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[5_講演論文集原稿 Kamoda 250902.docx](https://mdr.nims.go.jp/filesets/a5c904ba-547d-48ba-abd3-879e65eb23d4/download)

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鴨田 紀一, 關根 暢秀, [長田 俊郎](https://orcid.org/0000-0003-1539-9264), [大熊 学](https://orcid.org/0000-0002-2997-9166)

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[構造用セラミックスに向けたバインダージェット方式三次元造形技術の開発と高密度化への取り組み](https://mdr.nims.go.jp/datasets/2a0f025a-0f58-4a67-aa87-aba8d874aae7)

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第53回日本ガスタービン学会定期講演会講演論文集，2025．10【技術紹介】　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　A-8構造用セラミックスに向けたバインダージェット方式三次元造形技術の開発と高密度化への取り組みBinder Jetting 3D Printing Technology for Structural Ceramics: Development and Approaches Toward High-Density Fabrication11○鴨田 紀一*1   關根 暢秀*1  大熊 学*2　 長田 俊郎*2KAMODA Kiichi 　SEKINE Nobuhide   OKUMA Gaku   OSADA Toshio ABSTRACT This study introduces the Particle Homogenization Modeling (PHM) method, an advanced binder jetting approach for structural ceramics. Targeting applications that demand high reliability, the method improves strength through optimized densification and defect reduction. Flexural strength tests and Weibull analysis revealed that low-strength fractures originate from poorly sintered grain boundaries, while higher strength specimens fractured from spherical defects. At strengths exceeding 300 MPa, fewer spherical defects were observed, correlating with densities above 95%. Comparison with other additive manufacturing techniques highlights PHM’s advantage in fabricating dense and reliable ceramic components. This report discusses processing optimization, defect origins, and performance benchmarking against other additive manufacturing methods.キーワード：バインダージェット,セラミックス三次元造形,信頼性,ワイブル分布,曲げ強度Key Words: Binder Jetting, Ceramics Additive Manufacturing, Reliability, Weibull Analysis, Flexural Strength1． はじめに*1 株式会社リコー　技術統括部 〒〒243-0460 神奈川県海老名市泉2-7-1 E-mail: Kiichi.kamoda@jp.ricoh.com*2 国立研究開発法人　物質・材料研究機構 〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1　ファインセラミックス材料（アルミナ，ジルコニア，炭化ケイ素など）は，その優れた機械的強度，高硬度，耐熱性，耐食性により，航空宇宙，自動車，重電，エネルギーなど幅広い分野で構造材料として利用されてきた．近年は，カーボンニュートラルや高効率エネルギー変換技術の進展に伴い，セラミックスの応用はさらに拡大している．それに伴って，従来の射出成形やホットプレスなどでは製造が困難であった複雑形状や内部構造を有する部品に対して，アディティブ・マニュファクチャリング（Additive Manufacturing: AM）の適用が期待されている．　セラミックスAMの利点は，設計自由度，複数部品の一体化，リードタイムの短縮，材料利用効率の向上などである．一方で，セラミックス特有の脆性や焼結収縮の制御，欠陥形成に起因する強度ばらつきなど，多くの課題も残されている．