Microsoft PowerPoint - JST新技術説明会2018b29（道総研・戸羽）＿提出-1

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - JST新技術説明会2018b29（道総研・戸羽）＿提出-1"

さみらのじま
4 years ago
Views:

1 1 複合粉末材料による金属 3D 積層造形法北海道立総合研究機構産業技術研究本部工業試験場製品技術部主任主査戸羽篤也

2 金属粉末 3D 造形について金属粉末積層造形の原理既成層の上に配置された金属粉末に熱線を照射し金属粉末を溶融するとともに既成層表面と溶接して積層する出力溶融池 P φd 走査速度 V 熱影響域金属粉末既成層 2

3 金属粉末 3D 造形について 3D 積層造形内部に 3D 中空構造を自由に製作可能自由な形状の 3D 流路を金型内に配置した金型の製作冷却過程で局所的な冷却速度制御で品質向上成形時間の短縮による生産性の向上内部構造に熱交換流路を設けた金型の例出展 ;RENISHAW ホームページから 3

4 4 金属粉末 3D 造形について導入装置の造形条件出力 P [J/s] or [W]; スポット径 D [mm]; 走査速度 v [mm/s]; 走査幅 b [mm]; レーザ照射条件を変えるこ走査間隔 e [mm]; とにより材料の溶接積層に最適な溶融状態を得る P P q = [J/mm 2 ] vd φd q = P ve [J/mm 2 ] v P 金属光造形複合加工機 LUMEX Avance-25 φd e v u b

5 5 従来技術とその問題点 1 溶融が困難な材料材料の融点が高いためレーザ光加熱による溶接が難しい高融点金属セラミック系材料など高温で溶融すると機能が失われる磁気作業材料の温度特性変化炭素鋼の組織変化など 2 造形自体が困難な材料材料が脆いため造形途中で破損し造形不能工具鋼金型鋼高合金鋼など課題解決の方途造型目的の粉末材料に低融点の金属粉末を配合し低融点金属のみを過熱溶融させて主機能材料を固着して積層造形する技法の実用可能性を試す

6 技術的課題とその対策課題 ~ 高合金鋼粉末による造形試験形状によっては積層造形できる様に見えるが積層高さ 1mm を超えると崩壊試料の一部が脆性破壊当初は積層造形ができているように見えるが 1mm を超えるとクラックが生じてそれ以上の高さの造形が不可 6

7 技術的課題とその対策課題 ~ 高合金鋼粉末による造形試験取出した造形試料の外観 LUMEX による造形試験試料内部にも一様に脆性破壊が見られる断面の拡大写真 7

8 8 技術的課題とその対策複合金属粉末による積層主機能金属粉末に低融点の金属粉末をバインダとして混合しバインダ金属を選択的に溶融するレーザ照射条件を設定して積層造形させる技法レーザー光主機能金属粉末バインダ金属粉末適用材料非合金型複合化成形法の模式図 1 高融点金属に対して低融点のバインダ金属を組み合わせたもの 2 セラミック系材料に対して鉄鋼材バインダで固着させるもの

9 考案技法の可能性の検証アルミ合金をバインダにした造形試験例試験の様子 v=250 造形条件 P=160W e=0.2mm D=φ0.3 D=φ0.4 D=φ0.5 D=φ0.2 D=φ0.6 v=350 v=450 v=550 問題点硬質の Fe-Al 金属間化合物の生成で目的の非合金を達成できない v=650 レーザー照射条件と溶融造形試験結果の例 9

08 v=520 e=0.10 v=500 e=0.12 v=480 e=0.18 v=450 e=0.

10 考案技法の可能性の検証バインダ金属に純錫 (Sn) を選定して造形試験主材 ( 高融点 ) SUS316L 粉末 ( 松浦機械製作所製 ) バインダ ( 低融点 ) Sn 粉末 ( 試薬 /200 メッシュアンダー ) P=120W P=115W e=0.08 v=520 e=0.10 v=500 e=0.12 v=480 e=0.18 v=450 e=0.20 v=420 造形条件 P=160W D=φ0.5mm P=110W P=105W P=100W Binder(Sn) SUS(Fe,Cr) レーザー照射条件と溶融造形試験結果の例 10

11 複合金属粉末による造形試験 1 造形条件主基材 Fe-Mn 系合金バインダ Sn 試験造形試料の外観基材 (Fe,Mn) バインダ (Sn) 試験造形物の断面観察 EDS 解析 ( 元素 Map) 基材粒子が粗大化 ( 溶融溶着の可能性 ) 11

12 複合金属粉末による造形試験 2 バインダ金属 (Sn) の造形条件掌握 Fe と Sn の物性比較物性 Fe 融点 1,540 Sn [ ] 232 沸点 [ ] 2,750 2,270 融解潜熱 [kj/kg] 密度 [kg/m 3 ] 7,870 5,800 比熱 [kj/kg K] 熱伝導率 [W/m K] 融解に要するエネルギー比較 Fe; Q m = ( ) kj/kg Sn; Q m = ( ) kj/kg スズの溶接に必要な熱量は鉄材の約 1/10 12

複合金属粉末による造形試験 2 バインダ金属 (Sn) の造形条件掌握 q = 0.60 0.50 0.40 0.30 0.40 0.35 0.30 J/mm 2 D=φ0.

