研究開発された技術紹介

従来の金属積層技術では、粉末材料の酸化や粉塵爆発の危険性があるため、マグネシウムやチタニウムなどの粉体の取り扱いが困難で、利用範囲が限られている。株式会社ヨシダが培った放射性物質用グローブボックスの閉じ込め・隔離・回収技術と、産総研の3Dプリンタ及び粉体製造技術を活用し、現在50μm程度に限られている粉体を20μm程度にする高機能な「自己洗浄能力を有する超精密雰囲気制御型グローブボックスの開発」を目指す。

・容器内壁の金属微粉末の付着抑制手法の開発
-グローブボックス内壁への金属粉末の付着抑制を図るため、粉末付着層のはく離性および付着抑制に効果的な表面処理法とその加工条件を明らかに した。
・グローブボックス内壁に付着した粉末のはく離および安全に粉末を回収する技術
-近年開発されたスノードライアイスブラスト法は、高い付着粉末除去能力を有しており、メンテナンスの効率化や未使用金属粉末の回収・再利用にもつながるものである。どのような流速で、どのような方向から、どういったサイズのドライアイスを噴射させるかなど、付着粉末除去に最も効果的な洗浄処理条件を明らかにした。
・グローブボックス内環境の最適化とそれを可能とするリアルタイムの計測システム
-容器内への酸素・水分の混入場所の同定と対策
＊リークレート0.00001Vol%/hrを達成するため、ハロゲンリークテストを用いて混入カ所の特定・対策化を繰り返し 行った。
-容器内水分濃度のリアルタイムでの可視化
＊東北大学ベンチャー企業であるボールウェーブ株式会社が開発したBall-SAWセンサを使用して、全く新しいリアルタイムでの水分濃度測定技術を開発した。
・製品品質を保証する評価検証法の選定課題
-グローブボックスの性能を保証するとともに、金属粉末の再利用が可能であることを実証した。

・容器内壁の金属微粉末の付着抑制手法の開発
-内壁の表面粗さ(Ra)を0.03μm以下とし、内壁への粉体付着率40%以下を達成した。
・スノードライアイスブラスト法による粉末剥離回収機構の開発
-付着粉体の99%除去に要する所要時間を1hrとし、未使用粉体の回収率を再利用可能で50%以上とする高機能グローブボックスを製作した。
・グローブボックス内環境の最適化とそれを可能とするリアルタイムの計測システム
-容器内への酸素・水分の混入場所の同定と対策
＊容器内の水分・酸素濃度を1ppm以下とし、グローブボックスの機密度としてハロゲンリーク試験で0.0000vol%/hrとした。
-容器内水分濃度のリアルタイムでの可視化
＊Ball-SAWセンサーを改良し、水分濃度1ppmでの測定時間を1秒以下とし、同時にアルゴンガス濃度同時測定可能なリアルタイム分析システムを開発した。
・製品品質保証の評価検証法確立
-使用可能な金属粉体サイズを20μm以下、金属粉体の酸化率を1%以下とした。
-粉体供給時における容器内の水分濃度と酸素濃度をともに10ppm以下とした。

・講演会、学会発表、展示会
-Kazushi Yamanaka, Shingo Akao, Nobuo Takeda, Toshihiro Tsuji, Toru Oizumi, Hideyuki Fukushi, Tatsuhiro Okano and Yusuke Tsukahara: Jpn. J. Appl. Phys. 58 (2019)
-N Takeda, P Carroll, Y Tsukahara, S Beardmore, S Bell, K Yamanaka and S Akao: Meas. Sci. Technol. 31 (2020) 104007.
-Iwaya, Akao, Takeda, Oizumi, Tsukahara, Yamanaka et al. Meas. Sci. Technol. 31 (2020)

・特許出願
-出願準備中、「高機能グローブボックス」

本開発の超精密雰囲気制御型グローブボックスは、医療や航空宇宙分野、電池分野など、粉末を用いた製造プロセスを必要とする各種分野の製造ラインへの転用が可能である。

自社にできることを認識した上で、まずは3Dプリンタ分野に進出し、同時に放射線分野及びバイオ・再生医療分野を視野に入れる予定である。

今回開発した技術は金属積層だけではなく、放射性物質の洗浄、水分を嫌うリチウムイオン電池製造、衛生的な雰囲気制御が望まれるバイオ分野などへの利用が可能と考えられる。そのため、数十億円から数百億円の新たな雰囲気制御グローブボックス市場が拓けると思われる。
研究開発中のグローブボックスにむけ納入する装置説明のため、PolarTechのDan CEOがわざわざデンマークから来社してくださいました。多岐にわたるディスカッションを行い、開発へのアドバイスも頂くことが出来ました。

・放射性物質用グローブボックスの安全性向上への適用
-本開発の自動粉末のはく離回収機構は、放射性物質の自動洗浄回収に十分な効果があると考えている。株式会社ヨシダでは、このはく離回収機構を導入した完全遠隔操作型放射性物質用グローブボックスの製造を目指している。本件の開発はエンドユーザーからの期待も大きく、今後、放射性物質を模擬したモックアップ試験や実際の放射性物質汚染状況下での実施を経て、事業化を目指している。

・感染症対策用グローブボックスへの適用
-株式会社ヨシダではコロナウィルスによる医療従事者の二次感染を防ぐことを想定し、感染症対策用グローブボックスの設計とモックアップ製作を行った。今後、このグローブボックスへ自己洗浄機能の技術を応用する事を計画している。この染症対策用グローブボックスを量産化することで、各病院や行政機関、PCRセンターに配備し、原子力分野でのサポイン事業の技術を生かして地域への貢献度を高めていきたいと考えている。

従来の金属積層技術では、粉末材料の酸化や粉塵爆発の危険性があるため、マグネシウムやチタニウムなどの粉体の取り扱いが困難で、利用範囲が限られている。(株)ヨシダが培った放射性物質用グローブボックスの閉じ込め・隔離・回収技術、計算機による洗浄機構のシミュレーション、グローブボックス内環境の最適化と水分濃度のリアルタイム計測システムの実用化により、現在利用が50μm程度に限られている粉体を20μｍ程度まで可能にする高機能な「自己洗浄能力を有する超精密雰囲気制御型グローブボックス」を製作し、同時に電池製造プロセス、放射性物質処理、バイオ産業などへの応用を進めていく予定である。

定期的に開催するフォローアップ会議、及び事業進行に合わせて関係者が集まる開発連絡会を通して、随時新技術の検討及びニーズ把握を行うなど参画機関の協力体制は密である。また、産総研の積層加工システム研究グループ、茨城大学永野講師のシミュレーションによる先見性の高い成果と連携することにより、ラボレベル、製造レベルでの将来見通し検討を常時行っている。高機能グローブボックスの設計・製造は、試作品での基礎的なデータの積み上げと様々な装置機能制御上のノウハウが蓄積されて初めて実現可能となるので、企業と公的機関が密に連携して新型装置の開発に挑戦することの意義は極めて大きい。