| 研究課題/領域番号 |
22K18285
|
|---|
| 研究種目 |
挑戦的研究(開拓)
|
| 配分区分 | 基金 |
|---|
| 審査区分 |
中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
|
|---|
| 研究機関 | 名古屋大学 |
|---|
研究代表者 |
小橋 真 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90225483)
|
|---|
| 研究分担者 |
近藤 勝義 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (50345138)
鈴木 飛鳥 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (90802603)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2026-03-31
|
| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
|
| 配分額 *注記 |
24,440千円 (直接経費: 18,800千円、間接経費: 5,640千円)
2025年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2024年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2023年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
|
|---|
| キーワード | 積層造形 / 多孔体 / 浸透シミュレーション / 毛細管力 / マグネシウム/チタン複合材料 / 界面電位差 / 新方式積層造形 / 毛管力浸透 / Mg/Ti複合材料 / プロセスインフォマティクス |
|---|
| 研究開始時の研究の概要 |
金属積層造形用の新しい粉末固化プロセスとして溶融浸透（MI）法を提案する。MI法はプリフォームの空隙に外部から溶融金属を自発含浸させるプロセスである。粉末冶金は、現代でも多くのカンとコツにたよる領域があり、この領域の変革に挑戦しなければ積層造形のように急速かつ国際的な学術の発展をリードできない。本研究では浸透シミュレーションの高度化に必要なデータを取得する多様な方法を検証する。また、高度化したシミュレーションを浸透現象のデジタルツインとし、機械学習によりプロセス条件を探索する手法を開発する。
|
| 研究実績の概要 |
本研究では、新しい積層造形方式として、Melt Infiltration：MI(溶湯浸透)プロセスを提唱し、MI法による粉末固化のダイナミクス理解を通じて積層造形方式としてのポテンシャルを明らかにすることに取り組んでいる。本研究の目的は、(1) MI方式に必要な学理体系化、(2) データ駆動型プロセス設計方法論を確立することであり、2022年度は以下のことを実施した。
1) 浸透寄与因子の高次定量化：浸透現象には、プリフォームの多孔質構造が大きく寄与することを明らかにした。樹脂容器内に自然充填したチタン粉末プリフォームをマイクロフォーカスX線CTにより撮影した。粉末形状因子、プリフォーム空間構造を3D画像解析ソフト（VGSTUDIO粉体解析オプション）を用いて計測した。また、X線CTを用いることにより、断面からは観察されなかった残留気孔の存在を明らかにした。残留気孔の形成場所や形成過程を解明するための研究を継続して実施する。
2) MI法によるチタン/マグネシウム複合材料の材料特性評価：MI法によるチタン/マグネシウム複合材料の耐環境性能をケルビンプローブフォース顕微鏡による表界面電位差計）で評価可能であるかを検討した。その結果、表面電位差計測は可能であり、さらに、想定していたような大きい界面電位差を示すこともわかった。これにより、界面を起点とする腐食現象に注意が必要であることが明らかになった。今後、界面反応層を意図的に形成し、それが界面電位差に及ぼす影響を調査していく。
3) 浸透現象の理論解析とデジタルツインデータの構築： VG-STUDIO毛管圧力オプションを用い、流束Q、浸透圧力ΔPなどを計算した。X線CT画像を用いて計算が可能であることが確認できた。今後は、浸透その場観察と本項の解析結果を照合し、高精度な解析モデル・境界条件を決定していく。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
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
2022年度の研究は当初計画と比較して、以下の点で異なる。予定以上に進展をしている項目と進展が遅い項目があるが、総じて判断すると計画通りか、少し前倒ししていると判断する。
・浸透寄与因子の高次定量化：浸透現象には、(i)チタン粒子/マグネシウム液相界面物性と(ii)プリフォームの多孔質構造が寄与するので、それらの影響を調査することにしていた。 (i)では、近接チタン粒子間の溶融マグネシウムの形状をSEMで観察し、溶融マグネシウムの表面張力と固体チタン上接触角θを評価する予定であったが、これは、観察サンプルを作製するために、数か月の時間を要するため、未達である。ただし，(ii)では、樹脂容器内に自然充填したチタン粉末プリフォームをマイクロフォーカスX線CTにより撮影し、プリフォーム空間構造を3D画像解析ソフトを用いて計測する計画であったところ、それらの実施に加え、複合材料中の残留気孔と、その部分における浸透前の気孔の幾何学的情報を得ることもでき、当初予定を上回る進展がみられた。
浸透の理論式：これについては，前出のVGSTUDIO毛管圧力オプションを用い、流束Q、浸透圧力ΔPなどを計算した。計画以上に進んでいる。
|
| 今後の研究の推進方策 |
X線CTを用いることにより、断面観察からはわからなかった残留気孔の存在も明らかになった。残留気孔の形成場所や形成過程を明らかにするための研究を継続して実施する。
界面を起点とする腐食現象に注意が必要であることが明らかになった。今後、界面反応層を意図的に形成し、それが界面電位差に及ぼす影響を調査していく。
今後は、浸透現象のダイナミクスを可視化するために、チタン粉末プリフォーム中に溶融マグネシウムが浸透する様子を透過X線装置内加熱炉を用いてその場観察し、浸透性能（浸透速度dh/dt、最大浸透高さh_max）を実測する。さらに、浸透その場観察と、数値解析結果を照合し、高精度な解析モデル・境界条件を決定していく。
浸透性能に及ぼす粉末形状、プリフォム気孔構造の影響を系統的に整理する。また、残留気孔を形成する初期粉末配置を明らかにしていく。浸透の理論式に基づき、浸透の駆動力（毛管力）、抵抗、流束を定量化する。浸透寄与因子を明らかにし、浸透性能との関係性を比較することも進めていく。また、ニューラルネットワークによる順・逆解析とロバストプロセス条件推定も実施をする。
|
