2022 Fiscal Year Research-status Report
粉末の溶融凝固現象の把握に基づく品質を保証する造形条件設定指針の構築
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21K03790
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
古本 達明 金沢大学, 設計製造技術研究所, 教授 (60432134)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
阿部 諭 金沢大学, 設計製造技術研究所, 特任教授 (30882584)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 粉末床溶融結合法 / 金属粉末 / 高速度カメラ / プラズマ / スパッタ / 再利用粉末 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粉末床溶融結合法を対象とし，高速度カメラを用いてレーザ照射時に溶融池周辺で生じる粉末の溶融・凝固の様子を観察し，材料特性・造形環境による粉末やスパッタ・ヒューム・プラズマの挙動変化を調べるとともに，PIV装置を用いて流れ解析を行った．また，飛散したスパッタが粉末の再利用性に及ぼす影響を調べるとともに，造形プレートに貼付したAE波測定に関する実験評価を行った．その結果，(1)チャンバ内部の酸素濃度は溶融池から生じるプラズマ発生量に対して主体的に寄与する因子であること，(2)プラズマ発生とスパッタ飛散様相には相関があり，プラズマ発生で蒸気反跳力が大きくなることでスパッタ発生直後の飛散スパッタ数が増加すること，(3)粉末材種や酸素濃度によってスパッタの飛散様相が異なり，酸素との反応性が大きい粉末では酸素濃度によってスパッタの飛散方向が変化すること，(4)粉末の平均粒径が大きくなると金属粉末の流動性は向上するが，堆積した粉末間の空隙が大きくなってかさ密度が減少し，粉末同士の接触点が減少することで熱伝導率が大きくなること，(5)平均粒径が小さい粉末は凝集性が高く，平均粒径が大きい粉末より粉末床の表面性状が平坦となり密な粉末床が形成されること，(6)平均粒径が小さいと造形物表面に付着するスパッタ数が増加し，造形物高さと付着スパッタ数はトレードオフの関係にあること，(7)再利用する粉末にはふるいがけで除去できなかったスパッタが混入し，流動性が良好になってかさ密度が大きくなること，それにともなって造形様相やスパッタ飛散形態が変化すること，(8)脆性粉末では造形後の造形物に種々の割れが発生し，AE波を分析することで割れの発生が検出できること，(9)粉末床へ入熱するエネルギ密度が増加すると造形物上に発生する割れの数が増加することを見いだした．
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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
2022年度は，(3)レーザ照射部周辺で生じる気流の数値解析，(4)材料特性・造形環境による粉末やスパッタ・ヒュームの挙動変化を評価する計画であったが，予定通りにほとんど全ての実験及び評価を行うことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は，造形物の品質保証技術確立に向け，造形最小単位である粉末の溶融・凝固様相を明らかにし，プロセス不安定化の主要因であるスパッタ・ヒュームの発生機構を解明することである．今年度は引き続き，高速度カメラを用いてレーザ照射時に溶融池周辺で生じる粉末の溶融・凝固の様子を観察し，マルエージング鋼に加えて環境中に含有する酸素の影響を受けやすい銅粉末やアルミニウム粉末を用いて実験・評価を行っていく．また，粉末特性や造形環境の検討で得られた条件を考慮した試験片を製作し，X線CTを用いた造形物内部の空隙，各種試験機を用いた引張・疲労強度，電子顕微鏡や光学顕微鏡を用いた金属組織の調査により造形物特性を評価する．これらの結果から，各不具合因子が造形物特性に及ぼす寄与度を整理し，プロセス安定化をもたらす造形条件の設定指針を構築する．
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| Causes of Carryover |
消耗品費として計上していた酸素濃度計，AEセンサ，ひずみゲージ，データロガーを自助努力で購入したことに加え，コロナウイルスの影響で各機関との打ち合わせをWEBにて開催して旅費を執行しなかったため．次年度に繰り越した予算は，純銅粉末やアルミニウム粉末を用いた実験評価にかかる物品費として使用する．
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