次世代3D金属プリンティング技術
(fabric8labs.com)- Fabric8Labsは、**常温電気化学積層造形（ECAM）**により、後処理なしで高密度金属部品の量産を狙う3D金属プリンティング企業
- 中核的な差別化要素は、ミクロン級の形状解像度、複雑な内部構造、高純度材料、迅速なスケーラビリティを同時にサポートする点
- 特許取得済みのマイクロ電極アレイ・プリントヘッドを使用し、PCB、シリコン、既存の金属部品のような温度に敏感な基板上にも直接プリントできる
- 代替の積層技術や従来製造方式と比べて、温室効果ガス排出を90%削減できることを持続可能性面の利点として掲げる
- 熱管理、無線通信、パワーエレクトロニクス、新興アプリケーションを主要市場とし、高純度銅の熱・電気特性を活用したAIチップ冷却と衛星通信システムを狙う
ECAMベースの金属3Dプリンティング
- Fabric8Labsの中核技術はElectrochemical Additive Manufacturing（ECAM）
- ECAMは常温3D金属プリンティング方式で、後処理なしに複雑で緻密な金属部品を作ることに焦点を当てる
- 主な対応特性は次のとおり
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ミクロン級の形状解像度
- 複雑な内部構造
- 高純度材料
- 量産に向けた迅速なスケーラビリティ
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性能・スケーラビリティ・持続可能性
- 高性能部品の面では、超高解像度と高純度金属部品の生産を強調
- PCB、シリコン、既存の金属部品のような温度に敏感な基板上にも直接プリントできる
- スケーラビリティの中核は、特許取得済みのマイクロ電極アレイ・プリントヘッド
- 複数の既存技術を組み合わせ、高品質部品を量産規模で安定的に生産するアプローチ
- 持続可能性の面では、ECAMは代替の積層技術や従来製造方式と比べて、温室効果ガス排出を90%削減できる
製品化支援の流れ
- Fabric8Labsは顧客製品の市場投入プロセスをIDENTIFY、CREATE、PROVIDEに分ける
- IDENTIFY段階では、課題のニーズと潜在的な解決策を見つけ、提案された解決策の最初のプロトタイプを作る
- CREATE段階では、解決策を最適化し、技術要件を満たしているかを検証し、スケールアップの道筋を実証して実装する
- PROVIDE段階では、製品投入に向けてスケーラビリティを検証し、リスクを下げ、大規模で安定した供給体制を構築する
適用市場と部品特性
- ECAMは、後処理なしの高解像度3Dプリント金属部品により、複数の産業で金属積層造形へのアクセスを広げようとする技術
- 特に高純度銅の生産に適しており、熱的・電気的特性を活用できる
- 主要市場は次のとおり
- 適用例として扱う課題には、最新の高出力AIチップ冷却から高周波衛星通信システムまで含まれる
公開されている関連ニュース
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1件のコメント
Hacker News のコメント
以前、似たようなことをしている動画を見たことがあるが [1]、電気めっきを使うという発想は筋が通っているように見えた
化学工学や材料科学についてはまったく知らないが、実際に実装されたものを見ると興味深いし、電気めっきを少し経験した立場からすると途方もなく遅そうにも思える
[1] https://youtu.be/W1d36wbx_yg
このシステムのかなりの部分は、材料特性を維持しながらも量産に意味のある積層速度を出せるよう設計されており、一般的な電気めっきより100〜1000倍速い水準を目標にしているようだ
それ以上速くすると銅がスポンジ状に成長し、おそらく閉じ込められた気体が原因だと思う。あちらはどうやったのか気になる
かつて電気化学3Dプリンティングに興味があった
堆積は非常に精密にでき、ここではミクロン級の解像度だというが、単純なアプローチはたいてい遅い。ただしその精度が必要なら必ずしも問題ではなく、おそらくインクジェットプリンタのヘッドのようにノズルアレイを使って高速化しているのだろう
また、プロセスを選択的に逆方向へ動かせるので、電気化学プリンタは実質的に積層加工と切削加工を組み合わせた装置になる
電気化学であるため、こうした3Dプリンタは概して純元素金属といくつかの合金の堆積に限られそうで、そのため材料の選択肢は大きく狭まる。それでも商用化されるのを見るのは素晴らしく、どこまで行けるのか気になる
