材制造系统200还可以包括用于在其上沉积3D打印的物体的构建板219；构建板219可以固定在适当位置或者可以在x、y和z维度上平移和/或可旋转。

在一个示例性实施方式中，增材制造系统200在声能源212中利用超声振动源。此外，声能源212可以进一步包括用于引导细丝并将声能传递到其上的打印工具213。声能源212还可进一步包括连接到以60kHz的频率振荡的压电晶体的不锈钢喇叭(stainlesssteel horn)。声能源212可以提供期望量的超声波能量，例如5瓦、10瓦、15瓦以及/或者其他。提供给铝体素的超声波能量是例如通过振幅和时间进行调制的。在不锈钢喇叭的末端是引导并形成来自细丝的体素(例如，300μm直径的99.99％Al)的打印工具213(例如，由碳化钨或其他合适的耐用材料形成)。除了超声波能量输入调制以外，还可以控制金属细丝被压到基底/现有层上的力。

打印工具213可包括刀片状、针状、圆柱体、矩形状、平板状或其他合适的形状。打印工具213可以构造成具有任何合适的尺寸和/或材料，例如长宽比构造成响应于施加至打印工具213的约60kHz的超声波振动而实现打印工具213的自由端的约1微米振动幅度。在一个示例性实施方式中，打印工具213构造成具有约3mm的宽度和约12mm～25mm的长度。在另一个示例性实施方式中，打印工具213构造成具有约2mm的宽度和约12mm的长度。此外，应理解打印工具213的尺寸可以根据需要进行选择和/或调整，例如根据在增材制造系统200中使用的金属细丝的尺寸，包括金属细丝的特定金属或合金以及/或者其他。为了使用不同的材料和/或实现沉积材料的不同特性，可以将特定打印工具213从增材制造系统213移除并用不同的打印工具213代替。

在一个示例性实施方式中，增材制造系统200的操作开始于使打印工具213引导细丝到所期望的体素位置并用公称压力(例如，通过一个或多个马达216、217或218的操作)将该细丝保持在适当位置。一旦定位，就通过打印工具213对细丝提供超声波能量。由打印工具213施加的力和超声波能量照射的组合使得由打印工具/细丝接触限定的细丝部分形成和熔融在基底/现有层上，形成体素。在打印工具213沿着金属细丝的轴向下移动时重复上述工艺，直到完成所期望的“路”。每个体素可以与在前的和随后的体素重叠，且可以与那些相邻路中的体素重叠。然后对每条路和每个层重复上述工艺，直到形成所期望的结构。在各种示例性实施方式中，增材制造系统200可以达到构建的目标速度，例如0.2mm³/秒、0.3mm³/秒、以及/或者其他，取决于输入功率、细丝材料等。

在一个示例性实施方式中，增材制造系统200可操作为将声能耦合到全致密金属细丝中，以引导该细丝，并诱发3D打印所需的体素成形和材料熔合。声能源212使用基于压电晶体的换能器，其以约60kHz(更广泛地，在约40kHz与约200kHz之间)的频率振荡。在UFM工艺过程中，印刷工具213将超声波能量输送到固体细丝(例如，直径300微米，纯度为99.99％的固体铝)和现有表面之间的界面，如图2A～2C所示。由于超声波能量被用于对细丝进行成形且允许在金属－金属界面上形成冶金结合，所以打印工具213逐步减小细丝的长度以形成固体金属的“路”，例如宽度约600微米、高度约125微米的尺寸。然后重复这些步骤以形成构成一个层的相邻路，然后重复在路方向和层方向的步骤以形成三维物体。图4中显示根据一示例性UFM方法构建的两层结构的扫描电子显微镜图像。这些图像描绘了细丝路成形以及与相邻路的冶金结合。在路和层之间没有发现可察觉的空隙。

打印机控制板222可以包括任何合适的电子部件，例如微处理器、电阻器、电容器、感应器、晶体管、二极管、发光二极管、开关、示波器(traces)、跳线、熔丝、放大器、天线等，以便控制增材制造系统200的操作。在一些示例性实施方式中，增材制造系统200可通过连接至个人电脑上运行的软件程序进行控制。

在一些示例性实施方式中，增材制造系统200使用X轴马达216、y轴马达217和z轴马达218。这些马达可以进行操作以定位和/或重新定位增材制造系统200的组件，例如根据需要进行操作以定位和/或重新定位打印工具213和/或构建板219。但是，用于增材制造系统200的相关部分的平移、旋转和/或其他移动的任何合适的组件或系统均被认为是在本公开的范围内。

