発表者︓国⽴研究開発法⼈産業技術総合研究所 近藤 直樹・明渡 純
研究テーマ責任者︓ＴＯＴＯ株式会社 林 良祐

研究目標
高付加価値セラミックス造形技術の開発（2014~）
従来のセラミックス製造プロセスの制約を壊す．
• 成形“型”を無くす３Ｄ積層
造形︓従来では不可能な理
想的な造形• ⽴体形状の樹脂や⾦属へのハイブリッドコーティング︓
樹脂や⾦属に新たな価値・機能を付与

従来のセラミックス製造プロセス
型製作
原料

造粒

成形

脱脂

焼成

ハイブリッドコーティング

３Ｄ積層造形

部材形状の自由化
製造プロセス時間の短縮
省エネルギー，低コスト後加工

仕上げ

表面修飾，機能集積
高付加価値付与

高付加価値セラミックス造形プロセス
半導体製造用部材 セラミックコア

移動式トイレ

骨補填材• 革新的なセラミックス製品
群創出の基盤構築• セラミックス産業のイノ
ベーション
耐プラズマ部材

セラミックフィルター

人工股関節

革新的なセラミックス製品群の創出
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研究体制
研究開発責任者︓ＴＯＴＯ（株）

取締役

常務執⾏役員部材化技術

３D積層造形技術
粉末積層造形林 良祐

集中研集中研に研究者を派遣

スラリー積層造形

レーザー直接焼結コーティング技術
ハイブリッドＡＤ

プラットフォーム技術

集中研森村グループの積極的な連携
プラットフォーム技術を基に各社の出口部材を対象に，部材化技術を開発
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３Ｄ積層造形技術
粉末積層造形の例• セラミックス原料粉末とバインダー
樹脂を混合• スクィージー or ローラにより成形部に薄⾁層（〜0.1 mm）を形成• レーザによりに所望の形状にバインダーを溶融し成形層• 工程の繰り返し 任意形状の⽴体成形体  脱脂・後焼結が必要• 高い積層密度がKEY
⾼い成形体密度  後焼結での収縮や歪みが少なく⾼い寸法精度

セラミックス粉末

スクィージー レーザ熱

Powde
r 供給
粉末
Supply

成形ステージ

バインダー樹脂

Powde
供給
r 粉末
Supply• ⻑所︓乾式成形であるため乾燥時のゆがみがなく大型部材の作製に適す．
• 短所︓かさ密度が低いため成形体・焼結体の密度が低い
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３Ｄ積層造形技術粉末積層造形: プラットフォーム技術
原料前処理技術

 粒度配合 バインダー樹脂添加
粒度配合

バインダー樹脂添加（原料評価技術）

 粉末流動性（安息角，圧縮度，Hausner比など）
 粉末形状（真球度など）

積層化技術

 粉末供給 粉末層形成 レーザー照射

粉末供給

粉末層形成（リコート）
スクイージ

ローラー

レーザー照射条件

or後処理技術

 脱バインダー樹脂
 含浸技術
 焼結技術脱バインダー樹脂

含浸後焼結

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３Ｄ積層造形技術
半導体製造⽤セラミックス露光ステージモデル
窓あり・リブ構造

トラス構造

200 x 200 x 30 mm

200 x 200 x 80 mm

セラミックス
露光ステージ

半導体露光装置（Nikon HPより）

次世代の微細⾼性能チップの⾼速⽣産には軽量で大型・⾼剛性のセラミックス露光ステージが不可⽋
３Ｄ積層造形で、これまでの成形手法ではできなかった壁のない軽量・高剛性の構造を実現

200 x 200 x 40 mm

100 x 100 x 200 mm

反応焼結炭化ケイ素 露光ステージモデル
粉末積層造形
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３Ｄ積層造形技術
半導体製造⽤セラミックス露光ステージモデル
従来の造形法の製品と同等の特性

かさ密度
ヤング率(GPa)

比剛性(ヤング率/かさ密度)

曲げ強度(MPa)

粉末積層

鋳込み成形

3.0

3.0

340

340

113

113

300320トポロジー最適化シミュレーションによる最適リブ構造
従来リブ構造最適リブ構造200 x 200 x 40 mm• 最適リブ構造によるステージモデル（粉末積層造形）• 従来構造と⽐較し重量1/2以下（鉛直方向の剛性を保持）
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３Ｄ積層造形技術
セラミックフィルターモデル
80 mmL x 30 mmΦ

らせん流路

これまでの構造ーストレート流路

めざす構造－
らせん流路
流路表⾯積アップ
流れ制御

らせん流路

60 mmL x60 mmΦ

アルミナフィルターモデル
粉末積層造形

これまでの押出し成形では流路がストレート形状
３Ｄ積層造形で従来できなかったらせん構造流路．
流路表面積アップや流れ制御で性能向上・部品⼩型化．
浄水フィルター8

３Ｄ積層造形技術
セラミックス骨補填材モデル

セラミックス人工膝関節モデル●カスタムメイド形状のセラミックス人工膝関節●ボール・オン・ディスク摩耗試
験（JIS R1613）でプレス成形品と同等の耐摩耗性

骨補填材

6 mm

● 気孔径均質制御（十分な気孔間パス）・閉気孔なし  骨細胞が十分に侵入・緻密な骨● 骨⽋損部に適したニアネット
シェイプの作製● 大気孔径の多孔体の先⾏動物試験において従来品と同等以上の骨形成能

