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レーザ積層造形法による粉末とレーザの重畳効果を利用した高機能性発現材料の創製

Research Project

Project/Area Number 23K23080
Project/Area Number (Other) 22H01812 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

小笹 良輔  大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (80845347)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中野 貴由  大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30243182)
石本 卓也  富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (50508835)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Keywords金属3Dプリンタ / 粉末/レーザ相互作用 / 粉末特性 / 計算機シミュレーション / 凝固組織 / 金属3Dプリンタ / 結晶集合組織 / 格子欠陥 / 導電率 / レーザ積層造形法
Outline of Research at the Start

本研究は、金属3Dプリンティング法の一種であるレーザ粉末床溶融結合を用いて、本手法が創出する特有の温度場を駆使しつつ、粉末とレーザ間で生じる物理現象の理解に基づき造形を行うことで、高い機能性を発揮する材料の創製を目指す。具体的には、本来造形が困難であるCu合金の緻密体の作製を実現するとともに、凝固組織や結晶集合組織、格子欠陥といった金属の微細組織を制御することにより、高い導電率をもつ新規Cu材料の創製をする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、レーザ積層造形による特有の温度場創出に基づく金属凝固組織・機能性制御技術を駆使しつつ、「粉末特性」および「粉末/レーザ間相互作用」の理解に基づき、金属3Dプリンタによる粉末とレーザの重畳効果を利用した高機能性発現材料を創製するため、(A)被膜形成による粉末機能化と粉末特性解明、(B)粉末⇔レーザ間相互作用理解と粉末溶融凝固挙動の解明、(C)造形体の機能性解明および機能性決定因子の導出、3本柱によりCu合金を対象にした研究を推進している。
2年目は、1年目に明らかにした金属粉末のレーザ吸収/反射/散乱挙動に基づき、粉末/レーザ間での入熱/抜熱バランスを制御することで創製したCu合金の金属組織および機能性の解明およびその制御を行うことに挑戦した。
レーザ走査パラメータとスキャンストラテジ(層毎のレーザ走査の方向のパターンとその組み合わせ)を制御することで指向性温度場を創出し、種々の結晶集合組織や格子欠陥をもつ造形体を作製することに成功した。得られた造形体は、組織状態に応じて異方的な導電率を示し、レーザ積層造形によりCu合金の導電率を制御することに成功した。さらに、作製した造形体に対して熱処理を施すことで、Cu合金でありながらも純Cuに近い優れた導電率を示した。
以上のように、計算の温度場予測に基づき設計した指向性温度場を活かした、レーザ積層造形による金属組織の制御に成功するとともに、導電率制御を実現した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上述のように、すでに造形体における金属組織および導電性の制御を達成しており、残りの期間で目標を達成できる見込みであるため、進捗状況は順調と自己評価できる。

Strategy for Future Research Activity

熱拡散シミュレーションの温度場予測により設計した指向性温度場を活用し、レーザ積層造形によるCu合金の金属組織および導電率の制御に成功している。つまり、当初の研究計画である(A)被膜形成による粉末機能化と粉末特性解明、(B)粉末⇔レーザ間相互作用理解と粉末溶融凝固挙動の解明、(C)造形体の機能性解明および機能性決定因子の導出、のうち、(A)・(B)、および(C)の機能性解明までは完了している。したがって、最終年度の3年目は、残りの目標である、レーザ積層造形造形体における導電率を制御する因子の同定を行う。加えて、当初想定していなかった計画であるが、(A)・(B)にて見出した粉末/レーザ相互作用とそれに基づき創出される指向性温度場の関係性を他合金系にも適用することで、未だ結晶集合組織の形成が実現されていない合金種や立法晶系以外の結晶系に属する結晶構造をもつ合金系の結晶集合組織にも挑戦し、本研究により得られた成果の妥当性を検証する。

Report

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

    (63 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (20 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 14 results) Presentation (29 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 4 results) Book (1 results) Remarks (7 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

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      Volume: 65 Issue: 2 Pages: 199-204

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2023174

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • Year and Date
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      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1425-1425

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      Volume: 2 Pages: 100050-100050

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      Volume: 64 Issue: 10 Pages: 2361-2367

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      Volume: 64 Issue: 1 Pages: 95-103

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      Volume: 11 Issue: 4 Pages: 175-179

    • DOI

      10.7791/jspmee.11.175

    • ISSN
      2186-702X, 2187-1337
    • Year and Date
      2022-07-10
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      Volume: 11 Issue: 4 Pages: 274-280

