3D積層造形技術

  • 3D積層造形技術は、従来技術では製造不可能な複雑形状部材を直接造形することができることや、データ通信に対応しうる製造技術であることから、新たな部材製造技術として期待されています。しかし、セラミックスの3D積層造形技術としては、光造形法による小部品の製造に成功している程度に留まるなど、開発の初期段階にあります。これは、セラミックスが脆性かつ高融点の材料であり、また造形時に生じる熱衝撃に弱いという特性を有することから、樹脂や金属で開発された手法をそのまま適⽤することが困難なためです。
  • セラミックスでの積層造形を可能にするためには、原料調整、積層⽅法、固化⽅法などセラミックスにあわせた造形⽅法の開発が必要です。このプロジェクトでは、セラミックスの3D積層造形技術として、粉末積層造形技術、スラリー積層造形技術を開発するともに、直接レーザー焼結技術の開発を行っています。
  • これら2つの造形法は他の3D造形法に⽐べ、複雑形状に対応しやすく、精度が⽐較的優れているという特長があります。粉末積層造形法は、乾式成形であり、密度の高い成形体の作成が困難であるが、ゆがみ等が少ないため多孔質で大型の部材作製に適しています。一⽅、スラリー積層造形法は、湿式成形であり、密度の高い精密な成形体が得られやすいのですが、不均質な固化や乾燥のため、大型部材ではゆがみ等が問題となり、このため緻密質の小型部材や微細な空洞や凹凸を有する精密部材に適した製造手法です。

粉末積層造形技術

粉末積層造形技術
  • 粉末積層造形の例を下に示します。セラミックス原料と樹脂バインダーの混合粉末を材料供給⽤ピストンに準備し、スクイーザもしくはローラー積層システムにより成形部に厚み約0.1 mm 程度の層を供給します。次にレーザーにより所望の形状にスキャンして加熱を行い、樹脂を溶融させて原料粉末を融着させます。成形部パートのシリンダーを層厚み分降下させた後、次の粉末積層を行い、これを繰り返すことで立体形状の成形体が得られます。
  • このプロジェクトでは、粉末積層造形技術をセラミックスの造形に適するように改良発展に努めています。例えば、原料粉末を積層する際には積層密度が高いことが高い成形体密度につながり、さらには後工程での焼結の際に収縮や歪みが少なく寸法精度が良いことにつながります。このため、原料粉末を充填しやすくための原料粉末前処理や、粉末供給⽅法、積層⽅法、圧密⽅法などの各工程の検討、改良を行っています。また、レーザー照射条件の最適化や脱脂、焼結などの後処理技術の検討も重要です。

スラリー積層造形技術

スラリー積層造形技術
  • スラリー積層造形技術では、光硬化性もしくは熱硬化性の液体樹脂に、セラミックス微粒子を分散させたスラリーを⽤い、3次元造形物を精密かつ高速に作製する手法を確立することを目指しています。図のように、スラリーを機械制御のナイフエッジで基板上に塗布し、レーザー照射により光硬化もしくは熱硬化を限定領域で生じさせ、任意形状の2次元断面を形成させます。これを繰り返すことで、粉末積層造形と同じように立体形状の成形体が得られます。
  • セラミックス微粒子を液体樹脂に混合する際には、攪拌脱泡法等により脱泡と同時に高濃度の分散を図るとともに、各種形状の部材の造形に対応した最適な混合条件等を検討しています。また、レーザー照射条件の制御し硬化深度を調整することにより、層間が確実に接合した部材の成形を試みています。さらに、高密度なセラミックス部材の作製のために、得られた成形体の脱脂および焼結処理を検討、改良しています。

直接レーザー焼結技術

直接レーザー焼結技術
  • セラミックスでも、成形と最終焼結を同時に行う、直接レーザー焼結法への期待が強く、これが実現すれば、後焼結プロセスの省略、焼結炉不要、コスト低減などの大きなメリットが生まれます。このプロジェクトでは、酸化物セラミックスを主成分として酸化物系焼結助剤を添加した系、非酸化物セラミックスを主成分として金属系結合相を添加した系(九州大学に再委託)、非酸化物の共晶系複合セラミックス材料系(東北大学に再委託)を対象とし、それぞれの材料系について直接レーザー焼結にむけた開発を行っています。
  • 基盤的技術として単層の粉体床・スラリー塗布層へのレーザー照射を行い二次元の焼結挙動を明らかにするとともに、材料系や波長によって異なるレーザー吸収挙動/加熱挙動と焼結挙動の関係を系統的に調べています。このようにして得られた単層造形の知⾒を基に、積層造形に関する研究を進めレーザー直接焼結による造形技術の確立を目指しています。