クライ・PCB トゥートリアル

チュートリアル：ウィルドライ（野生の粘土）を用いたプリント回路基板（PCB）の製作

私たちのスマートデバイス内部に組み込まれたハードウェアが、プラスチックだけでなく、tungsten（ wolfram ）、錫、タンタル、銀、金といった紛争鉱物を含んでいることは、公然の秘密です。自然と人類双方の利益を高め、持続可能な実践を発展させ考察することを目的として、地元で採取された素材からの代替的なハードウェアである「倫理的なハードウェア」の開発に取り組み続けています。

私たちが探求しているのは、有性化された、低環境負荷の、非毒性の、公正取引（フェアトレード）を遵守した、リサイクルされた、そして都市採掘による生産手段など、多様な素材とアプローチです。フェミニスト・ハッキングを芸術的方法論および批判的枠組みとして適用し、創造的かつ前向きで責任ある姿勢をもって、既存の一般的な PCB 経済構造に挑戦することを目指しています。

当初の着想は、Arduino Uno（あるいはフェミニストの間では「アイルディナ」と呼ばれることもあります）で広く使用されている ATmega328P チップと動作可能なマイクロコントローラー用 PCB を開発することでした。なぜこのチップを選んだのかといえば、私たちはウィーン、オーストリアに本部を置くフェミニスト・ハックラボ兼芸術家運営の独立空間「Mz* Baltazar's Lab」の一員であり、Arduino Uno が過去 12 年間を通じて私たちが最も愛用してきたマイクロコントローラーだからです。多くのプロトタイプ、アート作品、ワークショップで使用した結果、いくつかの不具合が生じた Arduino ブレードが残されましたが、そのチップ自体は正常に動作するものでしたので、新しいプロジェクトにおいてリサイクルすることを思い至えました。

二つ目の課題は、複数の種類の入力信号（アナログおよびデジタルセンサーからの信号）を受け取り、LED、モーター、スピーカーなどを制御するための多様な出力信号を生成できる電気回路を設計することでした。

PCB の基盤となるために、絶縁性、持続可能性、耐久性を備えた素材が必要とされました（鶏卵殻？木製プレート？ワックス？セラミック？）。私たちは即座にセラミック、特にポルセランを選定しました。これはすでにコンデンサ、ピエゾ素子、抵抗器などの電子部品において重要な役割を果たしているからです。ポルセランとは、ケイ酸塩鉱物であるカオリン（塑性性および白色をもたらす主成分）と石器用粘土（透過性と硬度をもたらする第二の成分）から工業的に作製される材料です。これらは世界規模で採取・採掘されている一般的な商品であり、ヨーロッパでは小規模に、中国やブラジル、南アフリカ共和国、ベトナム（その他を含む）などでは大規模に行われています。

陶芸においてポルセラン（中国泥とも呼ばれます）は非常に繊細で感受性のある素材であり、他の産業用粘土よりも制御が難しいため、独自の主体性さえ持っているとさえ言えます。さらに、石器用粘土のようなより硬く耐性の高い粘土とともに、通常二段階の比較的高温での焼成を必要とします。第一段階では約 1000℃の温度で行われる「素地（ビスク）」焼成、第二段階では電気窯で約 1200℃の温度における釉薬掛けの焼成が必要です。当初のポルセランを使った実験において、私たちは即座に高い温度に伴う電気消費量が、私たちの倫理的ハードウェアの基準と相容れないことを認識しました。

エネルギー消費を低減し環境負荷を最小限にする方法で粘土を成形するという課題に取り組んでいた最中、オーデル・ドネルズキルン（オーストリアのブーゲンランド州）に在住する陶芸職人であるハインツ・ラッキンガーの仕事に出合いました。彼はprehistoric techniques（史前技術）を用いて、開放的な薪火で粘土を焼く手法を取り入れています。高度な機械を使用する代わりに、彼の 18 世紀の家の敷地にある単純な穴を活用しています。私たちはこの熟練した職人と 2 日間の共同作業を行う幸運に恵まれ、粘土の採取と識別方法、そして森の地面から集めた乾いた枝を用いてモデル成形と焼成する方法を学びました。粘土がその多くの特性を意識しながら、かつ少量ずつだけ採取される場合、このプロセスは 100% フェアトレードであり、地元調達型のハードウェア生産方式との整合性を持ちます。以下への知見は、ハインツ・ラッキンガー氏によるワークショップでの親切な知識の継承と、その後の私たち自身の技術を実際の自然粘土を用いた PCB ブレード製作に適用するための実験に由来します。

