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打印技術在分辨率、強度和堅固性方面差異，是影響超聲波焊接成功與否的關鍵因素。隨著3D打印（3DP）變得普及，價格合理且實用，該技術已被許多行業采用，包括汽車，航空航天，消費品和醫療。因為該技術可以對塑料部件比傳統制造方法（例如注塑成型）更快速和經濟地進行評估和修改，所以許多制造商將3D打印技術積極用在產品開發中。

 這一趨勢促使越來越多的客戶對超聲波焊接提出了新的需求和挑戰。那么這種常用的塑料焊接技術是否適用與3D打印制造的部件？要回答這些問題，首先要了解3D打印技術和材料的現狀并評估幾個問題：
      超聲波焊接原理，以及它對部件尺寸和物理特性要求，3D打印工藝過程和部件特性，包括超聲波焊接所需的零件分辨率，強度和物理特性，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”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鍵特性：高分辨率，強度，堅固性和可焊性。但尚無法對采用3D打印的各種零件使用超聲波焊接。然而，鑒于3D打印材料和技術的快速發展，似乎可以解決和克服這些當前的限制。
超聲波焊接的基礎知識
       超聲波焊接是使用通常稱為“焊頭”的模具，將高頻振動（15-50Khz）傳遞到部件或者材料層。這些振動傳遞到兩個部件的界面并通過交變應力和摩擦產生熱量，將材料熔化并將兩個部分粘合在一起。該技術快速有效且清潔，無消耗品。超聲波工藝還可用于螺絲嵌入、鉚接和點焊組件等。超聲波焊接十分適合熱塑性材料的焊接。熱固性材料經歷不可逆的化學變化而不能重整，因此不能進行超聲波焊接。
      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構、密度、熔化溫度、粘度、剛度（彈性模量）、導熱率和化學組成。無定形和半結晶聚合物都可以焊接。然而，無定形材料通常更容易焊接，因為它們具有較寬的軟化溫度并且更容易將超聲波振動傳遞到焊接筋上。
       在超聲波焊接方面，主要有兩種類型的超聲波焊筋設計：導能筋和剪切焊縫設計，如下圖1。兩者都需要3D打印零件的高分辨率，因為超聲工藝所需的零件特征公差可能非常小。

圖1.導能筋（左）和剪切焊縫設計（右）的示例。

導能筋的焊縫設計
      導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凸起的三角結構。在焊接過程中，尖角因較大的交變應力和摩擦迅速產生熱量并熔化，軟化或流體塑料流過整個接合區域并與另一零件熔化表面混合。三角筋的結構顯著縮短了焊接時間。導能筋設計是無定形材料最常用的焊縫設計，但它們也可用于半結晶熱塑性塑料的焊接。
    導能筋的尺寸根據部件尺寸而變化，但通常在0.25mm到0.5mm高的范圍內。對于無定形材料的夾角為90°，對于半結晶材料的夾角為60°。該導能筋設計的尖角上的點是很重要的，注塑部件的尖角半徑優選為0.05mm或更小。紋理表面通常是設計在配合的部件上。在配合部件上模制紋理可以通過增強摩擦特性和加強熔體控制來改善整體焊接強度和質量。通常紋理僅為0.075mm至0.15mm。這對于某些3D打印技術來說可能是不可能實現的。
剪切焊縫設計
      半結晶樹脂通常采用剪切型的焊縫設計會具有更好的焊接強度。半結晶樹脂具有相對較窄的溫度范圍，從固態快速變為熔態并變回固態。采用切剪焊縫設計，可以讓熔融材料保留在焊接區域并防止與周圍空氣接觸，防止熔融塑料過早凝固。當采用導能筋的焊縫時，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，降低了焊接強度和氣密。

     剪切焊縫設計在兩個部件之間有小的過盈配合。焊接從一個很小的接觸區域開始，一旦熔化開始，便沿著部件的垂直壁繼續向下，以獲得較好的焊接強度和氣密密封。剪切量的大小：對于尺寸小于20mm的零件，剪切量0.2mm，建議公差為±0.025mm；對于較大的部件（38mm-76mm），剪切量約0.35mm，公差為±0.075mm。剪切焊縫設計需要剛性側壁支撐以防止焊接過程中的撓曲變形導致剪切量變小。

