HIUC设计与换能器布局 [page::1][page::2]

• 采用圆柱形内腔，四面均匀布置28kHz换能器组（共24个单元，每组6个，每个100W）

- 换能器间距为声波长度的整数倍，利用波干涉实现中心区域声波聚焦，增强空化强度

空化强度表征及空间分布 [page::3][page::4][page::5][page::6]

• 利用水下传声器测量，验证HIUC较传统超声清洗器具备更强的次谐波信号，表明空化强度更高

- 空化强度随高度（z轴）呈现双峰分布，明显峰值在110mm和200mm，峰值处强度比其他高度高5倍以上

• 解释为换能器单元附近形成气泡簇产生屏蔽效应，抑制声波传播；高度200mm无气泡簇阻碍，发生波叠加增强中心空化

- X-Y方向声场轮廓图显示，200mm层面中心具有显著高强度空化，155mm层面空化分布趋于边缘，验证理论推断

测试验证与清洗性能分析 [page::6][page::7][page::8]

• HIUC显著提升增材制造钴铬合金样件的部分熔化粉末去除效率，2小时去粉量较传统器提升200%

- SEM图示显示传统清洗后仍残留部分熔化粉末，HIUC能有效去除牢固粘结粉末

• 质量损失率随时间下降，初期清除松散粉末，后期逐步清理高粘结强度粉末

- 无明显表面损伤或侵蚀坑，表明HIUC兼具高效与安全性

金属增材制造后处理中的高强度超声清洗（HIUC）研究报告分析

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一、元数据与概览

• 报告标题：Developing high intensity ultrasonic cleaning (HIUC) for post-processing additively manufactured metal components

- 作者：W.X. Tan, K.W. Tan, K.L. Tan

• 机构：

- 南洋理工大学材料科学与工程学院
- 新加坡高级再制造与技术中心

• 关键词：超声气蚀、聚焦超声波、气蚀特征、声学信号分析、超声清洗

- 主题：设计并开发一种高强度超声清洗方法，用于增材制造（AM）金属零件的后处理，特别是去除表面部分融化的粉末，实现更高效的清洁效果。

该报告阐述了开发一种高强度超声气蚀清洗机器（HIUC），其利用置于超声罐四侧的浸入式换能器产生聚焦的高幅压波，形成中央高强度气蚀区，从而有效去除AM工件表面难以清除的部分融化粉末，显著优于传统的超声清洗设备。通过声学信号分析，机械设计及实验验证，报告确认了HIUC在气蚀强度分布和清洗能力上的优势，提出了对后续AM零件清洁工艺升级的意义。[page::0,1]

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二、逐节深度解读

1. 引言

• 核心内容：

- 阐述了超声气蚀在工业中的重要应用及分类，以超声浴（bath）和超声探头（horn）为两种典型设备配置。
- 介绍了气蚀泡在超声清洗中的作用，强调传统超声浴清理松散颗粒，而声束探头能产生更强气蚀以清除附着力更强的污染物，但后者清洗范围受限于探头周围小区域。
- 指出在金属增材制造工件中，由于部分融化粉末附着（尤其是侧面和下表面区域），形成粗糙表面且易受污染，传统清洗技术难以有效去除。

• 论证依据：

- 引用多篇文献比较了超声探头和浴槽的气蚀强度差异，以及AM工件表面粗糙度与部分融化粉末的相关性。
- 解释了传统超声探头的气蚀区域局限性，因气泡云对超声波的衰减导致声能传播有限，同时强调扩展有效清洗区域的技术挑战。

• 重要数据点：

- 说明部分融化粉末主要分布在AM零件的侧面区域（$90^{\circ}-180^{\circ}$），热激光引起粉末部分熔融致附着，影响表面粗糙度。

• 总结：传统超声清洗难以满足AM工件高效去粉需求，需开发聚焦高强度气蚀技术实现更有效清洁。[page::0]

