초음파 적층 제조 설명

UC(Ultrasonic Consolidation)라고도 하는 UAM(초음파 적층 제조)은 적층 제조(AM) 또는 3D 금속 인쇄 기술입니다. UAM은 LOM(Laminated Object Manufacturing)과 함께 AM 공정의 '시트 라미네이션' 제품군에 속합니다.

다른 AM 기술과 비교할 때 UAM은 사용된 재료의 용융 온도보다 훨씬 낮은 비교적 낮은 온도를 사용하며 플라스틱이나 나일론보다는 금속 부품을 생산하는 데 사용됩니다.

UAM의 간략한 역사

UAM 프로세스는 상업용 UAM 장비를 판매하기 위해 Solidica Inc.를 설립하여 1999년에 발명을 상용화한 Dawn White에 의해 개발되었습니다.

2007년에 Solidica는 Edison Welding Institute와 협력하여 접합 품질을 개선하고 사용할 수 있는 금속의 수를 확장하기 위해 툴링 프로세스를 재설계했습니다. 협력을 통해 '초고출력 초음파 적층 제조'로 알려진 새로운 UAM 공정이 탄생했습니다.

이 파트너십은 2011년에 새로운 고성능 UAM 프로세스를 상용화하고 새로운 UAM 장비 라인을 판매하기 위해 새로운 회사인 Fabrisonic LLC를 설립했습니다.

초음파 적층 제조 설명

대부분의 AM 프로세스와 마찬가지로 UAM 기계는 CAD(Computer Aided Design) 모델을 기반으로 부품을 만듭니다. 모델이 만들어지면 파일이 2차원 단면으로 '슬라이싱'되어 레이어별로 부품을 구축하는 데 사용됩니다.

그러나 3D 모델링 측면을 넘어서 UAM은 다른 AM 기술과 크게 다릅니다. SLS와 같은 대부분의 AM 기술이 분말 재료로 부품을 생산하는 경우 UAM은 금속 호일 시트를 사용합니다. 또한 다른 AM 기술과 달리 UAM은 열을 사용하지 않습니다. 대신 초음파 진동을 생성하기 위해 sonotrode라는 도구를 사용하여 압력과 함께 두 개의 금속 층이 함께 결합되도록 합니다.

(출처:초음파 적층 제조가 통합 인쇄 전자 도체에 미치는 영향, 전자 재료 편지 14, 413-425, 2018)

제조 과정은 다음과 같습니다.

• 단단한 금속 베이스 플레이트가 제작 플랫폼의 제자리에 고정됩니다.
• 금속 호일이 베이스 플레이트 위에 놓이고 전체 빌드 플랫폼이 소노트로드 아래에 당겨져 호일이 베이스 플레이트에 결합됩니다. 이 시점에서 부품은 어떤 식으로든 모양이 지정되지 않습니다.
• 이 과정은 접착층이 미리 정해진 깊이에 도달할 때까지 반복됩니다.
• 기존의 절삭 CNC 가공에 사용되는 것과 유사한 CNC 기계는 과도한 포일을 제거하여 부품을 모양대로 다듬습니다.
• 부품이 지정된 높이에 도달할 때까지 이 주기가 반복됩니다.
• 더 작은 밀링 도구는 부품의 모양을 더욱 다듬고 완성된 부품에 필요한 내부 밀링을 완료합니다.
• 부분이 완료될 때까지 전체 UAM 주기가 반복됩니다.
• 빌드 플랫폼에서 부품이 제거되고 베이스 플레이트가 분리됩니다.

보시다시피 UAM은 실제로 AM 기술의 적층 접근 방식과 감산 CNC 밀링을 결합한 하이브리드 적층 및 감산 제조 공정입니다.

초음파 제조 기계

UAM 프로세스는 Fabrisonic, LLC에서 개발한 초음파 3D 인쇄 기계 라인을 사용합니다. 기계는 서로 다른 금속 간에도 매우 강한 결합을 생성할 수 있습니다. 또한 이 공정에는 고열이 필요하지 않기 때문에 접합 공정은 후자의 분자 구조에 변화를 일으키지 않아 다른 금속 AM 공정에 내재된 취성 특성을 방지합니다.

Fabrisonic 기계의 또 다른 이점은 구리 및 알루미늄을 비롯한 다른 기술과 함께 사용할 수 없는 금속을 접합할 수 있다는 것입니다.

물론 기계는 의심할 여지 없이 인상적이지만 가정용으로는 적합하지 않습니다. 더 작은 R&D 중심의 기계 클럭이 200,000달러 미만인 경우에도 Fabrisonic UAM 기계는 산업 및 연구 목적으로만 사용됩니다.

