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積層造形−3Dプリンタの技術動向−


 3Dプリンタによる造形物の製造方法の中で比較的新しく開発された積層法は、複雑な形状の造形が可能なことや金型が不要というメリットがあります。積層法を取り巻く環境は、3次元CADの普及、造形方式や装置は精度や価格などへの要求から大きく変化しています。
 造形方法においては光積層造形法から、精度、価格の点で改善された溶融積層造形法(FDM)などが開発され製造業に革命を起こすとまで言われています。材料は樹脂に加えて金属やセラミックスへの展開など課題は山積しており、多方面で活発な技術開発が行われています。また応用範囲も、製造分野に限らず各種デバイスや医療などで開発が進められています。
 本書は、3Dプリンタに代表される積層造形技術における課題と開発動向について、主に造形方法、使用材料、応用展開の視点から、最近の報告資料や出願特許などを詳述しました。

★造形方法 ☆光積層造形  ☆溶融・焼結積層造形
★周辺技術 ☆ソフトウェア技術  ☆材料供給方式  ☆接着・加工・コーティング
★応用展開 ☆バイオ・医療分野
★出願特許からみた技術課題と開発動向

 
    
    □体裁 A4判300ページ
    □価格 本体68,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2014年11月

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章 目 次

 第1章 概説
 第2章 光積層造形の開発動向
 第3章 溶融・焼結積層造形の開発動向
 第4章 積層造形の周辺および関連技術の動向
 第5章 バイオ・医療分野における積層造形技術の応用展開
 第6章 最近の特許出願からみた技術課題と開発動向
 第7章 積層造形の技術課題と開発動向(まとめ)

詳 細 目 次

 
第1章 概説 1
 1.1 3Dプリンタ(3次元造形機) 1
  1.1.1 造形技術としての3Dプリンタの位置づけ 1
  1.1.2 3Dプリンタの方式と材料 1
  1.1.3 3Dプリンタの市場動向 2
  1.1.4 3Dプリンタの今後の展望 4
   (1) 低価格化による普及と新市場の可能性 4
   (2) 新規材料開発による可能性 5
 1.2 積層造形技術 7
  1.2.1 積層造形の方式 7
  1.2.2 加工法による分類と特徴 10
  1.2.3 積層造形技術の課題と現状 11
  1.2.4 積層造形技術の動向と展望 13
  1.2.5 積層造形技術の応用展開−医療分野、マイクロデバイスなど 16
   (1) 光積層造形技術の応用展開 17
   (2) 溶融・焼結積層造形技術の応用展開 17
   
第2章 光積層造形の開発動向 19
 2.1 光積層造形の概要と実際 19
 2.2 光硬化型接着剤を用いた光積層造形技術の動向 22
 2.3 マイクロ光積層造形の動向 25
  2.3.1 2光子マイクロ光造形法の開発と応用 25
  2.3.2 誘電体微粒子を用いた光造形とフォトニック結晶によるテラヘルツ波制御 27
  2.3.3 ハイブリッドマイクロ光造形法の開発と応用 30
 2.4 光積層造形の研究・開発事例 32
  2.4.1 光積層造形装置および樹脂材料 32
   (1) 高精度、高解像度を追及する光造形装置 32
   (2) 光積層造形装置と新樹脂材料 34
   (3) ゲル材料専用の3Dプリンタ・3Dスキャナ−ゲル材料の製造および評価装置の開発 37
   (4) 3Dプリンタを利用したタンパク質分子模型 38
  2.4.2 マイクロ光造形技術 39
   (1) マイクロ光造形によるサブミクロンレベルの微細加工技術 39
   (2) 自己組織型マイクロ光造形法 40
   (3) 磁界によって配向した短繊維強化マイクロ部品の光造形 42
   (4) 光ファイバーを用いたマイクロ光造形法 43
   (5) ハイブリッドマイクロ光造形法の高分解能化 44
   (6) 光造形による光硬化性樹脂複合材平歯車の成形加工と歯車特性 46
   (7) マイクロ光造形モールディングによる次世代の多品種少量生産技術への期待 47
  2.4.3 マイクロ光造形の光・電子分野への応用 49
   (1) 自立型3次元導電性高分子のマイクロ構造造形技術 49
   (2) 光造形によるマイクロ流体輸送機構の開発 51
   (3) 光造形チャンネル構造のエネルギー分野への応用 52
   
