オープニングと今回のテーマ
どうもしぶちょーです。ものづくりnoシテンは、産業機械の現役エンジニアである私、しぶちょーが、ものづくりに関するトピックを独自の視点で解説する番組です。
最初に一つだけお伝えしておきたいんですけど、この番組は、AIが原稿を生成して、それを音声化してお届けしている AIポッドキャストなんですね。
普段のものづくりのラジオとは別のラインで、最新のニュースをAIに整理してもらって、そこにしぶちょーシテンを乗っけた台本を読み上げてもらっている、いわば実験的な番組です。
なので、内容にたまに事実と微妙に違うところとか、ニュアンスが本来とちょっとずれてる箇所が混じる可能性があるってのは、ぜひ頭の片隅に置いておいて欲しいんだよね。
気になった情報は概要欄のリンクから一時ソースを確認してもらえると、より楽しめると思います。
さて今日は今週分のニュースから、その作り方、本当にそれじゃなきゃダメなの?っていう視点で繋がる3本を揃えました。
1本目は、個人が自分の家でLEDのチップを作って、基板に乗せて実際に光らせちゃった話。
半導体工場にあるオクターニーの装置の代わりに使ったのが、中国製の5Wのレーザー彫刻機なのよ。
2本目は、東京都の鉱石試験研究機関が300度の高温でも使えるコンデンサの材料を作った話。
この業界で混ぜると性能が落ちるってずっと嫌われてきたガラスを、あえて主役に据えたら壁を越えちゃった。
そして3本目は、卓上の3Dプリンターを14台、7週間分回して全長9mの恐竜を5体組み上げた話。
大きいものを作るには大きい機械がいるっていう当たり前を台数で外してるんですよ。
装置の常識、材料の常識、設備の規模の常識。
今日はこの3つをそれぞれ違うやり方でひっくり返した人たちの話をしていきます。
それでは早速いきましょう。
自宅でLEDチップを自作する挑戦
じゃあ1本目いきましょう。
個人が自分の家でLEDを作って光らせちゃったっていう話です。
聞いてるあなたもちょっと想像してみてほしいんだけど、
作業机の上に小指の爪くらいのサファイアの板が置いてあって、そこに電気を流すとぽっと青く光るのよ。
その光ってる部分は買ってきたLEDじゃない。
その人が自分で削り出して自分で電極をつけて自分で基板に乗せたチップなんですね。
海外のドクターセミコンダクターって名乗ってる人がこの全工程を写真付きで公開してます。
最初に正直なところを言っておくとね、さすがに全部を家で作ったわけじゃないの。
出発点は市販のウェハーです。
サファイアの土台の上にチッカガリウムって材料が層になって積んである板。
これが2インチで160ドルくらいから買える。
ここから先が自作っていう線引きなのよ。
ちなみにこのウェハー、中国が2023年からガリウム系の材料に輸出ライセンスを要求するようになってて、
頼むものによっては納期がえらく伸びるらしいの。
個人の趣味の工作にまで資源の知性学がちゃんと効いてくるっていうのが、いやー、現代っぽいよね。
で、ここからが面白いところ。
半導体っていらないところを削る工程があるじゃない。
エッチングってやつね。
工場だと真空の箱の中でガスをプラズマにして削る装置を使うんだけど、
これがまあ部屋には置けないし、値段も桁が違う。
じゃあこの人が何を持ってきたかっていうと、中国製の5ワットのレーザー彫刻機なんですよ。
アクリルの板に名前を彫ったりする、あれです。
そんなもんで半導体が削れるわけないでしょって思うじゃない。
それは削れるのよ。
しかも削れる理由がちゃんとある。
このレーザーの波長が355ナノメートル。
で、チッカガリウムって材料はだいたい365ナノより短い光を吸い込む性質を持ってるの。
ところが土台のサファイアはこの光を吸わない。
素通りさせちゃう。
つまり355ナノの光を当てるとチッカガリウムの層だけがエネルギーを受け取って弾け飛んで、
下のサファイアは無傷で残るってわけ。
1回のマークで0.5マイクロくらい削れるそうです。
いやーここが痺れるところなのよ。
何がすごいって装置で殴ってないところ。
工場の装置って要するに硬いものを力づくで削ってるじゃない。
だから大掛かりになるし高くなる。
この人がやってるのは材料そのものが持ってる性質の境目を使って、
削れるものと削れないものを勝手に分けさせるっていうやり方なんですね。
物理に仕事をさせてるから5ワットで足りちゃう。
その後もちゃんと最後まで行ってレーザーで傷んだ層を薬品で洗って、
ニッケルと銀を30ナノずつ吹きつけて電極にして、
基板側にはインジウムって金属の突起をメッキで生やしておいて、
220度で溶かしてくっつける。
チップをひっくり返して直接接合するフリップチップって呼ばれてる実装を
個人の作業台でやってるのよ。
仕上げに黄色く光る蛍光体の粉をシリコンに混ぜて塗ると、
青と黄色が混ざって白いLEDになる。
私本職は機械設計で半導体は完全にガイアなんだけどさ、
それでもこの話は刺さるのよね。
だって装置がないからできませんって我々が現場で一番よく言うセリフじゃない?
