高付加価値セラミックス
造形技術の開発
発表者：国立研究開発法人産業技術総合研究所 大司 達樹・明渡 純
研究テーマ責任者：ＴＯＴＯ株式会社 林 良祐
参画機関：ＴＯＴＯ株式会社、日本ガイシ株式会社、日本特殊陶業株式会社、
参機
式式式
株式会社ノリタケカンパニーリミテド、国立研究開発法人産業技術総合研究所、
国立大学法人大阪大学接合科学研究所、一般財団法人ファインセラミックスセンター、（再委託）国立大学法人九州大学、国立大学法人東北大学

⾰新的設計⽣産技術における位置づけ
多様なニーズに応じた設計に対応できる、複雑な形状や、多様な材料多様なズに応じた設計に対応できる 複雑な形状や 多様な材料を⽤いて従来にない機能を実現する⽣産技術が重要
3D造形技術製品機能性

ナノ修飾材料

傾斜材料・異⽅性材料
傾斜材料
異⽅性材料
⾼付加価値品

実⽤品

超マイクロ造形
チタン
合⾦ 超耐熱合⾦

スーパ
ス
パ
エンプラ

ソフト
マター系
ゲル、
ラバー
ラバ

⽣体医療・航空機

⽣体医療・航空機・
介護ロボット・スポーツ

模型(ﾓｯｸｱｯﾌﾟ)

機能性付加技術

⾼精度造形・
直接造形

超低密度
⾼強度セラミックス

表⾯処理
セラミックスコーティング、⾦属コーティング等
異種材料の分⼦接合

今後期待される技術領域(SIPの技術開発領域)

⽣体・航空機(鋳型)・フィルタ

従来の技術領域
⾦属樹脂・⾼分⼦材料

セラミック
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研究背景
【背景】
• セラミックス部材は最先端の基幹産業を⽀える．セラミックス産業は我が国の強み．
• 中国などの追い上げ厳しい．今後の国際競争⼒維持・拡⼤には新たな価値を創造する技術⾰新が必須• 本プロジェクトの着眼点を持った研究例はあるものの，未だに実⽤化には⾄っていない．世界に先駆けて⼯業化を狙う
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
成形 型 を無くす
積層造形 従来 は 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
樹脂や⾦属に新たな価値・機能を付与
⾰新的なセラミックス製品群創出の基盤を構築し，セラミックス産業のイノベ シ ンを誘起する
ノベーションを誘起する2

⽬ 標３Ｄ積層造形技術• 型成形を不要にする粉末積層造形技術とスラリー積層造形技術
型成形を不要にする粉末積層造形技術とスラリ 積層造形技術のセラミックスへの応⽤• 後焼結不要の直接焼結造形技術へ挑戦
ハイブリッドコーティング技術• ３次元形状にセラミックコート．樹脂や⾦属表⾯もセラミックスに変え，表⾯修飾，機能集積，⾼付加価値• ADと溶射の融合を⽬指したハイブリッドAD技術
製品化を⽬指した部材化技術• 上記プラットフォーム技術を基に，参画企業の得意分野で出⼝部材の製造に向けた部材化技術
イノベーションスタイルの検討• イノベーション検討委員会を設置し，産業系の⾼付加価値なイノベーション，拠点形成，継続的運営などを議論
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研究開発成果
半導体製造⽤セラミックス露光ステージモデル
トラス構造

リブ構造

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200 x 200 x 30 mm

最適リブ構造200 x 200 x 80 mm• 次世代の露光ステージに向けて，従来の成形法では不可能な軽量・⾼剛性の構造を実現（粉末積層造形）

アピールポイント・従来の鋳込み成形と同等の特性
粉末積層造形

鋳込み成形

かさ密度

3.03.0

ヤング率 (GPa)

340

340

⽐剛性

113

113

曲げ強度 (MPa)

