2インチの大口径リン光ガラス（Pig）サンプル製造において、コールド等方圧プレス（Cip）が必要なのはなぜですか？

コールド等方圧プレス（CIP）は、大口径リン光ガラス（PiG）サンプルにとって不可欠です。なぜなら、従来のプレス方法に固有の不均一な密度分布を効果的に解消できるからです。 2インチもの大きさのサンプルを製造する場合、標準的な一軸プレスでは均一な力を供給できず、構造的な不整合が生じます。CIPは、あらゆる方向から均等な圧力を印加することでこの問題を解決し、材料が必要とする高密度と均一性を確保し、信頼性の高い性能を実現します。

CIPの主な利点は、通常約250 MPaの液体媒体を介して全方向性圧力を印加することです。これにより、残留内部気孔が除去され、気孔率が0.37%未満に低減されます。これは、大規模PiG材料の機械的信頼性と熱安定性を確保するための重要な閾値です。

従来のプレスの物理的課題の克服

密度勾配の問題

従来の単軸プレスでは、力は単一の方向（上から下または下から上）に印加されます。小部品の場合はこれで十分なことがよくあります。

しかし、2インチの大口径サンプルでは、粉末とダイ壁との間の摩擦により、大きな圧力勾配が生じます。これにより、「密度勾配」が生じ、サンプルの中心と端部で密度が異なります。

不均一分布のリスク

密度が不均一なサンプルを焼結（焼成）すると、収縮も不均一になります。この差収縮は内部応力を引き起こします。

リン光ガラスのような脆性材料の場合、これらの応力は反り、歪み、または微細亀裂として現れ、大きなサンプルが使用不能になります。

コールド等方圧プレス（CIP）のメカニズム

等方性圧力印加

CIPは、サンプルを柔軟な金型に封入し、液体媒体に浸漬することで、摩擦の問題を回避します。

パスカルの原理によれば、液体に加えられた圧力はあらゆる方向に均等に伝達されます。これにより、2インチプレートのすべての平方ミリメートルが全く同じ圧縮力を受けることが保証されます。

「グリーン強度」の向上

このプロセスは、焼結されていない部品に「グリーン強度」として知られる significant な強度を付与します。

これにより、壊れやすい大きなプリフォームを、焼成前に破損することなく取り扱ったり加工したりできるようになり、製造中の歩留まり低下を削減できます。

PiG性能における重要な利点

気孔率の最小化

気孔率は、PiGのような光学材料における主要な欠陥です。CIPの高圧（例：250 MPa）は、機械的プレスでは不可能なほど粒子をより密な配置に押し込みます。

これにより気孔率が大幅に低下し、特に0.37%未満になります。これは、光の散乱を低減し、破損点となりうる空隙を排除します。

熱安定性の確保

PiG材料は、動作中にしばしば熱にさらされます。材料密度が不均一な場合、熱は均一に放散されません。

均一な焼結を保証することで、CIPは材料が熱負荷下で均一に膨張・収縮することを保証し、熱衝撃による破損を防ぎます。

予測可能な収縮

2インチプレート全体で密度が均一であるため、焼結中の収縮は予測可能で一貫しています。

これにより、「ニアネット」形状の作成が可能になり、寸法を修正するための高価でリスクの高い後処理加工の必要性を最小限に抑えることができます。

トレードオフの理解

処理の複雑さと品質

CIPは、一般的に高速の一軸プレスと比較して、より遅いバッチ処理です。液体管理と柔軟な工具が必要です。

しかし、大規模PiGプレートのような高付加価値部品の場合、プロセスのコストは、スクラップ部品の削減と、焼結後の広範な修正の排除によって相殺されます。

目標に合った適切な選択

主な焦点が光学的・機械的信頼性にある場合： 気孔率を0.37%未満に保ち、内部構造欠陥を排除するためにCIPを使用する必要があります。
主な焦点が寸法精度にある場合： 焼結中の反りを防ぐために、2インチ全体にわたる均一な収縮を保証するためにCIPが必要です。
主な焦点が歩留まりにある場合： CIPを使用して部品の「グリーン強度」を高め、焼結前の取り扱い中の破損を防ぎます。

2インチPiGサンプルにとって、CIPは単なる最適化ステップではなく、必然的に構造的破損につながる密度勾配を防ぐための製造上の前提条件です。

概要表：

特徴	従来の単軸プレス	コールド等方圧プレス（CIP）
圧力方向	一方向（上から下/下から上）	全方向性（360°等方性）
密度分布	不均一（密度勾配）	サンプル全体で均一
気孔率制御	残留気孔が多い	気孔率を最小化（<0.37%）
焼結結果	反りや微細亀裂のリスクあり	予測可能で均一な収縮
グリーン強度	中程度	高い（取り扱い時の破損を削減）

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参考文献

Hsing-Kun Shih, Wood-Hi Cheng. High Performance and Reliability of Two-Inch Phosphor-in-Glass for White Light-Emitting Diodes Employing Novel Wet-Type Cold Isostatic Pressing. DOI: 10.1109/jphot.2021.3072029

この記事は、以下の技術情報にも基づいています Kintek Press ナレッジベース .