ナノ物質の集積複合化技術の確立と戦略的産業利用

発表者：豊橋技術科学大学 武藤浩行
研究テーマ責任者：武藤浩行

目次
１．背景
２．目標
３．実施内容のアピールポイント
４．研究開発成果→複合粒子製造システム
・生産量、均質化、顆粒化→３Dプリンタ原料
５．社会実装に向けての提案
６．まとめ
1

Microstructural Control

5 mm4研究背景
【背景(課題)】Society5.0の実現に伴い、多様化するものづくりの現場では、「必要とされる材質で形状・機能を有する素材」を迅速に提供する体制を整える必要がある。既存のものづくり手法では、個別対応であるために、これらの多彩なニーズに対応することができず、今後、オンデマンドなものづくりシステムの構築が必須となる。
研究テーマの目的
原料粉末の高度集積化技術（複合化・顆粒化）により、ものづくり（材料開発設計指針）に革命をもたらす。汎用部材はもとより、特殊用途素材、３Dプリンタまで、幅広くカバーする新規産業分野開拓、地方創世を目指す。
5研究背景
新たな「ものづくり」の方向

材料物性複合化
セラミックス金属

内部構造の３Ｄ化

コモディティー化

・複合材料
・傾斜構造・トポロジー設計

高付加価値材料開発

付加製造技術（３Ｄプリンタ）

ポリマー

ものづくり分野

次世代型付加製造技術（内部構造の３Ｄ化）形状（寸法、複雑さ）「高度」(複雑造形)で、「多彩」(少量多品種)な先端的モノづくり技術求められる原料
造形可能
機能性付与

粉末集積化
・複合化
・顆粒化

オンデマンド・量産性・カスタマイズ性6目 標
SIPプロジェクト期間内で達成する具体的目標
・複合粒子製造システム→生産量 10kg/h の達成
2 D 造形・体積分率 0〜100％の制御

各種造形部に接続

3 D 造形・傾斜部材の開発→複合顆粒の活用

地元企業
汎用レーザー

公設試

３ D造形用複合粒子
レーザー吸収粒子

・３Dプリンタ用原料粉末→セラミックスの直接造形
・粒子設計拠点の形成

共同研究企業

セラミ ッ ク母材粒子

豊橋技科⼤レーザー照射部分

研究会企業（34社、2機関）レーザー未照射部分

5 μm

7

研究開発成果■研究開発内容複合粒子製造システム複合粒子製造量→5 kg/h に向けた装置開発
自動電荷付与装置の作製（表面電荷調整部）■成果の概要表面電荷調整部（自動電荷付与装置）が完成→粉体工業展2017 大阪→nano tech 2018 東京に粒子複合部と同時出展予定

均質混合装置■ＳＩＰ終了時に目指す成果
複合粒子製造量→10 kg/h に向けた装置開発
・研究段階での自由な試作
・新規材料製造に活用

複合粒子製造システム
8

複合粒子の連続製造システム++++++++＋ーーーーー ーーーーーーーー ーー

ーーーーーーーーー ーー

ーーーーー ーー

ーーーーーー ーー+++++ーーーーーー ーー+ーーーーー ーー++ーーーーーー ーー

ーーーーーー ーーIssue in Large-Scale Fabrication
Small- → Large-Scale

Proposed System
Continuous Process“Heterogeneous”
Composite Particle“Homogeneous”
Composite Particle

Obtained Particles
Hole - Taper

Straight

3 μm

3μm

Heterogeneous

Homogeneous
11

研究開発成果■研究開発内容■成果の概要複合粒子製造システム① 複合チップの最適化に関して数値計算と実験を実施した② 傾斜構造作製のための複合顆
粒設計（0〜40％）

複合粒子 複合顆粒
複合チップ■ＳＩＰ終了時に目指す成果①：複合チップの最適化、多段化により劇的に均質を向上することに成功

最適化前

最適化後

②：複合顆粒の導入による添加量制御が可能とな
り傾斜構造の導入の可能性が見いだされた材料開発のための高い自由度を提供する。
↓
構造、機能材料の高度化で世界をリードできる。
機械混合複合顆粒12

