3D打印部件可以超聲波焊接嗎？

來(lái)源：塑料焊接技術(shù)

3D打印部件可以超聲波焊接嗎？在某些情況下，是可以。材料和3D打印技術(shù)在分辨率、強(qiáng)度和堅(jiān)固性方面差異，是影響超聲波焊接成功與否的關(guān)鍵因素。

隨著3D打�。�3DP）變得普及，價(jià)格合理且實(shí)用，該技術(shù)已被許多行業(yè)采用，包括汽車，航空航天，消費(fèi)品和醫(yī)療。因?yàn)樵摷夹g(shù)可以對(duì)塑料部件比傳統(tǒng)制造方法（例如注塑成型）更快速和經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行評(píng)估和修改，所以許多制造商將3D打印技術(shù)積極用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

這一趨勢(shì)促使越來(lái)越多的客戶對(duì)超聲波焊接提出了新的需求和挑戰(zhàn)。那么這種常用的塑料焊接技術(shù)是否適用與3D打印制造的部件？要回答這些問(wèn)題，首先要了解3D打印技術(shù)和材料的現(xiàn)狀并評(píng)估幾個(gè)問(wèn)題：

超聲波焊接原理，以及它對(duì)部件尺寸和物理特性要求，3D打印工藝過(guò)程和部件特性，包括超聲波焊接所需的零件分辨率，強(qiáng)度和物理特性，用于制造3D打印零件的材料的可焊性。

3D打印部件可以超聲波焊接嗎？通常，答案是“有時(shí)”可以。所有3D打印部件都需要具有超聲波焊接所需的一些關(guān)鍵特性：高分辨率，強(qiáng)度，堅(jiān)固性和可焊性。但尚無(wú)法對(duì)采用3D打印的各種零件使用超聲波焊接。然而，鑒于3D打印材料和技術(shù)的快速發(fā)展，似乎可以解決和克服這些當(dāng)前的限制。

超聲波焊接的基礎(chǔ)知識(shí)
超聲波焊接是使用通常稱為“焊頭”的模具，將高頻振動(dòng)（15-50Khz）傳遞到部件或者材料層。這些振動(dòng)傳遞到兩個(gè)部件的界面并通過(guò)交變應(yīng)力和摩擦產(chǎn)生熱量，將材料熔化并將兩個(gè)部分粘合在一起。該技術(shù)快速有效且清潔，無(wú)消耗品。超聲波工藝還可用于螺絲嵌入、鉚接和點(diǎn)焊組件等。

超聲波焊接十分適合熱塑性材料的焊接。熱固性材料經(jīng)歷不可逆的化學(xué)變化而不能重整，因此不能進(jìn)行超聲波焊接。

其他因素可能影響材料的超聲所需能量和可焊性。主要因素包括聚合物結(jié)構(gòu)、密度、熔化溫度、粘度、剛度（彈性模量）、導(dǎo)熱率和化學(xué)組成。無(wú)定形和半結(jié)晶聚合物都可以焊接。然而，無(wú)定形材料通常更容易焊接，因?yàn)樗鼈兙哂休^寬的軟化溫度并且更容易將超聲波振動(dòng)傳遞到焊接筋上。

在超聲波焊接方面，主要有兩種類型的超聲波焊筋設(shè)計(jì)：導(dǎo)能筋和剪切焊縫設(shè)計(jì)，如下圖1。兩者都需要3D打印零件的高分辨率，因?yàn)槌�聲工藝所需的零件特征公差可能非常小�?br />

圖1.導(dǎo)能筋（左）和剪切焊縫設(shè)計(jì)（右）的示例。

導(dǎo)能筋的焊縫設(shè)計(jì)
導(dǎo)能筋集中能量以快速軟化和熔化塑料。它通常在接合面上有一個(gè)凸起的三角結(jié)構(gòu)。在焊接過(guò)程中，尖角因較大的交變應(yīng)力和摩擦迅速產(chǎn)生熱量并熔化，軟化或流體塑料流過(guò)整個(gè)接合區(qū)域并與另一零件熔化表面混合。三角筋的結(jié)構(gòu)顯著縮短了焊接時(shí)間。導(dǎo)能筋設(shè)計(jì)是無(wú)定形材料最常用的焊縫設(shè)計(jì)，但它們也可用于半結(jié)晶熱塑性塑料的焊接。

