プリンテッドエレクトロニクスの転換点:オプトメックが3D形状への印刷を説明

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-8-3 09:34 に最後に編集されました。

現在の 3D プリンターは、プラスチック、金属、セラミックなどの材料を使用して 3D オブジェクトを作成できますが、電子機器の製造にはまだ広く使用されていません。しかし、この分野で先頭に立っていると思われる企業が 1 社あります。米国の Optomec 社です。最近、3D プリンティングに関する著名なメディア寄稿者である Barry Matties 氏が、Optomec の最新の LENS プリンターシステムと Aerosol Jet テクノロジーについて Pascal Pierra 氏と話し合い、これによりメーカーがセンサーやアンテナなどのアプリケーションを 3D オブジェクトに印刷できるようになる仕組みについて説明しました。このプロセスは従来の技術よりもはるかに高速で、環境にも優しいです。

Q: パスカルさん、あなたの会社について教えていただけますか？

パスカル・ピエラ：オプトメックはニューメキシコ州に本社を置くアメリカの企業です。当社は 2 つの製品ラインで 3D プリンティングと積層造形に注力してきました。 1つは、チタンやステンレス鋼などの金属を印刷できる指向性エネルギー堆積技術であるLENS製品ラインです。 LENS 製品ラインは主に、金属部品の修理、再製造、機能追加など、既存のコンポーネントに材料を追加するために使用されます。 Optomec は、LENS テクノロジーと CNC 工作機械を組み合わせて、同じマシンで金属の付加加工と除去加工を可能にする付加製造システムとハイブリッドシステムを提供しています。当社はメキシコのVIWA、台湾のTongtai Precision MachineryなどのCNC工作機械サプライヤーと協力しており、アジアでも他の協力の機会を模索しています。当社には、LENS工作機械シリーズと呼ばれる独自のハイブリッドシステムもあります。

もう一つの製品ラインは、3D 構造上に電子機器を印刷する独自の技術である Aerosol Jet です。これにより、ユーザーは、10 ミクロンから数ミリメートルの範囲の解像度で、さまざまな電子材料、さらには生物学的材料を基板上に印刷できます。エアロゾルジェットテクノロジーは、高解像度の適合コンポーネントをあらゆる 3D 形状に印刷できるという点でユニークです。

Q: エアロゾルジェットは 3D プリントされた電子機器ですが、ガスを使って粒子を「集中」させて霧化するという興味深い技術ですね。

ピエラ：はい。エアロゾルジェット印刷では、スプレーを形成するためにオプトメックの特許技術が使用されます。当社では、空気圧式アトマイザーと超音波式アトマイザーの 2 種類のアトマイザーをご用意しており、銀ナノ粒子インクなどの原料を直径 2 ～ 5 ミクロンの非常に微細な液滴の濃いミストに霧化することができます。各液滴には数千個の銀ナノ粒子が含まれています。ナノ粒子を含む高密度のエアロゾルミストは、シースガスに囲まれながらエアロゾルジェット堆積ノズルに導かれます。この技術の大きな利点は、シースガスがエアロゾルを動的に狭い流れに集中させ、10 ミクロンから数ミリメートルまでの解像度を生み出すことです。さらに、シースガスの使用により、ミストは 50 m/s の速度まで加速されるため、ノズル出口から基板まで最大 5 mm の移動中にミストが集中したままになります。この長い焦点距離により、非平面上に印刷するときに必要なコンポーネント解像度を維持することができます。市場に出回っている他のテクノロジーにはこの機能はありません。

インクジェットなどの他の印刷技術では、ノズルを基板に非常に近づける必要があるため、非平面上に印刷することはできません。

Q: 3D 表面プリントの市場は、さまざまな用途があるため、非常に広範囲にわたります。

ピエラ：はい、現在私たちが注力している市場の一つは、スマートフォンのアンテナを作ったり、さまざまなセンサーを印刷したりする IoT 市場です。アンテナとセンサーを一緒に印刷できるだけでなく、交差点に誘電体材料も印刷できるため、複数層の回路基板が不要になり、複数レベルの相互接続も可能になります。つまり、より小さなスペースにより多くの電子機器を印刷できるようになり、ハンドヘルドモバイルデバイス、航空宇宙、IoT アプリケーション向けのスマートデバイスに最適です。ライフサイエンスのアプリケーションで Aerosol Jet を使用しているお客様もいらっしゃいます。例えば、シンガポールの大学では、包帯にヒーターを印刷し、その印刷された電子機器が入った包帯を傷口に当てて傷口に熱を加えました。これは、柔軟性も備えた 3D 基板上に回路を印刷する例です。

Q: ボード設計者にとって、これは標準回路のラピッドプロトタイピングツールとして使用できますか?

