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金属積層造形における超高速その場観察を用いたレーザ焼結現象の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K22644
補助金の研究課題番号 22H01373 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
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
研究機関東京大学

研究代表者

長藤 圭介  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50546231)

研究分担者 伊藤 佑介  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (90843227)
趙 漠居  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任講師 (30825378)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2023年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2022年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
キーワード金属積層造形 / 高速度観察 / レーザ焼結 / プラズマ / 画像処理
研究開始時の研究の概要

金属粉体を積層してレーザを選択的に照射し構造を創成する金属積層造形(PBL-LB)は,航空宇宙や医療用など実用3次元形状部品の創製法としてますます期待されている.しかし,レーザ照射部での溶融・凝固の現象は,未だ完全に解明されておらず,パワーや速度などの膨大なパラメータ候補から最適な条件を見出すことが困難である.そこで本研究では,超高速度観察と画像処理を用いて,メカニズム解明を目指す.具体的には,ポンププローブ法等を用いて,キーホールや溶融池表面の揺らぎとスパッタ発生との関係を明らかにする.

研究実績の概要

本研究では,金属積層造形(PBF-LB)におけるレーザ照射時の表面の蒸発とプルーム発生,反跳圧および衝撃波発生,粒子の飛散やスパッタ発生との関係を明らかにすることが目的である.構造の変化をとらえ,熱流体現象を予測する研究はあるが,プルーム・衝撃波を観察し,粒子飛散・スパッタとの関連付けを行った研究はない.また,構造および温度の情報を実機に基づいた系でとらえ,プルーム・衝撃波の可視化結果と照らし合わせるだけでなく,その条件で試作したバルクサンプルの機械特性と紐づけることで,物理現象を明らかにする.構造及び温度の情報は,パルスレーザ照明法および二色法を用い,プルーム・衝撃波の可視化に関しては,ポンププローブ法を用いる.それらの画像の特徴量を教師なし学習または深層学習を用いて抽出することを計画とし,進めていた.
研究計画通り,粒子の飛散・スパッタ・プルームの高速度観察に成功した.衝撃波は,PBF-LBにおいては,レーザ突入直後に発生するのみで大きな現象としては確認できなかったため,衝撃波観察はいったんやめにした.一方で,溶融池の揺れ具合と粒子飛散・スパッタとの関連が大きいと考え,斜め上方からのパルスレーザ照明を用いて溶融池の揺れとスパッタ発生との関連をとらえることに成功した.

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

約30μmの金属粒子を1層当たり50μmの層にコートされた表面に,レーザを照射することで局所的に溶融・凝固させる金属積層造形法を対象とする.レーザが粉表面に熱として吸収されたとき,粒子は溶融するが,最表面では蒸発を伴う.その蒸発の勢いで,試料表面下向きに反力が生じる.これを反跳圧と呼び,その力によって粒子はその場にいられずそのまま飛翔するもの,溶湯として溶け込んだ後に,キーホールの表面がオーバーハングして囲まれることで,その直後に突沸するような現象を観察する.その画像結果から,表面の蒸発とプルーム発生,反跳圧および衝撃波発生,粒子の飛散やスパッタなど特徴量を抽出する.
具体的な実施計画として,大きく研究項目は3点ある;①パルスレーザ照明法によるμmスケールの飛散粒子の観察,②その結果を画像解析することで特徴量を検出,③そのためにバルクの機械特性を調査することである.
2022, 2023年度には,照射部数 mm角/512pixelの空間分解能,数10 nsの時間分解能の観察により,メルトプールの表面の挙動の観察に成功した.その表面の動きを画像処理によって表面の動きを数値化し,VED(エネルギー密度に相当)が大きいほど,キーホールから吐出する蒸気で発生するキーホール側面のせん断力によって溶融金属がメルトプールから引きはがされる現象をとらえた.ただし,この実験条件は実際のPBFの条件に比べるとスキャン速度が低いこと,内部の挙動の観察ができていないことなどの課題がある.

