2017 Fiscal Year Annual Research Report
Biomimetic Surface Architecture for tribology
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16H02310
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
佐々木 信也 東京理科大学, 工学部機械工学科, 教授 (40357124)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牛島 邦晴 東京理科大学, 工学部機械工学科, 准教授 (00349838)
田所 千治 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (00736770)
宮武 正明 東京理科大学, 工学部, 助教 (70434032)
酒井 秀樹 東京理科大学, 理工学部先端化学科, 教授 (80277285)
野口 昭治 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (80349836)
坪井 涼 大同大学, 工学部, 准教授 (90548158)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | トライボロジー / バイオミメティックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
具体的な機械要素への適用を想定した摺動面アーキテクチャについて，数値シミュレーションによる性能予測と摺動面アーキテクチャの最適化を行うとともに，レーザ焼結型金属用3 次元プリンタにより創製した３次元微細構造表面の摺動特性評価を実施して機能発現の検証を行った．
１）摺動面アーキテクチャの構築：３次元ネットワーク孔より供給する添加剤分子や表面修復用化合物が摺動面において期待される機能を効果的に発現するよう，供給物質間での相互干渉や相乗効果に着目した研究を行なった．そのため，水晶振動式微小重量測定装置（QCM-D）を用い，複数分子間の競争吸着特性を動的に測定するための計測技術を開発するとともに，溶液中AFM 計測技術の高度化により，表面吸着液膜層の構造測定技術を確立した．
２）流体-構造連成解析手法の開発：微小接触界面における高精度なFEM 解析技術を開発し，3 次元微細構造面の固体接触状態を明らかにした．ただし，境界・混合滑下における摺動特性を数値解析する上で，潤滑膜を介した真実接触部におけるせん断抵抗を理論的に推定することは困難であるため，必要な変数については実測値を解析に用いることが可能な独自アルゴリズムを構築する．その上で，流体-構造連成解析法を応用した新しい解析コードの開発し，摺動面アーキテクチャの最適化に適用した．
３）３次元プリンタによる表面創製：鉄系合金粉末以外の摺動特性に優れる銅合金を用い，高い形状精度で直径約400μm の物質供給用3 次元ネットワーク孔を創製する技術を開発した．
４）自己適応性の評価：具体例として，３次元ネットワーク孔から親油/疎油性分子を独立供給し，表面の濡れ性の変化により摺動特性の制御を可能とする自己適応性摺動面の基本概念を検証した．
以上の成果を踏まえ，新規なすべり＆転がり軸受を設計し，その造形実験を開始した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
トライボロジー特性は，固液界面における液体分子膜構造に支配されるとの予測のもと，溶液中AFM測定技術の高度化により液体膜構造の解析に成功し，これとマクロな摩擦特性との関係を明らかにすることに成功した．この研究成果は，バイオミメティックス表面の創製に当たり，供給する液体分子の組み合わせをデザインする上での重要な指針を与えるものである．
また，当初はステンレス鋼を原料に，金属3次元プリンタによるバイオミメティックス表面の創製を予定していたが，広い摺動条件下において良好なトライボロジー特性を発現させるためには，銅合金の創製が不可欠であると判断した．そこで，金属３次元プリンタでは困難とされている銅合金の3次元微細構造の創製プロセス技術の開発に取りくみ，表面アークテクチャに基づく銅合金製バイオミメティックス表面の創製に成功した．これにより，実際の機械要素への応用展開が大きく前進した．
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| Strategy for Future Research Activity |
表面アーキテクチャに基づく金属バイオミメティックス表面を金属３次元プリンタ技術により創製し，供給液体分子の組み合わせによる表面吸着液体膜構造の制御に着目し，摺動特性改善のための基礎的なデータの蓄積と設計指針となる知見の体系化を図る．
また，実際の軸受への展開を図るため，これまで得られた知見および3次元微細構造造形技術を用い，高性能滑り軸受および転がり軸受を金属３Dプリンタを用いて作製し，これらの性能検証を行う．
以上より，摩擦表面ナノ領域と摩擦面3次元ミクロ構造とを融合した摺動面アーキテクチャの設計指針を確立する．
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