固相接合メカニズムを応用した金属積層技術の開発

• 研究課題/領域番号: 21K03802
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18020:加工学および生産工学関連
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 阿部 壮志 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60756469)
• 研究分担者: 金子 順一 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (80375584)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 生産加工 / アディティブ・マニュファクチャリング / 通電加熱 / 金属材料 / 金属接合 / 固相接合 / 金属組織

研究開始時の研究の概要

本研究では高能率・高精度かつ，様々な異種金属材料を用いた三次元形状造形の実現を目的として，新たな付加加工（アディティブ・マニュファクチャリング）技術を提案する．提案方法ではワイヤ材料を固相接合のメカニズムを応用して直接積層する．本研究では提案方法を実証する実験装置の製作や，加工実験により実現可能性を検証し，新たな加工技術の確立を目指す．

研究実績の概要

本研究では高能率・高精度かつ，様々な異種金属材料を用いた積層が可能な，新たな付加加工（アディティブ・マニュファクチャリング）技術を提案する．提案方法ではワイヤ材料を通電加熱により加熱し，加圧ローラで母材に押し付ける．これによりワイヤと母材を接合させ，金属材料を直接積層する．
当該年度は基礎実験としてローラによる加圧をすることなく，通電加熱によってワイヤを加熱し，母材上にワイヤを積層する加工実験を実施しながら，装置の改良に取り組んだ．前年度までの取り組みにより，通電加熱によってワイヤ温度を融点近傍まで上昇させると降伏応力が低下しワイヤが断線することが明らかになった．そのため今年度はワイヤ送給装置を製作し，加工時のワイヤに付加される引張応力の低減を試みた．これによりワイヤが断線することなく母材に接触し，母材上への接合に成功した．
加工実験によりワイヤの送給速度，ステージ送り速度，通電加熱の入熱エネルギーなどの加工パラメータと接合の有無，ビード形状との関係を調査した．その結果，送給するワイヤ体積に対して，入熱エネルギーが低いほどビード幅が小さくなるが，接合可能な条件範囲が狭くなることが明らかになった．また，ビード幅の小さい良好なビードが得られる条件についても明らかにした．今後は高さ方向への積層および，加圧ローラを用いることによる接合実験を行い，ビード形状，接合状態，内部組織などを評価し，接合特性を調査する．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り，提案方法による実験装置の製作，加工実験を実施し，加工条件が接合特性に与える影響を調査できたため．

今後の研究の推進方策

加圧ローラを用いて，通電電流，電圧，ステージ送り速度，加圧力などの加工パラメータを変化させて実験を行い，加工条件が接合状態や内部組織，機械的特性に与える影響を調査する．
上記の実験によって加工に与える重要な因子を明らかにし，その結果に基づいて実験装置を改良し，設定可能な加工条件範囲の最大化，接合強度および造形物形状精度の向上を目指す．具体的にはローラ材質，ローラ形状，加圧機構などについて改良する．
平板上へ１層積層する基礎実験での知見が得られた後に，鉛直方向への積層や複数列積層などの様々な加工条件においての加工パラメータが接合状態や内部組織，機械的特性に与える影響を実験的に調査し，シェル構造や中実構造など様々な形状の造形実現を目指す．