3D打印技術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、擠壓和機加工成型零件的物理特性是大不相同。
擠壓
     擠出是當今最常見，最受認可的3D打印技術。它通過熔化熱塑性長條狀塑料并使其通過管口擠出。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.熔絲制造過程的描述。

     用于擠出的細絲材料包括經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打印的細絲材料。材料等級由不同制造商定制，以達到特殊屬性。3D打印部件的物理強度在層疊的方向上也明顯變弱。結果這些層可能在超聲波焊接過程中分離破壞。由于層之間的間隙或著同一層印刷路徑之間的間隙，因此無法形成一致的氣密接頭。
     擠出式3D打印機可達到的最高分辨率（最小層厚度）約為0.127mm。然而，實際層厚度隨著3D打印機和材料而變化。可達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生產的零件精度為±0.089mm，或每英寸±0.038mm，以較大者為準。使用擠出打印技術可能無法滿足剪切焊縫設計所需的高公差要求。

     圖3（上方兩張）顯示了兩個導能筋焊縫設計樣件：一個由注塑模具生產，另一個采用擠出技術3D打印技術。采用一臺Stratasys Dimension Elite 3D打印機，材料是深灰色ABS plus-P430，單層厚度0.17mm。由于打印機擠出寬度的限制，3D打印部件的導能筋通過兩次路徑創建，最終形成矩形形狀（0.35mm高，0.56mm寬）。

     剪切焊縫設計不需要尖銳的特征。但是，保持精確的剪切量對于獲得可重復的焊接結果非常重要。圖3（下方兩張）還顯示了兩個剪切焊縫設計的樣品：一個由注塑模具生產，另一個使用與導能筋樣件相同的3D打印機和材料的樣件。

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，焊接強度、焊接能量、溢料和密封性能會大大不同。總之，受限于堆疊層與層之間的強度變化，導能筋形狀的變化，剪切量的尺寸變化，導致擠出型3D打印部件的超聲波焊接無法可重復性實現。如果在零件設計和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
       選擇性激光燒結（SLS）使用由鏡子導向的聚焦激光來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。粉末通過輥子從粉末供應裝置中推出，并在構建表面上以薄層形式鋪展開來。鏡子引導激光經過打印部件的2D軌跡，在焦點處升高溫度將粉末熔化。然后降低構建表面并在頂部沉積另一薄層粉末。重復該過程直到對象打印完成。

圖4.選擇性激光燒結（SLS）過程的描述。

    SLS工藝可以生產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工藝可實現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節。然而，對于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，精細的細節（例如導能筋的尖點）可能會被“平滑”或丟失。
      SLS工藝制造的部件有時帶有較高孔隙率，會引起可焊性問題。SLS部件中的孔會吸收超聲波能量，壓縮部件細節特征（如導能筋）。在孔周圍也容易產生應力集中，可能導致在超聲波焊接過程中，在高頻振動下破裂。裂縫不僅僅產生在與焊頭接觸的表面，也可以從部件的其它表面或者內部產生并傳播。同時，部件中的顯著孔隙率也導致泄露，難以實現穩定的氣密性。

    因此，盡管SLS工藝能夠生產可超聲波焊接的零件，但為了實現一致焊接性能，要求零件設計人員和制造商要克服因特征分辨率、零件孔隙率和零件應力相關問題的限制。

立體光刻（SLA）/數字光蝕（DLP）/材料噴射
       有多種技術可以利用光敏聚合物樹脂，例如立體光刻（SLA）和數字光蝕（DLP）。這些方法使用聚焦光將光敏聚合物樹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基本要素。

