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クレイPCBチュートリアル

14日前原文(feministhackerspaces.cargo.site)

概要

  • スマートデバイスのハードウェアに含まれる コンフリクトミネラル 問題への着目
  • 地元調達素材を使った エシカルハードウェア 開発の実践
  • フェミニストハッキング の手法を活用した回路基板制作
  • 陶器（ポーセリン） を基板素材として選択・活用
  • 低環境負荷で持続可能な 製造プロセス の詳細解説

エシカルハードウェアとフェミニストハッキングによるPCB制作

  • スマートデバイスの多くに タングステン、スズ、タンタル、金、銀 などのコンフリクトミネラルが含まれる現状
  • 地元で調達した持続可能な素材を利用した エシカルハードウェア の模索
  • 再生可能、低毒性、公正取引、リサイクル、都市鉱山 など多様な生産手段の探求
  • アーティスト的かつ責任ある視点で PCB経済 への挑戦
  • フェミニストハッキング を批評的枠組み・制作手法として応用

プロジェクトの始まりと目標

  • Arduino Uno で使われている ATmega328Pチップ を再利用するアイデア
    • コミュニティハッカースペース「Mz* Baltazar’s Lab」での活動背景
    • 使い古しのArduino基板からチップのみ再利用
  • アナログ・デジタルセンサー入力とLEDやモーター制御など多様な 入出力回路 の設計課題
  • 基板素材として 絶縁性・持続可能性・堅牢性 を満たすものを検討
    • 卵の殻、木板、ワックス、陶器などの選択肢
    • 最終的に 陶器（ポーセリン） を採用

ポーセリン（陶器）の選択理由と特性

  • コンデンサ、ピエゾ、抵抗器 など電子部品で既に使われる歴史
  • 原材料は カオリン（白色・可塑性）、石器陶土（強度・半透明性）
  • 欧州、中国、ブラジル、南アフリカ、ベトナムなどで採掘
  • 高温焼成（1000℃ビスク、1200℃グレーズ） が必要なため、電力消費が課題
  • 低エネルギー・低環境負荷 な製法として、オーストリアの陶芸家Heinz Lackingerの 野焼き技法 を取り入れる

クレイ基板の成形と乾燥

  • 秋の乾燥した時期に 地元の粘土 を採取
  • キッチン用コランダー で異物除去し、廃棄物は自然に返す
  • 1kgのパウダーに約100mlの水で練り、 空気抜き を徹底
  • 六角形タイルカッター（10x10cm） で成形
  • 木製スラット を使い1cm厚に均一化、新聞紙で作業台を保護
  • 180gの粘土 で一枚分、空気抜きと形を整える
  • 麺棒 で平らにし、型抜き後に 3Dプリント製スタンプ で回路を刻印
  • 乾燥は 24時間自然乾燥、理想は木板間で1～2週間重しをかけて乾燥
  • 急乾燥は火のそばで 慎重に進めることで割れを防止
  • 必要に応じて サンドペーパー（#120以上） で表面を滑らかに

回路の塗装と導電素材の選択

  • 陶器用 ゴールドラスター （焼成後導電性）を検討
    • 原料やサプライチェーン不明、直接はんだ付け不可の問題
  • 銀（Silver） ペイントを採用
    • ドイツ製、ジュエリー職人の廃銀粉末利用（都市鉱山的手法）
    • 細筆（0/5号） で回路パターンを慎重に塗装
    • 銀ラインが接触した場合は金属片で修正
    • 入出力端子部は 太筆（0または1号） で塗装
  • 手塗り は廃塗料が少なく、経済的かつ持続可能

焼成と仕上げ

  • 裏庭の穴 を利用し、現地調達の枯れ枝・薪で火を起こす
  • 最初に 基板の追加乾燥 を行い、火床を組む
  • 耐火手袋・ゴーグル・防火服 を着用し、基板を火床に設置
  • 太い枝でベース、細い枝で上部を覆い オーブン効果 を発揮
  • 目標温度 約700℃、焼成時間は 約20分
  • 焼成後、基板が赤熱したら トングで冷水バケツ に移し急冷

このプロセスにより、 持続可能でエシカルな電子基板 の制作が可能となり、自然と共生しながら 新しいハードウェアの在り方 を模索できる。

Hackerたちの意見

陶器はもう電子機器でたくさん使われてるよね。特にセラミックコンデンサーが有名だけど、抵抗器やインダクター、さらにはPCBにも使われてるんだ。例えば、こんなのがあるよね： https://www.bstceramicpcb.com/ceramic-pcb/thick-film-ceramic...

└

記事でもそのことに触れてて、電力消費の観点からセラミックよりも粘土を選んだって言ってるね。でも、なんでその後にオープンの木の火を選んだのかはよくわからない。再生可能じゃない電力よりもずっと汚染がひどいと思うんだけど。

