Laser-sintering mechanism of metallic powder bed fusion using in-situ superhigh-speed observation
| Project/Area Number |
23K22644
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| Project/Area Number (Other) |
22H01373 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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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 | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長藤 圭介 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50546231)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 佑介 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (90843227)
趙 漠居 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任講師 (30825378)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
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| Keywords | 金属積層造形 / 高速度観察 / レーザ焼結 / プラズマ / 画像処理 |
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| Outline of Research at the Start |
金属粉体を積層してレーザを選択的に照射し構造を創成する金属積層造形（PBL-LB）は，航空宇宙や医療用など実用3次元形状部品の創製法としてますます期待されている．しかし，レーザ照射部での溶融・凝固の現象は，未だ完全に解明されておらず，パワーや速度などの膨大なパラメータ候補から最適な条件を見出すことが困難である．そこで本研究では，超高速度観察と画像処理を用いて，メカニズム解明を目指す．具体的には，ポンププローブ法等を用いて，キーホールや溶融池表面の揺らぎとスパッタ発生との関係を明らかにする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，金属積層造形（PBF-LB）におけるレーザ照射時の表面の蒸発とプルーム発生，反跳圧および衝撃波発生，粒子の飛散やスパッタ発生との関係を明らかにすることが目的である．構造の変化をとらえ，熱流体現象を予測する研究はあるが，プルーム・衝撃波を観察し，粒子飛散・スパッタとの関連付けを行った研究はない．また，構造および温度の情報を実機に基づいた系でとらえ，プルーム・衝撃波の可視化結果と照らし合わせるだけでなく，その条件で試作したバルクサンプルの機械特性と紐づけることで，物理現象を明らかにする．構造及び温度の情報は，パルスレーザ照明法および二色法を用い，プルーム・衝撃波の可視化に関しては，ポンププローブ法を用いる．それらの画像の特徴量を教師なし学習または深層学習を用いて抽出することを計画とし，進めていた．
研究計画通り，粒子の飛散・スパッタ・プルームの高速度観察に成功した．衝撃波は，PBF-LBにおいては，レーザ突入直後に発生するのみで大きな現象としては確認できなかったため，衝撃波観察はいったんやめにした．一方で，溶融池の揺れ具合と粒子飛散・スパッタとの関連が大きいと考え，斜め上方からのパルスレーザ照明を用いて溶融池の揺れとスパッタ発生との関連をとらえることに成功した．
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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
約30μmの金属粒子を1層当たり50μmの層にコートされた表面に，レーザを照射することで局所的に溶融・凝固させる金属積層造形法を対象とする．レーザが粉表面に熱として吸収されたとき，粒子は溶融するが，最表面では蒸発を伴う．その蒸発の勢いで，試料表面下向きに反力が生じる．これを反跳圧と呼び，その力によって粒子はその場にいられずそのまま飛翔するもの，溶湯として溶け込んだ後に，キーホールの表面がオーバーハングして囲まれることで，その直後に突沸するような現象を観察する．その画像結果から，表面の蒸発とプルーム発生，反跳圧および衝撃波発生，粒子の飛散やスパッタなど特徴量を抽出する．
具体的な実施計画として，大きく研究項目は3点ある；①パルスレーザ照明法によるμmスケールの飛散粒子の観察，②その結果を画像解析することで特徴量を検出，③そのためにバルクの機械特性を調査することである．
2022, 2023年度には，照射部数 mm角/512pixelの空間分解能，数10 nsの時間分解能の観察により，メルトプールの表面の挙動の観察に成功した．その表面の動きを画像処理によって表面の動きを数値化し，VED（エネルギー密度に相当）が大きいほど，キーホールから吐出する蒸気で発生するキーホール側面のせん断力によって溶融金属がメルトプールから引きはがされる現象をとらえた．ただし，この実験条件は実際のPBFの条件に比べるとスキャン速度が低いこと，内部の挙動の観察ができていないことなどの課題がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度では，スキャン速度の拡張，スパッタの飛翔状態の定量化の高度化を計画している．また，レーザ照射部の粉層内部の状態，すなわち溶融池と固体との界面およびキーホール形状を測定するために，SPring-8を用いた観察を試みる．2023年度までに観察したスパッタ発生メカニズムの解明と照らし合わせ，表面および内部の包括的観察とメカニズム解明を目指す．
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
