電話を印刷してください - 3次元製造業

 

電機を製品に埋め込む新技術
 
どんな電気装置でも、開けてみると、中には、回路基板、部品、そして線の束がある。これらのものを電話のような製品に組み立てることは、つまらなく、労働集約的な過程で、しばしば中国のような低賃金国に下請けに出されるものだ。今、3次元で電機を印刷する新たな方法が開発されている。これは、回路や部品を電話ケースのようなその製品ができている素材に統合することを可能にしている。それは、電気製品が作られる方法に革命を起こしうる。
 
電機を印刷することは、新しいことではない。スクリーン印刷、リトグラフィー、インクジェット、そしてほかの過程は、長い間回路基板や部品を印刷するために使われている。しかし、その技術は急速に改善しており、今では電機はよりさまざまな表面に印刷することができるようになっている。最新の開発では、電機印刷は、一つの層を一度に素材からかたい物質を作るための3Dプリンターとしてよく知られる機械を使う「付加的製造業」と結びついている。
 
 
 
変化をインクで書く
 
電機を印刷することは、導体、抵抗器、または半導体として活動しうる電気的特性を持った「インク」を必要とする。これらのインクは、ますます多才になっている。一つの例は、事務機器や商業印刷システムを作るアメリカ企業のゼロックスから来る。そのカナダの研究センターは、プラスティックや織物のような素材に直接柔軟な電気回路を印刷するために使うことができる銀のインクを開発している。
 
銀は、典型的に回路で使われている銅よりも良い電気導体だが、それは高価で962℃で溶けるために印刷するには扱いにくい。しかしながら、銀をたった5ナノメートルの大きさの粒子にすることで、ゼロックスは140℃以下で溶ける銀のインクを生産している。それによって、インクジェットやほかの過程を使って印刷するのを比較的安くできる、とその研究所の調査部長ポール・スミスは語る。化学的エッチング過程とは違って、ほんの少量の銀だけが使われ、無駄はない。
 
カリフォルニアのパロ・アルトにあるゼロックスのパーク調査センターは、そのようなインクを使う方法を開発している。これらは、柔軟ディスプレー画面、センサー、そして無線周波数安全タグのためのアンテナを含んだ様々な部品のための回路を印刷できる。付加的製造技術の出現で、そのようなものを直接製品自身に印刷することが可能になり始めている、とパークの印刷電機チームの課長、ジャノス・ヴェレスは語る。
 
それは、複雑な形を持った製品を含む。ニューメキシコ州アルバカーキにあるオプトメックは、様々な産業のための付加的製造制度を開発している。それは「拡張現実」のためにメガネの上に直接電機を印刷することができる。それは、どれだけ満たされているか計測し、ポンプを入れたり切ったりするために、埋め込まれた電機を使ったプラスティック水タンクを作ることができる。それは軍事兵器の上にセンサーを印刷することができる。または、携帯電話のケースの上にアンテナを印刷できる。
 
最近の三社提携で、オプトメックは、小さな無人機のための「賢い翼」を作るために、アメリカの無人空中機メーカーのオーロラ飛行科学や、ミネアポリスの3D印刷会社ストラタシスとともに働いている。その翼は、ストラタシスの3Dプリンターを使って、熱可塑性素材から作られた。オプトメックは、それから、翼の上に回路、センサー、アンテナを印刷するために、エアロソルジェットと呼ぶ過程を使った。その考えは、そのような技術により、軽量無人機が特定の使命のためにカスタマイズされ、必要に応じて印刷されることができるようになるだろうというものだ。
 
オプトメックのエアロソルジェットは、平坦な表面上でインクの小滴の保管所からようやく1ミリ離れてプリントヘッドが位置を取るインクジェットとはとても違って機能する。エアロソルジェットは、最初ナノ粒子の印刷素材を極小の小滴に原子化し、それはそれからガスのさやを使ってノズルによって方向づけられた正確なジェット流の中に集中される。そのノズルは、表面から5ミリかそれ以上離れて保つことができ、それにより不定型な形も覆うことができる。ノズルと印刷されるものを止めているトレイの両方が、3次元構造を作るために、異なった角度から操作されることができる。そのシステムは、様々な物質から、1ミリの100分の1の幅よりも小さく電気的特徴を印刷できる。
 
たくさんの別々の部品からあるものを組み立てる代わりに、3D印刷された電機製品は、一つの機械の中に全部の製品を印刷することを可能にする、とオプトメックの社長のデイヴ・ラマヒは語る。しかしながら、その技術が離陸するためには、それは進化的な方法で商業化される必要がある、と彼は信じている。これは、アンテナを携帯電話ケースに印刷すると言ったような、既存の大量生産過程のある段階にそれを適用することを意味する。多くの電話は、異なった無線ネットワークに接続するために多くの異なったアンテナを使っているので、これは中に伝統的な電機のより多くの余地を作るだろう。その技術の商業的応用のいくつかは、1年以内に実現する、とラマヒ氏は付け加える。
 
だから、すべてのその電機的な何かを完全に電話に印刷するのはどれほど難しいのだろう?オプトメックは、必要な段階のいくつかを提供することができるアプリケーションを開発している。アンテナ以外に、これらは、画面のためのエッジ回路、チップへの3次元接続、多層回路、そしてタッチスクリーンの部品を含む。それはまた、電池を印刷することも可能だろう。最大の挑戦は、電話の脳であるチップを印刷することだろう。これらは、平方ミリメートルの中にたくさんのトランジスターが入っており、現在は100億ドルかそれ以上するシリコン製造工場で作られている。しかし、さらにいくつかの回路を埋め込むことは、電話がより薄くなり、そして素材と組み立ての費用を減らすことができることを意味する。
 
 
発行日: 
2012-07-28
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