その手前にその工程は本当にその装置じゃなきゃダメなんですか?
っていう問いがまだ1個残ってたってことなんだから。
装置を買う予算の話に行く前に、
その工程が何を利用して成り立ってるのかを一回バラして見てみる。
それができる人が結局一番遠くまで行くのよね。
ガラスを活用した300℃対応コンデンサ材料の開発
さっきの話、装置の常識を外したら道がはらけたって話だったじゃない?
同じことが材料の世界でも起きてます。
しかもこっちは東京都の鉱石試験研究機関、東京都立産業技術研究センター、通称都産技研の仕事なのよ。
何ができたかっていうと300度の環境で使えるコンデンサーの材料です。
300度って言われてもピンとこないと思うんだけど、
EVのエンジンルームの中とかプラントの中とかそういう場所。
機械ったとしては動かしたいのに、電子場品が先に音を上げちゃう領域なのね。
というのもコンデンサの定番材料ってチタン酸バリウムなの。ほぼ全部これ。
性能はいいんだけど耐熱がだいたい120度くらいで、
そこを超えると有電率、つまり電気を貯める能力が大きく暴れ始めちゃう。
耐熱を上げた品種でも150度止まり。
だから高温のところにはそもそもコンデンサを置けないっていう前提で設計するしかなかったのよ。
で、候補の材料はあったの。リン酸ニオブ酸系って呼ばれる材料で素状はいい。
ただ普通のやり方で焼くと粒がところどころ異常にでかく育っちゃったり、
酸素が抜けて欠陥ができたりして電気を通しちゃうようになる。
コンデンサって電気を貯める部品だから通しちゃったら終わりなのよ。
ここでずっと止まってた。
ここからが本題です。
土産技研の島村圭介さんはここにガラスを混ぜたの。
これがね業界の空気からすると相当な逆張りなんですよ。
有電体の世界でガラスっていうのは混ざると有電率を下げる、
つまり性能を薄める邪魔者っていう扱いがずっと続いてた。
だから誰も主役として使おうとしなかった。
島村さんは元々ガラスを熱処理して中から結晶を石質させる
結晶化ガラスっていう研究をやってた人なのね。
その世界ではこの成分は結晶になる係、
この成分はガラスの骨格を作る係、
この成分は結晶化を促す係って役割を決めてから
素性を設計するのが当たり前だった。
その考え方を持ち込んでガラスを残り化すじゃなくて
役割のある成分として扱ったのよ。
そしたらね酸素が抜けるのが抑えられて
それに引きずられるように粒が暴れて育つのも止まって
おかげで粒と粒の境目の抵抗まで上がった。
結果、有電率が約400ありながら
300度まで変化率がプラスマイナス15%以内に収まった。
比較で言うと温度に強いことで使われている
ジルコン酸カルシウムって材料は
安定はしてるけど有電率が30しかないの。
溜められるけど熱に弱い。熱に強いけど溜められない。
この二択をようやく割ったってことなんですね。
そしてもう一個、私が個人的に一番グッときたのがここ。
作り方まで短くなってるの。
普通は原料を混ぜて、刈り焼きして、粉砕して、成形して、焼結する。
この新しいやり方だと混ぜて、成形して、焼結する。
焼き固める最中にガラスと酸化物を反応させて
狙った結晶をその場で作らせちゃうから
途中の二加工程が丸ごといらなくなった。
5段が3段よ。
聞いてくださってるあなたが製造の現場にいる人なら
多分今ちょっと身を乗り出したんじゃないかな。
工程が2つ消えるってこうやってさらっと言うと地味だけど
いやーこれはとんでもないことだからね。
私は岐阜県テクノプラザのものづくり支援センターで
PRアンバサダーを3年やらせてもらってるんだけど
こういう鉱石師って地味に見えて本当にすごい仕事をしてるのよ。
土産技研も自分たちで作って売る機関じゃないから
この技術は企業にライセンスして世に出す想定なんですって。
使う側が現れて初めて完成する技術ってことなんだよね。
卓上3Dプリンタ14台による9m恐竜の制作
さあ最後の3本目。
装置の常識、材料の常識ときたので
今度は設備の規模の常識化した話でいきましょう。
イギリスのブレナム宮殿っていうところで
今全長9メートルの恐竜が5体庭に立ってます。
これ全部3Dプリントなのよ。
作ったのはJJバリッジさんっていうアーティストと
Future Fossilsっていう工房。
で私が椅子から落ちそうになったのがここ。
使った機械がバンブーラバのデスクトップ機14台