光造形（SLA/DLP）方式は高精細形状の造形が可能であるが厚肉造形が難しく，マテリアルジェッティングやインクジェット系ではスラリーやペーストの粘度制御が課題となる．これらに対し，バインダージェッティング方式（Binder Jetting Technology: BJT）は粉末床にバインダーを噴射してグリーン体を成形する手法であり，大型かつ多数量の部品造形が可能な点で注目されている．しかし，BJTではバインダーの分布や脱脂・焼結挙動に起因して，気孔や未焼結領域などの欠陥が生じやすいという課題がある．したがって，焼結体密度を高めつつ欠陥を低減し，強度信頼性を確保することが，セラミックスAMにおける最大の技術的課題である．　本研究では，リコーが開発した独自の粒子均質化造形法（Particle Homogenizing Modeling: PHM）(1)を紹介する（Fig. 1）．この方法では，微小なセラミック一次粒子と樹脂からなる造粒粒子を用いて，ローラーで粉末層を形成する．その後造粒粒子中の樹脂を溶解できる溶媒にセラミック粒子を分散させたインクを，形成した粉末層に塗布する．塗布されたインクは，造粒粒子に含まれる樹脂を溶かしながら粉体に浸透していく．樹脂の溶解に伴って造粒粒子の形状を維持する力は徐々に減少し，ある閾値を超えると造粒粒子は形状が崩壊する．造粒粒子の形状崩壊によって粉体層内は一次粒子とインクによって緻密かつ均質に充填された構造となる．さらに，インクには微小なセラミック粒子が含まれており，緻密化の促進や変形を抑止する効果がある．形成と塗布のステップが必要な積層数が得られるまで繰り返され，形状が作られる．その後溶媒を乾燥除去すると，樹脂が一次粒子と分散粒子を結着し，取り扱いできるグリーン体（焼結前の部品）を形成する．本手法は造粒粉末とナノ粒子分散インクを組み合わせ，粉末床中に均質な結合を形成させることで，高密度かつ厚肉な造形体を得ることを目的としている．特に，従来技術で困難であった10〜30 mm厚のアルミナ部品造形に挑戦している．Fig. 1 Schematic illustration of Particle Homogenizing Modeling (PHM) process(1)本報告では特に，焼結体密度および強度特性の向上を図った結果について報告する．さらに，破壊起点解析およびワイブル統計を用いて，強度ばらつきの要因を明確化し，造形条件最適化による欠陥低減策を検討した． 2．実験方法2．1 材料　本研究に用いた粉末は純度99.99 %のアルミナ（Al2O3）であり，平均粒径数μmの一次粒子を母材とした．バインダー樹脂は10 wt%未満の添加量とし，溶剤と混合の上，スプレー造粒によって粒径数十μmの造粒粉末を作製した．さらに，ナノ粒子を分散させた水系インクを調製し，インクジェットヘッド（RICOH MH5420）を用いて吐出可能な粘度に調整した．これにより，粉末床に対して均質なインク供給を行い，造粒粒子内部まで樹脂およびナノ粒子が浸透するように設計した．2．2 造形条件　インクジェットヘッドにRICOH MH5420を用いた自社開発のバインダージェット方式プリンタを用い，層厚100 μmで積層造形を行った．インク量は相対インク飽和度（Saturation, S [vol.%]）により制御した．S値は過少であれば均質化不十分，過多であれば泡状気孔の形成を引き起こすため，本研究ではSを複数段階に変化させて条件を探索した．造形物寸法は50×50×t6 mmである．2．3 熱処理条件　グリーン体は乾燥後，500 ℃で脱脂処理を行い，その後1700 ℃にて保持時間を変化させ焼結した．焼結体の密度は乾式重量法で測定し，アルミナ理論密度3.95 g/cm3に対する相対密度を算出した．2．4 焼結体評価　焼結体から切削・研磨によりJIS R 1601準拠の三点曲げ試験片を作製し，密度および破壊強度を評価した．総試験本数は97本であり，破面はSEMにより観察した．さらに，JIS R 1625:2010に基づく二母数ワイブル統計解析を実施し，メジアンランク法を用いてワイブル係数mおよび尺度母数σ0を求めた．欠陥の解析にはX-CTを用いた．3． 結果　焼結体密度は最大で96 %に達し，従来のバインダージェット方式と比較して高い緻密化を実現した．しかしながら，同一密度であっても強度が大きくばらつきを示した．これは焼結体内部に存在する欠陥の種類と大きさ分布がばらついていることを示唆している．破面観察の結果、破壊強度190 MPa以下の試験片では未焼結粒界欠陥が散在し，破壊起点が明瞭に特定できない場合が多かった．一方250 MPa前後の試験片では，粒界欠陥に加え，直径50~100 μm程度の球状気孔が破壊起点となるケースが多く観察された．さらに，300 MPa以上の試験片では内部気孔の数が顕著に減少し，破壊は主に表層近傍の小欠陥を起点としていた（Fig2）．これらの結果から，未焼結粒界欠陥は低強度領域に，球状気孔は中強度領域に寄与し，両者の低減が高信頼性確保に必要である可能性が示された．　更に考察を深めるため、全試験片の曲げ強度データからワイブル解析を行った．結果として、破壊強度190MPaほどに変曲点があることが明らかとなった．前述した破面観察から得られた欠陥別に分類すると，未焼結欠陥に Fig 2 Fracture surface of sintered ceramics AM parts. Its bending strength is 325 MPa.起因する破断と，球状気孔に起因する破断とで，傾き（ワイブル係数）が異なっているとみられる．それぞれを分類してプロットすると，未焼結欠陥に起因する破断ではm=16.3，σ0=197 MPa，球状気孔に起因する破断ではm=13.5，σ0=301 MPaであった．