【分析】超音波積層造形技術

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-7-31 15:56 に最後に編集されました。

近年、海外では新たな超音波積層造形技術が開発され、高出力超音波エネルギー、金属箔を原料とし、金属層間の振動と摩擦により発生する熱を利用して、界面間の金属原子の相互拡散を促進し、界面に固体の物理的冶金結合を形成し、層ごとに積み重ねられた金属ストリップの積層造形を実現する。同時に、固化積層プロセスとCNCフライス加工などの減算プロセスを組み合わせて、超音波成形と製造を統合した超音波積層造形技術を実現している。高エネルギービーム金属ラピッドプロトタイピング技術と比較して、超音波積層造形技術は、低温、変形なし、高速、環境に優しいなどの利点があり、複雑な積層部品の成形と統合インテリジェント製造に適しており、航空宇宙、設備、エネルギー、輸送などの最先端分野で重要な応用展望を持っています。

1. 超音波積層造形技術の開発
1. 超音波金属溶接の開発

超音波金属溶接技術は 1830 年代に偶然発見されました。電流スポット溶接電極と超音波振動の試験を行ったところ、電流なしでも溶接が可能であることが判明し、超音波金属冷間溶接技術が開発されました。超音波金属溶接技術は超音波プラスチック溶接よりも早く発見されましたが、超音波プラスチック溶接は現在でも最も広く使用されている技術です。これは、超音波プラスチック溶接の溶接ヘッドの品質とトランスデューサー電力に対する要件が金属溶接の要件よりもはるかに低いためです。そのため、超音波トランスデューサーの電力制限により、超音波溶接技術は長年金属溶接の分野で十分に応用および開発されておらず、主に金属スポット溶接、ロール溶接、ワイヤーハーネス、パイプシーリングの4つの側面に限定されています。

超音波積層造形装置の鍵となるのは高出力超音波トランスデューサです。米国ではプッシュプル技術を採用し、2つのトランスデューサを直列に接続することで9kWの高出力超音波トランスデューサの製造に成功しました。プッシュプル超音波トランスデューサの原理を図1に示します。高出力超音波トランスデューサーの登場により、超音波溶接技術は一定の厚さの金属箔の大面積の急速な固化と成形を実現できるようになり、超音波積層造形技術の発展のための技術的基礎が築かれました。

2. 超音波固化成形機構 超音波固化成形技術は、高出力の超音波エネルギー、原料としての金属箔、金属層間の振動と摩擦によって発生する熱を利用して、界面間の金属原子の相互拡散を促進し、強固な冶金結合を形成し、層ごとの積層製造を実現します。図2は超音波圧密原理の概略図である。超音波加圧ヘッドの駆動により、上部の金属箔が下部の箔に対して高周波で振動すると、箔間の隆起部分の温度が摩擦熱により上昇し、静圧の作用により塑性変形が発生する。同時に、超音波エネルギー場内の金属原子が拡散して界面結合を形成し、金属の層ごとの付加的な圧密成形と製造を実現する。付加的なラピッドプロトタイピングと CNC ミリングなどのプロセスを組み合わせることで、超音波固化成形と製造を統合した 3D プリント技術が形成されます。

3. 超音波積層造形技術の利点 高エネルギービーム金属部品ラピッドプロトタイピング技術と比較して、超音波固化成形および製造技術には次の利点があります。
（１）原材料は、積層造形用の特殊な金属粉末ではなく、アルミ帯、銅帯、チタン帯、鋼帯など、一定の厚さの市販の金属帯であるため、原材料は広く入手可能で安価である。

（２）超音波圧密法は、低温（通常金属の融点の25％～50％）での固相接合法である。そのため、材料の残留内部応力が低く、構造安定性が良好である。成形後に応力緩和焼鈍処理は不要である。

（3）省エネ。消費エネルギーは従来の成形工程の約5％に過ぎず、溶接スラグ、汚水、有害ガスなどの廃棄物汚染も発生せず、省エネかつ環境に優しい高速成形製造方法である。

（4）この技術は、CNCシステムと組み合わせることで、3次元の複雑な形状の部品の積層製造とCNC加工の統合を容易に実現できます。従来の加工技術では製造できない深い溝、空洞、格子、内部ハニカム構造、複雑な形状の金属部品を製造できます。また、部品のさまざまな部分の作業条件や特殊な性能要件に応じて、勾配機能を実現することもできます。

（５）超音波圧密は、物理的冶金界面の結合率をほぼ１００％にすることができるだけでなく、界面の局所領域で粒子の再結晶化とナノクラスターの局所的成長を可能にし、それによって材料の構造特性を改善することができる。さらに、箔表面の酸化膜は、事前に材料の表面前処理を必要とせず、固化プロセス中に超音波によって破壊することができます。

