PowerPoint プレゼンテーション

横浜国立大学

丸尾昭二

横浜ITクラスター交流会 2013.10.16

• 3Dプリンティング技術の原理・種類・特徴 • 光造形法の誕生からマイクロ光造形法へ • ２光子マイクロ光造形法の原理と最新技術 • ２光子マイクロ光造形法のトピックス -シリコーン樹脂型による微細構造転写 ‐カーボンMEMSのための新規光硬化性樹脂 -ラボオンチップ応用 • セラミックスモールディング技術の原理と応用 -透明シリカマイクロ流路 -バイオセラミックス足場 -圧電セラミックス発電素子

Outline

RPから3D printerへ

Rapid prototyping（試作）

↓

Additive Manufacturing (製造)

↓

3D printing (DIY)

プロ向け

量産

大衆化

☆

大衆化

(販売増加！)

→使いやすさ(CADソフト＆ハード）・安全性・低価格

☆

プロフェッショナル

(一定→上昇？)

→ 高精細・高速・大型化・微細化・多様な材料

今後の展開

３Dプリンティングのメリット

• 複雑な３次元形状

を作製可能（CADの活用）

• 多種多様な材料

を利用可能

（プラスチック,金属,セラミックスほか）

• 低コスト

で幅広い応用展開

（工業製品、医療、デザイン、ホビーほか）

• 一定コストで多品種少量生産

が可能

製品数 製作コスト /個 _{従来の製造技術} ３Dプリンティング

代表的な３Dプリンターの方式

・熱溶融積層

Fused Deposition Modeling (FDM)

・シート積層法

（Sheet Lamination）

・インクジェット方式

（Inkjet）

・光造形

Stereolithography (SLA)

・レーザー焼結法

Selective Laser Sintering (SLS)

・指向性エネルギー堆積法

（Directed Energy Deposition）

http://www.marubeni-sys.com/de/3d_modeling/what_3d/modelling_methods1.html http://www.custompartnet.com/wu/laminated-object-manufacturing http://www.marubeni-sys.com/de/3d_modeling/what_3d/modelling_methods2.html http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering http://www.efesto.us/news/3d-metal-printing-mut-and-efesto.html http://www.cmet.co.jp/genri

光造形法（Stereolithography:SLA)

3-D CAD data (Sliced date) 3D structure

Layer-by-layer process

H. Kodama, Rev. Sci. Instrum. 52, 1770 (1981).

代表的な市販装置１

Mojo (Stratasys) 128万円 Model:13x33x13cm ABS樹脂 Replicator 2 (Makerbot) 32万円 Model:29x15x16cm PLAフィラメント RepRap 7万円 オープンソース ハードウェア Cube (3D systems) 16.8万円 Model:14x14x14cm 材料:PLA, ABS他 (全16色／6300円) 積層ピッチ:0.2 mm

FDM

Sheet lamination

SD300Pro (Solidio) ポリ塩化ビニル(PVC) Model: 16x21x14cm 0.168mm積層 147万円～ ステンレス,チタン,銅ほか Model: 100 x 61 x 61 cm (7200タイプ：1.8mサイズ) SonicLayer™ 4000, 7200 (Fabrisonic)

代表的な市販装置２

フルカラー造

形

ProJet860 Pro 3D systems

砂型造形

S-Max Model:180×100×70cm ExOne

透明モデル

（光硬化）

Objet500 Connex Stratasys Model: 49×39×20cm Model: 51×38×23 cm

Inkjet

NRM6000 CMET 3D systems iPro9000XL Model:150×75×55cm Formlabs Model:13x13x17cm 20万円

Form 1

Model：6.5×6.5×9〜 30x30x30 cm 150万円〜 多様な機種ラインナップ

DWS

Model:61×61×50cm

光造形（SLA）

008J 〜 030J

代表的な市販装置３

EOSINT P800

アスペクト

EOS

Model:55x55x50cm CO₂laser 100W or Fiber laser 50W

CONCEPT LASER

Model: 25 x 25 x 28 cm Fibre laser: 200 W (cw) or 400 W (cw) M2 cusing Model: 70 x 38 x 56 cm CO₂laser 50Wx2 導入：都立産業技術研究センター

レーザー焼結法 (SLS)

RaFaEl 300, 550

指向性エネルギー堆積法

(Directed Energy Deposition)

Optmec

Model: 10x10x10 cm 400W IPG Fiber Laser

LENS450 _LENS850 Model: 90x150x90 cm

SCIAKY

Model: 48x 10x 10cm Electron beam DM: Direct Manufacturing

３Dプリンターの活用法

３Dプリンターによるもの作り革命？

金型レス,材料&コスト&製作時間の削減

３Dプリンターによる新ビジネス

個人やデザイナーが最終製品を直接入手＆販売 今までになかったサービス,製品の提供

Manufacture of air duct systems for the F18 fight jet

産業への活用例

最適設計による形状・材質最適化

スペア部品のオンデマンド・オンサイト製造

http://www.rapidpro.nl/assets/Uploads/RapidPro-2012/pdf/TNO-Innovation-for-Life.pdf http://scienceandsociety3030.wikispaces.com/Additive+Manufacturing#cite_note-8 http://www.liftarchitects.com

