- 2022-5-31
- Nessan Cleary 記事紹介
最近 Quanticaという面白い会社に出会いました。この会社は 3Dプリンティング市場で事業を展開していますが、ニッチなアプリケーションに集中する一方で、プリンターだけでなく、独自のインクジェットプリントヘッドを開発するというユニークなアプローチを取っています。
この T1 Proのプリントヘッドには、Quanticaの NovoJet技術が使われています
今年初め、Xaarの元最高技術責任者で、現在は Quanticaの CTOを務める Ramon Borrell氏にお会いしたことがあるのですが、彼はこう言っていました。彼によると、ほとんどの 3Dプリンターは一度に 1つの材料しかプリントできず、これは多くのアプリケーションにとってかなり深刻な制限であると指摘します。「世界はマルチマテリアルであり、層や組み合わせがあります。」
ドイツのベルリン近郊に拠点を置く同社は、2018年に Ludwig Färberが中心となって設立されました。彼は以前、同じくマルチマテリアル 3Dプリンターを開発したとするドイツの企業 Next Dynamicsの CTOを務めていました。Next Dynamicsは、Kickstarterキャンペーンによる資金調達に問題があり、閉鎖されました。Färber氏はこう語りました。「私にも責任はありますが、投資家の過剰なプレッシャーが原因です。Kickstarterと一緒にキャンペーンを中止することを決めたので、誰も損をせず、支援者のコミュニティにもダメージはありませんでした ：
当然のことながら、彼は Quanticaでは異なるアプローチを取り、上場する前にまず技術を開発することを選択しました。その結果、Quanticaは初期の製品開発段階をベンチャーキャピタルの資金で支え、2021年 10月に初めて公表を開始した。その投資家の一人が、現 CEOのクラウス・モーゼヘルムです。ボレル氏はその手法を説明します。”「パートナーとの NRE（Non-recurring Engineering）契約により開発費をシェアし、その利益をパートナーに分配します。また、自社製品の販売も行います。」
ボレルは、同社の小口投資家でもあるが、大企業に買収される気はないと断言し、代わりに、研究開発の資金を援助してくれる業界のパートナーと協力するビジネスモデルであることを強調しました。しかし、まだ歴史の浅い 3Dプリンティングの世界では、大手企業が小規模で革新的な企業を食い物にする傾向があるため、IPOによって会社を守ることができるだろうと、彼は考えています。
クォンティカは、これまでに 3つの特許を申請し、さらに 2つの特許を申請中です。同社は現在、研究開発部門を中心に約 30名の従業員を擁していますが、今年中に 50人程度まで増員し、2024年末には 75人程度まで増やしたいと考えているそうです。ボレルは、「我々の哲学は、アプリケーションの要求が非常に厳しいので、コストがかかっても優秀な人材を採用することです」と述べています。
当初は、プリント基板を製造するためのインクジェットシステムを開発するつもりだったとのことです。しかし、Färber氏は、使用したい素材を妥協することなく使用できるプリントヘッドを見つけることができず、独自の設計に着手したのです。彼はこう付け加えます。「Quanticaの技術は、私が過去に立ち上げたベンチャー企業とは一切関係がありません。プリントヘッドの技術は、Next Dynamics社が閉鎖された後に開発されたものです。
NovoJetプリントヘッド
Quanticaの NovoJetプリントヘッド技術は、非常にユニークなもので、基本的には、大量の PZTを使用したピエゾ電気ヘッドです。一般的なプリントヘッドは、インク室の周囲に小さな動きを作り出し、インクや液体を少しずつ押し出すことで動作しています。そのため、インクには非常に低い粘度が求められます。多くのプリントヘッドでは 20mPa・sを超える粘度のインクを使用することは難しく、また、多くのグラフィックインクは、顔料を高配合する傾向にあるにもかかわらず、平均して 6～8mPa・s程度と、それほど高くはありません。しかし、多くの産業用途では、高分子ポリマーを高濃度で含む機能性液体が必要とされたり、固形分を多く含むため、従来のプリントヘッドでは噴射が困難な高粘度の液体が必要とされることがあります。
そこで、ノボジェットは、このような高粘度材料に対応するために特別に開発されました。ボレルは次のように説明します。「100mPa.s以上の値は、非常に大きな価値があります。産業用途で使用するために配合された材料がたくさんありますが、それらをインクジェットで使用できることは、非常に大きな価値があります」。
ヘッドは、従来のレーザーカット、ミリング、マイクロマシニングによって作られています。現在のバージョンは、1列 88個のノズルを持ち、ノズルピッチは 1.1mmです。ノズル自体の開口部は 60ミクロンで、25plから 600plまでの液滴を生成することが可能で 1〜250mPa.sの液体を扱うことができます。噴射周波数は 4.8kHz。水平方向の解像度は 600dpi、垂直方向は液滴サイズにより 1200dpiまたは 1800dpiです。