现在参考图4，增材制造系统200可以以“连续缝合”模式进行操作，由此连续地形成不连续的体素。在该模式中，构建板219和/或打印工具213可以在体素之间的X、Y或Z维度上平移；然而，最常见的是将形成相邻体素的单个线性“路”，然后形成相邻的路等。图4显示所得的高质量层间和细丝间结合。

现在来看图5，增材制造系统200可以以第一层的体素“路”与第二相邻层的体素“路”正交的模式操作(例如，通过在层之间旋转构建板219，重新定位打印工具213，以及/或者其他)。图5显示由A1100(99.9％)铝以上述方式形成的具有0.11mm的层厚度及2mm x 2mm印迹的示例性18层结构。此外，所得材料的高品质是显而易见的。

现在参考图3A、3B和3C，呈现了通过增材制造系统200的操作形成的一个或多个示例性体素的显微照片。图3A显示长度为1.5mm、连续结合的厚度为0.15mm的体素的形成。图3B显示两相邻的长度为1.5mm、连续结合的厚度为0.15mm的体素的形成。图3C显示相邻的第一层的长度为1.5mm、连续结合的厚度为0.15mm的体素的形成，以及在其上的相邻的第二层的长度为1.5mm、连续结合的厚度为0.15mm的体素的形成。

为了进一步说明示例性UFM方法作为独立式3D打印工艺的可行性，通过增材制造系统200的操作成功打印了L形的3D物体。如图6A所示，物体的长度为5mm，宽度为4mm，高度约为1.5mm，且一层的厚度约为125微米。

此外，UFM可以作为复合的增材－减材制造工艺来使用。现在参考图6B，3D打印了16层铝结构并将其加工成图6B中拍照和显示的拉伸条形物体。对于样品的中间部分获得X射线显微断层摄影结果，并将一个代表性的切片示于图6B。在UFM打印的样品的微CT扫描中，层间界面是可辨别的，但没有观察到细丝间的界面。观察到密度超过95％。

与需要显著加热的现有金属增材制造工艺相比，本公开的示例性UFM工艺不会产生显著的加热。现在参考图7A和图7B，表面温度的高分辨率IR成像和热耦合探测可以用于量化与UFM的示例性实施方式相关的温度升高。如图7A所示，高速IR摄像显示形成一个体素的最大温度升高小于5度。在图7A中，在体素形成期间捕获的一帧热成像显示在达到最高温度时体素附近的空间温度分布。

在图7B中也呈现了在细丝－基底界面处度的示例性温度随时间的演变。在临界的细丝－基底界面处的温度的时间演变表明体素的熔合在施加超声波能量30微秒内开始，而体素的成形随着体素处理时间的继续而持续进行(在图7B中，超声振动的照射在第50微秒时开始)。两个表面之间的相对运动产生摩擦热，导致温度急剧升高。该过程中另外30微秒，冶金结合开始形成并且细丝和基底之间的相对运动停止。这消除了摩擦热源，并使得界面温度下降。观察到约5度的最大温度升高。图示的时间温度曲线中的另一个特征是在超声振动停止的约350微秒处的锐减。这表明消除了工艺中的第二热源：由于体素形成时的高频循环剪切变形而引起的循环塑性应变加热。在操作中，增材制造系统200可将超声波能量施加至体素达合适的时间长度，例如100微秒、200微秒、320微秒、400微秒、550微秒、以及/或者其他。

可以使用示例性的UFM系统和方法来影响金属的微结构。结合增材制造系统200的操作，冶金样品制备和原子力显微镜可被用于表征三种状态下的体素的横截面(垂直于细丝轴线)：(i)未处理的原始铝细丝，以及(ii)和(iii)用对应于打印工具213的0.96和0.98微米振幅的两种不同水平的超声波能量输入形成的铝体素。应当理解，增材制造系统200可以构造成利用任何合适的打印工具213的振幅(例如，振幅在约0.9微米至约1.1微米)。在图8A和图8B中总结的结果表明随着UFM工艺的发生，微结构发生明显演变。图8A显示以较低的超声波功率(对应于0.96微米振幅)形成的铝体素的微结构，图8B显示以较高的超声波功率(对应于0.98微米振幅)形成的铝体素的微结构，超声波照射时间分别都设定为300微秒。

