3Dプリントによる鉛フリー圧電部品の製造

3Dプリントによる鉛フリー圧電部品の製造
出典: マテリアル・ウィナー

長年にわたり、鉛は「電子機器の製造にとって極めて重要」であったと、エコフォーム社の社長ジャック・ガイビッグ氏は電子機器における鉛の使用に関する2005年の記事で述べている。 「それがなければ、耐久性と信頼性の高い電子接続を実現することは非常に困難です。」

この記事が公開されてから1年も経たないうちに、2006年にRoHS協定が発効しました。この協定は、EU加盟国内の電気電子機器における10種類の有害物質の使用を制限している。驚くことではないが、その 10 種類の物質のうちの 1 つは鉛だった。

水性インクを使用した3Dプリント技術で製造された鉛フリー圧電部品。画像クレジット: Bo nan 他、Journal of the American Ceramic Society/Wiley RoHS が発効する以前から、鉛の環境への悪影響への対応として、鉛フリー電子部品の性能と製造を改善するための研究が 1990 年代に始まりました。

2006 年に RoHS が可決されたことで、研究者には鉛フリー技術を推進する多くの環境的および法的理由が生まれました。近年、積層造形の出現により、特に複雑な形状を必要とするエネルギー収集や超音波アプリケーションにおいて、鉛フリー電子部品を製造するための効果的な方法として期待が高まっています。積層造形法ではオブジェクトを層ごとに構築するため、従来の製造技術では形成が困難または不可能な複雑な形状を形成できます。

アメリカセラミック協会のジャーナルに最近掲載された 2 つの論文では、研究者が直接書き込み積層造形法を使用して、チタン酸バリウムベースの鉛フリー圧電材料を含むインクを開発、テスト、処理しました。直接書き込み型積層造形技術の成功には、適切なインク塗布が重要です。固形分含有量、バインダー/キャリアの種類、配合などは、インクの粘弾性特性だけでなく、焼結パラメータ、焼結部品の密度や特性にも影響します。さらに、最近の 2 つの論文の場合と同様に、バインダー システムはチタン酸バリウムベースのセラミック材料と反応してはなりません。

昨年11月に発表された最初の論文は、ポルトガルのアヴェイロ大学CICECOアヴェイロ材料研究所の研究者とバーミンガム大学の同僚によって執筆された。彼らは、バリウムカルシウムジルコニウムチタン酸塩(BCZT)をアルミニウム二水素リン酸(Al(H2PO4)3)で表面処理することによって水性インクを開発しました。この処理は、水性インク中の窒化アルミニウムとマグネシウムアルミニウムスピネルの加水分解を減らすことが示されています。


水性インクの製造プロセスとマクロ多孔質セラミックスへの直接書き込みの概略図。画像クレジット: Bonan 他、Journal of the American Ceramic Society/Wiley 12 月に発表された 2 番目の論文は、UT エルパソのさまざまな部門の研究者によって執筆されました。彼らは、リチウムイオン電池のカソードの製造に一般的に使用される混合ポリマー/有機溶媒システムを使用して、チタン酸バリウム(BT)のインクを調製しました。

ポリマー/溶剤ベースのインク配合プロセスとバルク圧電部品の直接書き込みの概略図。画像出典: Hoejin Kim 他、Journal of the American Ceramic Society /Wiley
最初の論文では粘弾性特性の発現について詳細に説明し、2 番目の論文では処理中および処理後の性能と特性に焦点を当てており、どちらもインク開発のガイドとして役立ちます。

研究対象となったインクを使用して製造された部品は、取り扱いや焼成の段階で形状を維持し、従来の技術を使用して製造された同様の製品と同じ特性を示します。

出典: マテリアル・ウィナー

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