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新展開

• 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).

UV laser beam

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

A European initiative for an innovative approach of Spare Part production

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 丸尾：光アライアンス2013.12月号(出版予定)

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 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

Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009) 06FH05

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

JJAP 48 (2009) 06FH05

2.5μm 2.5μm

Plane

mambrane

Cylindrical

membrane

2.5μm 2.5μm

Master model Replica

Mater model Replica

Replication of movable microrotors

Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009) 06FH05

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.

OPTICAL MATERIALS EXPRESS 3, 875 (2013)

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

5μm 5μm

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

Optics Express 17, 18525 (2009) Proc. of IEEE MHS 2007, pp.16-20.

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)

Spiral energy harvester (Piezo ceramics)

• 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