この結果は，未焼結欠陥は応力集中が顕著であり比較的低強度で破壊に至る一方，気孔はその形状から応力集中が緩和され，より高強度域で破壊に寄与することを示している．　ここで，既報のセラミックスAMにおけるアルミナの強度ばらつきの関する報告によると，ワイブル係数及び尺度母数m, σ0は, Schwentenwein らによるLCM方式ではm=11.2, σ0=427 MPa(2)，BoardmanらによるLCM方式でm=9.1 σ0=355MPa(3), Ghazanfari らによるDIW方式ではm= 8.33, σ0=385.3MPa(4)が報告されている．一方BJT方式ではワイブル分布を用いた報告がほとんどなされていない．破断強度については，56.1 ± 11.3 MPa係数mの報告はほとんどない状況である。従って、PHM法での造形物焼結体の強度ばらつきについて，焼結が十分に進行した試験片については、内部の気孔が存在していた場合はLCM方式及びDIW方式と機械特性に関して乖離がある状況であるが，既存のセラミックBJT方式に対しては強度・強度ばらつき共に優位であると考えられる．4．造形物の高密度化前述した球状気孔は，焼結前のグリーン体内部においても観察されている．それら球状気孔については，造形時の単位体積当たりのインク量（Saturation）が大きく影響することが明らかとなっている．Saturationが少なすぎる場合は均質化は生じず，一方多すぎる場合造形物内に気泡が発生しやすい．造形中の気孔の形成を抑えながら，適したインク量で造形をした場合，気泡も少なく高強度な造形物を取得することが可能となる．4． まとめ　本研究では，粒子均質化造形法（PHM）を用いたアルミナの三次元造形により，95 %以上の焼結体密度と300 MPa超の曲げ強度を達成した．破壊起点解析から，未焼結粒界欠陥と球状気孔が強度ばらつきに寄与する主要因であることを明らかにした．インク量最適化により球状気孔を低減できることが確認され，今後はさらなる焼結プロセス制御による未焼結欠陥低減が課題である．得られたワイブル係数は従来報告を上回り，構造用セラミックスの信頼性向上に資する技術であると考えられる．　今後は，ガスタービンや電力機器に求められる厚肉・高強度セラミックス部材への適用を目指し，造形条件・焼結条件の最適化，欠陥検出技術の導入，他材料系への展開を進めていく予定である．参 考 文 献(1) Kiichi K, et. al.,　Ceramics Additive Manufacturing by Granulated Particle and Nanoparticle Containing Ink. Ricoh Technical Report No. 45, https://jp.ricoh.com/technology/tech/121_ceramics_3d_printer. (2) Schwentenwein M, Homa J. Additive manufacturing of densealumina ceramics. Int J Appl Ceram Technol. 2015;12(1):1–7.https://doi.org/10.1111/ijac.12319(3) Boardman S, Packard CE. Linking flexural strength and strength-limiting flaws in additively manufactured alumina with print parameter variations. J Am Ceram Soc. 2024; 107: 1185–1200. https://doi.org/10.1111/jace.19493(4) Ghazanfari A, Li W, Leu M, Watts J, Hilmas G. Mechanical characterization of parts produced by ceramic on-demand extrusion process. Int J Appl Ceram Technol. 2017; 14: 486-494.(5) Marco M., Ruben B., Paolo B, Carmen G., Raffaele A., Nora L., 3D printing of fine alumina powders by binder jetting. J Euro Ceram Soc. Vol. 41, No.10(2021), pp. 5307-5315image1.emfDepowdering DryingAppling ink Percolation HomogenizingDebindingSinteringSpreading powderResinPrimary particle; PPDispersed particle; DPJettingGranulated particle; GP✓The ink percolatethe gap of GP together with DP withdissolving resin. ✓The GP is broken and homogenized by the surface tension of the inkand fill gaps and poresto form a dense structure. ✓The ink containing DP applied to powder bed consist of GP.SolventGreen bodySintered bodyimage2.emf100µm20µm