今後の研究の推進方策

2024年度では,スキャン速度の拡張,スパッタの飛翔状態の定量化の高度化を計画している.また,レーザ照射部の粉層内部の状態,すなわち溶融池と固体との界面およびキーホール形状を測定するために,SPring-8を用いた観察を試みる.2023年度までに観察したスパッタ発生メカニズムの解明と照らし合わせ,表面および内部の包括的観察とメカニズム解明を目指す.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] One-shot acquisition of intermediate feature values for in-process parameter exploration in PBF-LB of ultrafine porous metallic structure2024

    • 著者名/発表者名
      K. Nagato, Ryo Okawara, Hiroshi Yoshizaki, Masahiko Sairaiji, Moju Zhao
    • 雑誌名

      CIRP Annals, accepted.

      巻: -

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of laser welding strategy for reducing intermetallic compound formation and residual stress2024

    • 著者名/発表者名
      L. Chen, R. Okawara, K. Matsuda, M. Nakao, K. Nagato
    • 雑誌名

      Prec. Eng.

      巻: 88 ページ: 415-427

    • DOI

      10.1016/j.precisioneng.2024.03.001

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mechanism and performance evaluation of transient and selective laser processing of glass based on optical monitoring2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yanming、Ito Yusuke、Yoshizaki Reina、Shibata Akihiro、Nagasawa Ikuo、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31 号: 23 ページ: 38191-38191

    • DOI

      10.1364/oe.497360

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Enhancing the prediction quality of mechanical properties for powder bed fusion with laser beam by dynamic observation of flying particles2023

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Nagato, Tomohiro Ozawa, Manuela Neuenfeldt, Frederik Zanger, Moju Zhao, Volker Schulze
    • 雑誌名

      Materials & Design

      巻: 227 ページ: 111696-111696

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2023.111696

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Multi-timescale observation of ultrashort pulse laser ablation of copper2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ito, Keisuke Nagato, Haruto Tendo, Junya Hattori, Kazuya Matsuda, Naohiko Sugita, and Masayuki Nakao
    • 雑誌名

      Optics Communications

      巻: 537 ページ: 129462-129462

    • DOI

      10.1016/j.optcom.2023.129462

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Effect of laser conditions on surface morphology after powder bed fusion2023

    • 著者名/発表者名
      Liwei Chen, Masayuki Nakao and Keisuke Nagato
    • 学会等名
      The 10th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Image treatment of spatter flight phenomena for porous metallic parts using powder bed fusion2023

    • 著者名/発表者名
      J. Lach, M. Zhao, R. Okawara, H. Yoshizaki, M. Sairaiji, M. Nakao, K. Nagato
    • 学会等名
      The 10th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Feature value detection from high-speed observation of spatter for prediction of porosity in metals formed using powder bed fusion2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Okawara, Moju Zhao, Justin Lach, Hiroshi Yoshizaki, Masahiko Sairaiji, Masayuki Nakao and Keisuke Nagato
    • 学会等名
      The 10th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Elucidation of spatter formation mechanism with high-speed observation of melt pool in metal powder bed fusion2023

    • 著者名/発表者名
      H. Suzuki, M. Zhao, Y. Ito, T. Koike, M. Nakao, K. Nagato
    • 学会等名
      The 10th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高速イメージング法を用いたレーザ加工中のプラズマプルーム生成の観察,High-speed imaging used to observe the generation of plasma plumes during laser processing2023

    • 著者名/発表者名
      Liwei Chen,伊藤佑介, 松田和也, 長藤圭介, 中尾政之
    • 学会等名
      精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 金属積層造形における高速度観察を用いたスパッタの観察 第2報:レーザパワー依存性2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木裕明,趙漠居,伊藤佑介,小池匠,中尾政之,長藤圭介
    • 学会等名
      精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 粉末床溶融結合法におけるポーラス体空隙予測のための高速度観察を用いた特徴量抽出2023

    • 著者名/発表者名
      大河原峻,趙漠居,Justin Lach,吉﨑寛,西来路正彦,中尾政之,長藤圭介
    • 学会等名
      精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 金属積層造形におけるスパッタ生成の高速度観察2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木裕明, 伊藤佑介, 松田和也, 小池匠, 杉田直彦, 中尾政之, 長藤圭介
    • 学会等名
      2023年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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