2. 相关文献和现有技术梳理（第1页续）

• 讨论化学和电化学处理方法的应用及其局限，如材料过度去除导致尺寸损失，特别是对于薄壁结构的影响。

- 介绍过去使用超声探头清洗AM侧面的方法及其效果（表面粗糙度 $R_a$ 改善约30%），但面积覆盖仍有限。

• 探讨多种超声设备设计，如多传感器围绕罐壁的圆柱形或球形共振器设计，通过结构聚焦实现音压增强及清洗效率提升的文献案例。

- 指出传感器布置对气蚀分布均匀性和强度的影响，通过合理布置改善清洗均匀度。

• 承接本研究设计动机：基于已有研究，采用设置在罐体四周的浸没式传感器组，形成几何聚焦增强气蚀强度，研究高强度超声清洗（HIUC）。

- 采用压力水听器测量气蚀分布，结合AM钴铬打印样件完成性能验证。[page::1]

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3. 方法部分

3.1 HIUC设备设计（图1、图2）

• 圆柱形超声罐，内径440mm，高420mm，容量约60L。

- 四组浸入式矩形传感器（28kHz），每组长170mm、宽75mm、高310mm，内含6个每个100W的压电换能器元件。

• 两台超声发生器共2.4kW输出，分别供能给四组传感器（每两组一台）。

- 罐内对向传感器间隔260mm，接近水中的声波波长(52mm)的整数倍，实现声波干涉构造性叠加，增强中心声压。

• 技术细节：

- 浸入式换能器直接向液体传能，避免传统固定传感器能量散失。
- 图1与图2清晰展示设备结构和传感器布置，便于理解聚焦机理。

3.2 声学测量与表征（图3、图4）

• 使用Brüel & Kjær型号8103压力水听器测量声压信号，频率响应0.1Hz—180kHz，高灵敏度（-211.2 dB re 1V/μPa）。

- 设计带夹具的水听器固定装置，实现高精度X-Y-Z三维空间定位，精度0.001mm，保证测量重复性。

• 采集10秒信号，频域分析FFT，重点关注基频(28kHz)及其亚谐波(14kHz)信号幅度作为气蚀强度指标。

- 同时使用铝箔侵蚀测试验证气蚀强度测量结果，采用图像处理软件定量侵蚀面积。

3.3 试验条件

• 工作液：自来水，预先5分钟脱气。

- 温度和功率参数多档测试（温度30-60℃，功率20%-100%），在罐中央(123,123,z)研究高度方向气蚀变化，间距10mm。

• 进行二维平面（X-Y）气蚀强度分布映射，在两个典型高度z=100mm和155mm，测点间距20mm。

3.4 AM样件及观测方法

• 钴铬合金AM样品，尺寸50×30×12mm，带格网结构。

- 样件无额外表面处理，利用扫描电子显微镜（SEM）观测打磨前后表面形貌。

• 精密天平测量样件质量，精度0.1mg[page::1,2,3]

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4. 结果与讨论

4.1 声学信号表征（图6）

• HIUC设备中心点测得声谱，主频峰在28kHz，明显亚谐波峰14kHz以及超谐波均有，表明强烈惯性气蚀存在。

- 与传统35kHz超声清洗机相比，即使HIUC功率密度仅高20%，其亚谐波峰明显且气蚀噪声信号地板高20dB，展示更佳气蚀强度与破坏能力。

• 亚谐波信号定义为惯性气蚀强度量度指标。

4.2 传感器数量对气蚀分布影响（图7）

• 单对传感器运行时，气蚀主要集中传感器邻近区域，中央区气蚀强度较弱。

- 四对传感器同时工作时，形成中央高强度气蚀区，气蚀分布更均匀，验证通过声波几何聚焦技术有效提升中心区域气蚀强度。

4.3 功率与温度对气蚀的影响（图8）

• 低温(30℃与40℃)时，功率低于40%时近乎无亚谐波信号，功率增加气蚀强度增强，100%功率时气蚀略有下降，可能因为高功率导致声波衰减。

- 高温(50℃与60℃)时，亚谐波于低功率（20%）即出现，因水蒸气压升高促进气泡形成。但高蒸气压力减缓气泡塌陷速度，导致气蚀强度不随功率增长。

• 体现“蒸气垫效应”对强气蚀的抑制作用。

4.4 气蚀强度空间分布与传输机制（图9、10、11）

• 高度方向（z轴）中心点测量显示，气蚀强度存在两个峰值（110mm和200mm），而140mm与230mm高度气蚀强度较低，且此二低强度点正好处于传感器元件所在的高度。

