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月面基地用建材をレーザー3 Dプリンターでアクチノイド錯体の円偏光ルミネッセンスの計測に向けてISSN 0914-9805【表紙図】CAD/CAMデータ（左）とそれに対応する高地シミュラントLHS-1を用いた造形物（右）

月面基地用建材を
レーザー3Dプリンターでレーザープロセス研究チーム◆月の模擬砂にレーザーをあて続けて6年

藤田雅之

かない。有償で装置を借りるにしても、砂を入れさせ2018年に（株）大林組から“月の模擬砂”なるものの提てくれる3 Dプリンターなんてあるのか、と心配してい供を受けた。最初はとにかくレーザーを砂に集光してたところ、（ 株）アスペクト（東京都多摩市）と滋賀県工どうなるかのお試しであった。レーザーで砂を焼くと業技術総合センター（栗東市）が快く対応してくれた。

いうよりは、溶かしてどうなるのか、溶けて固まった砂

レーザーの出力や掃引速度などを最適化していき、最の形状をコントロールできるのか、というところから

大40 m m角程度の立方体を積層造形することができた

この研究は始まった。溶けた砂はビーズ状に固まる。 （レーザークロス No.400、2022年4月）。アスペクトにそれらがくっついて層をなす。ボルトとナットで簡易は6回、滋賀県工業技術総合センターには10回以上通っのパウダーベッドを作って積み重ねると円柱状のブて実験を進めた。

ロックができた（レーザークロス No.391、2020年10月）。

それなりの大きさになってくると、造形ができるで直径20mm、高さ18mm程度の円柱ができたものの、手きないの話ではなくなってきた。レーザーで焼き固め作業でこれ以上の大きさを作るには無理があった。

たブロックは月面基地用建材として使えるのか、とい次は、砂の供給を自動化して大きな造形物を作りたうことが問われてきた。用途に応じた圧縮や曲げの力いところである。市販の3 Dプリンターを使えばそれはに耐えられるのか、に答えを出すべく強度試験を進め可能であるが、1台数千万円の装置を買うわけにもいていった（レーザークロス N o .410、2023年）。ここま公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス

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月面基地用建材をレーザー3Dプリンターで【図3】これまで試してきたDEDヘッド：(a) Z軸ステー
ジ、(b) ロボットアーム、(c) 多軸マシニングセンタの主軸に装着されている様子
では、CAD（Computer-Aided Design）データを入力すると複雑形状でも掃引の順番や方向などが自動で制【図1】2種類の月の模擬砂とそれを用いた造形物：(a), (c) FJS-1（海）、（ｂ）, (d) LHS-1（高地）

御される（CAM : Computer-Aided Manufacturing）ようになっている。

◆2種類のレーザー加熱3 Dプリンター

でくると、さらに話が進んでくる。今では、重力1/6かレーザーで粉体を加熱して積層造形する3 Dプリン

つ真空の月面環境でそもそも3 Dプリンターは使えるのターとしては、PBF（Powder Bed Fusion：粉末床溶か、どう使うのか、ということを明らかにするように求融結合）法とDED（Directed Energy Deposition：指められている。

向性エネルギー堆積）法の2種類がある。月の模擬砂を◆2種類の模擬砂（シミュラント）材料として積層造形するにはどちらが適しているの月面環境を考慮すると同時に、月面の土質に対するか、この6年間、両者を比較してきた。最初は手作業の対応も迫られている。これまで黒い月の模擬砂（F J S -P B F法でスタートして、アスペクト社のP B F造形装置

1）を使ってきたが、月表面には白っぽいところと黒っ（RaFaEl Ⅱ 150-HT）、滋賀県工業技術総合センターのぽいところがある。黒っぽいところは濃い色の玄武岩

DED造形装置（LAMDA200）を使って積層実験を進めで覆われていて、月の海と呼ばれており“餅をつくウサてきた。

ギ”に見えると言われているところである。一方で、一般的な市販装置に限って言えば、P B F法はレー

白っぽいところは月の高地に対応するところで、斜長ザー集光径が数100μmであり、精密造形や中空構造の岩成分が多くL H S -1と呼ばれるシミュラントを購入す造形に適している。一方で、D E D法はレーザー集光径ることができる。人類が最初に月面基地を建設する予が約4m mで大型の造形に適している。だがこれは、あ定の極域の土質はLHS-1に近いと言われている。図1に

