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光造形と無電解めっきを組み合わせ、金属・プラスチック複合材料部品を製作ー早稲田大学

早稲田大学

早稲田大学の 梅津 信二郎教授を中心とした研究グループは、光造形3Dプリンティングと無電解めっきを組み合わせた新たな手法によって、複雑な形状を有する金属・プラスチック複合材料部品を製作することに成功した。本研究成果は、「ACS Applied Materials & Interfaces」にて、2022年10月6日に掲載された。

論文名:New Metal–Plastic Hybrid Additive Manufacturing for Precise Fabrication of Arbitrary Metal Patterns on External and Even Internal Surfaces of 3D Plastic Structures

金属・プラスチック複合材料部品が造形可能になる研究

金属とプラスチックは全く異なる物性を持つが、それぞれが近代産業を牽引してきた重要な材料群だ。

金属とプラスチックは両者の特徴を補完しながら優れた機能を発揮する例も多い。例えば、電子回路が挙げられる。

プリント基板は単なるプラスチックに過ぎないが、この上に回路部品(抵抗やトランジスタなど)を配置し、金属導線で繋げば、回路が構成される。プリント基板は絶縁体の役割も果たし、漏電が起きにくい。

このプリント基板というシステムは、電化製品の量産を支えた重要な技術だ。

近年、IoTなどで注目されるセンサーも、基本的にはプラスチックの筐体と、電子部品、及び金属導線で構成されている。ただし、センサーの小型化や多機能化を進める中で、従来の製法ではプラスチック側の加工精度に限界が見えてきた。センサーなどの加工に3Dプリンタの活用が広がっているのは、これが理由だ。

3Dプリンタを活用した回路製作については、以下の記事も参照して頂きたい。

>>MITの研究チームが衛星用プラズマセンサの作製に3Dプリンターを活用

>>3Dプリンターを用いたシングルステッププロセスで、自律駆動ロボットを試作することに成功

プラスチックと金属、両者に複雑な加工を施すことは不可能ではない。例えば、樹脂3Dプリンタで造形した後、金属3Dプリンタで追加の加工を施せばよい。

しかし、この方法では大変なコストが掛かる。実用上、金属・プラスチック複合材料部品には、精度とコストのトレードオフがあると言えるだろう。

光造形と無電解めっきの組み合わせで実現

光造形と無電解めっきを組み合わせた造形プロセスの概要(出典:早稲田大学)

早稲田大学理工学術院の梅津 信二郎教授、シンガポール南洋理工大学の佐藤 裕崇教授らの研究グループは、複雑な形状を有する金属・プラスチック複合材料部品の製作に、光造形と無電解めっきを取り入れ、問題の解決を図った。

無電解めっきとは、電気を流さず、化学的に還元反応を起こし、金属を析出させるめっきを指す。無電解めっきは、ガラス表面に銀を析出させ鏡を作る、といった用途において伝統的に用いられてきた。

研究グループは、まず、通常の樹脂と金属イオンを含有した樹脂の2種類の樹脂を用意した。金属イオン含有樹脂は、特殊な溶液に浸すと表面に均一な厚みの金属が析出する。

この2種類の樹脂を使い分けて立体物を光造形し、その後、専用の溶液に全体を浸漬させれば、金属イオン含有樹脂で構成された部分のみ選択的に金属被膜が現れる、という仕組みだ。

将来的に樹脂3Dプリンターだけでプリント基板を製造できるかも

本手法による解像度は40μm程度。種類にもよるがセンサー用電子回路の導線を作る程度なら、十分な解像度と言えるだろう。また、溶液への浸漬自体に複雑な機器は必要ないため、実質的に光造形3Dプリンタさえあれば、本プロセスを実行できる。つまり、金属3Dプリンタと樹脂3Dプリンタを使い分ける必要がなく、安価で複雑な複合形状を構築できるようになった。

本技術は、ロボットやIoTといった次世代デバイスの開発に大きく貢献するだけでなく、これまで存在しなかった新たな金属・プラスチック複合材料部品の創出に寄与することが予想される。

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