レーザ援用ナノ粒子集束エアロゾル3D積層造形法によるマイクロ知能材料の製作

2007 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19656191
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 田中 繁一 Shizuoka University, 工学部, 准教授 (60197423)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 保 静岡大学, 工学部, 教授 (70023322) ; 早川 邦夫 静岡大学, 工学部, 准教授 (80283399)
• Keywords: 超微粒子 / エアロゾル / MEMS / レーザ焼結

Research Abstract

本研究の目的は,レーザ援用下で超微粒子を加速、集束して選択的に堆積させてアクチュエータ機能を埋め込んだマイクロ要素を製作する新技術の開発である。
最初に,超微粒子エアロゾル流を直接に型に吹き付け,マイクロ型形状の転写に関する検討を行った。数10μmのマイクロビッカース圧痕の形状転写実験を行った結果,Cuでは緻密な堆積転写物が得られるが,Ti,Niでは空隙が発生したが,ラバルノズルを用いた超音速エアロゾル流れを用いることにより,研磨痕等の数μmあ微細形状も鮮明に転写ができ,堆積物も緻密化した。グラッシーカーボンを基核として微小丸穴マスクを用いた堆積実験では,転写および分離性が改善されるとともに,ステンレス製丸穴極薄メッシュ基板上には緻密な非常に良質の堆積物が得られた。
また,ラバルノズルを通してHeを搬送ガスとして超微粒子流を噴出した場合,強集束した高速超微粒子流が得られた。3次元汎用熱流体解析によれば,搬送ガスおよび金属材料に依存して,ラバルノズル中で微粒子流れの強集東条件は異なり,直径0.1〜10μmの微粒子流はラバルノズルにより強集束する可能性があるが,直径が0.1μm以下の超微粒子流は強集束しにくい。
次に,20WのCWファイバーレーザを用いたスポット加熱光学系を試作した。超微粒子堆積物は,10Wで数10μmのスポット加熱により容易に溶融固化し,これは同程度の出力である程度の領域の同時溶融固化の可能性を示唆している。ただし,高出力スポット加熱では超微粒子が飛散する傾向があり適切なエネルギー密度設定が必要である。