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成果報告書詳細
管理番号20190000000417
タイトル2014年度―2018年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム) 革新的設計生産技術 デザイナブルゲルの革新的3Dプリンティングシステムによる新分野の進展支援と新市場創出
公開日2019/6/6
報告書年度2014 - 2018
委託先名国立大学法人山形大学
プロジェクト番号P14030
部署名IoT推進部
和文要約1)ディスペンサ式ゲル3Dプリンタの開発:ゲルの基本プロセスを決定するため、吐出装置、UV照射装置による簡易的な造形検証装置を構築し、UV照射方法、積層プロセスについて検討を行った。プリンタを増設し、ゲル造形物精度向上のための試験回数を多く実施できる体制をとった。吐出型の開発では、目標解像度である500μmを前倒しで達成した。紫外線照射装置の変更を行うことで、ゲル材料自動追加装置、ゲル材料温調装置、ノズル清掃機構を追加した。紫外線レーザ出力値、走査回数等の調整、ゲル材料の紫外線感度の項目について調整を行い、造形精度の向上を検討した。以上から、テストユース可能な造形物を製造するための装置を開発に成功した。ソフトウェアの観点では、吐出型によるゲル造形時に、殻材を同時にSTLデータとする特殊なスライサーソフトウエアを開発した。また、ディスペンサから吐出されるゲル材料のシミュレーションを、粒子法(Smoothed Particle Hydrodynamics)を用いて行った。粘性の違いによるゲル材料造形のシミュレーションを行った。これにより、積層時のゲルの振る舞いの一端が解明され、ディスペンサスピード、紫外線照射時間等の各種パラメータ設定に寄与した。2)バスタブ式ゲル3Dプリンタの開発:小型・高精度の造形物の製作を実現した。テストユースで使用が見込まれる2種類のハイドロゲル材料(ショアA硬度―40)において積層条件の探索し、膨潤後の精度を制御するため、造形物の膨潤率を制御可能な材料の研究を進めた。造形精度50μmを達成するため、光架橋反応の高感度化、光照射周辺領域の余分なゲル化反応を阻害するクエンチ機構の導入といった、材料方面からのアプローチを行った。3)マイクロゲル3Dプリンタの開発:横浜国立大学の丸尾昭二教授の協力を得て、高精度プリント用途機として、造形精度5μmを持つバスタブ‐レーザー式マイクロ3Dプリンティング機を導入した。従来の光硬化樹脂(アクリル、エポキシ系)材料での造形検証から、ハイドロゲル材料での造形の条件検討を行い、線幅20μmのメッシュ構造の造形に成功した。4)テストユース、オープンイノベーション実現のための研究開発:簡易的な造形検証装置の結果を踏まえ、テストユース可能な造形物を製造するための装置を開発し、山形大学内に開設したテストユースラボ内に設置した。テストユースラボでは、外部企業がプリンタを使用できる。テストユースプラットフォームに集積する情報・知識を集約し、更なるテストユースの実施拡大を進め、平成29年度には13件以上のテストユースが完了した。より効果的に知財管理・技術協力できる環境を整備するために、ベンチャー企業「株式会社ディライトマタ―」を2016年11月14日に設立した。「株式会社ディライトマター」を介したテストユース案件により、ゲルプロダクトの社会実装に向けた実績の構築を進めた。耐放射性ゲルシールドや特殊研磨パッドをはじめとする約10件のテストユースを平成30年度に完了した。ゲルの3D造形条件を自動的に最適化するように、造形パラメータと造形物の相関を学習させるデータベースシステムを構築した。SIP終了後にも具体化した案件については引き続きユーザーと共にゲルプロダクトの開発を進めていく予定である。
英文要約Title:Revolutionary 3-D Printing Systems of Designable Gels to Develop Novel Applications and Markets (FY2014-FY2019) Final Report

(1) Development of a Dispensing 3D printer test-use machine ("Dispensing type"):To determine the basic process of gel molding with a dispenser, a simple 3D gel modeling apparatus with an injecting nozzle and an UV irradiation device was constructed. The basic UV irradiation and dispensing process were validated with this apparatus. We have reached the target resolution of "Dispensing type", 500um, ahead of schedule. Other issues for developing gel printers are computer softwares. Two type computer softwares are developed. One of software supplies making STL data which includes shell material of the model. Other software is a lamination simulation software by "Smoothed Particle Hydrodynamics method". By this software, molding parameters of "Dispensing type" are selected efficiently. (2) Development of a Bathtub Type 3D Gel Prototype Printers ("Bathtub type"): Another type of printer, bathtub type 3D gel prototype printers are also developed at the same time. We chose a gel material with a shore hardness of 50A and investigated its best extrusion and deposition conditions with the prototype. We developed Materials for the micro stereolithography bathtub - laser type 3D printing system. We selected the 30μm of line width for 3D-printing models and we studied the relationship between the composition of the materials and the line width of 3d-printed materials. We found that the amount of hydroxypropylcellulose and the amount of isocyanate do not affect the line width, however the addition of UV absorber affects the line width. (3)Development of Micro 3D Printing System for Special Purposes: We developed a microscopic 3D printing system based on the stereolithography bathtub - laser method for special purposes that realizes the high precision of 3D gel printing, which is required for cell cultivation on 3D-printed scaffolds. Finally we built a trial system for pilot test use. Regarding high-precision 3D gel printer, based on modeling verification with conventional photo-curing resin material, the condition of modeling with hydrogel material was succeeded in modeling of mesh structures with line width of 20 μm.(4) Development of Innovative Methods for Proof and Application: "Test-use laboratory" is opened by us in Yamagata University. Around 100 visitors visited this laboratory and this laboratory is announced by Japan broadcasting corporation (NHK). We assume several applications, including MEMS, smart implant device from shape memory gels, scaffold with micro-pattern for regenerative medicine. By the end of FY 2009, We completed 13 cases for the test use.Venture company, D-light matter, Inc. ("DLM"), was established on 14th November 2016 in Yamagata University. "DLM" provides mainly hydro gel applications, 3D printing technology, and inspection apparatus. This company also provides the platform which can be opened to all kinds of manufacture companies, and we already have several contacts from them.Through test-use projects via a venture company "DLM", we promoted the construction of results for social implementation of gel products. Completed about 10 testuses including radiation resistant gel shield and special polishing pad.A data base system was built to learn the correlation between modeling parameters and printed objects so as to automatically optimize the 3D modeling conditions of the gel. We plan to continue developing gel products with users for projects that have been materialized after the end of SIP.
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