くまで地上で使われている市販装置の話である。

2種類の月の模擬砂とそれを用いた造形物を示す。図◆月面で使うにはそれぞれ一長一短

１ (a), (c)がFJS-1、(b), (d)がLHS-1の砂の見た目と造月面でレーザー加熱3 Dプリンターを使うとしたら、形物である。加熱して溶ける温度がFJS-1は約1200℃、原理的にどちらの手法が適しているであろうか？

砂

L H S -1は約1350℃であり、L H S -1の方が若干多めの入の供給という点では、ノズルを通してガスで搬送する熱を要する。

DED法よりも機械的に敷き均すPBF法が、搬送ガス不表 紙 図 に、L H S -1を 用 い て 積 層 し たH型 造 形 物 の要で砂詰まりが起きないという点では適している。パ

CAD/CAMデータと写真を示す。市販の3Dプリンター

ウダーベッドは型枠さえ用意できれば何とかなる。後は砂を敷き均す冶具とパウダーベッドを上下移動させる機構が必要になるが、機械的な構造だけで設計しやすい。図2に、これまで試してきたパウダーベッドと砂の【図2】
これまで試してきたパウダーベッド：(a) ボルトとナット、(b) アスペクト社製RaFaEl Ⅱ、(c) ステンレス製枠

2敷き均しの様子を示す。図2 (a) はボルトとナットと料理用のヘラ、( b ) はアスペ

【図5】真空中で造形したサンプル（3ビード × 3層）
また、市販3 Dプリンターではレーザー集光径が数100【図4】
造形試験に用いた真空容器

μmと固定されていたが、ここでは敢えてビームを直径約7m mに拡大して照射することにした。それに合わせクト社製RaFaEl Ⅱ のパウダーベッドとローラー、(c)てパウダーベッドの積層厚を大きめの2 m mに設定しはA e r o E d g e社でステンレス製の枠と金属板のヘラをた。レーザーパワー（最大300W）に余裕があるため、造使った時の写真である。

形速度の向上をねらった。パウダーベッドの昇降機構

一 方 で、D E D法 に はP B F法 に な い 特 徴 が あ る。

は設けておらず、積層厚は厚さ1m mのステンレス板をD E D装置の集光部と粉体吐出部は一体となってユニッ階段状に重ねて調整した。このステンレス板には大きト化されている（以降、これをD E Dヘッドと呼ぶ）。こさが異なる方形の開口を設けており、その内部に積層のD E Dヘッドは工具の一種とみなしてロボットアームを行った。敷き均しは真空容器の左右からOリングをやマシニングセンタに取り付けることができる。図3

介して挿入した棒2本にヘラを付けて行ったため、積層に、これまで試してきたDEDヘッドを示す。図3 (a) はは最大3層となる。

Z軸ステージ（滋賀県工業技術総合センター）、( b ) はロ

図5に7 m m間隔で3本のビード（長さ20 m m）を引いボットアーム（神奈川県産業技術総合研究所）、(c) は多て、3層重ねたサンプルを示す。図中、手前から奥に向軸マシニングセンタの主軸（A e r o E d g e社）に装着されかって順番にビードを並べ、厚さ2m mの砂を敷きながている状態の写真である。(b)と(c)は多軸で動かせるのら3回繰り返して積層を行った結果である。真空中でで、斜面への造形や壁面の隙間埋め、造形物同士の接合は冷却時間が長いと予測され、表面状態は明らかに大（レーザークロス N o .410、2023年）などP B F法ではで気中のそれとは異なる。最後に引いたビードは表面がきない作業が可能となる。搬送ガスを用いずに真空中虹色に発色している。今後、定量的な温度変化を測定で粉体を吐出させる機構さえ実現できれば月面での用する予定である。

途が広がると期待される。

◆今後は◆真空中でやってみた真空容器の内部に改良を加えてパウダーベッドを月面で使えることを実証するには、重力1/6、真空と手動で上下させる機構を設計中である。真空中でのいう2つの条件下で造形試験を行わなければならない。

