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

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K14866
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: プラズマ / 積層造形

Outline of Annual Research Achievements

金属の積層造形プロセスに関して、プラズマを応用した金属積層造形プロセスに関する研究を行った。これまで、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、プラズマ生成条件と造形物物性の関係を明らかにすることを目的とした研究開発をすすめてきた。
金属積層にプラズマが与える影響を明らかにするため、我々はまずプラズマ熱源と粉体供給機構の検討、グローブボックスへの導入が可能でありレーザーとの併用が可能なプラズマ援用機構を開発した。加えて、プラズマ下での金属積層機構の解明にのためプラズマ下での数層の金属層を形成する積層試験を実施した。工具として用いられ複雑形状加工が期待される超硬合金WC-Coの積層試験においててプラズマ熱源を利用した際にレーザー熱源と比較して内部欠陥が抑制されること、チタン合金(64チタン)の窒化積層試験においてはmm以上の窒化層形成が可能であることを明らかにした。
最終年度はプロセス条件が造形物中窒素濃度に与える影響解明にテーマを絞り、チタン合金の積層試験において、分光計測を用いたプラズマ環境に存在する窒素種の同定、および生成された窒素種が窒化層形成に与える影響について調査した。その結果、プラズマを生成するための電力を増加させることで窒素分子由来の線スペクトル発光量の増加、および大気中では水素原子由来の線スペクトル発光量の増加が観測された。投入電力の増加によってプラズマ中の窒化に影響すると考えられる窒素種の増加が可能であることがわかった。一方で、プラズマの分光観測による窒素分子発光量と造形物中窒素濃度の関係性評価においては、有意な関係性は見出すことができなかった。今後、積層造形過程における窒化機構の解明のため、高い時間分解能を有する分光器による分光観測に加えて、質量分析等直接発生粒子の同定が可能な検出手法を用いた研究の実施が重要と考えられる。