UAM 超音波積層造形: 魔法の金属低温製造技術

本日ご紹介する 3D プリント技術は、金属超音波溶接をベースにした超音波積層造形(UAM)です。金属 3D プリントの分野では、粉末床溶融結合法 (PBF) が市場の半分を占めており、UAM 技術の製造上の利点は、他の金属 3D プリント技術では依然として代替できません。

1. UAM技術開発の歴史
工業製造における超音波の応用は 1940 年代に始まりました。超音波は機械的エネルギー伝達の形態の 1 つとして、初期には主に熱可塑性材料 (PVC、ABS など) の成形と溶接に使用されていました。溶接プロセス中、熱可塑性材料は超音波エネルギーの作用により完全に溶融され、溶接部を埋めます。 1970 年代以降、超音波は金属材料の切断、成形、溶接に使用されてきました。金属は一般に融点が高いため、溶接プロセス中はほとんどの金属が完全に固体状態になります。そのため、金属超音波溶接は固体溶接とも呼ばれます。しかし、当時の溶接技術では、溶接界面は点接触または線接触に限られており、面接触金属超音波溶接はまだ導入されていませんでした。

1980 年代後半に 3D プリントのコンセプトが台頭し、表面溶接に基づく超音波 3D プリントが誕生しました。 1999年、ミシガン大学の教授であるドーン・ホワイト氏は、超音波溶接に関する長年の研究成果を特許に変換し、超音波3Dプリント技術の商業化を専門とするSolidica Inc.を設立しました。 Solidica は 2001 年に第 1 世代の超音波 3D プリンターをリリースしました。当時、このマシンはアルミニウム合金の積層造形にしか使用できませんでした。しかし、技術の更新、特に大学や研究機関の多数のユーザーによる実験と開発により、UAM 製造材料はすぐに銅、ニッケル、チタンなどの数十種類の合金に拡大されました。 2004 年、Solidica は第 2 世代のプリンターである Formation をリリースしました。
2007 年、エジソン溶接研究所 (EWI、業界向けの高度な製造技術の開発、テスト、実装を専門とする非営利のエンジニアリングおよび技術組織) と Solidica は、より効率的な超音波 3D 印刷材料の開発に協力し始めました。その後、2011 年に EWI と Solidica は共同で Fabrisonic を設立し、この技術をさらに開発して、改良された超音波積層製造プロセスを商品化し、現在この技術を使用している唯一の企業となっています。創業者兼 CEO のマーク・ノーフォークはオハイオ州立大学で溶接工学の学位を取得し、会社を設立する前に EWI で UAM 技術の開発を主導しました。現在、Fabrisonic はオハイオ州立大学のキャンパス内にある 15,000 平方フィートの工場に拠点を置き、大学と提携して活動しています。

▲マーク・ノーフォーク
現在、UAM の応用は飛躍的な発展を見せており、センサーの埋め込みや記憶合金繊維の強化や形状記憶合金繊維の実験、金属マトリックス複合材の製造、機能性積層材料の製造などに広く使用されています。
最近、アメリカの企業であるFabrisonic社は、UAMテクノロジーをベースにした産業グレードの金属3Dプリンター、SonicLayer 4000と7200を発売しました。これは、従来の減算プロセスと加算プロセスを組み合わせた技術であり、超音波溶接を使用して金属箔の層を溶接して大まかな形状を取得し（3D プリントの加算プロセス）、次にフライス盤で切断して（従来の減算プロセス）、最終部品を取得します。昨年 3 月、UAM 3D プリンターがアップグレードされ、通常の平面 3D 印刷に新たな次元、つまり円筒の表面への 3D 印刷が追加できるようになりました。つまり、超音波積層造形プロセスによって金属層が円筒部品の表面に溶接されるのです。このプロセスは主に、さまざまな円筒形部品、シャフト、チューブの外面に貴金属層やその他の金属機能を追加するために使用されます。

近年、Fabrisonic は UAM 3D プリントに必要な材料の開発に取り組んでいます。ファブリソニック社は2016年12月、超音波3Dプリント技術を使用して使用した金属材料は、一部の鋼鉄と同等の引張強度を持ちながら、同じ体積のアルミニウムとほぼ同じ重量であると主張した。これは重量に非常に敏感な航空宇宙産業にとって朗報です。

Fabrisonic は 2011 年に設立されたばかりですが、すでに NASA や Boeing などの顧客にサービスを提供しており、タンタル、希土類、チタン、タングステンなどの材料の印刷サービスを提供しています。 2016 年、NASA ラングレー研究センターは Fabrisonic と協力し、UAM 3D プリンターを使用して金属部品にセンサーを埋め込み、部品の温度や速度などの変数を長期間にわたって監視しました。 Fabrisonic は現在、機器の販売よりも印刷サービスを通じてより多くの収益を上げています。
▲ Fabrisonicの超音波3Dプリンター - SonicLayer 4000