7週間分回した。それだけです。
いやそれだけですって言ったけどさ
9メートルよ。産業用の大型3Dプリンターっていう選択肢だってあるわけじゃない。
造形室が畳1枚みたいなやつね。
普通は大きいもの作るなら大きい機械そう考えるでしょ。
ところがこの人たちは机に乗る機械を14台並べて
小さいパーツを大量に出して後から組み上げるっていうやり方を選んだ。
材料はABSGFガラス繊維の入ったABSね。
屋外に何ヶ月も立たせておくものだから剛性がいる。
そこは素材で聞かせてる。
うちにもバーブーラボがあるんだけど
今単身赴任で東京にいるからさ
手元にあるのはX2Dの1台だけなの。
A1とA1ミリは愛知の家に置いてきてる。
その1台でもまあまあの存在感なのよ。
それが14台7週間休みなく恐竜を吐き出し続けてるわけでしょ。
すごい絵面よ。
でもねこれ絵面の面白さだけの話じゃなくて
ものづくりの判断としてめちゃくちゃ理にかなってるのよ。
もし聞いているあなたがこれから現場に設備を増やそうとしてるなら
ここは1回考えてほしい。
大型機を1台入れるっていうのは
要するに卵を全部1つのカゴに入れるってことなのね。
止まったら全部止まる。
ヘッドが1個詰まったらその日の生産がゼロになる。
段取りだってでかい造形物が1個乗ってる間は他の仕事を入れられない。
3Dプリンターを触っている人ならわかると思うけど
造形って失敗するときは何時間回していようが容赦なく失敗するのよ。
それが大型機で丸2日かけた1個がラスト30分でこけたら目も当てられないでしょ。
ところがデスクトップ機を14台にしておくと1台こけても残り13台は回り続ける。
生産計画が止まるか動くかの二択じゃなくて
少し遅れるだけで済むようになるのよ。
しかも1台が安いから増えたら買い足せばいいし
いらなくなったら別の仕事に回せる。
設備投資でよく言う塊で買うか小分けで買うかっていう議論のかなり極端で
かなり成功してる実例なんですよ。
もちろん正直に言っておくと全部がプリントってわけじゃなくて
骨のパーツにはプリントしたものと手で掘ったものが混ざってます。
出力は専門の工房が担当して最終仕上げと組み立ては彼らの作業場でやってる。
だから機械が勝手に恐竜を作ったわけじゃない。
分割設計をして出力回して人の手で仕上げる。
全部ものづくりの手順として全うなのよね。
そこまで手をかけて作る相手がメガロサウルスっていうのが生きなのよ。
1824年にイギリスの地質学者が世界で初め学名をつけた恐竜なの。
恐竜っていう言葉そのものが生まれたのが18年後。
つまり恐竜という概念より先に発見されてた恐竜第一号ってわけ。
その一番古い恐竜を今一番正しい良い量産のやり方で組み上げて
イギリスの宮殿の庭に立たせてる。
展示は11月1日までだそうです。
いやーロマンあるよね。
大きいものを作るのに大きい機械はいらなかった。
いったのは大きいものを小さく割る設計とそれを並べて回す段取りだった。
そういうことなんですよね。
まとめとエンディング
今日は自宅でLEDのチップを作って光らせた個人の話。
ガラスを主役に据えて300度で使える有電材料を生んだ土産技研の話。
そして卓上プリンタ14台で9メートルの恐竜を組み上げた話。
この3本をお届けしました。
並べてみるとね全部みんなが当たり前だと思ってる作り方を一回バラして組み直した話だったのよ。
工場の装置じゃなくて物理の性質そのものを使って削る邪魔者だと思ってた成分に役割を与える。
大きい機械の代わりに小さい機械を並べる。
どれも新しい何かを発明したわけじゃなくて手持ちのものの並べ方を変えただけなんですよ。
でもそれで結果が出てる。
ものづくりって実はそういう組み替えの勝負が一番多いんだよね。
だからあなたも今これはこうやるもんだって手が勝手に動いている作業を一つ思い浮かべて
その工程本当にその装置じゃなきゃダメかって一度だけ疑ってみてください。
案外隣に置いてある道具で足りたりするからね。
というわけで今回はここまでとさせていただきます。
私は技術ブログ支部長技術研究所も運営していますのでそちらの方もぜひチェックしてください。
Xの方も毎日ものづくりに関する投稿してますのでよろしくお願いします。
podcastものづくりのラジオの方も毎週土曜日週1で配信中です。
お時間あればぜひ聞いてください。
というわけで今回はここまで。以上支部長でした。ではでは。