The Smallest Fabrication of Ultra Fine Wires by using Wiredrawing Technique: Computational Mechanics Approach
| Project/Area Number |
21K03759
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
齋藤 賢一 関西大学, システム理工学部, 教授 (90294032)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 伸線加工 / 分子動力学 / 計算力学 / 塑性変形 / マイクロ・ナノワイヤ / 金属材料 / マルチスケール解析 / 塑性加工 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、超微細なワイヤを製造する原理として従来から金属線材に用いられている「伸線加工」の技術を、マイクロメートル未満（サブマイクロ・ナノメートル）まで微細化するために必要な技術を考察する。その際に必要となる現象の理解や伸線の限界の知見を数値シミュレーションによる理論的アプローチで検討する。まず、物質の究極の構成要素である原子・分子を対象とする解析手法である「分子動力学法」のスケールアップを実現し、加えてマクロ解析（粒子法や有限要素法など）を結合したマルチスケール解析法を構築していく。さらに、得られる超微細ワイヤが産業応用に供される際の力学的挙動について予め数値解析しその実現性を検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、棒・線（ワイヤ）に対する伸線加工について、計算力学シミュレーションを用いて、加工原理の追求、およびナノレベルの材料の構造・特性の変化を調べる方法論の構築を行う。具体的な材料での適用可能性も示し、今後の微細なワイヤ形状材料の製造への応用を目指す。第1度目に引き続き、第2年度目は、主に以下の各内容を遂行した。
(1)原子レベル解析によるナノサイズワイヤの伸線製造可能性の検討：当初の純鉄（α-Fe）ワイヤの伸線加工の分子動力学（MD）解析モデルの構築と加工解析に加えて、難加工材として知られる純マグネシウム（Mg）またはMg合金ワイヤに対するナノサイズで伸線加工の可能性と得られる微細組織の発展を検討した。純Mgの単結晶のMDモデルを作成し、円錐型ダイスの中を通して塑性変形させるシミュレーションを行った。伸線方向を六方最密構造のc軸方向に対して、0°～90°に変化させ、双晶または転位の発生と進展の伸線方向への依存性を定量的に評価した。他研究者の実験による、われわれの伸線モデルと同サイズの試験片の単軸引張試験結果と比較したところ、伸線方向とc軸が45°の方位差となる場合に最も塑性変形を促し、伸線しやすいことがわかった。
(2) 超微細ステンレスワイヤの計算再現性に関する検討：超微細ステンレスワイヤに関して、連続パスでの有限要素法（FEM）解析を行い、パス進行に伴う塑性ひずみおよび残留応力を評価した。今期はとくに、各パスで線材表層に生じる硬化領域の進展を材質モデルの設定により表現し、硬化層を順次設けたときの塑性ひずみの重畳の様子を観察した。各硬化層間、未硬化層との界面でひずみの急峻な増減は出るものの、硬化層を超えて内層にひずみが増加する傾向が得られた。今後予定している、硬化の物理的メカニズムを陽的に含められる結晶塑性FEM解析（CPFEM）やMDの導入の準備が整った。
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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
本研究の開始以前および開始後の第1年度において、対象とする伸線加工に関する資料収集、実験（共同研究先）との連携、計算ソフトウェアやコンピュータ機器の整備などを継続的に行ってきた。そのため、今期（第2年度）では計算機器等の追加はとくに必要なく、次年度に持ち越すことにした。一方、研究代表者および補助者（研究室メンバー）による計算実行は順調に行っている。対外的な研究発表に関して、COVID-19感染拡大リスク防止のため対面参加の会議・講演会が依然として少なかったが、できるだけ参加するようにし、他の研究者との交流や情報収集を積極的に行うに至った。ここまで第1および第2年度で本研究テーマの当初の目的に沿った形での研究が遂行できていると考えられ、続く最終年度において、研究のまとめおよび次の研究への展開が可能になっていると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
第1および第2年度には、本研究テーマの根幹となる伸線加工原理の追求と微視的解析手法の構築が、各種材料（純鉄・ステンレス・マグネシウム）について行われた。また、関連して研究室で行っているバイオ素材系ワイヤ構造（セルロース、コラーゲン、（第2年度からの）スパイダーシルク）の計算モデル構築と特性評価も含め、ナノサイズのワイヤ構造の機械的性質とその加工法に関する総体的な知見が積み重ねられた。そして、主なる研究手法である有限要素法（FEM）や分子動力学（MD）などのスムースな利用体制の構築がなされ、それらの利用ノウハウも数多く蓄積されるに至った。
そこで、最終年度である第3年度はそれらを基盤として、さらに大規模かつ精密な計算モデルの作成と実行を引き続き進める予定としている。とくに金属線の加工解析では、MDやFEMおよび結晶塑性理論を組み合わせた具体的なマルチスケール解析へと進めていく予定である。また、前年度で見出した新しい解析、例えば、大容量の計算データの人工知能（ディープラーニング）を援用した解析、科学的可視化（ビジュアリゼーション）を駆使した特徴量の抽出方法なども引き続き検討する。これらにより、伸線加工原理、各種素材の伸線限界や微視的挙動の理解、新規材料における伸線加工の可能性を、より深く理解できるものと考えている。
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Report
(2 results)
Research Products
(41 results)
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[Journal Article] Drawing2022
Author(s)
齋藤賢一(執筆代表者：伸線技術分科会情報委員会)
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Journal Title
PLASTOS
Volume: 5
Issue: 56
Pages: 522-526
DOI
NAID
ISSN
2433-8826
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