質量分析計のおかげでよく理解された技術であり、誰かがこれを小型化し、噴霧パターンを制御する方法を作るのは時間の問題にすぎない
Fabric8のCTOです。技術や会社について気になる点があれば答えます
ご覧の通り、既存の金属積層造形手法とはかなり異なるプロセスで、共有したい独自の利点がいくつかあります
陽極の寿命の間、陽極の消耗と形状変化をどのように補正しているのか気になります。例えば中央が摩耗してなくなるのか、それとも各「ピクセル」を均一に使おうとしているのか知りたいです
陽極「ピクセル」の形状と最小形状サイズ、開発過程でその場測定を行ったのか、それとも出力後の部品と陽極を分析したのか、一般的な表面仕上げの水準も気になります
DIY向けとしては個人には手が届きにくいと考えるなら、SendCutSendのようなサービスがあるとよさそうです。プロセスが比較的穏やかで後処理が少なく、結果が予測可能なら、自動化レベルを高めるのに向いていそうです
個々の装置の速度よりも複数台を運用したスループットが重要なスケールアウト型製造にもよく合うかもしれません。航空宇宙向けではない価格で作れるなら、ヒートシンク、マニホールド、熱交換器から、いろいろな細々したものまで設計してみたいです
酸化物、窒化物、炭化物のセラミック上に出力できるのか、形状のある材料上にも可能なのか気になります。例えばエアフォイルや翼用の硬いシェルの内側にPCBを直接出力するような形です
電気化学プリンティングにはどのような材料制約があるのか、アルミニウムやチタンも可能なのか知りたいです
最小形状サイズはどれくらいか、例えば細孔サイズ約50μmの制御された多孔質／ウィック構造を出力できるのかも気になります。プリンタを買う資金がない人向けに出力サービスも提供するのか気になります
特に既存の高解像度粉末ベースのシステムと比べたとき、排出ガスや危険要素がどうなのか知りたいです。この分野に詳しくないので、愚かな質問かもしれません
https://www.youtube.com/watch?v=B-UbDk7LrvU
金属3Dプリンタを何台も作り、設計してきた立場から見ると、これは実際かなり良さそうに見える
すべての金属3Dプリンタには高温と、酸化防止のための不活性／還元性ガスが必要で、DMLSや粉末床系のように大半は金属粉末も必要だ。精度も印象的だ
以前バインダージェッティングを調べていたときに思いついた副次的なアイデアの一つが3D臓器プリンティングで、形状サイズがかなり小さいためだ。個々の細胞溶液に似たプロセスを適用できる世界があるのか気になる
現在のピクセルサイズは33ミクロンで、時間が経てばさらに小さくなる予定だ
常温堆積プロセスのおかげで、PCB、セラミック、シリコンウェハのような基板上に直接出力することもでき、非常に独自性のある機能を実現できる
良さそう
2016年に私がいじっていたものと似ているように見えるが、関連する経験と資格が不足していた分、Edisonが言った「電球を作らない方法」ばかり見つけていた
特にマイクロ電極アレイ・プリントヘッドを試してみたかった。この方式なら、光重合がFDMより速いのと同じように、製造プロセスを並列化できるからだ
私の作業はJohn D. Maddenの元の研究に基づいていた
https://people.ece.ubc.ca/mm/papers/Madden_JMES_1996.pdf
論文を探して載せることはできるが、あくまで学部論文であり、ごく限られた時間しか使っていない作業だった点は考慮してほしい
DLP/LCDとレーザーSLAまたはFDMを比較する比喩がよく合っている
現在の金属3Dプリンティングの多くは、全体を溶かしてから冷やす方式と比べて、分子配列の方式のためにせん断力に関する特性がずっと悪い、と理解していた
以前、誰かが関連論文をリンクしてくれたが、今は見つけられない。この方式はその点でより優れているのか気になる
最新方式は溶接機にはるかに近い動作をし、そのためロケット部品を3Dプリントできるようになった
ただし現在の金属積層造形は、材料規格を満たせるほど十分に発展している。包括的な断定には注意が必要で、最も正確な答えはたいてい「状況による」だ
私が話せるのは、SLM、つまり粉末がベッド上に置かれ、上からレーザーで溶かす方式と、DED、つまりノズルから粉末が出てきて上からレーザーで溶かす方式くらいだ