HAp骨補填材モデル
スラリー積層造形

生体骨4 mm

耐摩耗性
人工関節
ポリエチレン
コバルト合⾦15mm アルミナ人工膝関節モデル

スラリー積層造形

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３Ｄ積層造形技術
セラミックコアモデル
従来プロセス
4-10 週間
設計

⾦型

試作

検証

量産
25 mm

粉末積層造形

３D積層造形で簡単試作

50 mm●従来の鋳造部品⽤セラミックコアは⾦型が必要で新規コア開発に時間とコスト。
また、コア形状に制限．
●３Ｄ積層造形では⾦型不要で低コスト＆短納期●従来技術ではできない理想的な形状

スラリー積層造形• 粉末積層に比べ要時間• 優れた表面粗さ10３Ｄ積層造形技術
セラミックスレーザー直接焼結 電気炉不要の“夢の製造技術”
平滑表⾯
クラックなし第一層

従来手法:電気炉

グリーン密度︓83-85%
2 µm• アルミナスラリーの短時間脱脂• 熱処理: 500oC, 5 分, 大気• ⾼密度アルミナ粉末充填層

緻密化

第二層

良好な接合

二層焼結

20 µm

• レーザー焼結で緻密化（レーザー吸収アシスト層利⽤）• YAG レーザー, 250 W/cm2,10秒• 二層焼結では焼結と同時に接合

高密度アルミナ粉末充填層のレーザー焼結に成功
 厳密な温度制御によるアルミナスラリーの短時間脱脂
 レーザー吸収アシスト層によるレーザー吸収特性の制御

11ハイブリッドコーティング技術
ハイブリッドコーティング技術の狙い
各種成膜法の対象範囲

現行ＡＤ法 と 溶射法の比較

ＡＤモード
溶射モード・緻密・粗い自在に・常温切り替え ・高温・低速・高速

ハイスペックなＡＤ法 と 生産性の高い溶射法 の融合を狙う

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ハイブリッドコーティング技術
ハイブリッドAD法の特徴I【技術のポイント】
粒子サイズの微細化による新規な圧縮破壊特性の利用と新しいプラズマ領域を利用

溶射モード

熱ダメージ有HADモードセロファン
テープに熱ダメージ無し

従来溶射法とは異なる成膜メカニズムによって、新しい製膜技術が生まれる

13ハイブリッドコーティング技術
ハイブリッドAD法の特徴II

αアルミナ皮膜
従来溶射法

ハイブリッドADトーチ膜(約25 μm)

非常に緻密→均一な皮膜↑不均一で、ポアやクラックのある微構造

ビッカース硬度
1300 HV

比較膜出典: A. Kulkarni et al.,Scripta mater. 43 (2000) 471

特徴
成膜速度で、現状AD法の15-20倍を実現
樹脂基材上でビッカース硬度 500HV以上
原料粉末利用効率で、現状AD法の3倍を実現
14ハイブリッドコーティング技術
ハイブリッドAD法のテストユース
半導体製造部材チャンバー内部の低発塵・耐プラズマコーティング（TOTO）☑ ビッカース硬度754 HV達成
☑ 耐プラズマ性88%達成⇒ 事業化検討
義歯へのコーティング（拠点利用企業1）

調湿部材応用（拠点利用企業2）☑ HAD法により審美性に優れた白色を再現
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ハイブリッドコーティング拠点利用
データの活⽤
取り組み内容︓HAD法によるコーティング事前評価機能の開発

企業からの製品適⽤提案に対して、あらかじめ蓄積したコーティング実績データに基づき、コーティングの実現性をコストを含めて、迅速に評価することができる機能の開発

アウトプット ︓HAD造形データベース、コーティング応⼒解析（ノウハウ）
効果⾒込み ︓製品適⽤可否判断の迅速化

製品形状、基材、皮膜材、機能、コストetc

コーティング実現性評価Ph

登録

HAD造形データ
ベース

基礎データ収集Ph
基材

皮膜材

製品 プロセス
形状 パラメータ

コーティングアルミナ、ジルコニアを中心に6種の基材上の機械特性データ200件収集

WEB窓口

参照
類似案件の検索部（適正パラメータ候補提案）
Go/NoGo
判断

適正プロセス
パラメータ候補

アシュビーチャートによる可視化

コーティング応⼒予測シミュレーション Sim
適正プロセス
パラメータSimGo/NoGo
判断

応力計算

造形
造形

HAD装置試作16

ハイブリッドコーティング拠点利用
事前シミュレーションでできること

製膜時の剥離の起こらない最大膜厚の推定、基材の湾曲の有無。
⇒最大膜厚が定まれば、断熱性能など一部の機能については予測も可能
湾曲の有無

剥離箇所の推定

剥離の有無

17ハイブリッドコーティング拠点利用
試作に利⽤できるハイブリッドAD装置
試作テスト（平板）用(5 cm角)の小型装置

3次元部材対応（30 cm角）の中型装置

シート部材対応ロール・ツー・ロール装置

3次元部材対応（1 m級）の大型装置

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