もっと細かい粒子の応用を考えてるんだけど、焼成前にCNC加工ってできるかな？もしかしたら、細かい粒子の印刷スタンプとエアドライ粘土の組み合わせがいいかも。

└

エアドライクレイはあまりうまくいかないと思う。リアルな粘土の熱特性がないし、はんだ付けしたら燃えちゃうんじゃないかな？

PCBを全部やめて、ワイヤラップか「フリーエア」ハンダ付けの方がいい気がする。

└

LQFPやBGAパッケージはどう扱うつもり？

└

そうかもね。この方法の利点は、基板自体が印刷されることだよね。例えば、50個成形して焼成したら、生き残ったやつはみんな同じように見えて、同じように動くはず。導電性のトレースを印刷されたパスに描くのは簡単だし、その後パーツをはんだ付けするのも簡単。デザインとパスがあらかじめ決まっていて、それを機械的にコピー（印刷）するから、最終組み立てに必要なスキルが減るんだ。ワイヤーラップやポイント・ツー・ポイントの方法ももちろん使えるけど、組み立て時のエラーの可能性が高くなるから、うまくやるにはより高いスキルが求められる。組み立てスキルを減らすことが、PCBが一般的になった理由の一部だよね。他の方法も、実際の取り扱いや耐久性の理由から、何らかの基板が必要になることが多いけど。それがパーフボードだったり、物置からの木の端材だったりするかもしれない（固定や接続のために釘やファーネストッククリップを加えることもできる！）。何であれ、たぶん基板に似たものになると思う。でも、この粘土の方法では、その基板の提供がプロセスに組み込まれているんだ。それには独特のエレガンスがあるよね。（そして、すべての論理や理性を脇に置いて考えると、これはアートであることを思い出してほしい。回路の組み立て方法がいくつか存在するのはOKだし、どれかが他よりも優れているのも全然アリだよ。）

面白い実験だけど、逆に3Dプリントの方がオープンファイアよりも排出量が少ないかもしれないね。やったことはないけど、すごくシンプルな回路の早いターンアラウンドには良さそうだよね： https://bsky.app/profile/castpixel.bsky.social/post/3mf52azn...

└

これはアートプロジェクトだね。

└

熱を発生させるものにはあまり向いてないね。1Wを数秒間放熱しただけで、MOSFETがピサの斜塔みたいになっていくのを見たのは衝撃的だった。電源を切るまでの約2秒間だけど。

└

木材（や炭）を燃やすことで出るCO2は、植物が空気中から取り込んだものだから、ある意味ではネットゼロと考えられることもあるよね（どちらかの主張をするつもりはないけど）。地下に閉じ込められていた「新しい」炭素を放出しているわけじゃないから。

└

そのリンク、面白そうだけど開けないよ :(

└

いいプロジェクトだね。実はどこかで似たようなことを考えたことはあるけど、実際にやるエネルギーを注いだことはないんだ。ここでの問題は、銅という金属の出所を倫理的に追跡するのが難しいことかも？それに、この方法だと3Dプリントするたびにプラスチックを新たに使うことになるけど、粘土だと一度だけ使うからね。

└

木材燃焼はCO2中立だけど、換気の悪い谷での微細粒子による汚染問題があるね。

これが高ボリュームの産業プロセスで使えるかどうか気になってる。「私たちはこの熟練した職人と2日間過ごす特権を得て、粘土の見分け方や集め方、古い乾燥した枝を使っての成形と焼成の方法を学びました。」

└

工業用の粘土はどこからでも買えるけど、今回のプロジェクトの趣旨は小規模生産をすることだと思うから、大量生産の新技術を開発することじゃないよね。

└

このプロジェクトの全体的な目的、そして研究グループの意図は、高ボリュームや工業的なプロセスから明確に意図的に逸れる製造方法を探ることだと思う。

次のステップでは、焼成の工程をまるごと省く方法を探るべきだと思う。陶芸は見た目がかっこいいけど、プロセスにはすごくエネルギーが必要だよね。手で削った木の板の上でやることもできるかも？それなら結構平らにできるし。あとは、銅テープ（自分で銅をラミネートするのもありだけど）を使って、自家製の接着剤でくっつけるとか？考えてみると、松ヤニ（松の樹脂＋アルコール）を接着剤にするのもいいかも。銅のラミネートは、スチールローラーやカットする方法がないと難しいかもしれないけど。

└

ちなみに、これらはキャンプファイヤーで焼けるよ！窯なんて必要ない。

エレクトロニクスラボの人間として、持続可能な実践を目指す努力には拍手を送りたい。でも、この回路はPCBなしで、直接ポイント・ツー・ポイントで配線するべきだったと思う。グリーンウォッシュされた代替品よりも、必要ない材料を使わない方がいいよね。それに、製品のライフサイクル全体を考慮することも大事だよ。使い捨ての回路を10個作るのと、すごく耐久性のあるものを1個作るのとでは全然違うから。

└

彼らは「回路は何から作れるか」を調査しているのであって、「これはこの特定の回路にとってより良い媒体だ」と主張しているわけではないよ。これは粘土PCBを作るためのチュートリアルで、技術のデモなんだ。

└

自由な形のワイヤー回路が大好き！

クリエイティブコーディング・ユトレヒトでこれに参加したことがあるよ。オーストリアの森から掘り出したいろんな粘土を持ってきてくれたんだ。ウィーンの地下深くから取ってきた粘土もあって、（確か）新しい地下鉄の掘削から来たものだった。すごく楽しかったし、出来上がったアート作品も満足のいくものだったよ。

いいね！MITメディアラボのハイロー・テク研究グループを思い出す。2010年代初頭のことで、特にハンナ・パーナー・ウィルソンとリア・ビュクリーの「部品なしキット」が印象的だった。彼らは銅メッキされた粘土のデッドバグ回路とか、他にも面白いことをやってたんだ。

理解できるけど、もし成功したら、どこからでも泥を取れるようになるから、環境をさらに破壊することになるんじゃないかな。

└

彼らが置き換えようとしている材料は、アクセスが難しくて、すごく腐食性のある工業プロセスで取り出されたものなんだよね。何を言ってるの？