新型的超声波焊接技术，能在部分3DP进行焊接

3D打印的零件可以超声焊接吗？在某些情况下，是的。材料分辨率，强度和硬度以及3D打印技术的差异是影响超声波焊接成功的关键因素。

#灵科超声波使用说明#

随着3D打印（3DP）的普及以及合理实用的价格，该技术已被许多行业所采用，例如汽车，航空航天，消费品和医疗保健。由于该技术可以比传统的注塑成型和其他制造方法更快，更经济地评估和修改塑料零件，因此许多制造商在产品开发中积极使用3D打印技术。


这种趋势促使越来越多的客户提出了超声波焊接的新要求和新挑战。那么，这种常用的塑料焊接技术是否适合3D打印和制造零件？要回答这些问题，您首先需要了解3D打印技术和材料的当前状态，并评估以下问题：

超声波焊接的原理及其对部件尺寸和物理特性的要求。

三维打印过程和组件特征，包括超声焊接所需零件的分辨率，强度和物理特性。

用于制作3D打印零件的材料的可焊性。


3D打印的零件可以超声焊接吗？通常答案是“有时”。所有3D打印零件都需要具有超声焊接所需的一些关键特性：高分辨率，高强度，高硬度和可焊接性。但是，目前无法在3D打印的零件上使用超声波焊接。但是，鉴于3D打印材料和技术的飞速发展，这些限制似乎可以解决并克服。


在超声焊接方面，增强超声焊接设计主要有两种类型：能量导杆设计和剪切焊接设计，如下图1所示。两种设计都需要高分辨率的3D打印零件，因为超声波加工所需的特征公差可能很小。

图1.导热肋的示例（左）和剪切焊接设计（右）。

导电肋的焊接设计

导电纤维束集中能量以快速软化和熔化塑料。它通常在关节表面具有突出的三角形结构。在焊接过程中，由于较大的交变应力和摩擦力，锐角迅速产生热量并熔化，使整个接头区域软化或流动，并与熔融表面的另一部分混合。三角形肋结构大大缩短了焊接时间。能量传导肋的设计是非晶材料最常用的焊接设计，但也可以用于焊接半结晶热塑性塑料。


能量导体的尺寸根据元件的尺寸而变化，但是通常在0.25mm至0.5mm的高度范围内。非晶材料的角度为90°，半结晶材料的角度为60°。能量引导杆设计的尖端角非常重要，并且注射成型部件的尖端角半径优选为0.05mm或更小。

通常在匹配的零件上设计带纹理的表面。在匹配零件上形成织构可以通过增强摩擦特性和熔体控制来提高焊缝的整体强度和质量。通常，纹理只有0.075mm至0.15mm。对于某些3D打印技术，这可能是不可能的。


剪焊设计

半结晶树脂通常采用剪切焊接设计，具有良好的焊接强度。半结晶树脂的温度范围相对狭窄，从固态到熔融态，再到固态。剪切焊接设计用于将熔体保持在焊接区域中，防止与周围空气接触，并防止熔体过早固化。使用能量导板进行焊接时，从加热中流出的熔融塑料将在与相邻塑料表面上的熔融塑料混合之前重新凝固，从而降低了焊接强度和气密性。

剪力焊的设计使两个零件之间的过盈配合小。焊接从很小的接触区域开始，并且一旦开始熔化，便沿组件的垂直壁继续向下，以获得更好的焊接强度和密封性。

剪切尺寸：对于小于20mm的零件，剪切尺寸为0.2mm，建议的公差为±0.025mm；对于较大的零件（38毫米至76毫米），剪切力约为0.35毫米，公差为±0.075毫米。剪切焊接设计需要刚性的侧壁支撑，以防止焊接过程中因弯曲变形而造成的剪切损失。


3D打印技术如何影响超声焊接零件的制造？尽管3D打印的组件可以提供准确的零件几何形状，但是这些零件的物理特性与注塑，挤压和加工零件的物理特性有很大不同。

挤出是当今最普遍和公认的3D打印技术。它熔化热塑性胶带，并通过喷嘴挤出。挤出的材料以薄层形式沉积，以形成二维切片以进行最终组装。这些层被连续印刷和堆叠，熔融塑料硬化并粘附到下面的层上，从而形成三维物体。

图2.保险丝制造工艺说明。


用于挤出的细丝材料包括常用的超声焊接材料，例如ABS，臀部，尼龙，PC，PC-ABS，宠物，PLA等。其中，ABS和PLA是最常用的3D打印细丝材料。材料等级是由不同的制造商定制的，以实现特殊的性能。3D打印单元的物理强度在层压方向上也明显减弱。结果，在超声焊接期间这些层可能被分离和破坏。由于层之间的间隙或同一层的印刷路径之间的间隙，不可能形成均匀的气密连接。

挤出3D打印机可以达到的最高分辨率（最小层厚）约为0.127mm。但是，实际层厚度随三维打印机和材质而变化。可以达到的尺寸公差也取决于打印部件的尺寸、形状和方向。例如，STRATASYSfortus900mc生产的零件精度为±0.089mm，或每英寸±0.038mm，以较大者为准。挤压印刷的使用可能无法满足剪焊设计所需的高公差要求。

图3（上面两个）显示了两个导电珠设计示例：一个通过注塑模具生产，另一个使用3D打印技术挤压。使用StratasysDimensionElite3D打印机，材料为深灰色ABSplus-P430，单层厚度为0.17mm。由于打印机的挤压宽度的限制，3D打印部件的导电肋通过两条路径形成，并最终形成矩形形状（高0.35mm，宽0.56mm）。

剪焊设计不需要尖锐的特征。但是，保持精确的剪切量对于获得可重复的焊接结果非常重要。图3（下方两张）还显示了两个剪焊设计的样品：一个由注塑模具生产，另一个使用与导能筋样件相同的3D打印机和材料的样件。


图3.进样样品（左）和挤出印刷样品（右）。

尽管可以对此类挤出的3D打印部件进行超声波焊接。但是，与相同材料的注塑件相比，焊接强度，焊接能量，飞边和密封性能将有很大差异。简而言之，由于堆叠层之间的强度变化，能量传导肋的形状以及剪切尺寸的变化，因此无法再现地实现挤出的3D打印部件的超声波焊接。如果在零件设计和3D打印制造中克服了这些限制，则可以使用超声波焊接零件。