導(dǎo)能筋的尺寸根據(jù)部件尺寸而變化，但通常在0.25mm到0.5mm高的范圍內(nèi)。對(duì)于無(wú)定形材料的夾角為90°，對(duì)于半結(jié)晶材料的夾角為60°。該導(dǎo)能筋設(shè)計(jì)的尖角上的點(diǎn)是很重要的，注塑部件的尖角半徑優(yōu)選為0.05mm或更小。

紋理表面通常是設(shè)計(jì)在配合的部件上。在配合部件上模制紋理可以通過(guò)增強(qiáng)摩擦特性和加強(qiáng)熔體控制來(lái)改善整體焊接強(qiáng)度和質(zhì)量。通常紋理僅為0.075mm至0.15mm。這對(duì)于某些3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)可能是不可能實(shí)現(xiàn)的。

剪切焊縫設(shè)計(jì)
半結(jié)晶樹(shù)脂通常采用剪切型的焊縫設(shè)計(jì)會(huì)具有更好的焊接強(qiáng)度。半結(jié)晶樹(shù)脂具有相對(duì)較窄的溫度范圍，從固態(tài)快速變?yōu)槿蹜B(tài)并變回固態(tài)。采用切剪焊縫設(shè)計(jì)，可以讓熔融材料保留在焊接區(qū)域并防止與周圍空氣接觸，防止熔融塑料過(guò)早凝固。當(dāng)采用導(dǎo)能筋的焊縫時(shí)，加熱流出的熔融塑料在與鄰近塑料表面熔融塑料混合之前便重新固化了，降低了焊接強(qiáng)度和氣密。

剪切焊縫設(shè)計(jì)在兩個(gè)部件之間有小的過(guò)盈配合。焊接從一個(gè)很小的接觸區(qū)域開(kāi)始，一旦熔化開(kāi)始，便沿著部件的垂直壁繼續(xù)向下，以獲得較好的焊接強(qiáng)度和氣密密封。

剪切量的大�。簩�(duì)于尺寸小于20mm的零件，剪切量0.2mm，建議公差為±0.025mm；對(duì)于較大的部件（38mm-76mm），剪切量約0.35mm，公差為±0.075mm。剪切焊縫設(shè)計(jì)需要?jiǎng)傂詡?cè)壁支撐以防止焊接過(guò)程中的撓曲變形導(dǎo)致剪切量變小。

3D打印技術(shù)如何影響超聲波焊接零件的制造

雖然3D打印組件可以提供精確的零件幾何形狀，但這些零件的物理特性與注塑、擠壓和機(jī)加工成型零件的物理特性是大不相同。

擠壓

擠出是當(dāng)今最常見(jiàn)，最受認(rèn)可的3D打印技術(shù)。它通過(guò)熔化熱塑性長(zhǎng)條狀塑料并使其通過(guò)管口擠出。擠出的材料沉積在薄層中，形成最終組件的二維切片。這些層連續(xù)地印刷堆積，熔融塑料硬化并粘合到下面的層，形成3D物體。

圖2.熔絲制造過(guò)程的描述。

用于擠出的細(xì)絲材料包括經(jīng)常用于超聲波焊接的那些材料，例如ABS，HIPS，尼龍，PC，PC-ABS，PET和PLA，其中ABS和PLA是最常用的3D打印的細(xì)絲材料。材料等級(jí)由不同制造商定制，以達(dá)到特殊屬性。3D打印部件的物理強(qiáng)度在層疊的方向上也明顯變?nèi)酢＝Y(jié)果這些層可能在超聲波焊接過(guò)程中分離破壞。由于層之間的間隙或著同一層印刷路徑之間的間隙，因此無(wú)法形成一致的氣密接頭。