私たちは秋の初め、乾燥した天候の下で粘土を採取しました。この時期の土壌は主に乾燥していますが、アルミナ単体ではありません：小さな石、植物、さらには小型の昆虫も見つかることがあります。粘土がこれほど乾燥している場合、不要な廃棄物を篩い分けるためのネットを用いて洗浄するのが最も簡単です。私たちが愛用する道具は、標準的なキッチンのこし器です。収集した廃棄物は大地に返すのが望ましいため、再び土中へ戻します。

最終的に得られるのは微粉末状の粘土であり、これを水で調整する必要があります。私たちが計算した割合は、微粉末 1 キログラムあたり平均して 100 ミリリットルの水です。混合方法は小麦粉と水を混ぜるのに似ていますが、不遇な状況（grumps の意）を伴うことなく行えます。約 10 分間のマッサージの後、粘土の塊のような状態になるはずです。粘土がまとわりつき、かつ内部の空気を含んでいないことが重要です。

PCB ブレードの形状として、直径または辺長 10 センチメートルの六角形のタイルカッターを使用しました。これは大多数のセラミックショップで入手可能です。六角形を選択したのはタイルの形式が必須ではないためですが、印刷可能な表面積が約 10x10cm を維持する限り、任意の形状と厚さを自由に選べます。私たちは、これらのブレードを互いに並べて配置し、電気的に接続することを目指してこの形状とサイズを選びました。しかし、最終的にはこのアイデアは断念しました。なぜなら、この素材では直線状の縁を正確に揃えることが非常に困難だったためです。

プロセスを円滑に進めるために、厚さ 1cm の薄い木板を二枚使い、クランプでテーブルに固定しました。両板の間隔は約 10cm です。また、テーブル表面（石膏仕上げのが最も適しています）に粘土が付着しないよう、その下には新聞紙を敷きました。粘土を二枚の板間に配置する前に、少量ずつ準備することが重要です。各ブレードには約 180g の粘土が必要ですが、推奨される量は約 220g を用意し、1 分間捏ねて空気泡を完全に除去してボール状に成形することです。（もし粘土が均一でない場合、平らな表面に対して強く投げつけるようにして繰り返し操作することをお勧めします。）準備が整ったら、それを板間に配置し、軽く押さえつつ押し当てて、望む範囲まで扁平になるまで圧力をかけます。私々はロールピン（麺打ちの杖）を用いて粘土を 1cm の厚さに薄く伸ばしました。

粘土が非常に脆く、弾性も産業用タイプほど低いことに気づくでしょう。特に縁部で割れこみが起こりやすくなりますが、内側のカッターエリアには含まれていなければ問題ありません。

六角形タイルカッターを使って六角形を切り出した後、3D 印刷面を下にして粘土の上にス탲ンプ（捺型）を優しく配置します。ある程度の力を加えることは重要ですが、それは比較的穏やかに行い、回路パターンが粘土に転写されるまで続けます。このプロセスでは、粘土を縁部で少し変形させることになりますが、乾いた後にサンドペーパーを用いて余分な素材を取り除くことができます。また別の技術としては、ス탲ンプをタイルカッター内部に配置し、切り込みと捺型を同時に行う方法もあります。これは有効であることが観察されています。ただし、カッターを押し付ける際に捺型の品質を確認するのは難しい面があります。また、回路パターンの幅が細くなるため、塗装プロセスがやや困難になる可能性があります。

通常、ブレードは塗装前に屋外で自然乾燥させ、24 時間経過後に塗装します。ただしこの期間は天候依存です。成形から焼成までの間がより長い場合、理想적으로는屋内で 1〜2 週間乾燥させることが推奨されます。木製のプレートの間に位置させ、上面のプレートに重量を加えることで、乾燥中に変形せず平坦な表面を維持できます（ブレードと木材の間に新聞紙を挟むことをお勧めします）。もしブレードを速やかに乾燥させたい場合は、薪火の周囲で置いても可能です。乾燥中の温度差によるストレスを避けるためには、可能であれば徐々に火へ近づけること（一歩ずつ）が最適です。