（6）この技術は、金属系複合材料や構造、金属フォーム、金属ハニカムサンドイッチ構造パネルの迅速な敷設、成形、製造に使用できるだけでなく、この技術の製造プロセスは低温固体物理冶金反応であるため、機能部品を埋め込み、インテリジェントな構造や部品を作成することもできます。

（７）超音波固化成形装置は、大型板状の複雑な構造部品に使用されるほか、積層包装材料、積層複合電極、薄肉材料積層体の製造にも使用される。これらの材料と後処理プロセスは、精密電子部品の包装構造や複雑な積層薄肉構造部品の製造に使用できる。

2. 超音波積層造形装置 米国は高出力超音波トランスデューサーの開発を基に、超音波エネルギーを固化・成形に利用する世界初の非高エネルギービーム成形積層造形装置を開発しました。このシステムにより、1回の通過で圧密される金属箔の幅は25mmに達し、超音波圧密を点対点から面対面へと拡大することを実現しました。超音波積層造形装置は、10年以上の開発を経て、現在では第3世代の製品へと進化しました。
表1は、米国における第1世代、第2世代、第3世代の超音波積層製造装置の技術指標を比較したものです。全体的な技術レベルから判断すると、第 1 世代の製品はプロトタイプとしか言えず、多くの機能が完璧ではありません。第2世代の装置は、第1世代をベースに、3軸CNC加工システム、自動給餌システムを追加し、作業スペースを拡大しました。第3世代の装置は、作業スペースと溶接ヘッドの最大垂直荷重をさらに拡大し、大型部品を迅速に製造できるようになりました。第3世代の超音波積層製造装置を図3に示します。米国の第3世代超音波積層造形装置の作業空間サイズは（1800×1800×900）mm3に達し、加工対象材料も従来の低強度アルミ合金からCu、316ステンレス鋼、Ni、Ti-6-4合金へと拡大した。
米国で開発された高速製造機能を備えた超音波積層造形装置と技術は、国際的に最高レベルの超音波積層造形製造技術を代表しており、金属積層複合材、繊維強化金属積層複合材、積層インテリジェント構造などの高速製造に使用できます。また、深溝、空洞、グリッド、内部ハニカム構造などの複雑な金属部品の高速成形と製造にも使用できます。超音波圧密材料、技術、設備の特殊な用途と軍事分野における応用背景により、米国は中国に対して厳しい技術封鎖を課し、関連企業による中国への超音波圧密設備と技術の輸出を禁止している。

3. 超音波積層造形技術の応用 超音波積層造形技術の独自の低温製造の利点により、機能部品を埋め込む必要がある複合材料や構造物を製造するときに、機能部品が損傷したり故障したりしないことを保証できます。そのため、機能部品を機能/インテリジェント材料や構造物に埋め込むのに特に適しています。同時に、独自の積層製造方法と積層造形における付加製造/減算製造方法により、超音波積層造形技術を均質および異質金属積層複合材、繊維強化複合材、傾斜機能複合材および構造、スマート材料および構造にうまく適用できるようになりました。さらに、超音波積層造形技術は、電子パッケージ構造、航空部品、金属ハニカムパネル構造、熱交換器などの複雑な内部空洞構造部品の製造にも使用されています。そのため、この技術と設備は、航空宇宙、国防、エネルギー、輸送などの最先端の柱となる分野で重要な応用の見通しを持っています。以下では、複合材料、構造、部品などの製造における超音波積層造形技術の応用について簡単に紹介します。

1. 積層材料と構造材料 超音波積層製造技術の応用例の 1 つは、積層複合材料を製造できる層状材料の積み重ねと製造です。同種金属と異種金属の両方で理想的な圧密品質を実現できます。層状材料の製造において、超音波積層造形技術は、他の製造方法よりも高速でエネルギー効率が高いという利点があり、ほぼ 100% の界面結合率と良好な界面結合強度を実現できます (図 4 は、超音波で固められた Ti/Al 異種金属の SEM スキャン画像です)。金属間化合物マトリックス複合材料の 2 段階製造プロセスにおいて、超音波固化法によって Ti/Al 積層ブランクを製造し、その後焼結して金属間化合物マトリックス複合材料を製造することに成功しました。