40 m m角程度の立方体の積層造形を目標としている。

地上で重力1/6の環境を実現するのは大変であるが、真また、断面観察により大気中と真空中での造形物の比空ならば比較的容易に準備できる。図4に示す真空容器

較を行いたいと考えている。その次は、1 /6重力下でを作製して、P B F法での造形試験を試みた。アクリルの実験ではあるが、航空機を使った簡易無重力実験にでできた容器上部のステンレス製ポートはレーザーのついての検討を進める予定である（はっきり言って、導入口となっており、その上にはガルバノスキャナー

ジェットコースターは苦手なのだが・・・）。

が設置してある。
3

TOPICS

アクチノイド錯体の円偏光ルミネッセンスの計測に向けて松田晶平
日本原子力研究開発機構 横山啓一
レーザー計測研究チーム■円偏光ルミネッセンスとはた、アクチノイドは放射性であるため、実験を行う際に円偏光ルミネッセンス（Circularly Polarized Lumi-

管理区域での取り扱いとなる。このようなエリアでは

nescence: CPL）は、キラルな分⼦の発光における左右様々な制約により分光計測にとって過酷環境となる。の円偏光の強度差（I CPL = ΔI = I Left − I Right）である（図そのため、光学素子の損傷などの懸念が通常に比べ高1）。反対の吸収に対応するものが円二色性（C i r c u l a r

い。そこで、安価で可搬型かつメンテナンスの容易なDichroism: CD）である。CDを測定するには光が試料測定装置が必要となる。これらの条件を満たすため、を透過しなければならないが、C P Lは透過する必要が現在主流となっている光弾性変調器を用いる方式ではないので表面分析に応用できる。微弱な信号であるもなく、古典的な光学レイアウトをもとに効率的に信号のの、発光特性が分⼦ごとに異なるため同定手段となを得る工夫を施した測定システムを構築している。

り得る。

■開発状況

現在ではラ

試作段階の装ンタノイドと置で測定したCPLキラル配位子標準物質（Eu-{(+)-との錯体など

f a c a m } 3）の ス ペを対象にバイ 【図1】CPLスペクトルの概念

クトルを図2に示オ マ ー カ ー、す。 現 時 点 で も三次元ディスプレイ、セキュリティーインクなどへの概 形（ 波 長 特 性 ）応用に向けた研究が盛んに⾏われており、高いC P L発

は 参 照 ス ペ ク ト 【図2】開発中の装置を用いて測定し光強度を示す分⼦の設計や発光機構の開発が競争的な状況にある。

ル と 良 好 に 一 致 た標準物質のC P Lスペクトル。色し て い る。 そ の は波長に対応錯体の中心金属にランタノイドを用いる場合、内殻fため、アクチノイド錯体からのC P Lを計測するために電子による可視域の電子構造を利用して発光させるも必要な感度を達成することが今後の課題である。これのが多い。アクチノイドも似たような電子構造を持つ。

を克服し、アクチノイドの機能の創出のために新規物

そのため、アクチノイドを用いた場合でも同様に強い性を開拓したい。

C P Lを示すことが期待できる。実際にC P Lの最初の報■退職のご挨拶

告はウランについてであり、酢酸ウラニル(VI)ナトリウ誠に恐縮ですが、執筆者の松田は2024年3月31日をムの結晶で観測された 。しかし、溶液中のアクチノイもってレーザー技術総合研究所を退職いたします。皆ド錯体に関する報告はほとんどなく、これまでにウラ様のこれまでのご支援に厚く御礼申し上げます。

ンとキュリウムの二元素に留まっている

参考文献

[1 ]。

[2, 3]■測定装置
C P L測定装置は左右の円偏光の信号を取得する方式の違いから三世代に大別できる。一般に装置は各研究グループで構築される場合が多いが、現在では市販品もある。しかし、高価であり手軽には導入できない。まLaser Cross No.414 2024, Apr.

[1] B. Samoilov, J. Exp. Theor. Phys. 18, 1030–1040 (1948).
[2] D. Schnable et al., J. Am. Chem. Soc. 144, 10718 –10722 (2022).
[3] G.-L. Law et al., J. Am . Chem . S oc. 134, 15545 –15549 (2012).
http://www.ilt.or.jp

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