出来上がる金属特性は、終わりのないパラメータ一覧を調整することで、非常に異なる方向へ簡単に振ることができる。金属を溶かすときには硬化、焼戻し、マルテンサイト化のようなことが同時に多く起こるため、プロセスを調整すれば「せん断特性」を良くも悪くもできる
こうしたパラメータを見つけること自体が研究分野であり、「現在の金属3Dプリンティングの大半」で特性が良いのか悪いのかは、用途と材料に依存する。このようなプロセス後の材料特性について一般化することはできない
一般に焼結部品の問題は、わずかな気孔率、3%未満、遅い焼なましサイクルによって生じる内部応力、そして従来の機械加工でも起こり得る問題だ
金属塩めっきプロセスも検討したが、作業者へのリスクのため一般用途には実行不可能だと結論づけた。環境影響のリスクも深刻で、有害物質の廃棄コストも伴った。どんな技術にも常にトレードオフがある
ECAMプロセスは室温で動作し、電着によって材料を堆積するため、溶かす工程がない
得られる微細構造は平均結晶粒径が約500〜1000nmの微細粒構造で、比較的等軸粒なので高い強度と等方的な挙動をもたらす。そのため、レーザーベースのプロセスが溶融と冷却のために直面するのと同じ困難は見られない
昨年、ServeTheHomeにも関連する記事があった気がする
https://www.servethehome.com/next-gen-copper-cold-plates-so-advanced-they-need-to-be-3d-printed-from-fabric8labs/
代表的な適用例は、Asetekと共同で作った3D金属プリントのウォーターブロックのようだ
Asetekは悪名高いAIO特許トロールでもあるが、「より静かなポンプ」や性能向上といった宣伝が付いている
Arcticは最も安い部類に入りながらも業界最高水準の性能を出し、数百ワットを容易に放熱するAIOクーラーのラインを作っている
この領域があえて最適化を必要とする場所には見えない。高出力RF機器やレーザー冷却のような特定用途なら理解できるが、代表的な適用例として掲げられる最良のものがこれなら、少し懐疑的だ
商用化できていないか、複数の産業で致命的な欠点があるか、別の理由があるのだと思う
Fabric8Labsの製品は、Desktop Metal[1]のような古くからある企業が提供しているものと何が違うのか気になる
Desktop Metalは炭素鋼、ステンレス鋼、チタン、タングステンを含むさまざまな材料で部品を出力できる
特にタングステン出力は感覚がつかみにくい。趣味でTIG溶接をしている立場からすると、作業場に電極を作れる機械があるとは想像しにくく、必要なエネルギーもものすごそうだ
[1] https://www.desktopmetal.com/
またFabric8Labsは純銅を直接出力できるが、これは歴史的に非常に難しかった。プロセスもよりエネルギー効率が高く、小さく複雑な部品により適している。Desktop Metalは材料とサイズの面で別の市場を狙っている
ちなみに私はAsimov VenturesのGPで、Fabric8Labsのプレシードラウンドに投資している
特に金属粉末を作るにはかなりのエネルギーが必要だが、ECAMシステムの入力物は一般的な精製金属より数段階前の前駆体材料なので、その工程を避けられる
「電気化学的アプローチは、ミクロン規模の形状解像度、複雑な内部形状、高純度材料、大量生産を支える迅速なスケーラビリティを可能にする」という文句は、安くは聞こえない
コストが分散した3D製造体系の中で、この技術は特定の重要部品に使われる姿が思い浮かぶ
他の電気めっきと似ているなら、z軸方向には毎秒ナノメートル単位を考えるべきで、堆積する金属1モルあたり96,485アンペア秒と、材料に応じた小さな電圧が必要になる。なのでプロセスコストは、おおよそkgあたり10ユーロ未満の1桁台程度に、電解質形態の材料費が加わる水準だと推定する
https://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_constant
人間サイズのタンクの中で、物体が電気めっきによって非常にゆっくり、ずっと成長し、最終的にかなり大きな物体になる場面が思い浮かぶ
この概念は非常に魅力的だ。ただ、私の知る電気めっきは、このように精密で、ある程度速いプロセスとはかなり違うので、実際にどうなるのかはよく分からない
難しい部分は陽極アレイだが、それほど難しくはなさそうだ。TFT画面メーカーが必要なものを作れそうだし、TFT画面は本当に安い
ただし光化学ではなく、電気化学ベースだという違いがある