超声波焊接为NASA任务和商业工业制造零件

一项适用于 NASA 航天器的制造创新正在转移到私营部门，以支持地球上的各种行业。破裂的水管总是昂贵且凌乱，但在太空中出现故障的管道可能会导致任务结束。这就是 NASA 技术人员努力使硬件尽可能可靠的原因。有时，这意味着要摒弃旧的做事方式并尝试全新的材料或制造工艺。

这一挑战促使宇航局南加州喷气推进实验室的技术专家 Scott Roberts 转向 3D 打印行业的新型焊接。私营部门已经在使用这种称为超声波增材制造 (UAM) 的技术。通过一些额外的创新，罗伯茨认为它可以用来提高热交换器的可靠性，热交换器是任何航天器的重要组成部分。一家公司对其 UAM 流程进行了改进，以帮助罗伯茨建造更好的航天器，现在开始在从航空到石油钻探等行业获得回报。

罗伯茨说：“我正在解决的问题并不能为一项任务解决一个问题。” “他们将为 NASA 和工业界解决一类问题。”

3D打印与管道有什么关系?

温度在太空中是一个特别困难的问题，那里的极端情况可能会有数百度的变化。热交换器通过去除多余的热量或吸入更多热量来帮助维持航天器内部的稳定温度。传统上，这些设备包括一个长的蛇形管道，该管道通过支架和环氧树脂连接到金属板上。虽然有效，但它们由许多相互连接的部分组成，引入了许多潜在的故障点。

然而，通过超声波增材制造，整个设备可以制作成一个整体。JPL 提供的小型企业创新研究 ( SBIR ) 资金使 Roberts 能够与位于俄亥俄州哥伦布的 Fabrisonic LLC 合作开发新的热交换器设计。作为 Sheridan Solutions LLC 的分包商，Fabrisonic 从现有工艺开始，该工艺通过将金属与高频振动融合在一起来构建多层金属薄层。为了制造热交换器，在分层金属中雕刻出一个弯曲的通道，然后将其封闭在附加层下。

新设计取代了在长期任务或地球极端条件下可能出现故障的数十个小部件和接头。

振动如何熔化金属?

超声波焊接利用声音和摩擦力在金属层之间形成固态结合。它首先将薄箔压在另一个金属部件上，例如底板。恒压和超声波振动会在面对面之间产生摩擦，产生剪切运动，从而提高温度并去除表面氧化物，从而使纯金属与纯金属直接接触。结果是将金属层焊接在一起的固态原子键。甚至不同的金属层也可以粘合成一个整体。

由于金属的粘合温度明显低于其熔化温度，因此需要的热量相对较少。Fabrisonic 可以将大至 6 平方英尺的层快速拼凑在一起，从而可以在几天内创建具有复杂几何形状的零件，而不是传统制造实践所需的几个月。这缩短了航天器的开发周期或加快了商业部件的制造。

立方体卫星可用于各种任务，但它们的小​​尺寸使得安装所有部件以及管理太空极端温度所需的屏蔽成为一项挑战。NASA 对能够更有效地利用材料的新制造技术感兴趣。信用：宇航局

为什么要结合不同的金属?

当航天器上的所有东西都需要轻量化时，保护电子元件免受可能摧毁它们的强烈太空辐射是一项挑战。这是罗伯茨试图使用新材料解决的一个问题。由位于弗吉尼亚州汉普顿的 NASA 兰利研究中心提供的额外 SBIR 资金用于支付 Fabrisonic 在铝制航天器部件中间添加抗辐射金属钽层的费用。

与其他形式的焊接不同，UAM 不会导致不同的金属液化和混合在一起。Fabrisonic 总裁 Mark Norfolk 表示，工程师可以依靠每种金属的特性来保持恒定并按预期运行。这种质量表明 NASA 可以实现将铝与钽相结合的目标。

Norfolk 指出，融合不同金属层的能力对于石油和天然气行业的客户也具有优势，他们现在依赖各种 Fabrisonic 部件进行钻孔。一种是井钻管——一种中空的薄壁管，它结合了不同的材料并使用嵌入式传感器。

为什么要把传感器放在金属里?

新型光纤传感器可以检测金属应变或弱点，并在故障发生之前预测可能的故障。但是使用传统方法制造的金属只能在零件的外部支持这些传感器。为了嵌入它们，制造过程中使用的热量会破坏精密的设备。

来自 Langley 的其他 SBIR 资金帮助 Fabrisonic(再次作为 Sheridan 分包商)通过超声波焊接测试内置于铝部件内部的传感器的有效性。经过反复试验为这种创新应用找到最佳传感器后，工程师们能够获得有关金属健康和性能的准确、实时数据。由于传感器受到保护，它们可以在恶劣的环境中工作。进行能源和核研究的田纳西州橡树岭国家实验室成功地在其设施中使用了 Fabrisonic 的嵌入式传感器。在 NASA 航空测试中，这些 Fabrisonic 传感器有助于检测商用机身中的弱点和性能问题。

如果我想自己打印小零件怎么办?

与此同时，位于阿拉巴马州亨茨维尔的 NASA 马歇尔太空飞行中心资助 Fabrisonic 探索使用先进金属材料和 UAM 进行太空制造，这一次是作为第一和第二阶段 SBIR 合同的分包商与一家名为 Ultra Tech 的机器自动化公司签订合同机械公司 该机构的工程师与 Fabrisonic 合作开发了一种用于空间站的小型 UAM 打印机。该公司已准备好设计，但不知道它是否可行。NASA 规范使构建、测试和改进打印机最重要的组件——焊头成为可能。这部分将超声波振动传递到打印机中使用的金属带上。

与使用工业 UAM 工艺相比，将这种技术小型化以制造更小的零件提供了更具成本效益的方法。该公司由此产生的 SonicLayer 1200 打印机的商业销售产生了 100 万美元的收入，其中一个客户在内部生产了 70,000 多个零件。

商业上的成功使公司能够发展多元化的客户群，并将规模扩大一倍，增加到 12 名员工。

“如果没有 SBIR 和其他政府支持，Fabrisonic 可能无法跨越创业和商业成功之间的鸿沟，”诺福克说。“它促成了重要的研究和发展。它提供了关键信息，例如有助于传播技术的材料表征数据和案例研究。”

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