超音波積層造形の説明

超音波コンソリデーション (UC) とも呼ばれる超音波付加製造 (UAM) は、付加製造 (AM) または 3D 金属印刷技術です。 UAM は、積層造形物製造 (LOM) とともに、AM プロセスの「シート積層」ファミリーに属しています。

他の AM 技術と比較して、UAM は比較的低い温度 (使用される材料の融解温度よりもかなり低い温度) を使用し、プラスチックやナイロンではなく金属部品の製造に使用されます。

UAM の歴史

UAM プロセスは Dawn White によって開発されました。Dawn White は 1999 年に Solidica Inc. を設立して商用 UAM 機器を販売することにより、発明を商品化しました。

2007 年、Solidica は Edison Welding Institute と協力して、金型プロセスを再設計し、接合品質を向上させ、使用できる金属の数を増やしました。このコラボレーションにより、「超高出力超音波付加製造」として知られる新しい UAM プロセスが生まれました。

このパートナーシップにより、2011 年に新会社 Fabrisonic LLC が設立され、新しい強力な UAM プロセスを商品化し、UAM 機器の新しいラインを販売しました。

超音波付加製造の説明

ほとんどの AM プロセスと同様に、UAM マシンはコンピューター支援設計 (CAD) モデルに基づいてパーツを作成します。モデルが作成されると、ファイルはレイヤーごとにパーツを構築するために使用される 2 次元の断面に「スライス」されます。詳細は後で説明します。

ただし、3D モデリングの側面を超えて、UAM は他の AM 技術とは大きく異なります。 SLS などのほとんどの AM 技術では粉末材料から部品が製造されますが、UAM では金属箔のシートが使用されます。また、他の AM 技術とは異なり、UAM は熱を使用しません。代わりに、ソノトロードと呼ばれるツールを使用して超音波振動を発生させ、圧力と組み合わせて、2 つの金属層を結合させます。

(出典:統合印刷電子導体に対する超音波積層造形の効果、Electronic Material Letters 14、413-425、2018)

製造プロセスは次のようになります:

• 頑丈な金属ベース プレートがビルド プラットフォームに固定されています。
• ベース プレートの上に金属ホイルを置き、ビルド プラットフォーム全体をソノトロードの下に引き込み、ホイルをベース プレートに接着します。この時点では、パーツはまったく成形されていません。
• このプロセスは、接着層が所定の深さに達するまで繰り返されます。
• CNC マシン (従来のサブトラクティブ CNC 機械加工で使用されるものと同様) は、余分なフォイルを除去することでパーツを形作ります。
• パーツが指定された高さに達するまで、このサイクルが繰り返されます。
• 小型のフライス工具で部品をさらに成形し、完成部品に必要な内部フライス加工を完了します。
• パーツが完成するまで、完全な UAM サイクルが繰り返されます。
• パーツがビルド プラットフォームから取り外され、ベース プレートが取り外されます。

ご覧のように、UAM は実際には積層型と減型のハイブリッド製造プロセスであり、AM 技術の層状アプローチと減型 CNC フライス加工を組み合わせています。

超音波製造機

UAM プロセスでは、Fabrisonic, LLC が開発した一連の超音波 3D 印刷機を使用します。機械は、異なる金属間でも非常に強力な結合を作成できます。また、このプロセスは高熱を必要としないため、接合プロセスによって層の分子構造が変化することはなく、他の金属 AM プロセスに固有の脆い特性を回避できます。

Fabrisonic マシンのもう 1 つの利点は、銅やアルミニウムなど、他の技術では使用できない金属を接合できることです。

もちろん、マシンは間違いなく印象的ですが、家庭での使用には適していません.小規模な R&D 中心のマシンでさえ 200,000 ドルをわずかに下回り、Fabrisonic UAM マシンは産業および研究目的にのみ使用されます。

超音波製造の前処理モデル

UAM を使用して部品を製造する前に、まず前処理段階を経る必要があります。この段階では、製造中の部品の 3D CAD モデルが専用のモデリング ソフトウェアを使用して分析されます。

UAM のデータ準備は、SLS のデータ準備と同様のプロセスに従います。 UAM には、薄い壁や鋭いエッジに関して SLS と同じ制限はありませんが、ある程度の前処理が必要です:

• 複雑な形状を組み込んだパーツは、形状単純化ツールを使用して単純化する必要があります。
• 設計者は、シミュレーション モデリング ツールとテクニックを使用して、部品が UAM 印刷に適しており、実際の使用に耐えられるようにする必要があります。

部品が処理されると、「スライス」ソフトウェアを使用して、3D モデルを断面として知られる 2 次元のレイヤーに変換します。無料のアプリケーションでこのデータ準備プロセスを完了することができますが、プロのデザイナーは、認識されているソフトウェア パッケージを使用する方が適しています。

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超音波付加製造の利点と制限

UAM には、他のほとんどの AM プロセスでは提供できない 3 つの重要な利点があります。

1. 「不可能な」内部チャネルを持つ金属部品を製造できます。

多くの部品は、多くの場合冷却目的で内部チャネルを必要とします。しかし、FDM や SLS などの他の AM プロセスでは、また従来のサブトラクティブ製造技術では、複雑なコンフォーマル 3D フロー パスを持つ部品を製造することはほとんど不可能です。 「非常に高出力の UAM」を使用することで、最新の Fabrisonic マシンはアルミニウムと銅から部品を作成できるため、重量を減らしながら熱を放出するのに役立ちます。

2. 複数の金属を結合できます。

UAM は高熱を必要としないため、使用される金属の微細構造は変化しません。その結果、UAM は、他の金属 AM プロセス技術に固有のミスマッチや脆弱な構造を作成することなく、異種金属を結合できます。幅広い素材の組み合わせが可能です。

3. センサーや回路を組み込むことができます。

最も驚くべきことに、UAM 部品は内部センサーと回路を印刷することさえできます。これは AM のユニークな機能です。これは従来の製造では不可能でした。関連する歪みと温度がこれらの敏感なコンポーネントに損傷を与えるからです。 UAM を使用すると、センサーを金属構造のどこにでも埋め込むことができ、ヘルスケア、プロセス制御、さらにはモノのインターネット (IoT) で多くの価値のあるアプリケーションを提供できます。

最後に、UAM は SLS などの技術よりも中空にする必要がないため、材料の無駄も少なくなります。

ただし、これらすべてには文字通り代償が伴います。前述したように、Fabrisonic が販売する最小のマシンの価格は約 20 万ドルです。同社は大型のマシンの価格を記載していませんが、組織はそれらのマシンに対してかなり高い金額を支払うことを期待できます.

いつ UAM を使用する必要がありますか?

多種多様な異なる金属を結合する能力があるため、UAM は航空宇宙および自動車産業で明確な用途があります。複雑な冷却チャネルを備えた部品を製造する能力は、これらの業界や、工業製造、医療機器、ハイテク機器などの他の業界で非常に価値があります.

さらに、センサーと回路が組み込まれた部品を製造する UAM の施設は、幅広い業界でスマートな IoT スタイルのデバイスを製造するために非常に望ましいものになっています。現在、多くの従来型産業では、さまざまなセンサーと追跡デバイスを使用して運用を自律的に管理しており、UAM はこれらのデバイスの部品を製造するためによく使用されています。

もちろん、UAM と同じくらい価値がありますが、正確で最適化された 3D モデルを作成するメーカーの能力に大きく依存しています。また、多くの UAM パーツは複雑であるため、これらのモデルを作成するには強力なソフトウェアが必要です。

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