原始的细丝显示大约10微米的平均粒径，然而图8A和图8B中图示的所形成的体素都显示在初级晶粒内形成了次级晶粒。晶粒尺寸分析表明初级晶粒保持大致相同的尺寸；它们由于体素中的塑性应变而变形。此外，在较低的超声波能量输入下，次级晶粒的平均尺寸为1.4微米，然而在增加超声波输入下的平均次级晶粒尺寸降至0.9微米。因此，增材制造系统200基于施加至印刷工具213的功率有利于次级晶粒结构的设计和/或控制，使得能够更好地控制所得结构的性质。

增材制造系统200的操作首次利用了本文中验明的物理现象。首先，UFM工艺利用结晶金属的很好观察到的超声波软化。声学软化效应在二十世纪五十年代首次被发现，并且被认为是由于声能集中在晶格缺陷如位错和晶界而引起的位错滑动导致活化能降低。已经推导出将观察到的软化与残余硬化效应以与声能输入相关的定性术语关联起来的经验关系。此外，已开发出改进的塑性模型并将其用于解释声学软化观察结果。在UFM工艺中观察到的材料软化与文献中记载的一致。

更重要的是，增材制造系统200利用本文首次公开的第二种新型机理，其涉及在短时间(少于1秒)内、在大空间域(数百纳米)内以晶格水平急剧增加物质传输(4-6个数量级)。UFM工艺和/或增材制造系统200所利用的这种第二现象涉及在存在kHz频率范围内的超声波振动的情况下跨越材料界面的大量物质传输，但是温度升高很有限。之前的现象已在引线结合和最近的超声固结(UC)中观察到，但是具有较大程度的温度增加。与之相对，增材制造系统200提供大量的物质传输，而没有显著的温度升高。

在各种示例性实施方式中，基于测定的和/或计算的振幅、体素几何形状和工艺参数，照射到UFM中所用的铝体素中的超声波功率密度达到160W/cm²以上。本公开的原理考虑为空位的量子扩散理论是对于由增材制造系统200实现的提高的物质传输的可能的解释。

工艺温度升高。UFM工艺中的温度升高可以归因于图7B所示的时间温度演变中捕获到的三个热源：(1)在体素形成过程中由与细丝中高度变化相关的大量塑性变形产生的体积热，(2)由于细丝和基底(或现有的细丝表面)之间的循环相对运动而产生的摩擦热，以及(3)在细丝的轴向方向上的体素循环剪切变形。由于与体素高度变化相关的塑性变形而产生的体积热可以首先通过计算线性变形期间完成的机械功来评估：

(公式1)

其中σ_y＝ξKε_ρ ⁿ是流动应力，ξ是超声波能量引起的软化因子，ε_ρ是塑性应变，K和n是材料常数(例如，对于铝，认为它们是K＝155.65MPa，n＝0.2123)。假设ξ为1，用于体素形成的总机械功则为W_P＝0.01J。对于铝而言，已表明大约30％的塑性应变能量将会作为热而耗散，而其余的塑性应变能量则储存在晶格中的缺陷中。这意味着体素形成中的压缩应变相当于比铝体素形成期间产生的体积热少0.01W，考虑到在所考虑的示例性实施方式中，体素形成过程在约300毫秒发生。

第二热产生源是来自体素与基底之间或体素与印刷工具213之间的相对运动的摩擦热。如果假设打印工具213与体素之间没有滑动，则可以将其建模为：

Q_f＝μFU (公式2)

其中μ是体素－基底接触处的摩擦系数，U是它们相对运动的速度，其近似为：U＝4Af(公式3)其中A是振幅，f是振动频率，F是接触力。

在使用铝的增材制造系统200的示例性操作中，当接触力为约10N，振幅约为0.98微米，频率为约60kHz时，冶金结合在30微秒时形成体素形成。对于在超声振动照射下的铝细丝－铝基底界面，在体素形成期间假定摩擦系数为0.3。基于这些值，算出在细丝－基底接触处产生的总摩擦热为约0.7W。