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      木澤雄太, 小笹良輔, 徳永透子, 萩原幸司, 中野貴由
    • Organizer
      2023年度 スマートプロセス学会 学術講演会
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  • [Presentation] BCC 型チタン含有生体用ハイエントロピー合金の創製と高機能化2023

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      小笹良輔, 中野貴由
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      2023年度 第3回日本チタン学会 講演大会
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  • [Presentation] 血清中オステオカルシン濃度が骨アパタイト配向性に及ぼす影響2023

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      小笹良輔, 森石武史, 小守壽文, 中野貴由
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      第43回日本骨形態計測学会
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  • [Presentation] BCC型生体用ハイエントロピー合金の開発とレーザ粉末床溶融結合の適用2023

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      小笹良輔, 中野貴由
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      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] 積層造形法によって作製したTi-Cr-Sn合金の内部組織と力学特性2023

    • Author(s)
      田原正樹, 金奕霖, 陳成, 野平直希, 海瀨晃, 邱えんてい, 小笹良輔, 石本卓也, 小泉雄一郎, 中野貴由, 細田秀樹
    • Organizer
      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] L-PBF法によるNi基超合金の組織制御を介した耐水素脆性の変化2023

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      二斗蒔田達也, Ozkan Gokcekaya, 小笹良輔, 中野貴由
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      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] 超多成分系生体用ハイエントロピー合金(BioHEA)の設計とレーザ粉末床溶融結合の適用2023

    • Author(s)
      百歩明, 小笹良輔, Kim Yong-Seong, 佐藤和久, 中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] 耐水素脆性を目指した新規HEAの創製とPBF-LB法による組織制御2023

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      北上真幸, 小笹良輔, 中野貴由
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      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] L-PBFの超急冷によるβ型チタン合金の偏析抑制と結晶集合組織制御2023

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      堀尾尚平, 小笹良輔, 佐藤和久, 奥川将行, 小泉雄一郎, 中野貴由
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      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] レーザ粉末床溶融結合によるマグネシウム系材料の結晶集合組織制御2023

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      木澤雄太, 小笹良輔, 徳永透子, 萩原幸司, 中野貴由
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      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] PBF-LB/M による銅合金の創製と高機能化2023

    • Author(s)
      小笹良輔 、GUPTA MRIDUL、柳谷彰彦、上田正人、野村直之、中野貴由
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      日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会
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  • [Presentation] レーザ粉末床溶融結合により造形した銅材料の電気抵抗率変化2022

    • Author(s)
      GUPTA MRIDUL、小笹良輔、石本卓也、柳谷彰彦、上田正人、野村直之、中野貴由
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      粉体粉末冶金協会2022年度春季大会 (第129回講演大会)
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  • [Presentation] Additive Manufacturingの歩みとレーザビーム粉末床溶融結合法の基礎2022

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      小笹良輔、石本卓也、松垣あいら、中野貴由
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      スマートプロセス学会2022年度学術講演会
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  • [Presentation] L-PBF法による銅合金の創製と導電率変化2022

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      GUPTA MRIDUL、小笹良輔、石本卓也、柳谷彰彦、上田正人、野村直之、中野貴由
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      スマートプロセス学会2022年度学術講演会
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  • [Presentation] レーザ粉末床溶融結合により造形した銅材料の電気抵抗率変化2022

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      粉体粉末冶金協会2022年度秋季大会 (第130回講演大会)
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  • [Book] 『デジタル化時代のAdditive Manufacturingの基礎と応用』第2版2023

    • Author(s)
      小笹良輔(分担執筆)
    • Total Pages
      316
    • Publisher
      リブロ社
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  • [Remarks] researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/ozasa_r

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      https://nrid.nii.ac.jp/ja/nrid/1000080845347/

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    • URL

      https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/7012bf00115007bb.html

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      http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp6/nakano/publications/

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  • [Remarks] reserchmap(小笹良輔 マイポータル)

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      https://researchmap.jp/ozasa_r

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  • [Remarks] 大阪大学研究者総覧(小笹良輔)

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 無機構造物及び無機構造物の製造方法2023

    • Inventor(s)
      中野貴由, 小笹良輔, 松本敏治
    • Industrial Property Rights Holder
      中野貴由, 小笹良輔, 松本敏治
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-015178
    • Filing Date
      2023
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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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