加飾技術の可能性を広げる「2.5D電磁波造形技術」とは

◆2.5D加飾とは

製品の表面を装飾する「加飾技術」は様々な広がりを見せています。

その中で、加飾技術の可能性を広げる「2.5D電磁波造形技術」という分野があります。これは、印刷や塗装などの表面装飾(2D)と、機械加工や3Dプリンタなどの立体造形(3D)の間にあたるものです。平坦なシート状の基材をベースとして、その上に質感や奥行きを表現する立体的な形状を付与するものです。

例えば、金型のシボ(革や木目などの表面凹凸形状の再現)や、UVプリンタなどの積層印刷(樹脂を厚盛りすることで立体形状を形成)があります。

印刷技術が色相を表現するのに加えて、立体形状を付与することで質感をより忠実に再現することができます。

先の例では、金型は精緻な表現が可能です。積層印刷はインクジェット等により少量多品種短納期に対応します。その他の技術も含めて一長一短があります。

 

◆電磁波造形技術

今回紹介するのは、2.5Dの新しい技術「電磁波造形技術」です。電磁波によって樹脂を固める成形技術ではなく、電磁波によって平面から形状を隆起させるという技術になります。

用いるシートの構造は、表面から①マイクロフィルム層、②インクジェット層、③バンプ層、④基材層、の4層となっています。③バンプ層には液状炭化水素を熱可塑性樹脂で包んだマイクロカプセルがあります。

加工の方法は、まず①マイクロフィルム層に、立体形状を表現するカーボン印刷を行います。そして、全面に電磁波を照射します。

すると、①のカーボンが濃く転写された場所ほど、カーボンによってより電磁波を吸収して温度が上昇します。高温になると、③バンプ層のマイクロカプセルが破壊されて、内部の液状炭化水素が放出され、微細な発泡を起こし、バンプ層を隆起させます。

これで、立体形状が完成します。次に①マイクロフィルムを剥がし、最後に②インクジェット層へカラー印刷を行います。

 

◆電磁波造形技術のメリットと、他の技術との棲み分け

この技術は、インクジェットの積層印刷と同様に、オンデマンド対応が可能です。データさえあれば金型不要で短納期生産ができます。

インクジェット印刷では原理的に1mm以上の大きな立体形状を作ろうとすると非常に時間がかかり材料コストも高くなります。この電磁波造形技術は、2~3mmレベルの形状を容易に作ることができます

大きな凹凸形状はこれまで金型を使用することが必要でしたが、オンデマンド対応を可能にするという点で、工業製品の表現領域を広げる画期的な技術といえます。

この技術はCASIOが「Mofrel 2.5D」のブランド名で発表し、CEATEC2017でグランプリを受賞しました。

 

◆電磁波造形技術の今後

この電磁波造形技術は、現状では素材の点から、硬度や環境耐性が求められる部位には使用しづらいものとなっています。逆に、人が手で触れたくなる優しい質感を持つため、その利点が生かせる用途(例えばインテリアや自動車の内装など)に有効といえます。

この技術は他にも様々な構造・材質への展開が期待されます。それによって表現領域や用途の拡大が見込まれます。

さらに、「平面から立体形状が発達する」という原理の面で新しいといえるため、その原理にフォーカスした新しい技術が創発されることが期待されます。

 

◆加飾技術を進展させる「原動力」として

加飾技術の大きなトレンドとして、塗装や印刷から、一体成型、造形技術への発展の流れがあり、製品に求められる精密さや耐久性、信頼性などの面でハードルを超えるときに新しい用途への展開が進みます。過去にも、そのような進展の原動力となったのは、新しい原理に基づいた革新的な技術です。

電磁波造形技術は加飾技術の進展の原動力となることが期待されます。

 

2018年6月20日~22日 日本ものづくりワールド2018

CASIO「Mofrel2.5D」

オンデマンド表面技術への対応~ローランドDGのレーザー箔転写機~

加飾技術の中でもオンデマンド対応と生産性の両面のニーズに対応することは容易ではありませんが、それを実現する技術を有するのがローランドDGです。UVプリンタをはじめとした造形ツールで業界を引っ張るローランドDGは、日本ものづくりワールド2018で金属箔転写機を発表しました。

新製品 レーザー箔転写機 LD-80
出展情報へのリンク

従来の箔押しは紙に対してのものが一般的で、プラスチックへの箔押しは困難でしたが、これを半導体レーザー技術を活用することでクリアしています。

樹脂造形(インクジェット)、金属造形(3Dモデリングツール)に続き、樹脂上金属薄膜造形の対応となり、ローランドDGの造形技術ドメインを補強する新機種となります。今回は新規展示品で対応サイズがまだ小さいものの、今後は大型品への対応などを入れられているとの事です。