第三热产生部分在塑性应变时发生，该塑性应变由体素中的循环变形而引起且作为体积热而耗散。在一个示例性实施方式中，打印工具213/体素接触处的振幅为0.98微米；这也是在给定的振动周期内体素表面上的最大位移。在体素形成期间产生的总剪切应变在0.33％到0.83％的范围内。对于该示例性实施方式中使用的铝，当应变高于0.13％时，体素进入塑性变形。因此，在每个振动周期中对塑性应变加热有贡献的应变量在0.2％～0.7％的范围内。考虑到该示例性UFM工艺的30％散热分区和操作频率，在体素形成期间由于循环塑性变形引起的平均总热产生量约为0.75W。

微结构演变。通过增材制造系统200形成的铝体素的微结构显示出与通常在铝的动态回复中观察到的微结构相似的微结构。动态回复可以在热工作条件下(T>50％T_m)、以小于ε＝40的应变发生。该行为通常出现在具有高堆垛层错的材料中，如铝和钛。一个明显的特征是由于在初级晶粒内位错累积，形成了小角度晶界，导致在初级晶粒内形成次级晶粒。

在UFM中，例如在增材制造系统200中实施时，观察到类似的微结构演变。然而，增材制造系统200的操作在室温下进行(T<5％Tm)，且体素中经历的应变量大约为ε＝1。此外，本公开的原理考虑为随着输入到体素中的超声波能量增加，该微结构演变过程发生的程度增加。因此，虽然UFM中观察到的微组织演变背后的驱动机制不同于动态回复中的驱动机制，但显示微结构对超声波能量输入的依赖性的趋势与动态回复中的趋势相似，其中随着工作温度增加，观察到次级晶粒减小。因此，关于增材制造系统200的操作，从能量学的角度来看，这种趋势表明超声波能量的照射使材料晶格达到更高的能量状态，在此由位错跳跃和合并引起的动态回复可以容易地发生(好像是材料的温度明显提高，但实际上没有明显提高材料的温度)。

增材制造系统200被构造成利用这种行为对超声波能量输入的依赖性，以便操控所形成的物体的微结构。据信增材制造系统200是首个利用和/或揭示这种能力的系统。在将UFM作为金属3D打印工艺的背景下，材料微结构对工艺输入的这种依赖性意味着3D打印的部件的机械性质可以在理解和控制工艺物理原理下且在构造工艺期间通过增材制造系统200进行实时控制和调节。

再次参考图7A，为了表征增材制造系统200的操作，可以使用FLIR A6751照相机对UFM中的体素形成进行IR成像。成像频率可以是合适的速度，例如125.6Hz。黑色聚合物膜可以用在碳化钨打印工具213的一部分上，以降低表面的反射率。可以使用热电偶来测量基底表面温度，例如在离开体素的中心0.9mm和4.3mm处。

再来看图8A和图8B，通过增材制造系统200的操作，在铝1100基底上形成了两种不同超声波功率(分别对应于0.96微米和0.98微米的振幅)的铝体素，并检查了所形成的体素的微结构。在基底上形成体素之后，根据以下标准的金相学程序准备它们的横截面。用320号砂粒碳化硅研磨盘对样品进行抛光，然后用600号碳化硅研磨盘抛光。使用6μm多晶金刚石颗粒和随后的0.05μm氧化铝浆料进行进一步抛光。在各抛光步骤之间，上述样品在超声DI水浴中清洗。在抛光工艺之后，在包含25ml甲醇、25mlHCl、25ml硝酸和1滴HF的蚀刻剂中对样品进行蚀刻。在布鲁克(Bruker)多模式原子力显微镜(AFM)上检查蚀刻的样品以显示如图8A和图8B所示的铝体素的微结构。

另外，本公开的原理发展了金属－聚合物数字材料制造的革新性方法的知识基础，其中金属和聚合物组分的材料和空间组成可以在体素－体素基础上进行设计、执行和表征。本方法的核心在于超声波金属结合和热聚合物熔合的平行增材制造工艺。由声学软化和声振增强固态扩散驱动，金属－聚合物非均质材料的金属成分可以如上所述在空间上一个体素、一个体素地形成，而热熔融驱动工艺填充聚合物成分的位置。在两者之间交替，可以在不同尺度上实现空间和成分的异质性。在这些示例性方法中，增材制造系统可以构造成具有用于金属沉积的第一工具(例如印刷工具213)和用于聚合物沉积的第二工具(例如喷嘴)。