Pierra: ラピッドプロトタイピングは、この技術の非常に優れた応用分野です。抵抗器、コンデンサー、センサー、アンテナ、さらには薄膜トランジスタや相互接続部などのコンポーネントを印刷して、完全な回路を形成できるからです。印刷プロセスではデジタル CAD データが使用されるため、ユーザーはプロトタイプの設計を非常に迅速に作成および変更できます。たとえば、米国には当社の技術を試作や大量生産に利用している軍事顧客が多数います。

Q: 3D プリントについてお話ししましょう。この技術は古くからあるのですか?

ピエラ：はい、この技術は15年以上前から存在しています。 3D プリントとエアロゾルジェットには微妙な違いがあります。エアロゾルジェットは実際に 3D 形状に印刷します。

Q: つまり、完全な部分が印刷されるわけではないということですね。

ピエラ：はい。マイクロ流体ニードルは構造全体を印刷するために使用できますが、主な用途は 3D 形状に適合した電子機器を印刷することです。特定の抵抗率を達成する必要がある場合、複数の層を印刷することで印刷されたトレースを厚くすることができますが、これは、さまざまな材料を使用してさまざまな形状を印刷するなど、いわゆる 3D 印刷とは異なります。エアロゾルジェットの使用は、射出成形などの従来の方法を使用して通常作成される 3D パーツへの印刷といえます。

Q: これは既存のオブジェクトを基に構築される付加的なプロセスなのですね。新しい膝を作る代わりに、そこに回路を印刷しました。
ピエラ：その通りです。そして、さらに一歩進んで、例えば、ステントにコーティングを印刷して、体がステントをよりよく受け入れられるようにし、必要な薬の量を減らすこともできます。

もう一つの非常に成功したアプリケーションは、ゼネラル・エレクトリック社との共同開発でした。 GE は、産業用ガスタービンで使用される金属ブレードにひずみセンサーを印刷します。センサーは、エンジン内の高い動作温度に耐えられるセラミックインクを使用して印刷されます。各センサーには、ファンブレードの伸び（クリープと呼ばれる状態）を測定するための固有のデジタルコードと正確に印刷されたパターンがあります。メンテナンス中は、センサーがスキャンされ、データが GE の産業用 IoT 分析プラットフォームである Predix に送信されます。交換が必要なブレードが識別され、交換されるため、メンテナンスコストとダウンタイムが削減されます。この操作の利点は、タービンのどのブレードを交換する必要があり、どのブレードを交換する必要がないかがわかることです。信頼性エンジニアは、耐用年数の早い段階で発生する故障モードを「初期故障」と呼びます。実際、タービンの寿命の初期段階ではブレードの交換が必要になることはほとんどありません。クリープセンサーを追加する前に、GE は予測される低確率の故障時間に基づいてすべてのブレードを交換しました。

Q: 壊れていても壊れていなくても交換してください。

ピエラ：はい。今では、故障しそうなブレードを特定して交換できるようになりました。これは巨大な市場ですが、人々がまだ気づいていないだけで、この技術は部品にセンサーを追加することで重要な部品の寿命を延ばすことができます。同様に、ひずみセンサーをシャフトに印刷し、センサーを測定してシャフトを交換する必要があるかどうかを判断できます。これにより、多くの業界でのさまざまなアプリケーションへの扉が開かれます。センサーを印刷すると、ブレード 1 枚あたりのコストは数ドルしか追加されませんが、不要なブレードの交換にかかる数千ドルを節約し、ダウンタイムを削減できます。

Q: 顧客の倉庫にすでに材料と在庫があり、センサーを追加したい場合、メーカーに材料を送る必要はなく、自社の工場で行うことができます。

ピエラ：その通りです。

Q: これにより、将来的に回路の製造方法が変わります。

ピエラ：はい。製造が完了した後でもセンサーを追加できます。シャフトにセンサーを追加できますが、これは 3D 形状の良い例です。この技術は、何にでも印刷できます。

Q: 自動車用途についてはどうですか?