擠出式3D打印機(jī)可達(dá)到的最高分辨率（最小層厚度）約為0.127mm。然而，實(shí)際層厚度隨著3D打印機(jī)和材料而變化�？蛇_(dá)到的尺寸公差也取決于打印部件的尺寸、形狀和方向。例如，Stratasys Fortus 900mc生產(chǎn)的零件精度為±0.089mm，或每英寸±0.038mm，以較大者為準(zhǔn)。使用擠出打印技術(shù)可能無(wú)法滿足剪切焊縫設(shè)計(jì)所需的高公差要求。

圖3（上方兩張）顯示了兩個(gè)導(dǎo)能筋焊縫設(shè)計(jì)樣件：一個(gè)由注塑模具生產(chǎn)，另一個(gè)采用擠出技術(shù)3D打印技術(shù)。采用一臺(tái)Stratasys Dimension Elite 3D打印機(jī)，材料是深灰色ABS plus-P430，單層厚度0.17mm。由于打印機(jī)擠出寬度的限制，3D打印部件的導(dǎo)能筋通過(guò)兩次路徑創(chuàng)建，最終形成矩形形狀（0.35mm高，0.56mm寬）。

剪切焊縫設(shè)計(jì)不需要尖銳的特征。但是，保持精確的剪切量對(duì)于獲得可重復(fù)的焊接結(jié)果非常重要。圖3（下方兩張）還顯示了兩個(gè)剪切焊縫設(shè)計(jì)的樣品：一個(gè)由注塑模具生產(chǎn)，另一個(gè)使用與導(dǎo)能筋樣件相同的3D打印機(jī)和材料的樣件。

圖3.注塑樣品（左）和擠出打印樣品（右）。

雖然超聲波焊接這類擠出式3D打印部件是可能的。但是，相比較相同材料的注塑部件，焊接強(qiáng)度、焊接能量、溢料和密封性能會(huì)大大不同�？傊�，受限于堆疊層與層之間的強(qiáng)度變化，導(dǎo)能筋形狀的變化，剪切量的尺寸變化，導(dǎo)致擠出型3D打印部件的超聲波焊接無(wú)法可重復(fù)性實(shí)現(xiàn)。如果在零件設(shè)計(jì)和3D打印制造中克服這些限制，那么零件是可以采用超聲波焊接的。

選擇性激光燒結(jié)
選擇性激光燒結(jié)（SLS）使用由鏡子導(dǎo)向的聚焦激光來(lái)熔化粉末形式的材料，例如金屬，塑料或玻璃。常用的聚合物包括尼龍和PS。粉末通過(guò)輥?zhàn)訌姆勰┕��?yīng)裝置中推出，并在構(gòu)建表面上以薄層形式鋪展開(kāi)來(lái)。鏡子引導(dǎo)激光經(jīng)過(guò)打印部件的2D軌跡，在焦點(diǎn)處升高溫度將粉末熔化。然后降低構(gòu)建表面并在頂部沉積另一薄層粉末。重復(fù)該過(guò)程直到對(duì)象打印完成。

圖4.選擇性激光燒結(jié)（SLS）過(guò)程的描述。

SLS工藝可以生產(chǎn)比擠出工藝更精確的零件。SLS工藝材料粉末有不同的顆粒大小。SLS工藝可實(shí)現(xiàn)的最小層厚度略小于擠出工藝的厚度，約為0.075mm，因此理論上可以獲得更高分辨率的焊縫細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于SLS工藝，通常不建議打印尺寸小于1mm的壁厚，并且由于SLS分層工藝，精細(xì)的細(xì)節(jié)（例如導(dǎo)能筋的尖點(diǎn)）可能會(huì)被“平滑”或丟失。

SLS工藝制造的部件有時(shí)帶有較高孔隙率，會(huì)引起可焊性問(wèn)題。SLS部件中的孔會(huì)吸收超聲波能量，壓縮部件細(xì)節(jié)特征（如導(dǎo)能筋）。在孔周圍也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致在超聲波焊接過(guò)程中，在高頻振動(dòng)下破裂。裂縫不僅僅產(chǎn)生在與焊頭接觸的表面，也可以從部件的其它表面或者內(nèi)部產(chǎn)生并傳播。同時(shí)，部件中的顯著孔隙率也導(dǎo)致泄露，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的氣密性。

