2020 Fiscal Year Annual Research Report
液滴操作によるマルチマテリアル微細３Dプリンティング技術の開発と応用
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19H02039
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
丸尾 昭二 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (00314047)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | アディティブ・マニュファクチャリング / ３Dプリンティング / 光硬化性樹脂 / マイクロ光学素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2光子マイクロ光造形法は、最も高精細かつ微細な3Dプリンティングである。従来は、単一の光硬化性樹脂で3D微小構造体が作製されてきたが、さまざまな機能デバイスを作製するために、複数種の材料を組み合わせたマルチマテリアル造形の開発が期待されている。そこで本研究では、局所加熱によって微小な樹脂液滴を遠隔操作することにより、複数種の材料を入れ換えながら3D構造体を一体作製できるマルチマテリアル3D造形法の開発と応用研究に取り組んでいる。今年度は、昨年度までに調整した屈折率の異なる光硬化性樹脂を用いて、高機能なマイクロ光学素子の例として、ＧＲＩＮレンズの設計を行った。設計では、マルチフィジックス解析ソフトを用いて、設計した屈折率分布を持つレンズに平面波を入射させたときの電磁場分布を解析し、所望の位置に平面波が集光されるように、屈折率分布およびＧＲＩＮレンズの厚さなどを調整した。そして、昨年度構築したマルチマテリアル造形装置を用いて、実際に、屈折率の異なる光硬化性樹脂を遠隔駆動させて、材料を入替ながらＧＲＩＮレンズを試作した。そして、試作したＧＲＩＮレンズにレーザー光を集光させて、集光点近傍の光強度分布を計測することで、ＧＲＩＮレンズの性能を評価し、解析によって設計した値と良い一致を示すことを確認した。今後は、ＧＲＩＮレンズだけでなく、他の光学素子を統合したより高度なマイクロ光学素子を設計・開発する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の最大の目標であった複数種類の光硬化性樹脂を遠隔操作して、マルチマテリアル造形を行う造形装置はほぼ完成している。さらに、それぞれの光硬化性樹脂の駆動条件の最適化も行い、これらの成果から、屈折率の異なる光硬化性樹脂を組み合わせた一体造形が可能となっている。また、応用例として、屈折率の異なる光硬化性樹脂を用いたＧＲＩＮレンズを設計し、実際にマルチマテリアル造形によって試作した。そして、その集光特性も実験によって確認し、解析結果と良い一致を示したことから、本装置によって高機能なマイクロ光学素子を作製できることを実証できた。また、本手法で用いている液滴の駆動メカニズムの解明においては、マルチフィジックス解析ソフトを用いた解析も進めている。よって、当初計画通り、概ね順調に進められていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、より屈折率の高い感光性材料として、ナノ粒子を混合したコンポジット材料を調合し、それらの遠隔駆動を行う実験条件を探索する。そして、より幅広い範囲の屈折率をもつ材料を組み合わせた高機能なマイクロ光学素子を設計・試作する予定である。また、本手法で用いている液滴の駆動メカニズムの解明に関しては、マルチフィジックス解析ソフトを用いて、電磁場解析による光強度分布の入力、光吸収による基板の加熱状態の解析、基板加熱による液滴の表面張力の変化などの連成解析のモデル化を進める。そして、シミュレーションによって、多様な材料を高効率に駆動する駆動条件の探索や駆動方法の改良を行う予定である。また、もう1つの応用デバイスとして、3Ｄメタマテリアルの設計と試作にも取り組む予定である。
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