13 複合金属粉末による造形試験 2 バインダ金属 (Sn) の造形条件掌握 q = J/mm 2 D=φ0.10mm 二重照射 D=φ0.20mm D=φ0.25mm D=φ0.30mm D=φ0.35mm D=φ0.40mm D=φ0.50mm 純錫粉末による造形試験 q = 0.3~0.6 の範囲で造形可 13

14 14 複合金属粉末による造形試験 2 セラミック (Al 2 O 3 )/ バインダ金属 (SUS316L) の混合粉末の造形試験にあたり造形条件を探索 Fe-Mn 合金に純スズを 10wt% 混合させて試験を行う昇温温度設定スズの融点直上 240~250 Fe; Q R = (250-20) kj/kg Sn; Q m = (250-20) kj/kg バインダの配合比 Fe90wt%:Sn10wt% Q B = kj/kg 純スズの溶融熱量とほぼ同じ

30 J/mm 2 D=φ0.10mm 二重照射 D=φ0.20mm D=φ0.

15 複合金属粉末による造形試験 2 Fe-Mn 系合金粉末の Sn バインダによる造形試験 q = J/mm 2 D=φ0.10mm 二重照射 D=φ0.20mm D=φ0.25mm D=φ0.30mm D=φ0.35mm D=φ0.40mm D=φ0.50mm Fe-Mn 合金と純錫粉末による造形試験 15

16 16 複合金属粉末による造形試験 2 Fe-Mn 系合金粉末の Sn バインダによる造形試験造形条件 D =φ0.20mm, e = 0.20mm, v = 1333mm/s, d = 0.050mm q = 0.30 J/mm 2 q s = 0.30 J/mm 2 q v = 12.0 J/mm 3 ( 二重照射 ) 基材 (Fe,Mn) バインダ (Sn) 試験造形物の断面観察 EDS 解析による元素マップ

17 17 新技術の特徴従来技術との比較従来の金属 3D 積層造形法では製作が困難であった硬質脆性材に対してバインダ金属を混合した粉末のみを溶融し基材粉末を固着して硬質脆性粉末を造形する手法を考案した造形時の与熱量を抑えることで過熱溶融によって失われる主基材に備わる機能を造形後も維持することができる金属をバインダとすることで熱伝導性や電気伝導性といった金属本来の機能を活用することができる

18 18 想定される用途本技術の特徴から金属材料の強度への期待を満足させることはできないが熱交換器など流体との接触で機能するような部材に適用することで熱伝導性や大きな比表面積を活かした応用分野が考えられる本技術の特徴から融点の異なる材料の組み合わせで造形が可能となることから金属どうしの組み合わせに限らずサーメットやセラミックと金属との組み合わせによる 3D 造形部材の製作や用途への展開が見込まれる

19 19 実用化に向けた課題現在バインダ金属として純錫 (Sn) による造形事例については検証済み主基材とバインダ金属との接合性 ( ぬれ性 ) に関する課題の克服が必要なケースについては主基材粉末の表面処理を検討する必要があるので今後の検討を進めたいバインダとして添加する金属粉末の配合量に関して主基材純度と造形材強度とはトレードオフの関係であるためバインダ添加量と造形部材の機械的性質との関係を把握しておく必要がある

20 20 企業への期待本技術の特徴からバインダ添加量による内部空隙が残存することやバインダ金属の融点以上の温度では使用できないなどの制限があるしかしながら LBM を利用することで EBM 造形法に比較して安価な造形物を得ることができる想定される制限の中で 3D 造形の特徴を活かした複雑な外観形状および内部構造を持つ部材あるいは多孔質材格子構造部材への応用例が考えられるものについて試作を通じて実用化の可能性を模索していきたい

21 21 本技術に関する知的財産権発明の名称出願番号出願人発明者三次元造形方法及び三次元造形物特願地方独立行政法人北海道立総合研究機構戸羽篤也平野繁樹鈴木逸人

22 22 お問い合わせ先北海道立総合研究機構研究企画部知的財産グループ TEL FAX ( 担当 ; 梅田 )

EOS: 材料データシート(アルミニウム)

EOS: 材料データシート(アルミニウム) EOS EOS は EOSINT M システムで処理できるように最適化された粉末状のアルミニウム合金である本書は下記のシステム仕様により EOS 粉末 (EOS art.-no. 9011-0024) で造形した部品の情報とデータを提供する - EOSINT M 270 Installation Mode Xtended PSW 3.4 とデフォルトジョブ AlSi10Mg_030_default.job

Microsoft PowerPoint - JST新技術説明会2018b29（道総研・戸羽）＿ 提出-1

Microsoft PowerPoint - JST新技術説明会2018b29（道総研・戸羽）＿提出-1