生産技術

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金属材料

鉄

鉄は地球上に大量に存在（O:47%,Si:28%,Al:8.1%,Fe:5.0%）しており、還元するためのエネルギーが少ない（金属は基本的に酸化物として存在している）ため古くから使われている。また鉄は炭素と合金をなし性質を調整しやすい

製鉄所

よく使う金属材料

JIS 名 名前 組成 切削 焼入 切削 溶接 伸び 用途 円/kg 備考
SS400 構造用鋼 C0.2 ○ 構造 80 構造用鋼
S20C 炭素 0.2% C0.2 ○ 用途 90 SS400 と同じ
S45C 炭素 0.45% C0.45 ○ 用途 90 耐摩耗性
SK5 工具鋼 5 種 C0.8 ○ 工具 90 パーライトのみ。熱処理で硬くなる。
SPCC 冷間圧延鋼板 ○ 用途 95
SCM435 クロムモリブデン鋼 C0.35Cr1Mo0.3 ○ 用途 110
SKD61 熱間金型工具鋼 ○ 用途 750 耐熱(500°)
SUS304 ステンレス C0.35 ○ 用途 100
FC250 ねずみ鋳造、ズク C2.5~4.0 ○ 鋳造 250 湯流れがよいので複雑な鋳造。要焼鈍し。
FCD400 球状黒鉛鋳鉄、ダクタイル ○ 用途 90 注湯前に Mg:0.05%添加 → グラファイトが丸くなる
A1050 純アルミ 用途 90
A2017 ジュラルミン Mg 用途 90
A5052 Mg 固溶 用途 90
A6063 Mg-Si 用途 90
A7075 超々ジュラルミン Zn-Mg ○ 用途 90
ADC12 Si12 ○ 用途 90
C1100 電気銅 ○ 用途 90
C3604 黄銅、真鍮 ○ 用途 90

材料と成形

鉄鋼 CFRP
価格 1 100
引張強度 3 1
密度 5 1
密度比引張強度 1 2
ミクロ構造 フェライト粒子粒 炭素繊維

鉄鋼

FRP

試験

CFRC

切削

圧延

工作機械

加工時に発生する加工力・振動・熱などによって精度が落ちる

鋳鉄 鋼 インバー グラファイト エポキシ，レジンコンクリート アルミナセラミック ゼロデュール
ヤング率 100 210 140 40 33 240 91
密度
比剛性
対数減衰率 振動応答
線膨張係数
熱伝導率
温度伝導率

粉体プロセス

  1. 分散
    • 液体に材料を入れて溶かし、材料の分子結合をほどく
  2. 混錬
    • さまざまな分子をムラなく混ぜる
  3. 塗布
    • 基板上に混合液を塗布する
  4. 乾燥焼結
    • 1 で溶かした液体を飛ばす
    • 結晶などの構造が決まる

燃料電池

コンデンサ

半導体プロセス

石英 (SiO2) → 金属シリコン (Si 98%) → 単結晶シリコン → シリコンウェーハ

  1. 成膜
    • スパッタリング
      • Ar が Al に衝突して Al 原子が飛び出し、基板上にくっつく
      • Al が酸化しないように真空引き
      • エネルギ大
      • 高融点な材料を成膜できる
    • 蒸着
      • W フィラメントで Al を蒸発させる
    • CVD
      • \(\rm{}SiH_4 + O_2 \rightarrow SiO_2 + 2\,H_2\)
      • 等方的
      • 材料に制限
  2. リソグラフィ
    • フォトリソグラフィ
      • 大量生産向け
      • マスクが高い
        • EB で作ってるので
    • EB リソグラフィ
      • EB（電子ビーム）で直接描く
      • 一筆書きなのでサイクルタイムが長い
      • 細かいパターニングが可能
      • 一品もの、研究用途
    • ナノインプリント
      • 回折限界がない
      • 片あたりの問題
  3. エッチング
    • ウェットエッチング
      • 等方的
      • サイドエッチング（まわりこみ）に注意
      • \(\rm{} Cu + 2\,FeCl_3 \ra CuCl_2 + 2\,FeCl_2\)
      • \(\rm{} Si + KOH \ra K_2SiO_3 + H_2\)
    • リフトオフ
    • ドライエッチング
      • RIE(Reactive Ion Etching)
      • 材料と反応性ガスの組み合わせ
      • スパッタリングのターゲット側に基板があるイメージ
      • \(\rm{} Al + 3\,Cl \ra AlCl_3\)
  4. 洗浄
    • 有機溶媒でレジストを溶かす
    • \(\rm{}O_2\) プラズマで焼き切る
  5. 熱酸化、ドーピング
    • 900°C の水蒸気酸化で \(\rm{} Si \ra SiO_2\)
    • As,P,B をドープ
  6. CMP (Chemical Mechanical Pollshing)

MOS のプロセス

HDD

SSD

レーザープリンタ

テレビ・モニタ

年代 原理 長所 短所
CRT ブラウン管 1925~2005 加速電子 → 蛍光 高効率 薄くできない
SED 表面電界放出 ~2010 薄い
PDP プラズマ 1992~2014 → 黒がきれい
LCD 液晶 1988~202?
OEL(OLED) 有機 EL 2010~ 電流 → 発光 高効率
LED

レーザー

レーザーの特徴

レーザー発振の原理

1. 励起

媒質にエネルギーを当てて励起させる。反転分布（基底状態より励起状態のほうが多い分布）になるまで励起させる。

励起方法

2. 誘導放出

励起された電子はある時間（蛍光寿命）経つと、基底状態にもどり、このときに光を放出する（自然放出）。光の波長は \(\Delta E = h\f{c}{\lambda}\) 。自然放出された光が、同じ励起状態にある電子にあたると、まったく同じ状態の（周波数はもちろん、位相、偏光も同じ）光を放出する（誘導放出）。

3. 増幅

光量子束密度

\[ \phi(z) = \f{I(z)}{h\nu} \]

光子と原子が衝突する頻度

\[ W = \phi\sigma \]

\(\sigma\) : 原子の（吸収）断面積

\(z\) ~ \(z+dz\) の領域で、誘導放出と吸光する光子数の関係は、

\[ \phi(z+dz) = \phi(z) + N_2Wdz - N_1Wdz \]

\[ \d{\phi}{z} = (N_2-N_1) \sigma \phi \]

\[ \phi(z) = \phi(0)\exp\{(N_2-N_1)\sigma z\} \]

☆ \(N_2>N_1\)（反転分布） のとき増幅される！

半導体レーザー

np

CO2 レーザー

レーザーポインタ

レーザー加工

接合の技術

技術選定のキーワード

界面に働く力

接合している面には、さまざまな効果による力が複雑に働いている。

まとめ

加工温度
機械的 ボルト・ナット
リベット
かしめ
圧入
焼嵌め 高
冷やし嵌め 低
化学的 接着剤
粘着テープ
材料的 溶接 高
ろう接 中
圧接

機械締結

かしめ

圧入

焼嵌め・冷やし嵌め

粘着テープ

接着剤

溶接

アーク溶接

鑞接

溶着

圧接

撹拌接合 (Friction Stir Welding)

拡散接合

陽極接合

膜付け