초음파 제조를 위한 전처리 모델

UAM을 사용하여 부품을 생산하려면 먼저 전처리 단계를 거쳐야 합니다. 이 단계에서 생산되는 부품의 3D CAD 모델이 전문 모델링 소프트웨어를 사용하여 분석됩니다.

UAM에 대한 데이터 준비는 SLS에 대한 데이터 준비와 유사한 프로세스를 따릅니다. UAM은 얇은 벽과 날카로운 모서리와 관련하여 SLS와 동일한 제한이 없지만 여전히 어느 정도 사전 처리가 필요합니다.

• 복잡한 형상을 포함하는 부품은 형상 단순화 도구를 사용하여 단순화해야 합니다.
• 설계자는 부품이 UAM 인쇄에 적합하고 실제 사용에 적합하도록 시뮬레이션 모델링 도구와 기술을 사용해야 합니다.

부품이 처리되면 '슬라이싱' 소프트웨어를 사용하여 3D 모델을 횡단면이라고 하는 2차원 레이어로 변환합니다. 무료 응용 프로그램이 이 데이터 준비 프로세스를 완료할 수 있지만 전문 디자이너는 인정된 소프트웨어 패키지를 사용하는 것이 더 좋습니다.

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초음파 적층 제조의 장점과 한계

UAM은 대부분의 다른 AM 프로세스가 제공할 수 없는 세 가지 중요한 이점을 제공합니다.

1. 내부 채널이 '불가능한' 금속 부품을 생산할 수 있습니다.

많은 부품에는 종종 냉각 목적으로 내부 채널이 필요합니다. 그러나 FDM 및 SLS와 같은 다른 AM 공정과 확실히 전통적인 감산 제조 기술을 사용하면 복잡한 등각 3D 흐름 경로가 있는 부품을 생산하는 것이 거의 불가능합니다. '초고출력 UAM'을 사용하여 최신 Fabrisonic 기계는 알루미늄과 구리로 부품을 만들 수 있으므로 열을 방출하는 동시에 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.

2. 여러 금속을 결합할 수 있습니다.

UAM은 고열을 포함하지 않기 때문에 사용되는 금속의 미세 구조를 변경하지 않습니다. 결과적으로 UAM은 다른 금속 AM 공정 기술에 내재된 불일치 및 취성 구조를 생성하지 않고 이종 금속을 결합할 수 있습니다. 다양한 재료 조합이 가능합니다.

3. 센서와 회로를 내장할 수 있습니다.

가장 놀라운 것은 UAM 부품은 AM의 고유한 기능인 내부 센서와 회로로 인쇄할 수도 있다는 것입니다. 관련된 변형과 온도가 이러한 민감한 구성 요소를 손상시킬 수 있으므로 기존 제조 방식에서는 불가능합니다. UAM을 사용하면 센서를 금속 구조의 어느 곳에나 내장할 수 있으므로 의료, 공정 제어, 심지어 사물 인터넷(IoT)에서도 많은 가치 있는 애플리케이션을 제공할 수 있습니다.

마지막으로 UAM은 SLS와 같은 기술보다 빈 공간이 적기 때문에 재료 낭비도 적습니다.

그러나 이 모든 것에는 말 그대로 대가가 따릅니다. 앞서 언급했듯이 Fabrisonic에서 판매하는 가장 작은 기계의 가격은 거의 $200,000입니다. 회사는 더 큰 기계의 가격을 나열하지 않지만 조직은 훨씬 더 많은 금액을 지불할 것으로 예상할 수 있습니다.

UAM은 언제 사용해야 합니까?

다양한 금속을 결합할 수 있는 능력을 감안할 때 UAM은 항공우주 및 자동차 산업에서 분명한 응용 분야를 가지고 있습니다. 복잡한 냉각 채널이 있는 부품을 생산할 수 있는 능력은 이러한 산업과 산업 제조, 의료 기기 및 하이테크 장비와 같은 기타 산업에서 매우 중요합니다.

또한 센서와 회로가 내장된 부품을 생산하는 UAM의 시설은 다양한 산업 분야에서 스마트 IoT 스타일 장치를 생산하는 데 매우 바람직합니다. 많은 기존 산업에서 이제 다양한 센서와 추적 장치를 사용하여 작업을 자율적으로 관리하고 UAM은 이러한 장치의 부품을 생산하는 데 자주 사용됩니다.

물론 UAM만큼 가치가 높지만 정확하고 최적화된 3D 모델을 생성하는 제조업체의 능력에 크게 의존합니다. 그리고 많은 UAM 부품의 복잡성을 감안할 때 이러한 모델을 생산하려면 강력한 소프트웨어가 필요합니다.

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