因此，盡管SLS工藝能夠生產(chǎn)可超聲波焊接的零件，但為了實(shí)現(xiàn)一致焊接性能，要求零件設(shè)計(jì)人員和制造商要克服因特征分辨率、零件孔隙率和零件應(yīng)力相關(guān)問(wèn)題的限制。

立體光刻（SLA）/數(shù)字光蝕（DLP）/材料噴射
有多種技術(shù)可以利用光敏聚合物樹(shù)脂，例如立體光刻（SLA）和數(shù)字光蝕（DLP）。這些方法使用聚焦光將光敏聚合物樹(shù)脂逐層固化成固體零件。第三種方法是材料噴射，用噴墨式印刷頭打印薄層的光敏聚合物，并立即用UV光源固化聚合物。使用這些方法生產(chǎn)的零件具有高精度和光滑的表面，這是保證焊接性一致所需的兩個(gè)基本要素。

圖5.立體光刻（SLA）過(guò)程的描述。

不幸的是，基于光敏聚合物樹(shù)脂工藝缺少可焊性的第三個(gè)基本要素。光敏聚合物樹(shù)脂能使用紫外線（UV）能量固化，但它們不能使用超聲波焊接的摩擦生熱進(jìn)行熔化、成形或者粘接。

雖然基于光敏聚合物的3D打印工藝不能直接生產(chǎn)超聲波可焊接的零件，但它們?yōu)榱慵�設(shè)計(jì)師提供了另一種選擇——這些3D打印工藝已被用于制造注塑模具。而這些模具受益于SLA打印或材料噴射工藝的高分辨率和光滑表面，能夠準(zhǔn)確復(fù)制零件特征，并且可以使用與后續(xù)大批量生產(chǎn)相同的材料。因此，可以高精度地評(píng)估部件的焊接性能、強(qiáng)度和密封性。在減少交付周期和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本方面是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

由于這些模具由塑料而不是金屬制成，因此它們通常僅用于生產(chǎn)有限數(shù)量的部件。具有良好流動(dòng)特性和低熔融溫度（<300°C）的材料，例如ABS，PS，PE和PP，可使用由材料噴射工藝生產(chǎn)的模具多達(dá)100次；對(duì)于高性能塑料如含玻纖的尼龍或者PC，該類模具只能使用約5至15次。

SLA/DLP 3D打印部件的分辨率非常小，例如FormLabs Form 2 能夠?qū)崿F(xiàn)25μm層厚度。材料噴射技術(shù)，例如Stratasys的PolyJet技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低至16μm的層厚度。

超聲波焊接的零件設(shè)計(jì)考慮因素

如上所述，不同的3D打印技術(shù)能夠達(dá)到不同的分辨率。但是更高的分辨率并不意味著更好或更尖銳的焊縫設(shè)計(jì)。

圖6展示了使用注塑成型和三種不同3D打印技術(shù)成型的導(dǎo)能筋詳細(xì)視圖。擠出加工（FFF）的部件使用的是Stratasys Dimension Elite 3D打印機(jī)，材料是Stratasys深灰色ABS plus-P430，層厚度0.18mm。SLS工藝加工的部件使用3D Systems sPro 60 3D打印機(jī)，材料Duraform PA（由3D Systems開(kāi)發(fā)的尼龍粉末）。SLA工藝加工的部件使用Stratasys Objet 260 Connex 2打印機(jī)噴射加工，材料是一種不透明光敏聚合物Vero White。請(qǐng)注意，盡管材料噴射加工的組件具有更光滑的表面并且沿其長(zhǎng)度方向尺寸更加一致，但它使用的是光敏聚合物材料，因此不能進(jìn)行超聲波焊接。

