超音波積層造形（UAM）：低温3D金属プリント技術を解説

超音波積層造形（UAM）、別名超音波接合（UC）は、積層造形（AM）または3D金属プリント技術の一種です。UAMは、積層オブジェクト製造（LOM）とともに、AMプロセスの「シートラミネーション」ファミリーに属します。

他のAM技術と比較して、UAMは比較的低温（使用材料の融点を大きく下回る）で動作し、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の簡単な歴史

UAMプロセスはDawn Whiteによって開発され、1999年にSolidica Inc.を設立して商用UAM装置を販売することで発明を商業化しました。

2007年、SolidicaはEdison Welding Instituteと協力してツールプロセスを再設計し、接合品質を向上させ、使用可能な金属の種類を拡大しました。この協力により、「超高出力超音波積層造形」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、新しい高出力UAMプロセスを商業化し、新しいラインのUAM装置を販売しています。

超音波積層造形の仕組み

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支援設計（CAD）モデルに基づいて部品を作成します。モデルが作成されると、ファイルは2次元断面に「スライス」され、それらを使用して部品を層ごとに構築します（詳細は後述）。

しかし、3Dモデリングの側面を超えると、UAMは他のAM技術と大きく異なります。ほとんどのAM技術（SLSなど）が粉末材料から部品を製造するのに対し、UAMは金属箔のシートを使用します。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、ソノトローデと呼ばれるツールを使用して超音波振動を発生させ、圧力と組み合わせることで、2層の金属を結合させます。

(出典：The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

製造プロセスは以下のようになります：

• 固体金属ベースプレートをビルドプラットフォームに固定
• ベースプレートの上に金属箔を置き、ビルドプラットフォーム全体をソノトローデの下に引き、箔をベースプレートに結合。この時点で部品は形状を持っていない
• このプロセスを繰り返し、結合層が所定の深さに達するまで続ける
• 従来の減法CNC加工で使用されるものと類似のCNCマシンが、余分な箔を除去して部品を形状にトリミング
• このサイクルを繰り返し、部品が指定の高さに達するまで続ける
• より小さな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
• 部品が完成するまでUAMサイクル全体を繰り返す
• 部品をビルドプラットフォームから取り外し、ベースプレートを分離

ご覧の通り、UAMは実際にはハイブリッドな積層および減法製造プロセスであり、AM技術の積層アプローチと減法CNCフライス加工を組み合わせています。

超音波製造マシン

UAMプロセスは、Fabrisonic, LLCによって開発された超音波3Dプリントマシンのラインを使用します。これらのマシンは、異なる金属間でも非常に強力な結合を作成できます。プロセスに高熱が関与しないため、結合プロセスが層の分子構造に変化を引き起こさず、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マシンのもう一つの利点は、他の技術では使用できない金属（銅とアルミニウムなど）を結合できることです。

もちろん、マシンは確かに印象的ですが、家庭用には適していません。R&D向けの小型マシンでも20万ドル近くするため、Fabrisonic UAMマシンは産業および研究目的のみです。

超音波製造のためのモデル前処理

UAMを使用して部品を製造する前に、まず前処理フェーズを経る必要があります。このフェーズでは、製造される部品の3D CADモデルが専門的な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のデータ準備と類似のプロセスをたどります。UAMは薄壁と鋭いエッジに関してSLSと同じ制限を持たないものの、依然として一定程度の前処理が必要です：

• 複雑なジオメトリを組み込んだ部品は、ジオメトリ簡略化ツールを使用して簡略化すべき
• 設計者はシミュレーションモデリングツールと技術を使用して、部品がUAMプリントに適しており、実用に耐えるかどうかを確認すべき

部品が処理されると、「スライシング」ソフトウェアを使用して3Dモデルを2次元層（断面として知られる）に変換します。無料アプリケーションでもこのデータ準備プロセスを完了できますが、プロの設計者は認知された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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超音波積層造形の利点と制限

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

1. 「不可能」な内部流路を持つ金属部品を製造可能

多くの部品は、冷却目的などで内部流路を必要とします。しかし、FDMやSLSなどの他のAMプロセス、そしてもちろん従来の減法製造技術では、複雑な適合3D流路を持つ部品の製造はほぼ不可能です。「超高出力UAM」を使用すると、最新のFabrisonicマシンでアルミニウムと銅から部品を作成でき、熱を放出しながら重量も削減できます。

2. 複数の金属を結合可能

UAMは高熱を伴わないため、使用する金属の微細構造を変化させません。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い構造を生成することなく、異種金属を結合できます。幅広い材料組み合わせが可能です。

3. センサーと回路を埋め込み可能

最も驚くべきことに、UAM部品には内部センサーと回路をプリントして組み込むことができます。これはAMにおいてユニークな能力です。従来の製造では、関与する応力と温度がこれらの感度の高いコンポーネントを損傷させるため、これは不可能です。UAMでは、センサーを金属構造のあらゆる場所に埋め込めるため、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）で多くの貴重なアプリケーションがあります。

最後に、UAMはSLSのような技術よりも中空化が少なくて済むため、材料の無駄も少なくなります。

しかし、これらすべてには代償が伴います。文字通りの意味で。前述の通り、Fabrisonicが販売する最小のマシンでもほぼ20万ドルかかります。同社はより大型マシンの価格を公表していませんが、組織はそれらに大幅に高い金額を支払うことを期待できます。

UAMが必要になるのはいつか？

幅広いさまざまな金属を結合できる能力を考慮すると、UAMは航空宇宙と自動車産業に明確な用途があります。複雑な冷却流路を持つ部品を製造する能力は、これらの業界や、産業製造、医療機器、ハイテク機器などで非常に価値があります。

さらに、内蔵センサーと回路を持つ部品を製造するUAMの機能は、幅広い業界でスマート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です。多くの伝統的な業界が、業務を自律的に管理するために幅広いセンサーと追跡デバイスを使用しており、UAMはこれらのデバイスの部品製造によく使用されます。

もちろん、UAMがいかに価値があっても、メーカーが正確で最適化された3Dモデルを生成する能力に大きく依存します。そして、多くのUAM部品の複雑さを考慮すると、これらのモデルを生成するには強力なソフトウェアが必要です。

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