2. 繊維強化複合材料
既存の材料技術は、純金属や合金から複合材料の応用研究へと移行しつつあります。複合材料には純粋材料や合金にはない多くの利点がありますが、関係する学者は依然として複合材料の強化メカニズムを絶えず模索しています。層状複合材料を例にとると、SiCセラミック繊維やNiTi形状記憶合金繊維をマトリックスに埋め込むことで、元の複合材料の強度や靭性などの機械的指標を大幅に向上させ、衝撃吸収や騒音低減などの特殊な特性を得ることができ、材料の強化と靭性化、機能性の向上という目的を達成できます。超音波積層造形技術により製造されたAl2O3繊維強化アルミニウムマトリックス複合材料を図5(a)に示し、カーボンコアSiC繊維強化Ti/Al複合材料を図5(b)に示します。
3. 機能性・インテリジェント素材
超音波積層造形技術は、光ファイバーや多機能部品などを金属マトリックスに埋め込み、金属ベースの機能性/インテリジェント複合材料を製造することに成功しています。電子部品を金属マトリックスに直接埋め込むことで、部品の精度が大幅に向上し、構造が簡素化され、スペースの利用率が向上します。同時に、超音波積層造形中に実行される局所的な低温固体物理冶金反応により、高エネルギービーム形成製造によって引き起こされる移植部品の故障や強化性能の低下を回避します。テストの結果、最適化された超音波積層造形技術を使用することで、アルミニウム合金積層板に埋め込まれた光ファイバーに明らかな変形や損傷が見られず、本来の性能を維持していることが示されました。図6は、超音波積層造形法を用いて光ファイバー材料をアルミニウムマトリックスに埋め込んだ機能性材料を示しています。

4. 金属ハニカムサンドイッチパネル構造 超音波積層造形技術のもう一つの用途は、金属ハニカムサンドイッチパネルの製造です。ご存知のとおり、航空宇宙分野では、新世代の超軽量で高強度の材料が緊急に必要とされています。複合材料はこれらのニーズをある程度満たすことができますが、完璧ではありません。超音波積層造形技術は、新世代の軽量金属ハニカムサンドイッチパネル構造材料の製造に使用できます。中空ハニカム骨格構造のサポートと表面金属で構成されるサンドイッチ構造は、強度と密度の比を最適化し、優れた機械的特性と軽量特性を備えています。図 7 は、超音波積層造形技術によって製造された金属ハニカムサンドイッチパネルを示しています。

5. 金属積層部品の製造 超音波積層造形技術は、内部に空洞を持つ複雑かつ精密な積層構造を製造できるため、近年、金属部品製造分野における応用の見通しがますます明らかになっています。レイヤーバイレイヤー製造の特徴により、独自の内部構造の設計と製造が容易になり、精密電子部品のパッケージング（図8（a））、アルミニウム合金航空部品の急速製造（図8（b））、アルミニウム合金マイクロチャネル熱交換器（図8（c））などの部品や構造部品の製造に適用できます。

IV. 結論 現在、積層造形技術は研究開発から産業応用へと移行しています。デジタル積層造形技術は、形状複雑度が高く、機能複雑度が高く、低コストで軽量な部品の製造に大きな役割を果たしています。これは現代の製造業における産業革命とみなされており、高機能、高性能な材料部品の直接製造に向けて発展しています。積層造形技術の一種として、超音波積層造形技術には多くの技術的利点があり、多くの分野で大きな発展の見込みがあると予測されます。しかし、現時点では超音波積層造形技術にはまだいくつかの欠点があります。例えば、現在の超音波出力では、厚さ0.4mm未満のアルミ箔しか素早く形成できず、チタン合金の場合、圧密できる厚さはさらに小さくなります。これは、超音波圧密技術をより厚く、より強度の高い金属板に適用する場合、超音波トランスデューサーの出力を大幅に増加させる必要があり、これにより、荷重システムの音響設計と製造に解決が困難な一連の問題が生じるためです。そのため、超音波積層造形技術のプロセス応用範囲と処理能力をどのように拡大し、厚くて強度の高い金属板の積層造形に対応するかが、現在、国内外で注目されている研究テーマとなっている。

超音波積層造形技術は、もともと比較的基本的な超音波金属溶接に基づいて継続的に開発され、金属材料の溶接用途における溶接ヘッドの強度とトランスデューサの電力の限界を技術的に打ち破りました。大型の連続材料を統合する能力があり、他の従来の製造方法にはない迅速かつ正確な製造機能を備えています。超音波積層造形技術は、他のいくつかの高エネルギービーム積層造形法ほど完璧ではありませんが、その独自の低温、高速、グリーンで環境に優しい技術的特徴により、将来的には、大型で複雑な薄肉の板状部品、連続繊維軽金属プレハブストリップ、金属フォームハニカムサンドイッチパネル、インテリジェント複合材料と構造、複合積層電極などのラピッドプロトタイピングと製造など、多くの分野に適用されることが予測されます。超音波急速固化成形製造技術は、必然的に現代の先進製造技術のかけがえのない分野となるでしょう。

出典: Additive Manufacturing Association 詳しい情報: 新しい超音波 3D 印刷技術: 非接触制御、さまざまな材料を処理可能

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