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成果報告書詳細
管理番号20190000000421
タイトル平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)革新的設計生産技術「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」
公開日2019/5/31
報告書年度2014 - 2018
委託先名国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P14030
部署名IoT推進部
和文要約本研究開発では、次世代工業部品・製品製造のための高強度化、長寿命化、軽量化、低コスト化、省エネルギー化等の高付加価値(デライト)設計を実現するための高機能、高品質、難加工材料の次世代レーザーコーティングの基礎技術を確立するため、1.レーザー入熱制御技術の研究開発、2.モルテンプール型レーザーコーティング技術の研究開発、3.非モルテンプール型レーザーコーティング技術の研究開発を行った。
1-(1).計算科学的手法によるレーザー溶融凝固シミュレーションでは、多次元複合伝熱流動過程の現象論的解釈が可能かつ、計算科学シミュレーションコードにマクロ挙動とミクロ挙動とを多階層スケールモデルにより連結し、相変化を含む多相流場を気―液―固相―非圧縮性粘性流により定式化したレーザーコーティング用計算科学シミュレーションコードSPLICEを開発した。同コードを用いてモルテンプール型および非モルテンプール型レーザーコーティングプロセスの実験結果に対する適正化に関する総合的な評価を行った。1-(2).レーザーコーティング現象の解明では、 大型放射光施設SPring-8を利用したその場時分割計測技術開発の1つとして、高速イメージングシステムの開発を進めた。高速イメージング撮影のために高速度CCDカメラを導入した。これによりコマ数が102fpsから最大105 fpsに飛躍的に増加することで、1msecでの計測が可能となった。さらに、既存のイメージング用X線-可視光変換ユニットを利用し、時分割撮影のための最適条件の導出を行った。1-(3).モルテンプール制御技術の開発では、パイプあるいはロール材にハステロイおよびステライトのコーティング技術を開発した。コーティング実験データを基に、ハステロイおよびステライトの粒度分布制御技術の開発を行った。高精度粉末溶融制御技術の開発において、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、青色半導体レーザーと近赤外線半導体レーザーを搭載したマルチカラーレーザーコーティング装置を開発した。粒径分布制御技術開発では、Fe基粉末やステライト6粉末を提供するとともに、粒度分布制御等に関する技術開発を行った。また、高出力CWレーザー、パルスレーザーなど、加工システムやレーザー間の連携制御の開発を行った。
2.熱源としてレーザーを用い、母材上にモルテンプールを形成しながらその中に粉末を供給してそれを溶融凝固させるモルテンプール型レーザーコーティング技術の特性を活かし、従来技術では材質的・形状的に施工が困難とされていた、鋳鉄・二相ステンレスなどにコーティングを可能とし、従来技術より高品質な機能性表面改質を実現し工業用部品への長寿命化等を可能とした。
3.非モルテンプール型レーザーコーティングの開発では、マルチビーム式直噴型レーザーコーティング装置に搭載の粉末供給機やレーザーコーティングヘッドの開発を行った。また、超硬合金コーティングにおける耐久性の向上を図り、治工具の耐久性向上のためのレーザーコーティングや、金型補修、シート打抜型刃(トムソン刃)の製造など用途開発に取組み、実用化の可能性を見出した。
英文要約Title:SIP(Cross-Ministerial Strategic Innovation Promotion Program) / Innovative Design/Manufacturing Technologies Development of laser coating methods for realization of high value-added design and manufacturing (FY2014-FY2018) Final Report

In these researches and developments, for next generation industrial parts and productions, in order to realize highly added valuable designs such as high strength, extension of life, a weight reduction, a price reduction and the saving energy, the advanced laser coating processing which is high functional, high quality and to be utilized for difficulty processing materials is established by developments for laser heating control, molten pool type coating process and non-molten pool coating process.
1-(1). Computational science numerical simulations for melting and solidifying phenomena of various metals by a laser irradiation: A computational science numerical simulation code was developed for phenomenological interpretations of multi-physics thermohydraulic phenomena including phase change effects for melting and solidifying of various metals by a laser irradiation. And the code was applied to evaluations of a fundamental laser coating process. 1-(2). Elucidation of a laser coating phenomena; The development of high speed imaging system has been performed as one of the development of in-situ dispersive measurement technique using synchrotron radiation facility SPring-8. A high speed CCD camera was introduced to take high speed imaging shootings. By using this camera, the measurement in 1msec has been enabled because the number of frames is dramatically increased up to 105 fps from 102 fps. We have performed the derivation of best conditions for the dispersive shooting by using our unit converged X-ray to light with this camera. 1-(3). Development of high-quality laser coating technology for processing resistant materials: The multi-color laser coating machine with blue direct diode lasers and IR direct diode lasers was developed for coating of processing resistant materials. The development of the size distribution control technology for metal powder was performed based on the laser coating experiments by using various powders such as Hastelloy and Stellite. Furthermore, we realized a precise output power modulation technology of pulsed fiber lasers by external analog signals, and a cooperative laser control technology in synchronization with a galvanic scanner in a laser coating system for optimization of laser parameters.
2. The research of molten pool type laser coating aimed to obtain higher quality coatings than those made by conventional technology by using laser coating. As a result, the laser coating achieved a target time reduction. The results confirmed that the laser coating has improved performance in corrosion resistance and wear resistance. Based on these performance test results, we confirmed the effectiveness of the laser coating.
3. For non-molten type laser coating; A powder feeder and the laser coating head installed in multi-beam type direct injection laser coating apparatus were developed utilized for precision machines and medical instruments. In addition, durability of WC-Co layer formed with the apparatus was tried to be enhanced. Furthermore, it was worked on applying laser coating to improvement of wear resistance of jigs or tools, repairing of mold dies and manufacturing of Thompson blades for cutting sheets.
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