研究開発成果■研究開発内容複合顆粒の作製■成果の概要「複合粒子」に加え「複合顆粒」を設計

電荷調整による均一なサイズの複合顆粒の作製に成功

500mm
500nm

■ＳＩＰ終了時に目指す成果
SIPで開発した電荷付与システムを進化させ複合顆粒の量産化を実施し傾斜材料への展開を目指す。

1 μm

500 μm13

研究開発成果
従来法（スプレードライ）

開発品

500mm
500 nm

複合顆粒の開発

作製した集積顆粒

1 μm

直径約0.6 mmの球状顆粒
大小粒子が均一に分布
顆粒内部は中実15作製した集積顆粒の均一性
単純混合粉末集積顆粒*乳鉢を用いてEt中で約10 min混合大小粒子が不均一に分布

大小粒子が均一に分布２種類の粒子が均一に混合した顆粒の作製に成功
16

研究開発成果■成果の概要■研究開発内容
３Dプリンタ用原料粉末
レーザー吸収ナノ粒子を吸着させた複合粒子の開発

Al2O3

３ D造形用複合粒子

SiC-Al2O3SiC

吸光度測定
0.8Absorbance / -レーザー吸収粒子
セラミ ッ ク母材粒子

SiC

0.60.4SiC-Al2O3

0.2
Al2O3

レーザー照射部分

0900

SiC-Al2O3複合粒子■ＳＩＰ終了時に目指す成果
汎用レーザー

1000
1100
1200
Wavelength / nm

1300

レ ーザー照射後の外観

３ D造形用複合粒子
レーザー吸収粒子

セラミ ッ ク母材粒子
現状：
レーザー照射部分
市販の装置で市販の粉末↓
5 μm
レーザー未照射部分SIP終了後：
国産新規３D装置
レーザー未照射部分

5 μm

固化（ 焼結）17複合粒子へのレーザー照射 (40 W)
40 W

30 W

35 W

Carbon-Al2O3

5 μm

混合物へのレーザー照射(40W)
35 W

40 W

30 W

Al2O3-Ketjenblack

5 μm

実施内容のアピールポイント
複合粒子製造装置
テーマ実施

乾式混合装置化学析出法〇（バッチ）

×（小規模）

汎用性

◎（連続）
◎△×

価格

〇△×

品質

◎
◎

△〇

△×生産性

作業性

３Dプリンタ用原料粉末
テーマ実施

金属材料

樹脂材料

ｾﾗﾐｯｸｽ材料

×

△ー多様性

◎◎×

△

ー品質〇◎◎ー価格

ＰＲポイント・複合粒子製造装置

・材料種が限定・品質が悪い・特殊な装置

多様な材料で複合粒子が連続的に吸着量を制御できる・３Dプリンタ用
原料粉末・装置固有の原料しか使えない・材料種が限られる・そもそも直接造形できない

オンデマンドで材料種が選択でき、複合材料での複雑造形ができる

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社会実装に向けて技術の実用化、事業化に向けた取り組み
複合粒子製造システム（複合粒子）→4社との共同研究（テストユース実施中）
電子デバイス、高温構造材料、３D造形技術移転への取り組み→研究会（情報公開）、複合粒子作製実習、公設試（技術相談窓口）

複合粒子製造システム（5kg/h版）
本年度末には、複合粒子製造システム（5kg/h）が稼働することから、大学に設置予定。
↓
企業研究者に開放予定（テストユース）21

まとめ〇複合粒子製造システム
・生産量 → ５kg/h
・均質化 → 複合チップの最適化設計指針
・顆粒化 → 複合顆粒による組成制御
複合粒子製造システム〇３Dプリンタ原料・生産量、均質化、・セラミックスのレーザー直接造形・顆粒化、３Dプリンタ原料〇技術の実用化、事業化に向けた取り組み
・研究会
・実習
・共同研究（テストユース）
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