圖5.立體光刻（SLA）過程的描述。

     不幸的是，基于光敏聚合物樹脂工藝缺少可焊性的第三個基本要素。光敏聚合物樹脂能使用紫外線（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超聲波可焊接的零件，但它們為零件設計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，能夠準確復制零件特征，并且可以使用與后續大批量生產相同的材料。因此，可以高精度地評估部件的焊接性能、強度和密封性。在減少交付周期和產品開發成本方面是一個優勢。
    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有限數量的部件。具有良好流動特性和低熔融溫度（<300°C）的材料，例如ABS，PS，PE和PP，可使用由材料噴射工藝生產的模具多達100次；對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 能夠實現25μm層厚度。材料噴射技術，例如Stratasys的PolyJet技術，可以實現低至16μm的層厚度。
超聲波焊接的零件設計考慮因素
    如上所述，不同的3D打印技術能夠達到不同的分辨率。但是更高的分辨率并不意味著更好或更尖銳的焊縫設計。圖6展示了使用注塑成型和三種不同3D打印技術成型的導能筋詳細視圖。擠出加工（FFF）的部件使用的是Stratasys Dimension Elite 3D打印機，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，材料Duraform PA（由3D Systems開發的尼龍粉末）。SLA工藝加工的部件使用Stratasys Objet 260 Connex 2打印機噴射加工，材料是一種不透明光敏聚合物Vero White。請注意，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，因此不能進行超聲波焊接。

圖6.使用注塑模具和三種3D打印技術成型的導能筋放大圖。

材料選擇
      材料是影響可焊性的一個主要因素。許多專門用于3D打印的工程樹脂，不應與可焊接塑料混淆。例如，ABS是最容易進行超聲波焊接的聚合物之一。而由Stratasys開發的ABS，模仿ABS樹脂的特性，但由于它是一種光敏聚合物，所以無法采用超聲波焊接。
3DP打印方向
       目前使用的3D打印技術，當從零件不同方向打印時，焊縫的幾何形狀可能會有很大差異。焊筋并不總沿著直線路徑布置，單個導能筋的朝向可以位于多個方向。在三種不同方向上打印焊接筋將產生不同的形狀誤差結果，并且影響部件的拉伸性能。
焊頭設計與治具支撐
      通常在評估零件設計時，3D打印零件可大大減少評估時間和成本。為了評估焊縫設計，焊接筋上方的表面應該抬高，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打印部件進行超聲波焊接，并將振動傳遞到焊縫位置。此外，焊頭接觸面應盡可能靠近焊接筋，以減少超聲波振動在到達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生時間和成本，組件應在焊接筋下方具有平坦表面，以便它可以站立在堅硬的平面上。
零件實心設計
       十分重要的一點，在焊接筋與焊頭之間的所有零件側壁必須是以最大填充設置（100%實心）打印。一些3D打印部件設計有內部空隙和薄壁幾何形狀，以減少打印所需的材料。然而，部件內部的這種空隙，因阻礙超聲波能量的傳遞，會使超聲波焊接更加困難或不可能。
     即使在實體打印中，在沿著層邊緣和層與層之間，也可能出現小孔和空隙。這些問題影響超聲波焊接結果，導致焊接部件泄漏等問題。3D打印設置應盡可能選擇高密度模式。

圖7.焊接筋上方（紅色）和下方（藍色）的平面接觸區域。

     3D打印技術為新產品評估提供了一種全新且令人興奮的快捷方式。然而，使用3D打印部件評估其超聲波可焊性目前是有局限性的，主要是受限于當前的3D打印技術。超聲波焊接要求部件具有高分辨率，較高強度和堅固性，并且是使用可焊接聚合物材料。
     這里提到的3D打印技術：擠出，激光燒結（SLS）和立體光刻（SLA）/數字光蝕（DLP）/材料噴射，目前尚未證明通過這些技術直接打印的零件具有與注塑件相同的物理特性和可焊性。盡管通過改善，制造商可能生產出接近注塑件性能的3D打印零件，但是仍需注意使用3D打印零件對焊縫設計的評估結果可能是錯誤的，可能無法反映最終的生產結果。
      鑒于3D打印技術和材料的最新進展，3D打印注塑模具可以為生產原型零件提供經濟高效的解決方案，其超聲焊接性能和質量可以使用注塑零件更準確地預測最終生產結果。