2. UAMテクノロジーの原則
超音波積層造形は、伝統的な加工技術「超音波溶接」をベースにした技術です。超音波溶接とは、超音波の振動エネルギーを利用して溶接する2つの表面の間に摩擦を引き起こし、分子間融合を形成する溶接方法を指します。 UAM はこの溶接方法を 3D プリンターに適用し、新しい 3D 印刷プロセスを形成します。
連続的な超音波振動圧力により、2層の金属箔の間に高周波摩擦が発生し、摩擦プロセス中に金属表面を覆う酸化物や汚染物質が剥離され、純粋な金属が現れます。次に、比較的純粋な金属材料を超音波エネルギー放射（または外部加熱）によって軟化させ、溶接された金属箔の表面に充填します。このプロセスでは、2 つの金属箔の分子が互いに浸透して融合し、溶接面の強度がさらに向上します。このプロセスは、最終的に形成されるまで、層ごとに何度も繰り返されます。
▲ UAM技術原理の模式図

3. UAM の利点と技術的制限
利点:
1.低温。これは UAM テクノロジーの最大の利点でもあります。印刷プロセス全体の初期温度は 150°C です。溶接中の摩擦と塑性変形によって発生する熱により、局所的な温度は約 200°C に達することがありますが、これは通常金属を融点まで加熱する他の 3D 印刷技術よりもはるかに低い温度です。低温の利点は次のとおりです。

複数の金属タイプを結合できるため、温度に敏感な材料を埋め込むことができます。センサー、合金繊維、その他の低融点材料や電子機器を積層プロセスに組み込むことができます。
熱残留応力や熱変形はほとんどありません。この方法で製造された部品は内部に熱応力が発生しないため、部品の後処理が不要です。
原材料の機械的特性は保持されます。たとえば、アルミニウムの加工中、最高温度は 120°C 未満であり、材料はわずかに加熱されるだけなので、材料の粒径は変化せず、それに応じた変化も生じません。

▲センサーが埋め込まれた金属部品
2.印刷サイズが大きいです。 UAM で印刷されるワークピースの最大サイズは 6 フィート x 6 フィート x 3 フィートに達し、これは他の金属印刷技術のワークピースサイズよりも大幅に大きくなります。
3.加工面の仕上がり度が高い。 UAM積層造形にCNCサブトラクティブ加工が加わるため、研削工程を追加することでワーク表面（特に内部構造表面）の平滑度を制御できます。
4.印刷速度が速い。一般的な 3D 印刷速度は 5mm/s ～ 300mm/s ですが、超音波 3D プリンターでは 100mm3/s に達することができます。 SLM または SLS 技術で高精度を実現しようとすると、印刷速度がさらに低下しますが、超音波 3D 印刷技術ではこの問題はありません。その高精度は、その後の CNC 処理によって実現されます。
5. UAM 技術は、超音波の周波数と振幅を調整することで、超音波溶接による摩擦によって損傷した表面や亀裂を修復し、ワークピースの再利用とコストの節約を実現します。
2016 年、NASA ラングレー研究センターは Fabrisonic と協力し、FBG センサーを金属部品に埋め込み、部品の温度や速度などの変数を長期間にわたって監視しました。 FBGは変位、速度、加速度、温度を正確に測定できるセンサーで、橋梁建設、航空宇宙、石油化学産業などの分野で広く使用されています。従来の金属 3D プリントでは高温が発生し、埋め込まれた FBG センサーの感度が低下します。 UAM テクノロジーにより、温度は常に 94°C 未満になり、センサーの損傷を回避します。
▲光ファイバーは金属に完全に埋め込まれているため、安全性が大幅に向上し、過酷な環境でも損傷しにくくなっています。

技術的な制限
現在、超音波 3D プリント技術は基本的に Fabrisonic 社によって独占されています。製造業にまだ破壊的な影響を及ぼしていない理由は、いくつかの技術的な制限によるものです。

1.超音波トランスデューサーの電力制限。変換効率の制限により、実際の出力超音波エネルギーを大幅に増加させることは難しく、超音波発生器の周波数は一般的に 20kHz 程度です。
2.超音波によって引き起こされる機械的共鳴。超音波発生器の周波数は一般的に20kHzであり、ワークピースは20kHzの周波数で容易に共振するため、共振によりワークピース基板と上部金属箔間の摩擦が大幅に減少し、溶接品質が低下します。
3.サポート構造を自動的に配置/削除できません。超音波接合プロセスには適切な圧力が必要ですが、大面積の吊り下げ構造を製造する場合、サポートが不足すると圧力をかけることができなくなり、製造が困難になります。したがって、UAM では吊り下げ構造のサイズに関して厳しい要件が設けられています。
4. CNC 加工精度によって製造精度が制限されます。 UAM の製造精度は 100μm レベルに達しますが、これは主に CNC 加工の精度によって制限されます。この制限により、UAM を使用して 100μ 未満の微細構造を製造することは不可能になります。
超音波3Dプリントに関する国内の研究はまだ始まったばかりです。現在、ハルビン工程大学が広東省チューシン電機と協力してこの技術の開発に取り組んでいます。 Chuxin Mechanical and Electrical は超音波金属溶接設備の専門メーカーであるため、一定の基礎と技術的蓄積がありますが、スポット溶接やロール溶接などの点と線の溶接のレベルにとどまっており、面間の大規模な溶接機能を実現するにはほど遠いです。ハルビン工程大学は2016年にいくつかの論文を発表したが、それらはあくまでも実験結果に過ぎず、商業化にはまだ程遠いものであった。