- 解释为在传感器处由于气泡云密集形成声波屏蔽效应，阻碍超声波传输，造成局部气蚀活性降低。

• 图10示意了气泡簇对声波衰减与散射作用，揭示高度依赖性气蚀强度分布的物理机理。

- XY平面二维映射显示：
- 在z=155mm时，基频信号强烈集中于传感器附近，但中心区基频与亚谐波信号低，由于气泡密集影响声波传播；
- z=200mm时，基频及亚谐波信号在中心区显著增强，表明声波有效传播与构造性干涉导致中心强气蚀区域形成。

• 铝箔侵蚀测试印证声学测量：在中心区200mm高度下铝箔侵蚀面积明显大于155mm，且与亚谐波信号强度呈正相关，验证气蚀指标的有效性。

4.5 AM工件清洗测试（图13、14、15）

• HIUC vs 传统超声清洗的对比显示，HIUC在2小时内去除粉末质量是传统清洗的两倍，表明更强的气蚀作用促使难清洁的部分融化粉末脱落。

- SEM图证实传统清洗后仍有大量部分融化粉末残留，而HIUC工艺能显著减少这些致使粗糙的粉末附着。

• HIUC清洗过程中，粉末断裂通常发生于熔结颈（bonding neck）部分，利用反复气蚀导致的剪切能量产生裂纹并剥落粉末，示意图清晰展示剥离过程。

- 粉末与基体间估计结合强度20-100MPa，通过HIUC提供充分气蚀能量促进去除，无伴随明显基体表面损伤或侵蚀。

• 清洗初期质量损失速率快，随后速度减缓趋近稳定，反映附着强粉末逐渐清除难度增加。

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三、图表深度解读

图1与图2：HIUC设备结构与传感器布置

• 说明整体设计理念，利用圆柱内罐和分布式换能器产生二维及高度方向上的声波干涉。

- 换能器尺寸，功率配置与间距设计均符合设计波长多倍数原则，确认波长干涉条件。

图3：压力水听器夹具设计

• 阶段测量支撑系统图，保障高精准定位与固定，减少实验误差。

图4：测量坐标示意图

• 明确测试空间3D定位参考，为后续映射数据理解提供基础。

图6：声谱对比

• HIUC声谱中28kHz主频峰明显，14kHz亚谐波高幅表明强惯性气蚀，传统清洗器无明显亚谐波，底噪更低，验证HIUC设备气蚀强度优势。

图7：气蚀强度等高线图

• 单对传感器与四对传感器开机状态显示气蚀位置明显差异，四传感器模式下中央气蚀区域显著，体现几何聚焦效果。

图8：温度功率对污染亚谐波频信号影响

• 反映了气蚀气泡动力对环境温度及输入能量的响应规律，揭示清洗功率和环境温控的重要性。

图9：高度方向亚谐波信号强度

• 反映了纵向气蚀强度分布的非均匀性，影响气泡群形态及传播的物理因素。

图10：声波及气泡群屏蔽示意图

• 支撑气蚀强度变异的物理模型，解释槽内气泡对声能传输的阻隔。

图11：X-Y二维声强分布图

• 分别显示两个高度层的基频和亚谐波强度，图形展现声波传播和气泡群分布的时空演变过程。

图12：铝箔侵蚀对比及分析

• 铝箔图形直观体现气蚀破坏强度差异，统计分析确认声学测量指标的有效性。

图13：质量损失与表面SEM形貌变化

• 定量与定性结合证据验证HIUC清洗效果优于传统，且能处理粘附强粉末。

图14：时间演化的表面形貌变化

• 长时间清洗诱导结构逐渐净化，捕捉关键断裂剥落过程。

图15：质量损失速率曲线

• 反映清洗动力随着累积处理时间递减的动力学趋势。

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四、估值分析

本报告为技术研发报告，未包含传统财务估值内容。重点在于设备性能评价及工艺效果验证，估值分析对应价值在于：

• 设备能效比（功率密度）：HIUC功率密度38 W/L高于传统31 W/L，实际气蚀表现优异。

- 清洗效率：质量损失率翻倍，表征设备性能的“清洗产出”。

• 气蚀强度测量模型：基频及亚谐波信号强度作为气蚀活性代理指标，结合铝箔侵蚀试验验证，具备较高可靠性和实用性。