本文公开的用于聚合物－金属异质材料的革新性热声增材制造方法解决了在数字材料和制造领域面临的工艺低效率和材料不确定性的挑战。例如，具有微调的机械、物理和机电特性的新型金属－聚合物复合材料阵列可以降低系统的整体重量和成本，并通过使复合材料具有特定的定位、应用和需求特性来提高其性能；第二，所公开的方法的实时材料性质监测和控制元件可以通过允许监测制造工艺以及产品质量并在其构建工艺期间实时调整来提高系统可靠性；第三，所公开的方法对金属使用声能，对聚合物使用热能以实现材料的变形和结合。这样独特的能量源的组合可以有效利用能源。结合增材方法的“按需材料”的本质，其降低了组件和系统的制造成本，并提供备用部件或替换部件的机载设计和制造能力，例如用于太空飞行任务。

基于聚合物的非均质材料在航空航天工程中的广泛的重要应用中比传统的单相材料更好，在航空航天工程中强度-重量比、空间限制和整体系统能量效率等性能要求是非常重要的。在这些理想的应用中，离子聚合物－金属复合材料(IPMC)在空间应用中的机器人及人类支持领域中的活性材料系统的开发不仅代表了当前发展的一个重要领域，而且随着未来太空探索的形成而发挥关键作用。然而，除了需要聚合物化学领域的新突破之外，构建具有理论上预测的性能和所需可靠性的实际装置的障碍之前在于缺乏一种制造方法，其中最终产品的材料和空间组成能被精确地设计、执行和控制：一种闭环的复合的金属－聚合物直接数字制造方法。

目前的聚合物和金属直接数字制造(DDM)系统可以根据所使用的起始材料的形式粗略地分为三种类型，即液体、固体细丝或薄膜，以及粉末。当在聚合物DDM中仅使用液态可光固化聚合物时，金属AM系统使用热能来选择性地熔融和熔合逐层的三维部件的材料。选择性激光熔化(SLM)或激光工程净成形(LENS)等方法虽然常见，但存在高设备成本和高操作成本、低能量效率和粉末回收率，以及与使用金属粉末相关的健康风险的缺点。电子束自由成形制造(EBF3)最初由NASA开发，其操作原理与电子束焊接相同。通过操作熔融金属池的3D路径，可在高真空环境下实现固体建模。该工艺面临的关键问题是工艺的分辨率和规模放大时的困难。这些方法代表了为什么之前无法实现复合的金属－聚合物增材剂制造工艺的基本问题：由于基于熔融的金属AM工艺与聚合物工艺的大的工艺温差，基于熔融的金属AM工艺与聚合物工艺不兼容。

超声波增材剂制造是一种在金属箔层的超声波焊接和数控铣削之间交替以生产近净形状和净形状部件的工艺。该工艺利用金属的声学软化和在固态扩散中的增强以在金属箔层之间产生无应力的冶金结合，然后在每一层进行机械研磨以逐层形成部件。虽然这是一个将传统和先进的制造工艺结合的极好例子，但这种方法会产生大量废料，并且使用铝箔原材料会导致金属和聚合物的同时使用变得不切实际。基于微挤出的增材建模和墨滴打印工艺(例如电动喷射)是纳米/微制造团体正在开发的工艺。这些工艺能够生产复合的金属－聚合物非均质材料，并且利用混合在聚合物基体中的金属颗粒进行印刷以获得最终产品所需的电性能。但是，最终产品的机械性能远远差于组成金属成分的机械性能。此外，最终产品中的打印的金属颗粒迹线通常需要经过热处理以获得所需的电性能。

目前的DDM方法的最重要问题之一是它们操作中的“开环”本质。通常，DDM工艺，无论是SLA、FDM还是其他工艺，都不会收到有关构建特性(例如元件的材料特性)的信息，并且仅依靠被动的系统级信号检测(例如力和碰撞)来终止构建过程，以防止损坏系统(例如，SLA和SLS系统中的“接触刷(wiper)”)。这种机构是无效的，因为产品中的缺陷必须累积到系统中的移动组件经历阈值阻力的程度，才能在系统关闭该工艺之前完成它们规定的功能。此时，需要人工干预才能重新开始构建工艺，并且失败构建中的材料无法恢复。更重要的是，这种机构没有提供产品尺寸、缺陷或材料特性的信息。质量控制只能在制造后实现。

为了解决阻止当前的增材制造工艺应用在设计和制造多尺度聚合物－金属非均质材料中的多种问题，本公开的原理设想了革新性金属－聚合物复合型增材制造方法，其中金属和聚合物组分材料的材料和空间组成可以在体素到体素的基础上进行设计、执行和表征。

