超音波積層造形（Ultrasonic Additive Manufacturing）の解説

超音波積層造形（Ultrasonic Additive Manufacturing：UAM）は、超音波圧密（Ultrasonic Consolidation：UC）とも呼ばれ、積層造形（AM）または3D金属印刷技術の一つです。UAMは、Laminated Object Manufacturing（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（使用される材料の溶融温度よりもはるかに低い）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の歴史について

UAMプロセスはDawn White氏が開発したもので、同氏は1999年に商用UAM装置を販売するSolidica Inc.を設立してこの発明を商品化しました。

2007年、Solidica社はエジソン溶接研究所と共同で、接合品質の向上と使用できる金属の種類を増やすために、金型プロセスを再設計しました。このコラボレーションにより、「超高出力超音波積層造形」と呼ばれる新しいUAMプロセスが誕生しました。

このパートナーシップは、2011年に新会社Fabrisonic LLCを設立し、新しい高出力UAMプロセスの商業化とUAM機器の新製品の販売を開始しました。

超音波積層造形の解説

多くのAMプロセスと同様に、UAMマシンはCAD（コンピュータ支援設計）モデルを基に部品を作成します。モデルが作成されると、そのファイルは2次元の断面に「スライス」され、層ごとに部品が作られていきます。

しかし、UAMは3Dモデリングという点だけでなく、他のAM技術とは大きく異なります。SLSに代表される多くのAM技術では、粉末状の材料から部品を製造しますが、UAMではシート状の金属箔を使用します。また、他のAM技術と異なり、UAMは熱を使いません。代わりに、ソノトロードと呼ばれる工具で超音波振動を与え、圧力と組み合わせて2枚の金属層を接着させます。

(出典：集積型プリント電子伝導体に対する超音波積層造形の効果、Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018年)

製造工程は次のようになります。

ビルドプラットフォームの上に、金属製の頑丈なベースプレートを固定します。
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ドの下に引き、フォイルをベースプレートに接着します。この時点では、パーツはまったく形作られていません。
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。
従来の減算方式のCNC機械と同じように、余分な箔を取り除いて部品の形を整えます。
このサイクルは、パーツが指定された高さに達するまで繰り返されます。
さらに小型のミリングツールでパーツの形状を整え、完成品に必要な内部加工を行います。
このようなUAMサイクルを繰り返して、パーツを完成させます。
パーツをビルドプラットフォームから取り外し、ベースプレートを取り外します。

このように、UAMは実際には、AM技術のレイヤーアプローチとサブトラクティブなCNCフライスを組み合わせた、アディティブとサブトラクティブのハイブリッド製造プロセスなのです。

超音波製造マシン

UAMプロセスでは、米ファブリソニック社（Fabrisonic, LLC）が開発した超音波3Dプリンティングマシンを使用しています。この機械は、異種金属間でも極めて強固な接合を可能にします。また、高熱を伴わないため、金属の分子構造が変化せず、他の金属AMプロセスのような脆さがないのも特徴です。

また、銅やアルミなど、他の技術では接合できない金属を接合できるのも、ファブリソニック社のマシンの利点です。

もちろん、この機械は素晴らしいものですが、家庭での使用には適していません。研究開発用の小型機でも20万ドル弱するため、ファブリソニック UAMはあくまで産業・研究目的で使用されています。

超音波製造のための前処理モデル

UAMを使用して部品を製造する前に、まず前処理フェーズを実行する必要があります。このフェーズでは、専用のモデリングソフトウェアを使用して、製造中の部品の3DCADモデルを分析します。

UAMのデータ準備は、SLSのデータ準備と同様のプロセスをたどります。UAMはSLSのように薄肉や鋭利なエッジなどの制限はありませんが、それでもある程度の前処理が必要です。

複雑な形状を含むパーツは、形状簡略化ツールを使用して簡略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技術を使用して、パーツがUAM印刷に適しており、実際の使用に耐えられることを確認する必要があります。

パーツの加工が終わると、「スライス」ソフトウェアを使って3Dモデルを断面という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もこのデータ作成プロセスは可能ですが、プロの設計者は公認のソフトウェアパッケージを使用することをお勧めします。

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超音波積層造形の長所と短所

UAMには、他の多くのAMプロセスでは実現できない3つの大きなメリットがあります。

1.「あり得ない」内部チャネルを備えた金属部品を製造できます。

多くの部品は、冷却のために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プロセスや、従来の減法的製造技術では、複雑なコンフォーマルな3D流路を持つ部品を製造することは、ほとんど不可能です。最新のファブリソニック社のマシンは、「超高出力UAM」を使用することでアルミニウムや銅から部品を作ることができ、熱を逃がすと同時に重量を減らすことができます。

2.複数の金属を結合することができます。

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。そのため、他の金属AMプロセス技術に見られるようなミスマッチや脆い構造を作ることなく、異種金属を接合することができます。さまざまな材料の組み合わせが可能です。

3.センサーや回路を埋め込むことができます。

驚くべきことに、UAMパーツは内部にセンサーや回路を搭載して印刷することも可能で、これはAMのユニークな機能です。これは、従来の製造方法では、ひずみや温度によって繊細な部品にダメージを与えてしまうため、不可能でした。UAMでは、金属構造物のどこにでもセンサーを埋め込むことができるため、ヘルスケアやプロセスコントロール、さらにはIoT（モノのインターネット）など、多くの価値あるアプリケーションを提供することができます。

また、UAMはSLSなどに比べて中空加工が少ないため、材料の無駄も少なくて済みます。

ただし、これらはすべて、文字通り価格が伴います。先に述べたように、ファブリソニック社が販売する最小のマシンは約20万円。同社は大型機の価格を公表していませんが、かなりの高額になることが予想されます。

どのような場合にUAMの使用が必要でしょうか？

UAMは多種多様な金属を接着することができるため、航空宇宙産業や自動車産業で明確な用途があります。複雑な冷却経路を持つ部品を製造する能力は、これらの産業や、工業生産、医療機器、ハイテク機器などの産業で非常に価値があります。

さらに、UAMはセンサーや回路を内蔵した部品を製造することができるため、幅広い産業分野でスマートなIoTスタイルのデバイスを製造するのに非常に適しています。現在、多くの従来の産業では、さまざまなセンサーと追跡デバイスを使用して操作を自律的に管理していますが、UAMはこれらのデバイスの部品を製造するためによく使われています。

もちろん、UAMの価値は、メーカーが正確で最適な3Dモデルを作成できるかどうかに大きく依存しています。そして、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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