2019 Fiscal Year Research-status Report
プラズマ援用指向性エネルギー堆積(DED)型レーザー積層造形技術に関する研究
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19K14866
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
板垣 宏知 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (00793184)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズマ / 積層造形 / 付加製造 / DED |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、従来のレーザーを熱源とした積層造形プロセスをプラズマ環境中で実施することで、プラズマ環境下で形成された金属造形物の元素組成や結晶構造に与える影響を調査し、プラズマ生成条件(プラズマ内ラジカル種の温度/密度)と造形物物性の関係を明らかにすることを目的としている。
R２年度は主に、レーザー積層造形装置と共存可能なプラズマ電極の開発を実施し、直流放電および交流放電でのプラズマ下でのレーザー積層造形を実施する準備を進めた。
直流放電によるプラズマ電極においては、粉末供給ノズルの開発も併せて実施し、直接プラズマに異形ステンレス粉末およびチタン系合金原料粉末を投入し、その元素組成や表面形状、処理後粉末特性について分析した。その結果、チタンの窒化物が形成されていることを確認、短時間のプラズマ照射においても溶融池熱やプラズマ熱による粉末材料への機能性付与の寄与ががあることが示された。また、ステンレス系粉末についてプラズマ投入後に異形状から球状に粉末形状が変化していること、また、過加熱によりナノ粒子が形成されていることがわかった。今後はレーザー照射時において、詳細な調査を実施する。
また、交流放電電極の開発において、真空対応グローブボックス内でプラズマ生成環境を整備し、プラズマ生成条件の探索を実施した。予備電離機構の最適化により、直径6mmの空洞放電管(レーザー導入放電管)内でアルゴンプラズマの大気圧下での生成可能であることを確認した。また、分光計測実施のための治具の準備も併せて行い、分光計測によるプラズマ内レーザー造形時のプラズマ由来活性種/原料由来活性種の温度計測の準備を進めた。今後はレーザー照射時において、分光計測および造形試験を詳細に実施する。
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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
令和元年度に予定していたプラズマ援用積層造形ヘッドを開発し、真空対応グローブボックス環境内での安定なプラズマ生成条件の探索を実施、大気圧不活性ガス雰囲気(アルゴン)下での安定な高周波プラズマの生成に成功している。
また、直流放電による入熱を増大させるための造形ヘッドを開発し、プラズマによる粉末表面の機能化試験も併せて実施することで、プラズマによるラジカル供給の粉末および造形ラインパターン組成への寄与が確認出来ている。
プラズマ溶融池同時観測システムの構築は、新型コロナウィルスに関連した緊急事態宣言のため、真空対応グローブボックス内のプラズマ生成システムの構築が遅れたため、遅延しているが、分光装置の取り付け治具の準備を進め、令和２年度に実施可能な状況となっている。
以上のことから、評価を（２）とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズマ環境下でのレーザー積層加工装置の開発、および実験を進展させる。具体的には、令和元年度に開発した真空対応グローブボックス内高周波プラズマ生成装置に加工用レーザーを導入し、プラズマ環境下で金属積層造形が可能な装置の開発を実施、チタン系合金やタングステン系合金の機能化（窒化など）を技術指標として、粉末投入時のプラズマ発光をスペクトラルカメラで多波長分光分析することで、プラズマ内ラジカル種の同定およびラジカル量と造形条件との関係を明らかにする。更に、実際に積層造形試験を実施することで、プラズマの有無による造形物結晶構造や元素組成など物性の違いを調査し、プラズマ内ラジカル種との関係を明らかにする。また、直流高温プラズマ環境下でのレーザー積層加工実験も併せて実施し、より入熱が大きい条件での結晶性を調査することで、プラズマによる入熱量が造形物物性に与える影響を調査する。
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| Causes of Carryover |
真空対応グローブボックス内で実施予定であったプラズマ雰囲気下での金属へのレーザー造形試験が遅延し、分光試験において使用予定であった消耗品や新規取り付け治具製作の経費が使用されなかったため。また、参加予定であった学会が新型コロナウィルスの影響で中止になったため、旅費の使用額が低減されたため。
遅延していたプラズマ雰囲気下でのレーザー照射による金属プラズマへの分光実験は2020年度に引き続き実施予定であり、その際に使用する取り付け治具の開発、レンズ等の消耗品に使用する計画である。
更に、新型コロナウィルスが収束した際には国際会議での成果報告を予定している。
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Research Products
(1 results)