ブレードが 100% 完全に乾燥したかどうかは、色がより明るく均一に見えるかによって判断できます。完全に乾燥していない場合でも、縁部は薄くなり色淡くなっていますが、中央部では粘土はまだ暗く湿っています。私たちの経験からは、回路を塗装する前に少なくともこれだけの時間を経済させることが必要であることが示唆されます。希望すれば、120 番目より細かいサンドペーパーを用いてブレードを優しくサンディングすることで、塗装プロセスを円滑化することができます。サンディング後は板に塵が付着していないことを確認し、その上で塗装を開始します。

回路の塗装

セラミックスで利用可能な導電性素材を探している最中に、焼成後に導電性を発現する金メタリックエナメル（ポルセランの金色装飾によく用いられる）に出会いました。最初に直面した問題点は、この製品は通常、金の供給源やその commodity chain に関する情報を一切提供しないセラミックショップで販売されていることです。二つ目の問題は、この金メタリックエナメルに直接ハンダ付けすることが不可能であり、したがって別の貴金属を系に加える必要があったことです。課題は、錫（主にハンダ付け用）、銅、真鍮、銀など、ハンダ付け可能で入手しやすい貴金属の中から、約 700℃の焼成プロセスを耐えつつかつ導電性を保持できるものを見つけることでした。錫は融点が非常に低く、銅は約 1000℃で熔化しますが、火中での酸化が急激に起こるため導電性を失い、真鍮も同様です。残された選択肢は銀であり、これは火で酸化しても導電性を維持します。また、金は銀よりも安価であり、金細工師によって広く使用されています。私たちはドイツの企業から、宝石職人によって収集された廃銀粉末を用いて製造されている銀色のペイントを見出すことができました。これは銀の塵による都市採掘技術に例えられます。

回路を塗装するには、サイズ 0/5 の非常に細かいブラシが必要です。まず ATmega チップがハンダ付けされる中央部分から始めることをお勧めします。これらと同様に、入力および出力コネクターのピンにはより多くの銀ペイントを適用する必要があります。銀色のライン同士が接触していないことが重要です。もしそうなってしまう場合（それは常々起こります）、細い金属片を用いてこするようにして修正できます。入力および出力コネクターのピンについては塗布面積が大きいため、太いブラシ（サイズ 0 または 1）を使用しました。

時間のかかる手による塗装を行わずに回路を印刷する他の多くの方法が存在したでしょう（例えばステンシルマスクを用いてスプレーや別の転写技法を使用するなど）。私たちがこの手法を選んだ理由は、廃棄ペイントがほぼ生じないためより経済的かつ持続可能な点にあります。

焼成

ブレードの焼成は自家庭園で行い、当初からその目的のために掘られた穴を再利用しました。木材は現場で収集され、乾いた枝と私たちの木から採取した古い枝で構成されていました。通常の火を起こして熱を発生させ、周囲にすべてのブレードを配置して乾燥プロセスを完了させました。同時に、大まかに同じサイズながら二つの厚さのカテゴリーを持つ薪を収集しました。太い枝はブレードの基部として、細い枝は上段として使用できます。

最初の火が安定する間に、板用の「床」を構築するために第一層を平行に配置し、第二層を横方向に上に重ねていきます。適切な防火手袋、眼鏡、衣服を着用し、「床」/ラックの上部にブレードを追加します。BBQ 用クランプピンセットを使用してブレードを取り扱います。

同じプロセスを繰り返して第二層を迅速に追加しますが、今回は細い枝を使用します。これにより火は拡大し、セラミック製品に対してオーブン効果を提供します。最大温度は約 700℃であるべきですが、制御が難しいことを念頭に置いてください。私たちの経験では、準備完了に必要な平均時間は 20 分であり、その間火を維持しておく必要があります。20 分後には火を弱め、ブレードを確認してください。ブレードが火の中で発光しているのが見える時が、それが完了したサインです。クランプピンセットを用いて、ブレードを火からすぐに取り出し、冷水の入ったバケツに移します。移した後、ピンセットを持ったまま数秒間保持し続けます。これは通常、粘土に対する最終的な「試行」テストです。空気泡、石、ひび割れがなく、適切に乾燥していれば冷水にも耐えることができます。

以下には完全マニュアルを含む PDF をダウンロードできます：[リンクプレースホルダー]

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クレジット：

• コンセプトとデザイン: パトリシア・J・レイス & ステファニー・ウォシュッチツ
• PCB デザイン: パトリシア・J・レイス & ダニエル・シャッツマイアール
• 3D プリンティング: クレメンス・コルホイズ
• 粘土研究: パトリシア・J・レイス