这种新方法可以在新型金属－聚合物非均质材料的设计、测试、制造和表征循环中创建范式转变。它简化了空间技术(例如用于软机器和机器人的超高强度-重量比复合材料和基于离子型聚合物－金属复合材料的自适应材料)的开发工艺。现有系统和方法的空间兼容和节能的性质意味着在太空旅行和探索期间进行新的或替换部件的机载设计和制造变得可能，增加了这种任务的负担能力和可持续性。此外，本公开设想将聚合物－金属复合材料数字制造方法与运算设计和分析工具的开发相结合，以加速实现创新的集成设计到产品的方法所必需的原型和概念的开发。本文开发的多尺度金属－聚合物非均质数字制造方法使得空前的全组成范围金属－聚合物复合材料的长度尺度在100微米和可能的数米之间。通过与由所提出工艺的增材制造本质所提供的部件和组装设计的内在灵活性相结合，这种产品组成可调节能力使得亚米级系统的结构设计和组装的新方法能被快速地原型化和验证。

所公开的DDM方法所提供的真正的3D制造的本质和在材料组成和性能调节上的灵活性不仅仅意味着加速设计、原型化和新的基于EVIPC的软致动器和传感器的表征方法，还能实现由于复杂的3D金属电极层而在以前不能实行的在运动中具有3、4或5个自由度的软致动器设计。这种走捷径的影响提供了本公开与软机器技术主题区域之间的协同作用。

本公开的原理捕捉到在连续时空区域的工艺声学软化的物理学和力学。在小的材料区域，与本公开所公开的工艺类似的高频超声波结合环境中，在超声波毛细管和基底之间的整个材料区域中发生大量的塑性变形。该工艺几乎完全由材料的声学软化驱动。在该体积中，材料的应力-应变关系由于声学软化效果而不同。

示例性系统在具有多种组件的环境中实施：金属和聚合物线材料处理，声能源和热能源及传递，机械运动，以及工艺控制和反馈系统。

金属和聚合物线材料处理：作为该工艺的材料来源，环境的该部分负责金属和聚合物线材料的存储、进料和取出。声学和机械组件高度协同，以提供工艺所需的线的受控运动。金属和聚合物组成材料在它们各自的毛细管和喷嘴中被分别处理，输送至所需体素的材料在两者之间交替，以降低环境的复杂性和实现组成非均质性。

声能源和热能源及传递：该组件将能量从电能形式转变为声和热的形式并将它们传递到金属毛细管和聚合物喷嘴中。一个示例性系统利用在长轴振动模式中具有40kHz至200kHz的可调节频率范围的单模超声振动系统。热能系统被用于向聚合物喷嘴提供热以达到高于目标聚合物材料的玻璃化转变温度，并且将构建区域加热至适当温度(～50C)以防止在挤出和沉积期间与热冲击有关的缺陷。

机械运动和工艺控制以及反馈系统：环境的这个组件支持(1)3轴线性运动，(2)接收来自所有其他组件的力学的、热学的、声学的信号，并观察系统特性，例如构建工艺的实时状态、部件缺陷情况和材料性质。示例性系统说明了用于结合缺陷检测和材料性质评估的实时声学信号激励、检测和可视化。

本公开的原理考虑将该方法应用于基于离子聚合物－金属复合物的人工肌肉的设计、原型和表征。例如，这些原理考虑从简单的1轴运动促动器到基于IPMC的4轴活性材料的范围的组件，上述基于IPMC的4轴活性材料能够在3个轴上平移且绕着这些轴中的1个轴旋转。

本公开的原理可以结合2015年8月26日提交的美国临时专利申请第62/210041号中公开的增材制造的原理来使用，其内容通过引用全文纳入本文以用于所有目的。

尽管在各种实施方式中已经示出了本公开的原理，但是在不背离本公开的原理和范围的情况下可以使用特别适合于特定环境和操作要求的在实践中使用的结构、布置、比例、元件、材料和组件。这些和其它变化或修改都意在包括在本公开的范围内以及在随附的权利要求书中可能表达的范围之内。

已经结合各种实施方式对本公开进行了描述。

但是，本领域普通技术人员能够理解，在不偏离本公开的范围的情况下可以进行各种修改和变化。因此，应当认为说明书是说明性的，而非限制性的，所有这些修改都旨在包括在本公开的范围之内。同样地，关于各种实施方式描述了益处、其他优点和解决问题的方案。但是，不应认为这些益处、优点、解决问题的方案，以及可能产生任何益处、优点或解决方案或者使其更为显著的任何元素是任何或所有权利要求的关键、需要或必需的元素。