Pierra: 当社は自動車分野でさまざまなアプリケーションを展開していますが、最も一般的なのはプリントヒーターです。たとえば、一部の新しい高級車には、車線から外れそうになった場合に自動的に車線の中央に戻す運転支援システムが搭載されています。これらの技術はすべてカメラをベースにしており、冬でも氷や雪でカメラが遮られることはありません。カメラが設置されている窓にヒーターを印刷するアプリケーションもあります。ヒーターをオンにする必要があることを検知し、自動的にオンにする氷センサーを印刷することも可能です。このアプリケーションは、車の窓に供給される電流は同じですが、各ワイヤの長さが異なるため、より複雑です。したがって、各ラインに同じ電流を流したい場合は、調整を行う必要があります。見た目は同じでも、一部のワイヤは他のワイヤよりも太く、抵抗が同じになるため、均一に加熱され、溶けます。つまり、見た目ほど単純なことではないのです。

Q: 先ほど、飛行機の翼と氷の状態についてもお話ししました。説明してもらえますか？

ピエラ：私たちはいくつかの航空機会社と協力して、翼の除氷用にこのタイプのヒーターをフレキシブル電子機器に印刷する研究も行っています。同じセンサーを使って氷を検知し、自動的にヒーターをオンにして、離陸前に航空機に氷がないことを確認します。

Q: 翼の表面に直接印刷しますか、それともフィルムに印刷してから翼に貼り付けますか?

ピエラ：両方できますよ。

Q: サイズはどれくらいですか？翼はとても大きいのですが、翼全体をどうやって機械加工するのですか?

Pierra: 私たちが話しているこの特定のアプリケーションは、現時点では紙の上でプロトタイプ化されただけで、まだ実用化されていません。実際には、フレキシブル回路に印刷して翼に取り付けることができます。

Q: 機械自体は翼全体をカバーできる場所に設置できますか？

ピエラ：それは可能です。当社には、エアロゾルジェットプリンター (AJPE) と呼ばれる別のエアロゾルジェット技術製品があります。この例、または他の自動化プラットフォームでは、AJPE をロボットアームに取り付けて、あらゆる大量生産アプリケーション向けに翼を機械加工することができます。

Q: トラックに搭載できるものや、軍隊が戦場などでオフロード車両に搭載できるものなど、持ち運びできるものはありますか?これらのアプリケーションについて考えたことや興味を持ったことはありますか?役に立つと思いますか？戦闘中にラジオか何かを修理してるんですか?

ピエラ：まだありませんが、ミッションに応じてさまざまな種類のセンサーと電源回路をドローンに直接 3D プリントするプロジェクトを米軍と共同で進めています。これは米国企業Aurora Flight Sciencesとの共同プロジェクトです。

Q: 皆さんはとてもクリエイティブですね。先ほどお話しした翼について考えてみると、既存の飛行機があったら、すべての表面をこのヒーター技術に改造したいと思うでしょう。これは人々の考え方やビジネスのやり方を変える非常に興味深い技術です。これは本当の 3D プリントではないので、この技術をどのように説明しますか?

ピエラ：電子機器を 3D 形状に印刷するのです。弊社は、より太い線、つまり本質的には微細構造を 3D プリントする能力を備えています。また、フォトポリマーを使用して 3D 微細構造を印刷する機能も備えています。その主な用途は、3D オブジェクト上に電子アンテナとセンサーを印刷することです。もちろん、従来の 3D プリンターと同様にデジタルであり、同様の柔軟性、簡単な設計変更、迅速なプロトタイピングを備えています。当社のクライアントのひとつである Lite-On Mobile は、広州に拠点を置く契約製造会社です。同社は 16 台のプリンターを所有しており、携帯電話用のコンフォーマルアンテナとセンサーを何百万個も印刷しています。弊社のテクノロジーにより、お客様は大きなメリットを得ることができ、以前のテクノロジーでは 2 ～ 3 週間かかっていたプロトタイプを 3 ～ 4 日で顧客に提供できるようになりました。

Q: 印刷速度はどのくらいですか?とても遅くなりますか？処理の安定性はどうですか？

Pierra: 印刷速度は、コンポーネントのサイズや層の厚さなど、いくつかのパラメータによって異なります。一般的には、印刷速度は10mm/s～20mm/sです。 Lite-On のアプリケーションでは、1 台のマシンを使用して 4 つの携帯電話ケースを同時に印刷しました。印刷パターンの複雑さを考慮すると、携帯電話ケース 4 個を印刷するのに約 1 ～ 2 分かかります。この方法は、高収率の要件を満たすことができ、大量生産にコスト効率が良いことがわかります。 16 個のプリントヘッドにより、月間 100 万件の処理量を達成できます。

Q: 他の競合技術と比較した貴社の技術の利点は何ですか?

