Fabrisonic 的超声波焊接为 NASA 和商业行业打印零件

NASA长期以来一直支持美国企业家，帮助他们将创新从想法转变为商业产品。数百家小型企业利用该机构的小型企业创新研究(SBIR) 计划来开发适用于 NASA 航天器的技术，但也可以通过支持广泛的行业来造福地球上的生命。最近，NASA Spinoff透露了 SBIR 与金属 3D 打印初创公司Fabrisonic多年来的合作如何帮助其专有的超声波增材制造成熟(UAM) 商业应用和太空任务的过程。这种用于改进航天器部件的固态混合添加剂技术已在航空和石油钻井等行业取得商业成功。

在多次获得 SBIR 一期和二期奖项后，Fabrisonic 不仅帮助制造航天器部件，还开发了用于空间站的小型 UAM 打印机原型。如今，这种小型化技术正作为SonicLayer 1200打印机进行商业化，该打印机已产生 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。商业上的成功使这家总部位于俄亥俄州的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。

Fabrisonic 的新型 SonicLayer 1200 打印机。图片由 Fabrisonic 提供。

这一切都始于 2014 年，当时 Fabrisonic 作为Sheridan Solutions的分包商，开始与来自 NASA喷气推进实验室(JPL) 的技术专家 Scott Roberts 合作，开发一种利用 UAM 的新型换热器设计。这种混合金属 3D 打印技术使用高频超声波振动将金属箔擦洗在一起，将金属逐层构建成经过选择性加工的净形状。通过一些额外的创新，罗伯茨认为它可以提高热交换器的可靠性，热交换器是任何航天器的关键部件。

太空是可以想象的最极端的环境之一。除了在太空中操作结构的困难之外，温度也是一个棘手的问题，极端情况可能会有数百度的变化。JPL 解释说，热交换器通过去除多余的热量或吸入更多热量来帮助保持航天器内部的稳定温度。美国宇航局的研究中心经常建造热交换器，就像火星好奇号火星车上使用的那样，通过管道循环制冷剂。这有助于保护电子设备免受危险的寒冷情况的影响，例如当火星上的夜间温度降至 -140°F 时，并在白天排除放射性同位素电源产生的多余热量。

为 NASA 喷气推进实验室制造的铝制热交换器 Fabrisonic。图片由 Fabrisonic 提供。

从小型（3 英寸 x 3 英寸）到大型（3 英尺 x 3 英尺）结构，传统上，这些设备包括连接到带有支架和环氧树脂的金属板上的“长蛇形管道”。虽然有效，但它们由数十个相互连接的小部件和接头组成，这些部件和接头可能会在长期任务或地球上的极端条件下发生故障。但是，Fabrisonic 建议将整个设备作为一个整体进行开发。

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。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。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。JPL 指出，需要的热量相对较少，因为金属的粘合温度明显低于其熔化温度。

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。

立方体卫星由 NASA 工程师组装。图片由美国宇航局提供。

罗伯茨相信他的解决方案将解决“NASA 和工业界的一类问题”。他是对的。在多次 SBIR 之后，Fabrisonic 的先进技术被用于打印换热器设备，在 2018 年通过了 NASA 的严格质量控制测试，超越了振动、热、气密性和爆破要求。UAM 的使用实现了更高的性能，同时减轻了重量，缩短了交货时间，在星际任务中具有巨大的使用潜力。

通过多年的努力，Fabrisonic 已经完善了其流程。美国宇航局位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心提供了额外的 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。Fabrisonic 总裁 Mark Norfolk 解释说，UAM 不会导致不同的金属液化和混合。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来说也具有优势，他们现在依赖各种 Fabrisonic 部件进行钻孔。

来自 Langley 的其他SBIR 资金帮助 Fabrisonic（再次作为 Sheridan 分包商）测试通过超声波焊接安装在铝制部件内部的传感器的有效性。由于传感器受到保护，因此它们可以在恶劣的环境中工作。在田纳西州，进行能源和核研究的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。

Fabrisonic 的 UAM 可以帮助改进航天器制造。图片由美国宇航局提供。

尽管 UAM 已成功用于私人和公共事业，但与大型 Fabrisonic 系统相关的成本一直是几家公司和大学进入的障碍。为了解决这个问题，Fabrisonic 获得了另一组 SBIR 一期和二期奖项，并与 NASA马歇尔太空飞行中心的工程师合作开发了小型 UAM 打印机，后来成为商业化的 SonicLayer 1200。