部分半焼結によるサポートレス低温樹脂レーザ焼結の実用化

研究課題

研究課題/領域番号	23K04457
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分26050:材料加工および組織制御関連
研究機関	地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター
研究代表者	小林隆一地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 研究開発本部物理応用技術部機械技術グループ, 副主任研究員 (30707112)
研究分担者	木暮尊志地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 研究開発本部物理応用技術部機械技術グループ, 主任研究員 (00587131) 山内友貴地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 研究開発本部物理応用技術部機械技術グループ, 主任研究員 (20587133)
研究期間 (年度)	2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円) 2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円) 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円) 2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワード	付加製造 / 樹脂粉末床溶融結合 / レーザ焼結 / 半焼結 / サポートレス / 低温造形 / 粉末床溶融結合 / サポート
研究開始時の研究の概要	樹脂レーザ焼結では予熱による粉末劣化が粉末の排気の要因となっていることから、予熱を極力抑えた低温造形プロセスの開発が期待されている。しかし、現状では低温造形品の形状精度、生産性に課題があり、実用化には至っていない。そこで本研究では、低温粉末床を部分的に半焼結させた内側をレーザで溶融する新しい低温造形プロセスを提案することで、形状精度および生産性を同時に改善し、低温造形の実用化を目指す。低温プロセスの実用化によって、低温造形品の歩留まり向上、粉末劣化の抑制、サポートレス低温造形による多段造形を実現することができるため、従来よりも廃棄物が少なく、高生産性な樹脂レーザ焼結プロセスとなり得る。
研究実績の概要	今年度は、提案手法によってサポートレス低温造形が可能がどうかの基礎実験を行った。具体的には、ポリアミド11の粉末を単層（0.1mm厚）敷いた後、粉末床温度を結晶化温度以下に保温し、粉末床の一部に低エネルギレーザ照射を行うことで選択的に半焼結を形成した後、当該部分の内側にさらに高エネルギーレーザ照射を行った。このとき、高エネルギーレーザ照射した部分が反ってしまうかどうかを確認したところ、特定の条件において、そりが抑制できることがわかった。単層実験にて提案手法の可能性が確認できたことから、10mm×10mm×5mm（5mmが積層方向）の造形を行った。なお、低エネルギレーザ照射の範囲は20mm×20mmとした。このとき、積層プロセスは成功したものの、造形品底面に反り（カール現象）が確認されたため、アンカー効果を狙い10mm×10mm×5mmの四隅に1mm×1mm×5mmの足を追加した。アンカー効果によって反りの低減が確認できた。しかし、完全に抑制することは困難であった。粉末床温度100度で造形したサンプルについては、その見かけ密度を測定した。密度の平均は0.98g/cm3程度であり水に浮く結果となった。ポリアミド11の見かけ密度は1.0g/cm3以上が一般的であるため、形状、密度共にさらなる品質改善が必要であることが分かった。なお、100℃に曝された粉末の融点と注ぎ密度は、新品の粉末とそん色ない程度であった。先行研究から、一般的な粉末床温度である結晶化温度と融点の間に曝されたポリアミド11粉末は融点と注ぎ密度が変化することがわかっているため、粉末の大量劣化を防ぐ造形を実現可能である目途が立った。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由 10mm角と小型ではあるものの、提案手法でサポートレス低温樹脂レーザ焼結を実現できたことから、順調に進展していると判断した。
今後の研究の推進方策	単層の反り抑制において、半焼結が機能することは示せた。ただし、粉末床が低温であることから、収縮済みの造形品に対して積層造形を行うため、層毎の収縮が累積することによる反り（形状変化）が回避できない可能性がある。このことから、XYZの各方向の収縮補正に加え、累積反り補正を追加で検討する。今後予定している長尺物（引張試験片）の作製を見越して、累積反り補正技術を確立することを目指す。