ピコ秒パルスガラスレーザによる超精密・超微細知的加工システム

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09555043
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 大村 悦二 大阪大学, 工学部, 助教授 (90144435)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西 紀昭 大阪大学, 工学部, 助手 (10273591) ; 大道 博行 大阪大学, レーザー核融合研究センター, 助教授 (70144532) ; 宮本 勇 大阪大学, 工学部, 助教授 (90029273)
• Keywords: 超短パルスレーザ / 知的加工システム / 精密微細加工 / レーザアブレーション / コンピュータシミュレーション / 画像解析 / 分子動力学 / 熱流体解析

Research Abstract

昨今のレーザによる精密・微細加工は,主にレーザの短波長化によっている.これに対して,本研究では,ルス幅がピコ秒のガラスレーザによる超精密.・超微細知的加工システムを開発するとともに,加工現象を明らかにすることを目的とする.
本年度は,超短パルスレーザを金属に照射したときの溶融・蒸発現象の熱流体解析と分子動力学シュミレーション,高速度カメラによるレーザ加工現象の撮影と画像処理を行った.特に,新規購入したグラフィックス・ワークステーションによって,シミュレーション結果の動画像表示と,高速度撮影画像の画像処理の自動化によって,極短時間現象を時間スケールを引き伸ばして明らかにすることを試みた.
熱流体解析では,蒸発潜熱と蒸発に伴う気液界面の移動,蒸発反跳圧力,温度勾配に起因する表面張力(マランゴニ力)を考慮し,自由表面の取扱いにはVOF法を導入することで,蒸発を伴う溶融池流れを数値計算し,結果を動画像表示した.分子動力学シミュレーションでは,金属について,自由電子による熱伝導を補正しながら分子動力学計算を行う改良型分子動力学法を提案するとともに,金属とシリコンの溶融・蒸発過程の2次元分子動力学シミュレーションを行い,結果を動画像表示した.
分子動力学シミュレーションの結果,金属とシリコンによって蒸発形態と穴の周囲の盛り上がり方が異なることがわかった。すなわち,金属では,パワー密度が高い場合,原子が比較的大きな固まりとなって爆発するように飛び散り,蒸発しきれなかった溶融金属は,表面張力により球状になって穴の周囲に堆積する.パワー密度が低い場合は,溶融金属が穴からあふれるように流出して周囲に盛上りができる.一方,シリコンの場合は,パワー密度にかかわらず,蒸発原子は小さなクラスタを作りながらバラバラに飛散し,蒸発原子が穴の周囲に堆積することで盛り上りができることが明らかになった.

Research Products

• [Publications] Etsuji Ohmura: "Thermohydrodynamics Analysis of Fusion Phenomena Accompanied with Evaporation Due to Laser Irradiation" Proc.of ICALEO'97. (1998)
• [Publications] Yoshiaki Oguni: "Thermohydrodynamics Analysis of Molten Pool in Laser Texturing and Laser Welding" Proc.of ICALEO'97. (1998)
• [Publications] Ichirou Fukumoto: "Simulation on Laser Ablation of fcc Metal with Modified Molecular Dynamic" Proc.of ICALEO'97. (1998)
• [Publications] 大村悦二: "レーザアプレーション-分子動力学法の基礎と応用-" レーザ熱加工研究会誌. 5-1. 48-53 (1998)
• [Publications] 福本一郎: "Molecular Dynamics Simulation of Laser Materials Processing with Animation Display" 第42回レーザ熱加工研究会論文集. 41-48 (1997)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Modified Molecular Dynamics Simulation on Laser Ablation of Metal" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 31-3. 206-207 (1997)
• [Publications] 大村悦二: "分子動力学と熱流体解析のレーザ加工への適用基礎" 第41回レーザ熱加工研究会論文集. 107-115 (1997)
• [Publications] 小國由明: "レーザによる蒸発を伴う溶融現象の熱流体解析" 第40回レーザ熱加工研究会論文集. 147-156 (1997)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Molecular Dynamics Simulation on Fusion and Vaporization of Metals and Silicon Due to Laser Irradiation" Int.Center for Heat and Mass Transfer Symposium on Molecular and Microscale Heat Transfer in Materials Processing and Other Applications. 255-2265 (1996)
• [Publications] 福本一郎: "レーザアブレーションプロセスの分子動力学シミュレーション" 第39回レーザ熱加工研究会論文集. 37-45 (1996)
• [Publications] 大村悦二: "レーザ加工とMDシミュレーション" 日本設計学会誌. 31-9. 314-319 (1996)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Molecular Dynamics Simulation on Laser Ablation of fcc Metal" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 30-2. 128-133 (1996)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Study on Fusing- and Evaporating-Process of fcc Metal due to Laser Irradiation Using Molecular Dynamic" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 30-1. 47-48 (1996)
• [Publications] 大村悦二: "レーザ照射によるfcc金属の溶融・蒸発過程の研究-分子動力学シミュレーション-" 精密工学会誌. 61-10. 1433-1437 (1995)
• [Publications] 大村悦二: "レーザ熱加工・蒸発シミュレーション" レーザ熱加工研究会誌. 2-2. 73-82 (1995)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Study on Theemal Shock Phenomena due to Laser Irradiation Using Molecular Dynamic" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 29-2. 148-149 (1995)
• [Publications] 大村悦二: "レーザ熱加工の分子動力学シミュレーション" レーザ協会誌. 20-1. 8-11 (1995)
• [Publications] 大村悦二: "分子動力学によるレーザ加工シミュレーション" レーザ技術研究会報. No.97. 3-7 (1994)
• [Publications] 大村悦二: "レーザ照射による金属の溶融蒸発シミュレーション" 高温学会誌. 20-6. 228-235 (1994)
• [Publications] 中沢 弘: "生産加工の原理" 日刊工業新聞社, 369 (1998)
• [Publications] 荒井栄司: "生産を科学する" 大阪大学大学院工学研究科生産科学専攻, 232 (1998)
• [Publications] 井上勝敬: "各種接合加工における予測理論の構築" 大阪大学接合科学研究所, 357 (1997)
• [Publications] 棚沢一郎: "重点領域研究「新素材ミクロ伝熱」最終成果報告書" 棚沢一郎, 428 (1997)
• [Publications] 棚沢一郎: "重点領域研究「新素材ミクロ伝熱」平成7年度研究成果報告書" 棚沢一郎, 216 (1996)
• [Publications] 棚沢一郎: "重点領域研究「新素材ミクロ伝熱」平成6年度研究成果報告書" 棚沢一郎, 214 (1995)
• [Publications] Marc Bonis: "International Progress in Precision Engineering" Elsevier, 564 (1996)