- 声波几何聚焦理论：基于声波波长和罐体几何尺寸的干涉叠加，推导并设计设备结构。

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五、风险因素评估

报告内容中未直接提及风险因素，但可推断潜在风险包括：

• 气蚀强度过大可能导致AM零件表面损伤，然而实验中未见明显材料侵蚀，表明控制良好。

- 清洗过程的温度和功率参数需严格控制，以防气蚀效率下降或设备损毁。

• 气泡簇导致声能局部遮挡，造成清洗均匀性问题，需通过设备设计（传感器布局）缓解。

- 实验使用特定材料（钴铬合金），其他AM材料适用性有待验证。

• 长时间清洗功耗及设备维护成本可能影响工业应用推广。

- 数据分享限制（作者声明不允许共享数据），影响成果的透明化和复现性。

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六、批判性视角与细微差别

• 研究主要依赖亚谐波信号强度作为惯性气蚀强度指标，虽然结合铝箔测试验证效果，但实际气蚀机理复杂，单一指标判断存在局限。

- 气蚀体积内的气泡动态、复杂流场等尚未建模，仅实验定量，未来模拟优化空间大。

• 温度与功率的相互作用体现出非线性，局部最佳工作点选择需要进一步探讨。

- 实验仅聚焦于钴铬材料，缺乏对其他金属AM工件的适应性分析，可能限制推广应用。

• 长时间清洗后的效率递减趋势提示设备实际使用周期与维护需求。

- 声波传播的多路径与反射复杂，图示模型简化，缺乏计算流体力学等数值模拟支撑。

• 尽管设备清洗效率提升显著，但对生产线整体集成影响未提及，工业化实施细节缺失。

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七、结论性综合

本报告系统设计并验证了一种用于金属增材制造零件后处理的高强度超声气蚀清洗机（HIUC）。该设备结合了置于超声罐四侧的多组浸入式换能器，通过几何结构设计和声波波长调控实现聚焦声波，形成中央高强度气蚀区。实验结果表明，该装置产生的惯性气蚀强度远超传统超声清洗机，尤其是在罐体中间高度层构成明显的气蚀峰值区域，源自气泡簇对声波屏障效应与构造性干涉的复杂交互影响。

声学信号分析与铝箔侵蚀测试协同验证亚谐波信号作为惯性气蚀强度及侵蚀潜力的有效指标，指示HIUC具备更强的清洗能量传递。应于钴铬增材制造样件的清洗测试，揭示HIUC能清除附着强度高的部分融化粉末，且无明显表面侵蚀，显示出较传统设备两倍以上的粉末去除能力，且清洗过程中粉末断裂机制得到明确说明，有助于理解气蚀机制的材料作用。清洗效率随时间呈递减趋势，反映了难以去除粉末的增加，说明微观结合强度及清洗动力学特征。

本研究提供了超声清洗工艺升级的技术路径，拓展了金属增材制造件的后处理工艺和设备设计理念，对实际工业应用具有重要意义。未来工作建议结合仿真模拟优化声场设计，拓展多材料多结构验证，提升设备功效与适用性，同时需关注设备集成与经济效益评估。

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参考引证

所有结论和论断均基于文中分页标注，分别为[page::0,1,2,3,4,5,6,7,8]。

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总结

本报告立足于解决金属增材制造件后处理中的部分融化粉末难以清除问题，采用多点浸没式浸入换能器构建高强度超声气蚀环境，通过声学特征分析和侵蚀实验验证了新设备的优越性。试验清洗证实其能有效去除传统设备难以去除的粘附粉末，附加SEM形貌变化详细阐述了清洗过程，体现了HIUC强大的工业应用潜力。报告结构完整，论据充分，数据详实，同时指出气蚀空间分布的高度依赖性及声波传播动力学复杂性，为今后设备优化与工艺推广提供理论与实践基础。

报告