人気機種 デスクトップUV-LEDプリンターLEF-200

ローランドDGは「DGSHAPE」ブランドを立ち上げ、インクジェットプリンタを基軸に3D事業を強化しています。3Dプリンタや加工ツールを効果的に組み合わせて、生産性を高め安全性を確保した「完成度の高い3D造形装置」を展開しています。世界的楽器メーカーのクリエイティブセンスを感じさせる機器は、東京クリエイティブセンター(東京都品川区)で常時展示されています。

ローランドDG 東京クリエイティブセンター

http://www.rolanddg.jp/cc/center_tokyo.html

チャンバー内のメンテナンスに、マグネットクランプの可能性

成膜装置のチャンバー内は、着膜により汚染が進み、異常放電や発塵の原因となります。定期的に着膜をリセットする必要がありますが、密着性のより成膜技術で積層された膜は容易には剥離されません。そのため通常は「防着板」と呼ばれるSUSなどでできた板をチャンバー(とくに成膜室)の内壁に設置して、チャンバー内壁に直接膜がつかないようにしています。防着板は定期的なメンテナンスで、スペア品と交換され、使用済みの防着板は薬液洗浄などで膜を除去して再生されます。

防着板の取り換え作業は、大型装置になると大変な重作業となり、時間もかかります。4m級の大型成膜装置は立型装置となることが多いのですが、チャンバー内作業が高所作業となり、防着板の取り換え作業のために足場を組みます。

板の取り付けは従来、ボルトで固定され、取り換えにはスパナを使用します。熱や着膜による応力を受ける防着板は脱落や変形が起こると装置の搬送トラブルとなりますので、しっかり固定される必要があります。しかし、ボルトの着脱作業は大変時間がかかります。またボルト締め付け作業でネジ部で少なからず発塵しますし、カジリなどが生じることも少なくありません。

そこで、防着板の取り付け方法の改良が検討されます。その方法として、六角ボルトから蝶ナットへの変更や、クランプ機構を使った固定方法が発案されています。

さらに便利で発塵性の少ない方法として検討したい技術が、2018年の日本ものづくりワールドで出展されていました。冶具やアタッチメントをワンタッチで交換できるマグネット保持ツールです。

このツールは名前の通り、磁力によって固定をします。レバーを回すと、マグネットの位置が変わり、固定とリリースが容易に切り替わります。この種のツールはプラントや機械加工装置で、重量物を含めた加工ワークや金型などのハンドリングに使用されています。真空成膜装置へ応用するには、真空環境への対応、入熱への耐久性を持った材質選定、プラズマによる劣化の影響を受けない設計などが必要となります。大型の成膜装置への適用は、現状の防着板の更新や改造が必要になるため、新規設備導入時に検討をすることが近道となるでしょう。

成膜装置において、メンテナンス作業は品質確保上必要な作業であるものの、作業時間は稼働ロスとして扱われるために、作業を高速化するための工夫が欠かせません。扱いづらい所はどんどん改良していくことが必要です。それによって作業者の負荷軽減と安全の確保につながってきます。

 

日本ものづくりワールド2018

成膜装置のワーク保持動作のダメージ・発塵対策への新アイデア

成膜装置においては、プロセスそのものが当然ながら一番大切となりますが、生産においてはワークのハンドリングも大切なポイントです。ワークを保持する搬送トレイ(キャリアともいいます)では、ワーク(基板と呼ばれる板状のものが多いと思います)を安定的に保持する必要があります。上向き成膜で、トレイにワークを載せるだけのタイプであれば、ワークの保持は「トレイに置くだけ」ということもありますが、縦型であったり、搬送中の保持を安定化させる必要がある場合には、ワークをトレイに固定するための仕掛けが必要となります。

よく使われるのが、トレイとマスクでワークをサンドイッチする方法です。マグネットで固定する方法が良く使われます。マスクは名前のとおり、ワークの外周部などに膜付けしないためのマスキングとして使用されます。もうひとつの方法が、トレイにつけた固定具(クランプ機構など)でワークを保持する方法です。よくある方法としては外部機構による操作でのプランプ開閉などがあります。

参考特許:特許第5961918号 基板クランプ装置

ワークの保持方法は、①搬送中にワークを脱落させないこと、②搬送中に振動などでワークとトレイの接点を発塵させないこと、③ワーク保持のための動作が安定して、ハンドリングミスが起こらないこと、④段取り作業であって真の付加価値動作ではないワークハンドリングに過度のコストをかけないこと、などが要求されます。連続搬送方式のインライン成膜装置などでは、とくに動作の安定性が重要となります。またトレイは成膜室に搬送され、熱やプラズマにさらされるため、それ自体に電動などの精密機構を持たせにくいものとなります。加熱によるトレイの熱伸びや反りによるハンドリングミスを起こさないようにすることも重要です。