圖6.使用注塑模具和三種3D打印技術(shù)成型的導(dǎo)能筋放大圖。

材料選擇
材料是影響可焊性的一個(gè)主要因素。許多專門用于3D打印的工程樹(shù)脂，不應(yīng)與可焊接塑料混淆。例如，ABS是最容易進(jìn)行超聲波焊接的聚合物之一。而由Stratasys開(kāi)發(fā)的ABS，模仿ABS樹(shù)脂的特性，但由于它是一種光敏聚合物，所以無(wú)法采用超聲波焊接。

3DP打印方向
目前使用的3D打印技術(shù)，當(dāng)從零件不同方向打印時(shí)，焊縫的幾何形狀可能會(huì)有很大差異。焊筋并不總沿著直線路徑布置，單個(gè)導(dǎo)能筋的朝向可以位于多個(gè)方向。在三種不同方向上打印焊接筋將產(chǎn)生不同的形狀誤差結(jié)果，并且影響部件的拉伸性能。

焊頭設(shè)計(jì)與治具支撐
通常在評(píng)估零件設(shè)計(jì)時(shí)，3D打印零件可大大減少評(píng)估時(shí)間和成本。為了評(píng)估焊縫設(shè)計(jì)，焊接筋上方的表面應(yīng)該抬高，從而保證所有與焊頭接觸的表面都是平面，如圖7所示。這樣可以使用通用的平面焊頭接觸3D打印部件進(jìn)行超聲波焊接，并將振動(dòng)傳遞到焊縫位置。此外，焊頭接觸面應(yīng)盡可能靠近焊接筋，以減少超聲波振動(dòng)在到達(dá)焊筋位置之前能量的衰減。

超聲波焊接還需要治具剛性支撐。為了避免因定制治具而產(chǎn)生時(shí)間和成本，組件應(yīng)在焊接筋下方具有平坦表面，以便它可以站立在堅(jiān)硬的平面上。

零件實(shí)心設(shè)計(jì)
十分重要的一點(diǎn)，在焊接筋與焊頭之間的所有零件側(cè)壁必須是以最大填充設(shè)置（100%實(shí)心）打印。一些3D打印部件設(shè)計(jì)有內(nèi)部空隙和薄壁幾何形狀，以減少打印所需的材料。然而，部件內(nèi)部的這種空隙，因阻礙超聲波能量的傳遞，會(huì)使超聲波焊接更加困難或不可能。

即使在實(shí)體打印中，在沿著層邊緣和層與層之間，也可能出現(xiàn)小孔和空隙。這些問(wèn)題影響超聲波焊接結(jié)果，導(dǎo)致焊接部件泄漏等問(wèn)題。3D打印設(shè)置應(yīng)盡可能選擇高密度模式。

圖7.焊接筋上方（紅色）和下方（藍(lán)色）的平面接觸區(qū)域。

3D打印技術(shù)為新產(chǎn)品評(píng)估提供了一種全新且令人興奮的快捷方式。然而，使用3D打印部件評(píng)估其超聲波可焊性目前是有局限性的，主要是受限于當(dāng)前的3D打印技術(shù)。超聲波焊接要求部件具有高分辨率，較高強(qiáng)度和堅(jiān)固性，并且是使用可焊接聚合物材料。

這里提到的3D打印技術(shù)：擠出，激光燒結(jié)（SLS）和立體光刻（SLA）/數(shù)字光蝕（DLP）/材料噴射，目前尚未證明通過(guò)這些技術(shù)直接打印的零件具有與注塑件相同的物理特性和可焊性。盡管通過(guò)改善，制造商可能生產(chǎn)出接近注塑件性能的3D打印零件，但是仍需注意使用3D打印零件對(duì)焊縫設(shè)計(jì)的評(píng)估結(jié)果可能是錯(cuò)誤的，可能無(wú)法反映最終的生產(chǎn)結(jié)果。

鑒于3D打印技術(shù)和材料的最新進(jìn)展，3D打印注塑模具可以為生產(chǎn)原型零件提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，其超聲焊接性能和質(zhì)量可以使用注塑零件更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)最終生產(chǎn)結(jié)果。