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次世代レーザーコーティングプロジェクトへようこそ

Welcome to "ALCTION D"!

本プロジェクトは内閣府が主導するSIP(戦略的創造イノベーションプログラム)の「革新的設計生産技術」において、高付加価値設計・製造を実現するレーザーコーティング技術の研究開発を行っています。

レーザー入熱制御技術

計算科学手法による溶融凝固シミュレーションや、レーザーコーティング現象の解明により、難加工材の高品質なレーザーコーティング技術の開発を目指します。

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モルテンプール型レーザーコーティング技術

材料粉末の供給の制御によって材料粉末の溶融凝固を制御し、膜厚1mm以上の高精度膜厚コーティングの実現を目指します。

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非モルテンプール型レーザーコーティング技術

高度に入熱制御したレーザーによって材料粉末の溶融凝固を制御し、膜厚1mm以下の高精度膜厚コーティングの実現を目指します。

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イノベーションスタイル

最新技術の研究を行うだけでなく、その研究の価値をどのように配信するかという事についても研究を行っています。

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ニュース

icaleo2015

2015年10月 受賞
ICALEO 2015

icaleo2015

2015年9月29日
合同セミナーの様子

icaleo2015

2015年9月17日
シンポジウムの様子

研究紹介

本プロジェクトは、内閣府が主導するSIP(戦略的創造イノベーションプログラム)の「革新的設計生産技術」において、『高付加価値設計・製造を実現するレーザーコーティング技術』として、レーザークラッディング(肉盛溶接)技術を高度化し、難加工材のレーザーコーティング技術を開発します。

技術開発課題としては以下のようなことが挙げられ、これらをレーザーによる入熱制御技術(時間的・空間的波形制御技術)により解決します。

  • 溶融池安定化技術
  • 凝固速度制御技術
  • 熱影響部極小化技術
  • 異材接合領域極小化技術
  • 粉末供給制御技術
  • 粉末材料制御技術開発

また、本プロジェクトの意義として、以下の三つが挙げられます。

  • 高付加価値を付与し、【軽い・薄い(安い)・強い】といったユーザーニーズに応えるデライト設計ベースのものづくりに大きく貢献。
  • 自動車など国民生活に身近なものから、宇宙などの大型プロジェクトの設計・製造に至るまで、その波及効果は絶大。
  • 公設試等を通じて本技術を各地域の中小企業に広めることにより、各地域で革新的な設計・製造を推し進めることが可能に。

主な研究テーマ

本プロジェクトでは、レーザークラッディング(肉盛溶接)技術を高度化し、難加工材のレーザーコーティング技術を開発するために、以下の4つの項目について研究・開発を行っています。

テーマ1

レーザー入熱制御技術

計算科学手法による溶融凝固シミュレーションや、レーザーコーティング現象の解明により、難加工材の高品質なレーザーコーティング技術の開発を目指します。

テーマ2

モルテンプール型レーザーコーティング技術

材料粉末の供給の制御によって材料粉末の溶融凝固を制御し、膜厚1mm以上の高精度膜厚コーティングの実現を目指します。

テーマ3

非モルテンプール型レーザーコーティング技術

高度に入熱制御したレーザーによって材料粉末の溶融凝固を制御し、膜厚1mm以下の高精度膜厚コーティングの実現を目指します。

テーマ4

イノベーションスタイル

最新技術の研究を行うだけでなく、その研究の価値をどのように配信するかという事についても研究を行っています。

研究概要

研究概要を画像付きで説明します。

デライト設計

デライト設計

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例えば災害用ロボットでは、高強度化、長寿命化、低コスト化、軽量化、省エネルギー化の観点から、高機能(耐摩耗、耐腐食、耐熱等)材料のコーティング技術が重要です。
しかしながら、高機能材料は一般に加工が困難であり、従来のコーティング技術では結局、重い、厚い、高価格、低強度などといったデライト設計が台無しの物しか作ることが出来ません。

本プロジェクトで開発するレーザーコーティング技術により、難加工材のコーティングを可能とし、軽い、薄い、低価格、高強度で長寿命なものづくりを実現し、デライトな社会の推進を可能とします。

工業部品のデライト設計

工業部品のデライト設計

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工業部品のロールを例にすると、レーザーコーティングにより、高強度化、長寿命化、低コスト化、軽量化を同時に実現可能です。
従来技術では母材との希釈の問題や熱影響部の問題により、膜厚の増大を余儀なくされ、重量やコストの増大、寿命の低減などが起こってしまう、デライト設計が台無しのものしか作れませんでした。

