樹脂粉末床溶融結合におけるパートケーキ冷却のためのクラック制御と造形品質の安定化

• Project/Area Number: 19K14867
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute
• Principal Investigator: 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, 事業化支援本部技術開発支援部3Dものづくりセクター, 副主任研究員 (30707112)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 付加製造 / アディティブマニュファクチャリング / 粉末床溶融結合 / パートケーキ / 冷却工程制御 / クラック

Outline of Research at the Start

近年、Additive Manufacturingの生産性向上、実製品適用が求められている。その中で樹脂粉末床溶融結合は形状自由度、強度、製造コストに関して優位性があるものの、冷却工程が長時間であることや寸法精度、強度のばらつきが課題となっている。
研究者は前年度までにパートケーキ（造形物を含む粉末の塊）に発生するクラックに通気することで内部から冷却する冷却促進技術を開発し、冷却時間の短縮を実現した。本研究では冷却工程を制御するためにクラック発生位置制御ならびにクラック抑制手法を確立する。さらに、パートケーキ冷却温度履歴と造形物の寸法および機械的特性のばらつきとの関係性を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、樹脂粉末床溶融結合における造形品質のばらつきを抑制するために、パートケーキ（未溶融の粉末とレーザ等で溶融された樹脂の集合体）の冷却工程を制御することにある。パートケーキの未溶融粉末には冷却に伴いクラックが進展する。このクラックに通気することでパートケーキの冷却促進が可能であることが明らかになっており、本研究では冷却工程を制御するためにクラック発生位置制御ならびにクラック抑制手法を確立する。
2019年度は①パートケーキにおけるクラックの発生条件を調査した。樹脂粉末床溶融結合では融点付近に予熱された粉末を0.1mm程度の厚みで敷き、レーザ等の選択的加熱手段で部分的に溶融する。このとき、レーザで溶融されなかった粉末は予熱によってある程度の強度を得る。強度によってクラックの生じやすさに差異が現れるとの仮定から、粉面温度、粉面加熱時間を変化させたときのクラックを観察した。この結果、粉面温度がクラック発生に影響を与えることが確認できた。また、溶融部の寸法と配置による影響も確認できた。加えて、クラック発生の評価には３Ｄスキャナが有効利用できることが確認できた。パートケーキに発生するクラックは定量評価が難しかったが、３Ｄスキャンを行い、ポリゴンデータとして取得することで面積など定量的に扱うことが可能であった。
次に、②クラックの抑制条件を調査した。まず、低出力レーザによって粉末を半焼結させることで強度を制御できることを確認した。次に、二つの溶融部の間に配置された粉末を半焼結させることで部分的なクラック抑制が可能であることが確認できた。ただし、溶融部の領域が大きくなると、低出力レーザによる半焼結体ではクラックが抑制しきれない場合があることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2019年度は当初の計画通り実施し、冷却工程の制御に必要なクラックの発生条件の調査、クラック抑制についての方針を決定できる知見が得られた。また、粉末を半焼結させるにあたって、レーザのデフォーカス機能を組み込んだソフトウェア導入したことで、投入熱量の調整が可能な実験環境の構築ができた。さらに、当初は２次元画像からクラックを評価する予定であったが、新たに３Ｄスキャナを用いるクラックの定量的評価手法を確立できたことから、想定よりも実験効率が向上した。以上から、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

2019年度の実験で用いた溶融部は矩形であった。2020年度は複雑形状を念頭に置いて円形を用いた際のクラック抑制方法を確立する。また、本年度得られた知見から溶融部領域が大きい場合は半焼結体のみではクラックを抑制しきれないことがあるため、溶融部間を溶融部と同程度のランナーでつなぐことでクラックを抑制する実験を盛り込む。さらに、これまではパートケーキ内における溶融部は未溶融粉末と隣接していたが、クラック抑制を含むプロセスでは溶融部は半焼結体に接続されるため、従来プロセスとは境界条件が異なるといえる。そのため溶融部、つまりは造形品の表面状態も併せて調査する。