290

320

(ヤング率/かさ密度)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）4

研究開発成果
セラミックフィルターモデル

⼈⼯膝関節・⾻補填材モデル

セラミックコアモデル
従来プロセス

ポリエチレン

試作

検証

⾦型

アルミナ
80 mmL x 30 mmmmΦ
Φ

設計
15mm

コバルト合⾦• 耐摩耗性⼈⼯膝関節（スラリー積層造形）• カスタム形状・複雑形状対応

らせん流路

量産

３D積層造形で簡単試作

動物埋植試験
HAp
60 mmL x60 mmΦ

⾻補填材

らせん流路

• 従来できなかったらせん構造流路（粉末積層造形）• 流路表⾯積アップや流れ制御で性能向上・部品⼩型化

6 mmH x4 mmΦ

• ⾻補填材（スラリー積層造形）• カスタム形状・気孔径均質制御

25 mm• ⾦型不要で低コスト＆短納期（粉末積層造形）• 従来に無い形状でタービン等性能向上に期待5

研究開発成果 / 社会実装に向けて（１）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

第⼆層

第⼀層
第 層
従来⼿法:電気炉

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

⼆層焼結

緻密化

良好な接合
20 μm

• レーザー焼結で緻密化に成功（レーザー吸収アシスト層利⽤）• ⼆層焼結では焼結と同時に接合

社会実装に向けて• 粉末積層造形技術で試作したセラミックコアモデルについて顧客先評価• スラリ
スラリー積層造形技術で試作した⾻補填材モデルについて動物埋植試
積層造形技術で試作した⾻補填材モデルについて動物埋植試
験実施• ３D積層造形技術では、H30年度以内に⼀般ユーザー向けのテスト
ユース等による成果普及体制を構築
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研究開発成果 / 社会実装に向けて（２）大気圧エアロゾル

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研究開発成果 / 社会実装に向けて（３）ハイブリッドコーティング
イブリ ド
テ ング
AD+
プラズマ

ハイブリッドAD法

従来溶射法

熱ダメージ無↓比較膜出典: A. Kulkarni et al., Scripta mater. 43 (2000) 471

セロファン
テープ

熱ダメージ有↓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

セロファン
テープ

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イノベーションスタイルの実践/
半導体製造装置⽤耐プラズマ部材、セラミックフィルター端部封⽌コート

流路
ろ過膜

処理溶液
シール

基 基 基 基 基材 材 材 材 材
ろ過液
ろ過液

フィルター原理（断⾯）半導体製造部材チャンバー内部の低発塵 耐プラズマコ ティングの低発塵・耐プラズマコーティング

２次元部材から３次元部材への適⽤展開¾エッジ部やポーラスな３次元基材への製膜が可能に¾⾓度制御や⾛査⽅法などの製造ノウハウ構築が今後の課題
9イノベーションスタイルの実践/ SIPコーティング拠点
ものづくり拠点：セラミックコーティング
技術について産総研つくばで先⾏展開• ユーザー、カスタマーからの提案
カ タマ か持ち込み• 3D造形物へのコーティングによる3D造形物へのコ ティングによるデザイン及び機能向上の検証• ⾼付加価値が⼗分に⾒込める事案について、試作検討

機能設計・上流設計• 感性/機能/プロセスDBの活⽤• 各種⽀援ツ
各種⽀援ツールの活⽤
ルの活⽤• デライトデザインナビによる感性評価
ナビゲーター2名と⽀援ツ ルによる • Ashbyマップによる材料構成
⽀援ツールによる要因の事前シミュレーション
サポート• トポロジー最適化によるコーティ
ング設計
グ設計
アジャイル
試作

機能評価／
製品価値の検証
コーティングによるコティングによる⾼付加価値製品の創出(ex. キッチン⽤品)

コーティング試作

設計の素⼈でも⽞⼈並みのデザインを可能と設計
素⼈ も⽞⼈並
デザイ を可能とする⽀援体制
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イノベーションスタイルの実践/ BtoBとBtoC事例のスパイラル創出
ハイブリッドセラミックコーティング技術

トポロジー最適化による熱伝達最⼩化，剛性最⼤化，及び意匠性の向上（京都⼤学: ⻄脇Gr.）

アシュビーマップを利⽤した
材料選択と感性デザイン（東京⼤学: ⼤富Gr.）⾓柱への⽩⾊、⿊⾊コーティング:
エッジにもコーティング可能
フライパンへのコーティング:
⼤型部材にも対応
スプーンへのコーティング: 曲⾯へのコーティングのテ ング

地⽅公設試との連携による地⽅創⽣の試み
ex. 地⽅中⼩企業: 調湿部材応⽤

トポロジ 最適化
トポロジー最適化

感性/機能デザイン

セラミックコーティング設計
HAD法による緻密アルミナコーティングにより耐傷性と意
匠性の向上（産総研）
匠性（ 総研）resin

ticoating

25 µm

substrate

セラミックフライパンモデル

拠点間連携による新たな調理⽤品の開発⇒ モデルを⾒ることで、⾷品機械、重⼯機械向けへのBtoBセラミックコーティングなど新たな気付きを誘起

ユーザーアンケートによるニーズ調査を基に、コーティング/3Dプリンタを活⽤した機能/製品モデルを提⽰。
ユーザー、第三者企業の気づきを誘発し、潜在ニーズを発掘
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