しかしながら、本プロジェクトで開発するレーザーコーティングにより、膜厚を薄くすることが可能となり、その結果軽くて薄く、低価格で強い、デライト設計を実現するような省エネで高寿命なものづくりが可能になります。

現時点での成果1

現時点での成果1

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科学的手法によるレーザー溶融凝固シミュレーションの実現を目指し、必要となる物理・数学モデルの検討を行って、レーザーコーティング評価用プラットホームの構築を実施しています。

現時点においては、図に示すようなシミュレーションモデルにより、レーザー光照射条件だけでなく、雰囲気ガスや金属粉の供給条件、母材の情報を入力とし、残留応力や溶け込み深さ、コーティング膜厚などが分かるシミュレーションコードが出来ています。
その結果、図に示すようなコーティング膜厚と溶け込み深さに対する応答局面の解析などが可能になっており、デライト設計への指標構築が可能となりつつあります。

現時点での成果2

現時点での成果2

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レーザーコーティング現象の解明を目指し、金属溶融現象の直接観察を大型放射光施設Spring-8を用いて実施しています。

現時点においては、図に示すような計測系を構築することにより、様々な金属粉末の溶融結合の様子を観測することに成功しています
図からも分かるように、材料によって様々な融け方や蒸発のしかたをしており、これらの実験から得られた知見を、デライトなものづくりへの加工パラメーターの決定に役立てます。

現時点での成果3

現時点での成果3

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モルテンプール/非モルテンプール型レーザーコーティングのための基礎実験を行う装置が完成しています。

図の左側にあるものが、モルテンプール型のレーザーコーティングのための基礎実験装置です。基礎実験のために様々なパラメーターが変えられるように設計されている特別仕様の装置であり、日本にもそうは無い(何か塚本先生がカッコイイ表現をしていたような…)装置となっています。

また、右側の図は非モルテンプール型レーザーコーティグのための装置であり、金属粉末をターゲットに垂直に噴射し、レーザーをその周囲から重畳する構造となっています。このような構造にすることにより、安価なレーザーを多く重畳させることにより、容易にハイパワーな入力を実現可能です。

このような加工機により、耐摩耗、耐腐食材料をコーティングした高機能切削工具の制作にも成功しています。

現時点での成果4

現時点での成果4

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進化するプロジェクトとなるため、「ユーザー連携」や「技術協力」の輪を拡大するためにイノベーションスタイルと言って様々な情報配信・調査を行っています。

特に大きな力を入れているものの一つが展示会への出店であり、これまでに PhotoniX 2015, 機械要素技術展(東京・大阪)等に出展し、大きな反響を頂いています。

また、東京工科大学のメディア学部とのコラボレーションにより、学生が開発現場でディスカッションをし、研究内容を紹介する動画を作成するなど、教育的波及効果や、情報配信の新しい方法を探るなど、これまでの国家プロジェクトには無い新しい取り組みも行っています。

青色レーザーコーティング技術

今後の加速研究

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今後のレーザー光源は半導体レーザーに移行する傾向にあり、数年以内には金属に対して吸収率の高い青・紫色の半導体レーザーが主になる可能性が高いです。
そこで、本プロジェクトでは、島津製作所・日亜化学工業の協力の下、100Wクラスの青色半導体レーザーを搭載した、レーザーコーティング装置を世界に先駆けて開発しています。
これにより、高効率・高品質加工の幕開けとも呼べる新しいデライトなものづくりを可能にします。

研究背景

これまでの成果

今後の予定

研究体制

本プロジェクトは下記のような体制で、様々な企業・団体・大学と共同で研究開発を行っています。

研究実施機関

ALCTION D では、ハニカム構造のように「密に、かつ多方面に連携」しながら研究開発を行っています。

研究実施機関と研究協力メンバーとの関係

事業化に向けて

本研究開発と事業化

本研究開発の事業化に向けて、大きく二本の柱を備えています。

一つ目は大阪富士工業による、ユーザーニーズに応じたデライト設計を実現した工業製品の製品開発です。
ガスタービンやタービンブレード、エンジンバルブと言った、製鉄、産業機器、エネルギー関連、車両・運輸や航空宇宙産業分野等、幅広い分野における製品の開発を行います。

もう一つは、廉価版のレーザーコーティング装置の開発です。レーザーコーティング技術が完成すれば、高品質な加工装置が大中小企業一社に一台以上の導入が可能な安価に制作できます。