| 研究課題/領域番号 |
26420041
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
田中 智久 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70334513)
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| 研究分担者 |
朱 疆 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (70509330)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 薄膜干渉 / 色相 / YAGレーザ / チタン / 表面粗さ / 酸化膜 / 自由曲面 |
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| 研究実績の概要 |
本研究で対象とするレーザカラーリングは，金属表面に形成された酸化被膜の上面，および基材と酸化膜の境界からの反射光の干渉を利用した着色方法であり，研究の最終目的は酸化膜の厚さや表面性状を制御することで，複数の色を用いた精細なカラーリングを実現する事である．
H26年度では，既設のレーザ微細加工機を用いた実験により，実際に得られる色相が薄膜干渉理論に基づいて膜厚により規定される事を確認した．具体的には一発の照射パルスにおけるエネルギー密度をさまざまに変化させ，それの繰り返し数による色相の変化を評価した．そして，その変化がエネルギー密度にかかわらず照射面に一様な膜の厚さの増加を仮定することにより薄膜干渉理論から導かれる色相の変化と同じ傾向にあることを確かめた．このことから，繰り返し照射により酸化膜を成長させることが可能であることが分かった．
一方，実際に照射し，得られた色相を分光輝度計により計測した試験片について，断面観察から被膜の厚さの計測を行って，実際の膜厚と得られた色相について評価を行った．その結果，形成された膜の厚さから理論的に導かれる色相と，実際に得られた色相がほぼ一致したことから，繰り返し照射による膜の成長によって得られる色相も制御可能であることが結論できた．
さらに，エネルギー密度の高い場合と低い場合について，それぞれの繰り返し照射回数を調整して，ほぼ同じ色相とした２種類の試験片について比較評価を行った．その結果，色相は同じでもエネルギー密度が高い方が明度が低くなることが確認できた．そこで，これら２種の試験片の酸化膜表面の観察を行った結果，エネルギー密度が高い条件では大きな凹凸が見られ，これによる光の反射率変化が明度差に現れたと予想される．従って，同じ膜厚を得る場合でもエネルギー密度と繰り返し数を適切にコントロールすることで明度も制御できる可能性が示唆された．
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| 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
既設のYAGレーザ微細加工機による純チタン板へのカラーリング試験を行い，得られた発現色を分光輝度計測により精密に評価することで，対象金属に与えるエネルギー量と色の変化について薄膜干渉に基づく理論値と実験結果が同様の傾向を示すことの確認ができた．また，照射後の試験片の断面のSEM観察により生成される酸化被膜の膜厚を計測し，膜厚から理論的に計算させる色相と実際に得られた色彩が定量的に一致することが確認でき，発現色が基本的に薄膜干渉理論により一意に推定できることが分かった．従って，続く研究年度で膜成長のモデルを高度化することで事前に得られる色を見積もることができると考えている．
また，上記の実験結果をもとにレーザカラーリングシステムに要求されるエネルギー範囲を算出し，その範囲でフレキシブルに出力を変化させられるYVO4レーザ発振機を新規導入して，上記のレーザ加工機と同様の条件設定で同様の傾向の色彩が得られることが確認できた．さらに，本発振機を用いた実験から，繰り返し照射により酸化膜を成長させることができ，単一パルスのエネルギーにかかわらず照射を繰り返すことで所望の色が得られる事がわかった．
以上の結果から，比較的低エネルギー密度で鮮やかな発色をが得られると考えられるが，想定よりも周囲温度や焦点位置が発現色に大きく影響することが分かったため，より詳細な実験を行うためにはこれらを適切に管理できる高い再現性をもつシステムを27年度に構築する必要がある．
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| 今後の研究の推進方策 |
２６年度に実施した研究の結果から，低いエネルギー密度を複数回照射することで，表面が比較的滑らかな酸化膜を成長させられることが確認できた．この膜形成法により，光沢のある明るい状態で所望の色彩を実現できると考えられるため，２７年度ではまず所望の色相を対象金属の任意の場所に発現させる技術を開発する．一方，２６年度の結果から膜表面に凹凸がある場合，反射光が減少することで明度の低い色が得られることが確認できている．従って，逆に高めのエネルギーを投入して少ない回数で表面凹凸のある膜を必要な厚さに短時間で成長させることで，明度の低い色を得ることもできると考えられる．この考えに基づきレーザ発振機のパラメータを変化させることで，上記色相発現技術だけでなく同時に明度も制御可能なシステムの実現を試みる．
また，本技術は一般の金属着色技術と異なり生体に有害な物質を用いることなく色付けできる．このことから，特に生体適合材料として広く用いられているチタン表面に鮮やかな色彩を表現できることが確認できており，医療用パーツに直接描画する識別コードなどへの応用を念頭に研究を進めている．一般にこれらのパーツは，使用される個人個人に合わせた複雑な曲面で構成されるため，続く年度では非接触形状計測システムを使用して取得したマーキング対象の３次元形状データに基づいて，適切な位置制御システムを構成することで複雑な曲面上にカラーリングを精細に施すためのシステムの構築を目指す．なお，非接触形状計測データから高精度に３次元モデルを生成・配置する技術に関しては，研究分担者が従来研究を進めてきており，この中ですでに開発済みの技術を流用できることから，比較的容易に組み込むことが可能であると考えている．
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