機械部品の一体成形

DirectSpare

新ビジネスの展開

立体モデルをファックス

思い出プリンター

ネットで３Dプリント

Shapeways http://www.shapeways.com スキャナ ＋ ３Dプリンタ http://www.aiorobotics.com AIO robotics http://www.omote3d. com/index.html http://www.feto3d.com/ http://crayoncreatures.com 個人のアイデアが ダイレクトに製品へ Crayon Creatures 子供が描いた絵が ３Dモデルに！ OMOTE 3D SHASHIN KAN 記念写真が３Dモデルに Tecnologia Humana 3D 胎児の超音波画像から ３Dモデル（医療へも）

ロボットデザイナー＋３Dプリンター

RAPIRO (株式会社ジェイエムシー), KIROBO(株式会社クロスエフェクト)

主要な３Dプリンティング技術

年間発表論文数の推移

Web of Science(Thomson Scientific社) 2013年6月調査

光造形：歴史が長い、論文数が多い

２光子マイクロ光造形法

1.3mm 2.2mm S. Maruo, et al., Opt. Lett. 22, 132 (1997) 5μm

Absorption ∝ (Light intensity)2

Pinpoint Objective lens Photopolymer Femtosecond laser Nature 412, 697 (2001) Kawata lab Times Cited: 1641 Google scholar 5mm

Maruo lab @ YNU

Kawata lab Times Cited: 1011

Google scholar

5μm

加工分解能の向上

Kawata’s group APL 80, 3673.(2002) Nature 412, 697 (2001) Lateral resolution：120nm Depth resolution: 500nm J.W. Perry’s group Opt. Express 15, 3426（2007) λ：520nm Lateral resolution 60nm Lateral resolution 54nm λ：780nm + 532nm Stimulated Emission Depletion (STED) Klar’s group Opt. Express 21, 10831 (2013) J.T. Fourkas’s group Science324, 910（2009) Augmentation through photo-induced deactivation (RAPID) lithography. Depth resolution 40nm λ：fs800nm + cw800nm 1.3mm 2.2mm 1st _{demonstration} S. Maruo, et al., Opt. Lett. 22, 132 (1997) M. Wegener’s group Adv. Mater. 22, 3578( 2010). 65nm

Replication of 3D microstructures with overhangs

3D polymer model Variety of replicas Injection PDMS mold

3D microtransfer molding

Glass model 5μm 5μm

Cone model Bunny model

JST PRESTO

5μm

10μm 10μm 5μm 5μm Tunnel model Microcoil model Membrane Master structure

Master structure _Replica Replica

Cylindrical Membrane

Replication of complex microstructures

with a variety of membranes

2.5μm 2.5μm Plane mambrane Cylindrical membrane 2.5μm 2.5μm

Master model Replica

Mater model Replica

Replication of movable microrotors

New photopolymer for 3D Carbon MEMS

Polymer structure Carbon structure

Shrinkage ratio: 42% Shrinkage ratio: 44% 5mm 5mm 5mm 5mm シーメットとの共同研究

Fabrication time: 15 min.

Lab-on-a-chip produced and driven by light

- Built-in micromachines are produced by light Two-photon microfabrication

- Remote control by light

- Synchronized, High-precision drive of multiple micromachines

- Low-cost, disposable biochips

Lens

Net force

Optical trapping

Laser beam

Micro-object

Microfluidic Technologies for Miniaturized Analysis Systems, MEMS Reference Shelf（Springer 2007） Nano- and Micromaterials Series: Advances in Materials Research , Vol. 9 （Springer 2008）

Optically driven micropumps

Time-shared laser scanning

APL 89, 144101 (2006). _{APL91, 084101 (2007).}

Lobed type Viscous type

Optically driven helical rotor pump

・High-speed rotation is achieved only by laser irradiation ・Laser scanning is unnecessary

・Damage free transportation of biological samples is possible

Channel Laser beam Objective lens Rotor Trapping point Cylinder Helical blades Cylindrical double helical rotor

Polymer model _{Sintered body (Silica)}

1mm diameter：7mm Green body

3D molding of transparent silica microchannel

Collaboration with Prof. J.

Tatami@YNU

Jpn. J. Appl. Phys. 48, 06FK01 (2009).

3D porous scaffolds (Bioceramics)

Sintered body Polymeric mold Incus model 1mm 0.5mm 100μm

Jpn. J. Appl. Phys. 50 06GL15 (2011). Pore size

1mm

inlet

1mm 1mm

スパイラル樹脂鋳型 樹脂鋳型の脱脂 焼結

Sensors and Actuators A 200, 31–36 (2013)

• 3Dプリンティング技術の原理・種類・特徴を解説 • 光造形法の誕生からマイクロ光造形法の最新技術を解説 • ２光子マイクロ光造形法の原理から最新技術までを紹介 • ２光子マイクロ光造形法のトピックス -カーボンMEMSのための新規光硬化性樹脂 -ラボオンチップ応用 • セラミックスモールディング技術の原理と応用 -透明シリカマイクロ流路 -バイオセラミックス足場 -圧電セラミックス発電素子

まとめ