開放型のため、液体は急速に補充され、ノズルを通過して再循環する。噴射は、中央の大きなピストンアクチュエータを落とし、その下の開口部から液体を強制的に噴射させることで行います。
その中心は、ノズルプレートとルーフピストンの間のスペースで構成される仮想チャンバーで、周囲は局所的なマニホールドエリアとして開放されています。この開放的な設計により、高粘度液でも高速充填が可能です。また、高流量でノズルの後方まで完全に再循環させることも可能です。クォンティカによると、体積比で最大 40%の 4umの無機粒子を含む流体を噴射することができたとのことです。
これらの材料を噴射するためには、ピストンをノズルに向かって強く駆動し、開口部から流体を強制的に押し出します。液滴の大きさは、ピエゾ電気アクチュエーターにかける電圧を調節して、仮想室の屋根の変位量を調整することで制御することができます。ボレル氏は「歯磨き粉のチューブをハンマーでたたくようなものです。そこにあるものは何でも噴射します。流体であれば、ほとんど何でも噴射しますよ」と説明します。
このため、ピエゾ式プリントヘッドでは一般的な 1〜2mm程度の振動板を 10mmと非常に長くし、非常に大きなたわみを持たせる必要があります。クォンティカ社によると、各アクチュエーターに異なる電圧をかけることで、それぞれのノズルを独立して駆動させ、液滴量を微調整できる可能性があるとのことです。
ノズルプレートはニッケル合金製ですが、ポリアミドやシリコンなど、他の材料も検討しています。ノズルプレートには発熱体が取り付けられており、内蔵された温度センサーによって温度がクローズドループで制御されます。
ノズルプレートは特に冷却材に弱いので、ノズルガードにクリーニング機構を持たせています。また、ノズルを分離するためのメンブレンがあり、このメンブレンを通してプリントヘッド内のガス抜きが行われます。また、密閉式なのでノズルの背圧を保つことができます。
Novojetプリントヘッドは、ノズルとノズルの間にかなり広いスペースを必要とするため、ノズルの数が制限され、その結果、生産性も制限されるため、特定のアプリケーションへの適性はトレードオフの関係にあります。ボレルは、「100ノズルに迫る勢いですが、まだ議論している最中です。ノズルの数が増えれば、システムのコストも上がりますが、生産性も上がるので、適切なバランスを見つける必要があるのです。と付け加えました。「ノズルの密度を上げることが、今後数年間の第一の目標です。」
2022年 5月の IPIカンファレンスで Novojet技術を発表した Quantica社の CTO、Ramon Borrell氏
Quantica社は、208個と 624個のノズルを持つ複数のノズル列を持ち、単一材料と複数材料の両方を噴射できる将来のプリントヘッドをリストアップしたロードマップを示しました。ボレル氏は、「薄膜に移行することでさまざまな可能性を考えていますが、高粘度化する機能の一部を失うかもしれません。しかし、高粘度化する機能は失われる可能性があります。そこで問題になるのは、どの程度あきらめることができるかということです。1200ノズル以上のプリントヘッドを設計して、350mPa.secに制限することは可能でしょうか？それでも、Quanticaが 5601薄膜プリントヘッドに携わっていた Xaarの元スタッフを引き抜いたことは注目に値します。
ボレルによれば、1ノズルあたり約 300億滴の液体を使用し、1年間保証するとのことです。ヘッド本体の大きさは 130×18×25mm。非常にコンパクトな設計で、クォンティカは 2023年にこのヘッドを独自のデスクトッププリンターに導入する予定です。クォンティカによると、長さや高さに制限のないスケーラブルな設計になっているとのことです。
Borrell氏は「私たちはプリントヘッドを自社で製造しており、生産量に合わせてスケールアップすることが可能です。まだニッチなアプリケーションなので、何十個でも生産できます」と述べています。さらに、こう付け加えます。「プリントヘッドは比較的シンプルです。多くの部品は外注しています。そのために設計しています。」
このヘッドの第一世代は、粒子が浮遊している樹脂を噴射することができます。次世代では、研磨剤や高粒子入りの樹脂をプリントし、さまざまな素材の組み合わせで、さまざまな機能アプリケーションを可能にする予定です。これには、シングルユース用途に適した生分解性材料や、藻類や植物由来物質などのバイオベースの材料源も含まれます。また、さまざまな医療用途に適した生体適合性材料もあります。
ESMAが最近開催した Industrial Print Integrationコンファレンスでは、確かにこの技術にかなりの関心が寄せられており、ボレルもこの技術について話しています。クオンティカは、これまで主に 3Dプリントの用途に注力してきましたが、高粘度の材料を噴射できるようになれば、多くの産業用途に適していることは明らかです。この話には後半があり、数日後に掲載する予定です。そこでは、クォンティカが開発中の 3Dプリンターと、この技術の潜在的な用途のいくつかを紹介する予定です。それまでの間、詳細は quantica3d.comからご覧いただけます。