第3章 溶融・焼結積層造形の開発動向 57
 3.1 レーザ焼結積層造形の開発動向 57
  3.1.1 レーザ焼結積層造形システムの生産への活用状況 57
  3.1.2 レーザ焼結積層造形技術の動向と実際 60
  3.1.3 金属光造形複合加工法を用いた金型設計・製作 63
 3.2 レーザ法以外の溶融・焼結積層造形の開発動向 65
  3.2.1 電子ビーム積層造形技術と金属組織形成 65
  3.2.2 超音波接合を利用した金属積層造形法 68
 3.3 溶融・焼結積層造形の研究・開発事例 71
  3.3.1 樹脂材料を用いた溶融・焼結積層造形の研究・開発事例 71
   (1) FDM方式3Dプリンタ 71
   (2) 粉末積層造形による射出成型用試作型の特徴と適用事例 72
   (3) 粉末焼結積層造形装置「SEMplice」とその高精細化 74
   (4) 粉末焼結積層造形による透明部品の作製 76
   (5) 樹脂粉末焼結造形における粉面温度低減の試み 77
  3.3.2 レーザ法による金属材料を用いた溶融・焼結積層造形の研究・開発事例 78
   (1) 超硬合金のレーザ積層造形 78
   (2) 工具鋼粉末のレーザ積層造形 79
   (3) 直接金属レーザ焼結(DMLS)法による密度傾斜材料のための多孔質構造の制御 80
   (4) レーザ粉末積層造形法による多孔質超硬合金の創製 82
   (5) Ybファイバーレーザによる混合金属粉末の焼結特性 83
   (6) 選択的レーザ焼結間接法で作製したステンレス鋼粉末成形体への銅合金溶浸 84
   (7) チタン粉末の積層造形とマグネシウムの自発的溶浸による複合材料部品作製技術の開発 86
   (8) 溶融錫液滴ターゲットの発生と飛行方向の制御 88
   (9) 新規アルミニウム合金鋳造プロセス 90
  3.3.3 金属光造形複合加工の研究・開発事例 92
   (1) 加工物側面粗さを抑えた高精度金属光造形複合加工 92
   (2) 金属光造形複合加工法のシステム高度化と射出成形金型への応用 93
   (3) 金属光造形複合加工法による高機能射出成形金型製作 94
   (4) 金属光造形複合加工による新樹脂充填システムの開発 95
   (5) 金属積層造形による金型づくりの品質向上と低コスト化 97
   (6) 金属粉末光造形複合加工における小径ボールエンドミルの切削性能 98
   (7) 金属光造形金型による射出成形 99
   (8) 金属光造形複合加工機の積層造形条件評価の効率化 101
  3.3.4 レーザ法以外の金属材料を用いた溶融・焼結積層造形に関する研究・開発事例 103
   (1) アーク放電を用いた溶融金属積層による3次元造形 103
   (2) 溶融金属積層における造形条件と強度・金属組織 105
   (3) 摩擦撹拌接合を利用した積層造形の一方式 106
   (4) 常温接合を用いた積層造形法におけるオーバーレイ誤差の要因解析 108
   
第4章 積層造形の周辺および関連技術の動向 112
 4.1 積層造形のソフトウエア技術 112
 4.2 積層造形における材料供給方式 114
  4.2.1 材料供給方式の種類 114
  4.2.2 材料供給方式の現状 115
 4.3 使用材料の改質技術 116
  4.3.1 樹脂改質技術 116
   (1) 一般的な状況 116
   (2) 新規樹脂の開発 116
  4.3.2 金属・セラミックス改質技術 118
   (1) 一般的な状況 118
   (2) 新規金属・セラミックス材料の開発 118
 4.4 接着・加工・コーティング技術 118
 4.5 周辺・関連技術に関する研究・開発事例 119
  4.5.1 ソフトウエア技術 119
  4.5.2 インクジェット積層造形の研究・開発事例 123
   (1) インクジェット技術を活用した3Dプリンタ 123
   (2) インクジェットベースの3Dプリンタ 125
   (3) インクジェット式3次元造形機を用いた二色成形による材料・製品設計 125
  4.5.3 金属成形体の改質技術・応用 126
   (1) 間接レーザ選択焼結によるステンレス鋼多孔質体への軽金属の自発的溶浸 126
   (2) 酸素固溶強化による高強度チタン粉末焼結材の創製 128
   (3) ホットプレス法により作製した生体用Co-Cr-Mo合金粉末焼結体の組織に及ぼす
             窒素含有量の影響 129
   (4) ねじり押出し法による純アルミニウムの高強度化 131
   (5) 球状金属粉末焼結多孔体流路を用いた燃料電池の発電性能 133
  4.5.4 接着・加工・コーティング技術 134
   (1) 高出力半導体レーザによる純チタン板とアルミニウム合金板の溶融溶接 134
   (2) フェムト秒レーザパルスによる局所的溶融を用いたガラスと銅の直接接合 136
   (3) 後処理で広がる積層造形品の可能性 137
   (4) 常温セラミックスコーティング(AD法)と3次元造形応用の可能性 138
   