ピエラ：携帯電話の製造分野にも、レーザーダイレクトストラクチャリング（LDS）と呼ばれる同様の技術があります。 7 段階のプロセスにはエッチングとメッキが含まれており、通常はサードパーティのサプライヤーに外注されます。さらに、このプロセスは環境にあまり優しくなく、処理に長い時間がかかります。対照的に、当社の技術では、アンテナの印刷と硬化という非常にシンプルな 2 つのステップのみが必要であり、非常に高速で、環境に優しく、使用する材料も非常に少なく、強力な化学薬品も使用しません。コスト面でも、特に大型部品を印刷する場合は、LDS などの他の技術よりも安価です。 LDS は大型部品の加工にはコスト効率が良くありませんが、当社の技術では違いはありません。

Q: 原材料は貴社からのみ購入可能ですか?それとも、選択できるサプライヤーは複数ありますか?

ピエラ: 実際、オプトメックの製品ラインは両方ともオープンであり、顧客に材料を販売していません。お客様は粉末やインクを材料サプライヤーから直接購入できます。 Aerosol Jet で使用されるナノ粒子インクは、さまざまなサプライヤーから入手できます。 Optomec はこれらのインクを評価して、このテクノロジーで使用できることを確認します。室温でのインク粘度は 1 ～ 1000 cp の範囲になります。ナノ粒子インクの場合、粒子の直径は 200 ナノメートル未満であることが好ましい。基本的に、材料を溶液に懸濁させて霧化できる場合は、エアロゾルジェット技術を使用して印刷できます。

Q: 画面には約 30 社のサプライヤーが表示されていましたが、供給には問題ないはずです。では、投資収益率はどうでしょうか?それに比べて基本システムの価格はいくらですか?

Pierra: 材料についてお話ししたように、Aerosol Jet はエレクトロニクス業界で使用される幅広い材料をサポートしています。たとえば、このシステムは、PDOT:PSS、カーボンナノチューブ、抵抗インク、誘電体、接着剤、導電性接着剤、半導体、さらには生体材料などの非金属導体の印刷をサポートしています。また、最近、銅インクと銅ニッケル (コンスタンタン) インクのサポートも追加されました。

Q: 確かに非常に柔軟性がありますね。

ピエラ：はい、可能性はたくさんあります。

Q: 今日は銀、明日はカーボンなど、別の機械を購入せずに 1 台の機械で複数の材料を処理できますか?

ピエラ：はい、それは全く可能です。実際、多層回路を印刷する場合、最初に銀を印刷し、次に誘電体を印刷し、さらに再び銀を印刷し、最後にコンポーネントを接続する導電性エポキシを印刷することができます。

Q: この技術の市場見通しは非常に良好です。私たちは、蒸気から最終基板まで複数層の回路を印刷できる他の企業をいくつか知っています。

Pierra: 先ほど価格についてお尋ねになりましたが、Optomec では量産および研究開発向けにさまざまなシステム構成を提供しています。価格はおよそ25万ドルから。

Q: 御社の技術を購入すれば、間違いなくすぐに利益が得られるでしょう。

ピエラ：はい。もちろん、投資収益率はアプリケーションによっても異なります。当社の技術は、製造コストを削減できるだけでなく、アプリケーション全体に関連する全体的なコストも削減できると言えます。

Q: 各社の状況にもよりますが、投資回収は早くなると思います。

ピエラ：はい、興味を持っている新しい潜在顧客がたくさんいます。価格は問題ではありません。

Q: これまでに何台販売しましたか?

Pierra: これまでに、Optomec は 20 か国で 300 台以上のシステムを販売しており、そのうち約 70% が Aerosol Jet、残りが LENS です。

Q: これは市場でテストされ、長年にわたって市場に出回っている非常に成熟した技術のようですね。お客様は安心してご購入いただけます。

ピエラ：確かにそうですね。この技術は15年以上前から市場に出回っています。

Q: テクノロジーに関してメンテナンスの問題はありますか?

ピエラ：エアロゾルスプレーシステムはメンテナンスが簡単です。もちろん、インクベースの技術なので、定期的に清掃する必要があります。当社のバッチ生産システムでは、クリーニングサイクルは 4 時間ごとに行われます。ただし、きれいなプリントヘッドを交換するにはツールは必要なく、ダウンタイムは最小限に抑えられます。その後、システムが再起動し、汚れたプリントヘッドがクリーニングタンク内でクリーニングされ、次の交換の準備が整います。

Q: それは素晴らしいですね。パスカルさん、本日はご参加いただきありがとうございます。ありがとう。

ピエラ：ありがとう。

出典: 国際電子回路ショー詳細: オプトメック: 3,500万ドルの研究開発投資の成果を得る時が来た
オプトメックのエアロゾルジェット技術はミクロンスケールのスマート構造を3Dプリントできる

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