Highly Efficient Surface Smoothing by Clarification of EB Polishing Mechanism with Considering Flow of Material
| Project/Area Number |
21K03807
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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 18020:Manufacturing and production engineering-related
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
篠永 東吾 岡山大学, 自然科学学域, 助教 (60748507)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡本 康寛 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (40304331)
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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: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 大面積電子ビーム / EBポリッシング / 表面平滑化 / 電磁場解析 / 熱流体解析 / 溶融金属 / 表面張力 / 電子ビーム / 電子集中現象 |
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| Outline of Research at the Start |
射出成型金型や金属製インプラント表面は，表面粗さを1μmRz程度以下にする表面仕上げが必要である．通常，これら金属材料の表面仕上げは手磨きにより行われるが，熟練した技術や長時間を要するため，表面仕上げの高能率化が課題となっている．大面積電子ビームを用いたEBポリッシング法は材料の極表面を瞬時に溶融・蒸発することができ，数μmRzの初期表面粗さを有する金属材料の高能率表面仕上げが可能である．本研究課題では，凸部への電子集中現象，溶融金属の凹部への流動・再凝固層現象を考慮した熱流体解析によりEBポリッシングメカニズムの解明を試みる．また，表面粗さの大きな凹凸形状に対する高能率表面平滑化を試みる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和４年度にかかげていた電子ビーム照射による溶融金属の流動・再凝固現象を再現した熱流体解析により，EBポリッシング時の形状変化メカニズムの解明を試みた．
はじめに，電子ビームチャンバ内の圧力，金属材料の熱物性値，粘性などを考慮した熱流体解析モデルを構築した．本解析では，明確な自由表面を持つ液体として溶融金属が流動する様子を追跡することができるVOF（Volume-of-Fluid）を用いた数値流体解析（Computer Fluid Dynamics：CFD）を行うことが可能である．解析での入熱は実際の電子ビーム照射時の入熱波形を考慮し，パルス幅μsオーダーの三角波とした．
構築した熱流体解析モデルの解析精度を確認するため，平坦形状の工作物に対して電子ビームを1shot照射し，熱流体解析により算出した溶融層厚さや除去厚さを算出した．その結果，実験で得られた再凝固厚さや除去厚さと，解析値が精度良く一致することを確認した．
次に，工作物の表面に微細凹凸形状を付与したモデルを構築した熱流体解析により，電子ビームを1shot照射した際の，溶融金属が流動する過程を調べた，その結果，溶融金属が凸部から凹部へ流動・再凝固する過程を詳細に捉えることができた．また，EBポリッシング時において溶融金属が流動する駆動力は，重力よりも表面張力の影響が大きいことが分かった．さらに，微細凹凸形状の初期表面粗さだけでなく凹凸平均間隔が，EBポリッシングにより得られる平滑化効果に影響を及ぼすことが明らかになった．
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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
令和４年度にかかげていた電子ビーム照射による溶融金属の流動・再凝固現象の解明を試みた．電子ビームチャンバ内の圧力，金属材料の熱物性値，粘性などを考慮した熱流体解析モデルを構築した．工作物のモデル表面には実験と同様に微細凹凸形状を付与した．実験で得られた再凝固厚さや除去厚さと，熱流体解析による溶融層厚さが精度良く一致することが分かった．次に，熱流体解析により，電子ビームを1shot照射した際の，溶融金属が凸部から凹部へ流動・再凝固する過程を明らかにすることができた．また，EBポリッシング時において溶融金属が流動する駆動力は，表面張力の影響が大きいことが分かった．さらに，微細凹凸形状の表面粗さだけでなく凹凸平均間隔が平滑化効果に影響を及ぼすことが解析的に明らかになった．本研究で得られた成果の一部について国内外の学会等で報告した．以上より，本研究課題はおおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度にあたる令和５年度では，令和４年度までに構築した熱流体解析によってEBポリッシングによる表面平滑化に有効な初期表面形状や照射条件を明らかにする．また，解析で得られた知見を元に実験を行い，高能率EBポリッシングを試みる．また，表面平滑化だけでなく電子ビーム照射時の形状変化メカニズムの解明についても取り組む予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(9 results)