課題としては、外部機構を使った固定動作で、ワークと固定具(クランプ等)の接点や、ワークとトレイの接点で接触によるワークへのダメージや発塵が少なからず発生することです。ワークもトレイも個々に寸法や反りの公差をもつため、保持動作で完全にストレスをなくすことは難しいです。とくに大型装置では、クランプが閉まるときに、その音でびっくりするくらいの衝撃が生じているケースもあります。

そのような、ワークのハンドリングに応用が可能な技術があります。それは、ダンパー機構を持った蝶番(ヒンジ)の活用です。

クランプ機構動作は色々な研究がされており、有名な所では、「トグルクランプ」(商標)というリンク機構を活用したクランプがあります。それでも、機械的動作を単純にして、かつ衝撃を提言するためには、さらに工夫が必要となります。それが、ダンパー機構をもったヒンジです。この技術は2018年6月に日本ものづくりワールド2018で下西技研工業が出展しているものです。

簡易ダンパー機構を備えたヒンジは、動作速度が上がるほどトルクが上がり速度抑制効果が生まれます。

簡易ダンパー付きチルト

写真は下西技研工業HP

ホームページでの記載によると、用途としては、産業用機器、OA機器、医療機器など様々にあり、応用範囲の広い優れた要素技術です。展示会で話を伺ったところ、真空環境での使用も可能との事ですので、成膜装置のワーク保持機構への応用は有効と考えられます。保持機構を従来どおりに外部機構によるクランプ開閉として、閉動作をばね力で閉める際に、等技術のダンパーでクランプ動作の加速を抑制する方法が可能と考えられます。

成膜装置でこの技術が有効活用できる箇所が、他にもあります。それは、チャンバーやカソードの重量部です。これらのユニットで怖いのは、重量物のハンドリングで勢いをつけすぎたときの装置への衝撃によるダメ―ジや、はさまれによる負傷の危険性です。メンテナンス作業時に操作をするため、メンテナンス作業時間を短縮するために急いでしまうときに危険性が増してきます。ここで、ダンパー機構を活用すると、動作中の過度な加速が抑制されて、装置へのダメージや負傷事故の危険性を軽減することが期待できます。実際のところ、中型装置以上になると、メンテナンス扉の動作はモーター駆動となっていることが一般的で、大型装置ならカソードも駆動系で操作となりますので、人が介在する部分はそれほど多くありません。それでも、人の作業で重い扉や部材をハンドリングするケースは多くあるため、ダンパー機構を取り入れることは大変有効と考えられます。装置メーカー様や装置のユーザー様はぜひご検討ください。

 

日本ものづくりワールド2018 東京ビッグサイト 2018年6月20日~22日

出展者:下西技研工業 東53-37

真空装置メーカーが提案する最新表面処理技術 ~低粘着性表面処理~

表面処理の技術は、分野に限らず進化・深化が進んでいます。従来は、表面の硬度、耐摩耗性などの機械的物性を高める技術への注目が高かったのですが、近年では、様々な機能の付与が提案されています。代表的な所では、抗菌・触媒機能、潤滑機能、光制御機能などがあります。その他にも、防汚機能や、自己修復、低粘着性といったニーズも存在ます。

真空成膜装置のトップメーカーであるアルバックのグループ会社より、新しい表面処理技術として、低粘着性の表面処理技術「C39」が提案されています。2018年6月20日の日本ものづくりワールドで出展されています。

この技術はフッ素樹脂加工の代替技術として提案されています。フッ素の課題である、耐熱性や長期信頼性への対応を実現します。無機のセラミックスを焼き付ける方法で低粘着性耐熱性を実現しています。

表面に溶射で凹凸をつくり、そのうえにC39処理をして、より接着性を低減する技術も提案されています。(以下はそのサンプル)

アルバックグループは真空装置メーカーのイメージが強いのですが(実際そうですが)、成膜加工・表面処理に関する様々な技術を発表しています。代表的な技術として「ニダックス」があります。これはニッケル系の皮膜とフッ素樹脂を複合させた、潤滑性と耐摩耗性に優れた技術です。

アルバックの各種表面処理技術は自社の装置の技術を応用しており、それらを成膜装置の部材として活用するということも行われています。クリーンさが求められる成膜装置で部材のコスレやカジリによる発塵・劣化への対策や、ワークのハンドリングの改善に、有効活用されています。お困りの場合は、一度へご相談されてはいかがでしょうか。

 

アルバックテクノ

日本ものづくりワールド2018 2018年6月20日~22日 東京ビッグサイト