第5章 バイオ・医療分野における積層造形技術の応用展開 142
 5.1 概況 142
 5.2 積層造形による金属系生体機能性材料 142
 5.3 3次元造形による生体材料の高機能化 145
 5.4 再生医療に向けた細胞シートの積層化技術 146
 5.5 バイオ・医療分野への応用に関する研究・開発事例 148
  5.5.1 3Dプリンタの応用 148
   (1) 3Dプリンタによる最新の医療現場 148
   (2) 小動物臨床における3Dプリンタの応用 151
  5.5.2 光積層造形の応用展開 153
   (1) マイクロ・ナノ光造形法による光駆動ナノロボットと未来医用デバイス 153
   (2) ハイブリッド光造形法による能動マイクロ手術ツールの開発 154
   (3) 高温加熱処理によるマイクロ光造形樹脂の細胞毒性低減手法 156
   (4) 光造形法を用いたバイオスキャフォールドの作製 157
   (5) 三次元光造形モデルの口腔外科臨床への応用 159
   (6) 光造形法による大動脈瘤モデルの精度検討と応用 161
  5.5.3 溶融・焼結積層造形およびその他の積層造形の応用展開 162
   (1) 金属光造形複合加工法における焼結チタン合金製人工骨の創製 162
   (2) 選択的レーザ溶融法により調製した純チタン薄肉多孔体の強度 163
   (3) レーザ積層造形法により作製したコバルトクロム合金の組織と機械的特性 165
   (4) 電子ビームによるチタン合金粉末積層造形技術の歯科利用 166
   (5) 生体為害性のないチタン合金の電子ビーム積層造形による造形体作製法の確立と              疲労特性 167
   (6) 電子ビーム積層造形法による指向性ポーラス型インプラントでの骨配向誘導 168
   (7) 電子ビーム積層造形法による骨類似機能化した人工関節の開発 169
   (8) 粉末積層造形法を用いた人工骨成形法の提案−成形骨の多孔質性 171
   (9) 粉末積層造形法を用いた人工骨成形法の提案−成形骨の表面と内部の化学組成 172
   (10) 3次元粉末積層造形装置による実物大石膏モデルの口腔外科手術への臨床応用 173
   (11) 細胞シート自動積層化装置による再生医療 175
   
第6章 最近の特許出願からみた技術課題と開発動向 178
 6.1 特許出願状況の概要 178
  6.1.1 特許検索 178
  6.1.2 出願傾向の分類 178
  6.1.3 出願人別の出願状況 180
 6.2 技術課題 183
  6.2.1 造形方法に関する技術課題 183
  6.2.2 使用材料に関する技術課題 184
  6.2.3 用途分野に関する技術課題 184
 6.3 開発動向(出願例) 185
  6.3.1 造形方法に関する出願例 185
   (1) 光積層造形 185
   (2) 溶融・焼結積層造形 191
   (3) 積層造形(全般) 199
   (4) その他の造形方法 206
  6.3.2 使用材料に関する出願例 209
   (1) 樹脂(光造形) 209
   (2) 樹脂(溶融・焼結造形、その他) 218
   (3) 金属・セラミックス 222
   (4) 添加剤、その他 225
  6.3.3 用途分野に関する出願例 227
   (1) 金型 227
   (2) 光学・電子機器、機械、マイクロ造形 231
   (3) バイオ・医療 237
   
第7章 積層造形の技術課題と開発動向(まとめ) 249
 7.1 造形方法における主な技術課題と開発動向 249
  7.1.1 光積層造形 250
  7.1.2 レーザ焼結積層造形 251
  7.1.3 レーザ法以外の溶融・焼結積層造形 251
  7.1.4 3Dプリンタ、その他 251
 7.2 使用材料における主な技術課題と開発動向 251
  7.2.1 光造形に使用される樹脂 252
  7.2.2 溶融・焼結積層造形に使用される材料 253
 7.3 用途分野における主な技術課題と開発動向 253
  7.3.1 光積層造形の応用分野 254
  7.3.2 溶融・焼結積層造形の応用分野 255
「資料編」T 積層造形技術関連の特許出願例 256
「資料編」U 「3次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム」実施計画書 295

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