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成果報告書詳細
管理番号20190000000491
タイトル平成26年度―平成30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/超3D造形技術プラットフォームの開発と高付加価値製品の創出
公開日2019/6/6
報告書年度2014 - 2018
委託先名国立大学法人横浜国立大学
プロジェクト番号P14030
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成26年度―平成30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 「超3D造形技術プラットフォームの開発と高付加価値製品の創出」

本研究では、これまで我々が開発してきた3次元マイクロ・ナノ光造形技術と3次元セラミックス鋳型技術を核として、従来の技術的課題を解決し、「超3D造形技術プラットフォーム」を構築することを目指した。そして、「超3D造形技術プラットフォーム」を用いて、地域企業と連携し、高付加価値製品の創出を目指した。具体的な実施項目として、(1)大面積で高精細造形を可能とする超高速3次元マイクロ・ナノ光造形システムの開発、(2)積層段差を大幅に低減可能な全方位型マイクロ光造形装置、(3) ソフト&ハード3D鋳型技術による機能デバイスの創製、(4)地域企業が自由に活用できる普及型3D 光造形システムの開発、(5)普及型3D造形システムを用いたオープンイノベーションの実践、に取り組んだ。以下では、主な研究開発成果を報告する。
実施項目(1)では、ドーナツリング状の強度分布を持つレーザー光を用いて、加工線幅を0.2―3μmの範囲で変更可能な高速造形装置を開発した。そして、3Dモデルの内部を空洞化するプログラムを開発し、輪郭のみ造形することで造形時間を約1/6に短縮した。また、サブミクロン分解能で大面積造形を行うために付属設備の不要なオートフォーカス機能を独自に開発した。
実施項目(2)では、小型ロボットアームに保持した光ファイバーによって、斜め方向から積層造形できる全方位型マイクロ光造形装置を開発した。そして、滑らかな斜面を持つ四角錐モデルや傾斜ピラーアレイなどの3D微小構造体の作製を実証した。また、本手法では、光ファイバーのコア径を変更することで、1―1000μmの幅広い範囲で加工線幅を調整できることも実証した。さらに、光ファイバー先端と基板と距離を変更することで、造形物の高さも自在に変更が可能であり、短時間で3Dモデルを作製することが可能となった。
実施項目(3)では、マイクロ光造形によって作製した樹脂鋳型に金めっきを行い、その上に細胞を培養して、立体的な細胞シートを形成する手法を確立した。この3D細胞シートは小腸などのひだを持つ複雑な組織への適用が期待できる。
実施項目(4)では、青色レーザーを用いて0.5―10μmの加工線幅の普及型3D造形装置を開発した。高分解能タイプでは、微細な格子や可動部品などを造形し、低分解能タイプでは、高速造形用、高精細用の2種類の樹脂を用いて、マイクロ流路やマイクロニードルなどを作製した。これらは、現在の市販装置では作製困難あるいは造形に膨大な時間が必要となる3Dモデルであり、本装置の有用性が示された。また、将来的な実用化を目指して、マルチスケール型3D造形装置を設計・開発し、プロトタイプ機の開発も行なった。
実施項目(5)では、実施項目(4)で開発した普及型3D造形装置を用いて、地域企業によるテストユースを実施した。例えば、ナノインプリントフィルムへの3D構造の付加加工や、新規なセラミックス混合樹脂の開発などを行なった。
 今後、普及型3D造形装置は、神奈川県立産業技術総合研究所のFablab海老名βにおいて公開利用を継続予定である。また、マルチスケール型3D造形装置を含む「超3D造形技術プラットフォーム」は、横浜国立大学で立ち上げた「超3D造形ものづくりネットワーク」を中心として、産学官連携による高付加価値製品の創製に継続して取り組む予定である。
英文要約Title: SIP (Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program) /Innovative design/Manufacturing Technologies, Development of super 3D fabrication platform and production of high value-added product (FY2014-FY2018) Final Report

In this research, we have intended to develop a "super-3D fabrication platform" by improving both 3D micro / nano stereolithography techniques and 3D ceramic molding techniques. Using the "super 3D fabrication platform", we aimed to create high value-added products in cooperation with local companies through open innovation. The details of the main results are as follows.

In the project (1), a high-speed fabrication system with variable line width in the range of 0.2 to 3 μm was developed. It was demonstrated that fabrication time can be shortened to about 1/6 by drawing only the outline of the hollow 3D model. We have also developed an autofocus method with a resolution of 250 nm along the optical axis.

In the project (2), an omnidirectional microstereolithography system using optical fibers has been developed. It was demonstrated 3D models could be fabricated without surface roughness due to accumulation. In addition, multiscale line width in the range of 1 to 1000 μm by changing the core diameters of optical fibers was realized. The cured depth is also adjusted by changing the distance between the optical fiber tip and substrate. The multiscale, multi-depth fabrication is useful for making large-scale 3D models.

In the project (3), a 3D polymer mold produced by microstereolithography and subsequent biocompatible gold plating was used to fabricate 3D cell sheets. Although conventional two-dimensional cell sheets have been applied to the skin and cornea, the newly developed 3D cell sheets can be expected to be applied to complex tissues with folds such as the small intestine.

In the project (4), a popular 3D fabrication system using a blue laser has been developed for open innovation. The fabrication system was installed at Fablab Ebina in the Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology (KISTEC). We also designed and developed a prototype of a multi-scale 3D fabrication system using the blue laser for the purpose of practical application in the near future.

In the project (5), testing by local companies was implemented using the popular 3D fabrication system. For example, we collaborated with a company of nanoimprinting to produce microchannels with microneedles for lab-on-a-chip applications.

We plan to continue the open use of the popular 3D fabrication system at Fablab Ebina in KISTEC in order to create high value-added products by industry-academia collaboration.
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