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Microscopic Structural Analysis for Elasto-Plastic Powder Compression

Research Project

Project/Area Number 22KJ2617
Project/Area Number (Other) 22J14399 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section国内
Review Section Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
Research InstitutionOsaka Metropolitan University

Principal Investigator

矢野 武尊  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords粉体圧縮 / 数値解析 / 弾塑性変形 / 微視的構造解析 / 離散要素法 / 最短経路探索 / 弾塑性モデル / 二峰性粒子 / 充填構造 / 空隙率
Outline of Research at the Start

粉体圧縮プロセスは,粉体に直接圧力を印加することで強固な成型体を得るプロセスであり,医薬品,粉末冶金,電池材料といった幅広い分野で利用されている.しかし,粉体によって機械的な特性や流動性が異なるために粉体の成型性の予測が困難であり,実産業プロセスでは最適条件を試行錯誤的に決定しているのが現状である.これまでの粉体圧縮に関する研究では,粉体全体を評価したバルク特性により議論されることが多いが,現象を十分に捉えられていない.そこで本研究では,実験および数値計算により微視的構造を解析することで圧縮過程における粉体の変形挙動,転移挙動について明らかにし,粉体の緻密化メカニズムを解明する.

Outline of Annual Research Achievements

粉体圧縮において,粒子特性が圧縮成形体の圧縮挙動に影響を及ぼすことが知られている.特に,粒子の塑性変形性が圧縮成形に及ぼす影響の寄与が大きいにもかかわらず,計算モデルの信頼性や計算負荷の観点から数値解析による微視的構造評価について体系的に検討されていないのが現状である.そこで,粉体の塑性変形性に着目して粉体圧縮シミュレーションを行い,粒子の塑性変形性が粉体圧縮中の粉体挙動に与える影響を検討した.
初年度は特に粉体のバルク的な特性に着目した解析を行ったため,最終年度は粉体層内部の粒子充填構造に着目し,微視的な最短経路の解析を試みた.A*アルゴリズムによる最短経路探索プログラムをpythonにより構築し,全固体電池用電極を想定した粉体層に適用することで粉体層の微視的なつながり(パーコレーション)を評価した.このとき,粒子間の塑性変形性パラメータは初年度の研究成果から独自に定義したパラメータを採用した.充填する粉体の粒子径分布を変化させたところ,粗大な粒子を経由した経路のほうが経路の屈曲度が小さく全固体電池用電極として高性能であることが示唆された.以上のことから,粉体の塑性変形性に着目した粉体圧縮計算を行うことにより,全固体電池用電極の評価への応用可能性が示された.
以上より,本研究は微視的な構造解析により粉体の弾塑性圧縮挙動を解析することで粉体の特性と緻密化現象の関係を明らかにした.サイズおよび塑性変形性の異なる粉体の混合粉体の圧縮挙動を数値解析および実験によって把握し,圧縮エネルギー,空隙率,接触面積,配位数,接触面積,パーコレーションを評価した.本成果は国内外の学会にて発表し,学術論文として公開された.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] iPAT, TU Braunschweig(ドイツ)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] A Method for the Tensile Strength Prediction of Tablets with Differing Powder Plasticities2024

    • Author(s)
      Yano Takeru、Oshiro Atsushi、Ohsaki Shuji、Nakamura Hideya、Watano Satoru
    • Journal Title

      Chemical and Pharmaceutical Bulletin

      Volume: 72 Issue: 4 Pages: 374-380

    • DOI

      10.1248/cpb.c24-00090

    • ISSN
      0009-2363, 1347-5223
    • Year and Date
      2024-04-09
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical Analysis of Compression Properties of the Binary Mixture of Powder with Different Particle Plasticities2024

    • Author(s)
      矢野 武尊,大崎 修司,仲村 英也,綿野 哲
    • Journal Title

      Journal of the Society of Powder Technology, Japan

      Volume: 61 Issue: 3 Pages: 144-153

    • DOI

      10.4164/sptj.61.144

    • ISSN
      0386-6157, 1883-7239
    • Year and Date
      2024-03-10
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Compression properties of bimodal powders with different plasticities in the elastoplastic powder compression process: A numerical analysis2023

    • Author(s)
      Yano Takeru、Ohsaki Shuji、Nakamura Hideya、Watano Satoru
    • Journal Title

      Advanced Powder Technology

      Volume: 34 Issue: 12 Pages: 104245-104245

    • DOI

      10.1016/j.apt.2023.104245

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] [依頼講演] 弾塑性を考慮した粉体圧縮プロセスの数値解析と全固体電池への応用2024

    • Author(s)
      矢野 武尊
    • Organizer
      化学工学会第89年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Numerical Analysis of the Packing Structures on Elasto- Plastic Compression Processes2023

    • Author(s)
      Takeru Yano, Shuji Ohsaki, Hideya Nakamura, Satoru Watano
    • Organizer
      PARTEC2023(International forum for research and development in particle technology)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 硫化物系固体電解質の粒度分布が電極構造に与える影響2023

    • Author(s)
      矢野 武尊
    • Organizer
      2023年度 粉体操作に伴う諸現象に関する勉強会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 硫化物系固体電解質の粒度分布がイオン・電子伝導度に及ぼす影響2023

    • Author(s)
      矢野 武尊,Moritz Hofer,大崎 修司,仲村 英也,綿野 哲,Peter Michalowski,Arno Kwade
    • Organizer
      粉体工学会2023年度春期研究発表会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 最短経路探索による全固体電池用電極の内部構造評価2022

    • Author(s)
      矢野 武尊
    • Organizer
      2022年度 粉体操作に伴う諸現象に関する勉強会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 離散要素法を用いた全固体電池の内部構造評価2022

    • Author(s)
      矢野 武尊,大崎 修司,仲村 英也,綿野 哲
    • Organizer
      2022年度 粉体工学会 秋期研究発表会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Numerical Analysis of Elasto-plastic Powder Compression2022

    • Author(s)
      Takeru Yano, Shuji Ohsaki, Hideya Nakamura, Satoru Watano
    • Organizer
      Advances in Particle Technology 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DEM SIMULATION OF ELASTO-PLASTIC POWDER COMPRESSION PROCESS2022

    • Author(s)
      Takeru Yano, Shuji Ohsaki, Hideya Nakamura, Satoru Watano
    • Organizer
      9th World Congress on Particle Technology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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