如此处所使用的，术语“包括”、“包含”或其任意其他变型旨在覆盖非排他的包含，使得包括一列元素的过程、方法、物品或装置不仅包括这些元素而且还可包括并未特意列出的或这些过程、方法、物品或装置固有的其它元素。当在权利要求书或说明书中使用类似于“A、B或C中的至少一个”或“A、B和C中的至少一个”的语言时，该短语旨在表示以下中的任何一种含义：(1)A中的至少一个；(2)B中的至少一个；(3)C中的至少一个；(4)A中的至少一个和B中的至少一个；(5)B中的至少一个和C中的至少一个；(6)A中的至少一个和C中的至少一个；或(7)A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个。

Claims (15)

1.一种用于3D打印金属物体的方法，所述方法包括：

形成一系列的包含所述金属物体的层，每个层由金属细丝形成，其中形成每个层包括：

通过将超声波能量施加到与所述金属细丝接触的打印工具上，由所述金属细丝形成一系列的体素，其中所述打印工具包括碳化钨棒且具有3mm的宽度和12～25mm的长度或具有2mm的宽度和12mm的长度，

其中与所述金属细丝接触的所述打印工具的一部分响应超声波能量以0.9微米至1.1微米的振幅振动，

其中所述一系列体素中的每个体素通过物质传输与所述体素的层中的相邻体素及先前形成的层中的相邻体素连接，

其中，在体素的形成期间，所述金属细丝的温度升高小于6摄氏度，

其中每个体素通过施加超声波能量200微秒至400微秒之间的时间来形成，

并且其中一系列体素的形成在室温下和环境大气中进行。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属细丝包括铝、钛、金、银、铜或钢合金中的至少一种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在体素的形成之间改变施加的超声波能量的强度以改变所述金属的微结构。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打印工具包括碳化钨棒，其中所述打印工具与在40 kHz和200 kHz之间操作的压电晶体耦合。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一系列体素通过在对所述金属细丝施加10牛顿的压力下来形成。

6.一种用于增材制造的方法，所述方法包括：

使得金属线的第一长度与金属基底接触；

通过施加超声波能量，在第一目标区域中的所述金属线的第一长度中诱发材料流和固态扩散，将所述第一目标区域的一部分结合至所述金属基底，其中通过包括碳化钨且具有3mm的宽度和12～25mm的长度或具有2mm的宽度和12mm的长度的打印工具将超声波能量施加至所述金属线的第一长度，其中响应于所述超声波能量，所述打印工具的自由端以0.9微米至1.1微米的振幅振动，其中在所述第一目标区域中的所述金属线的第一长度中产生材料流和固态扩散的同时，所述金属线中的温度升高小于6摄氏度，其中施加所述超声波能量的时间为200微秒至400微秒；以及

通过从所述打印工具施加超声波能量，在与所述第一目标区域至少部分重叠的第二目标区域中的所述金属线的第一长度中诱发材料流和固态扩散，将所述第二目标区域的一部分结合至所述金属基底。

7.如权利要求6所述的方法，所述方法还包括：

使得金属线的第二长度与所述第一目标区域和所述第二目标区域接触；以及

通过从所述打印工具施加超声波能量，在第三目标区域中的所述金属线的第二长度中诱发材料流和固态扩散，将所述第三目标区域的一部分结合至所述第一目标区域或所述第二目标区域的一者。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在诱发所述金属线的第一长度中的材料流和固态扩散期间，对所述金属线的第一长度施加10牛顿的压力。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述超声波能量源是在60kHz的频率下操作的压电晶体，其中所述压电晶体和所述打印工具通过不锈钢喇叭耦合。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一目标区域、所述第二目标区域和所述第三目标区域的总密度超过纯金属的密度的95％。

11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，结合至所述基底的所述第一目标区域的部分形成体素。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括重复地形成一系列体素以形成所期望的结构。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括改变施加至一系列体素中的一组体素的超声波能量的量来控制所期望的结构中的金属的微结构。

14.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法在室温下在环境大气中进行。

15.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括除去所述第一目标区域、所述第二目标区域或所述第三目标区域的至少一部分以形成所期望的结构。

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