| Project/Area Number |
23K03603
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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 | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
早川 伸哉 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10314080)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | レーザ接合 / 接合面温度 / インプロセス測定 / 微細構造 / 反射率 / 放射率 / 接合強度 / 樹脂流動 / 押さえ圧 / 前処理 |
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| Outline of Research at the Start |
金属と樹脂のレーザ接合において金属部材の接合面に形成した微細構造に樹脂が流入すると光学特性が変化する．そのメカニズムを解明することと，その現象を利用して接合面温度をインプロセスで測定する方法を確立することが本研究の目的である．前者では温度場と電磁場のシミュレーションを行い，樹脂流入の程度が光学特性に影響することを検証する．後者では接合加工中に時々刻々と変化する接合面の放射率をインプロセスで測定し，温度測定システムとして構築する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
① 接合面のレーザ光反射率・放射率の解析 金属接合面に微細凹凸構造を形成するとレーザ光反射率が減少し，その微細構造に樹脂が流入するとレーザ光の反射率や赤外線の放射率がさらに変化する．このうち前者の現象を解明することを目的として，電磁場の数値解析を行った．微細構造が形成されていない平面の場合と，四角形や三角形の凹形状が形成された面の場合について電磁波が反射する様子を比較するとともに，凹形状に侵入した電磁波の挙動を視覚化することで反射率が減少するメカニズムを推定することができた．この結果は微細構造の望ましい形状を考えるための指針になる．また，レーザ光吸収率の解析結果と実測結果の比較から，金属表面の光学特性としてドルーデモデルではなくドルーデ・ローレンツモデルを使用することが適切であることがわかった．これは当初の想定とは異なる結果であり，今後の解析を行うための基礎として重要である．
② 接合面温度のインプロセス測定 放射温度計に設定すべき放射率が接合の形成に伴って変化する．このことに対応するために本研究で構築している温度測定システムを用いてレーザ接合中の温度測定を試みた．その結果，異常な値が得られたことから，測定データを処理するアルゴリズムを上流側からひとつずつ点検した．その結果，簡単化のために仮定を用いていた箇所で大きな誤差が生じていることがわかり，それを改善する方法を考案した．その結果，一連のデータ処理の途中の段階までは妥当な値が得られていることを確認した．これにより本システムによる温度測定の精度が大幅に改善すると期待される．
③ 金属接合面の前処理方法 金属接合面の前処理に塩化ナトリウム電解処理を用いた場合に大きな接合強度が得られるメカニズムの解明を行った．その考察から，接合強度をさらに向上できる可能性が示唆された．
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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
① 接合面のレーザ光反射率・放射率の解析 金属接合面に微細構造を形成するとレーザ光の反射率が減少し，その微細構造に樹脂が流入するとレーザ光の反射率や赤外線の放射率がさらに変化するメカニズムを電磁場の数値解析によって解明する計画である．2023年度は金属接合面の微細構造に樹脂が流入する現象の熱流体解析を行い，2024年度は金属接合面における電磁場の解析を行った．微細構造が形成されていない平面の場合と，四角形や三角形の凹形状が形成された面の場合について電磁波が反射する様子を比較するとともに，凹形状に侵入した電磁波の挙動を視覚化することで反射率が減少するメカニズムを推定することができた．また，レーザ光吸収率の解析結果と実測結果の比較から，金属表面の光学特性としてドルーデモデルではなくドルーデ・ローレンツモデルを使用することが適切であることがわかった．
② 接合面温度のインプロセス測定 放射温度計に設定すべき放射率が接合加工中に時々刻々と変化することに対応するため，放射率をインプロセスで求めて更新する測定システムを2023年度に構築した．これを用いてレーザ接合中の温度測定を試みたところ異常な値が得られたことから，測定データを処理するアルゴリズムの見直しを2024年度に行った．簡単化のために仮定を用いていた箇所をより厳密に取り扱う方法を考案して改良した結果，一連のデータ処理の途中の段階までは妥当な値が得られていることを確認した．その先の検証を2025年度に実施する．
③ その他 当初の計画にはなかった内容として，金属接合面の前処理に塩化ナトリウム電解処理を試みたところ，従来のリン酸陽極酸化の場合よりも接合強度が向上することを2023年度に見出した．この方法で異種材料が接合されるメカニズムの考察と，接合強度をさらに向上させるための電解処理条件の検討を2024年度に行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
① 接合面のレーザ光反射率・放射率の解析
接合面における電磁場の解析を引き続き行い，金属接合面の微細凹凸構造の形状，寸法，数密度や樹脂流入の程度がレーザ光の反射率，赤外線の放射率に及ぼす影響を調査する．微細凹凸構造として周期的な四角形や三角形などの単純形状を仮定し，形状，寸法，数密度を変化させてシミュレーションを行うことで，レーザ光反射率や赤外線放射率が変化するメカニズムを解明する．この解析には市販のソフトウエアCOMSOL（有限要素法）を使用する．寸法がナノメートルオーダーである実現象のシミュレーションが実行できない場合は，スケールを拡大した場合の結果から推定する．
② 接合面温度のインプロセス測定
温度測定システムのデータ処理アルゴリズムの点検・修正を引き続き行い，測定装置として完成させる．次に，接合加工中にレーザ照射点の温度が激しく変化する場面を想定した実験を行い，本研究で考案した新しい温度測定法の有効性を検証する．例えば，長方形の板材の4辺を周回するようにレーザ光を走査する場合は，角部で温度が急上昇することが予想されるため，そのような場合について実験を実施する．そのうえで，接合加工中の接合面温度を適切な範囲内に保つために，時々刻々の温度の測定値をフィードバックしてレーザ光出力を制御する実験を実施する．レーザ出力の適応制御は当初の計画にはなかった内容であるが，接合面温度のインプロセス測定の次の段階として視野に入れる．
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