平成２２年 第21回 EIIRISイブニングコロキアム 平成27年 3月24日（火） 17：30－18：30 ４力学，認識工学 学内再編 設計工学 機械・システム デザインコース 機械工学 ミッション「界面・表面創製研究」界面・表面 機械工学分野における ものづくりの現状と未来 豊 橋 技 術 科 学 大 学 豊橋技術科学大学 機械工学系 福本 昌宏 E-mail: [email protected] 創製 電気・電子情報工学 材料・生産 金属とセラミックスのような，異な 加工コース る特質の要素を，接合あるいは複 材料機能制御 情報・知能工学 合化することで，全体として高機能 システム制御・ 環境・生命工学 ３Ｄ/４Ｄマテ 化・高付加価値化した，接合・複合 ロボットコース リアル強度評価 体の創製を目的とする． 建設・都市システム工学 環境・エネル ギーコース 総合教育院 薄膜材料 3 1 接合加工プロセスの変遷 Thermal Spray 溶融 固相 Metal 液相 固相 Metal 溶融接合(溶接) 固相 Metal 厚膜創製プロセス： 溶射法 Substrate: μm～数百m 固相 Metal ろう付け Torch 材料を溶かすことは必要悪！ Port Particle: φ5～50μm V:50～1000m/s Ceramic等 固相 固相 Metal Ceramic 拡散接合 ② 摩擦攪拌接合 固相 Metal 気・液相/固相接合 ① 粒子積層成膜 4 Thermal Flow: Plasma, Gas Flame, Laser, Arc Coating: 5μm～50mm 5 膜創製技術 10-4 膜構成単位： 原子 10-3 10-2 クラスター 膜創成 プロセス： PVD, CVD 10-1 100 サブミクロン 粒子 101 AD 102 ミクロン粉末 厚膜 薄膜 電気メッキ プロセス制御には： ・プロセスにおいて根幹となる主事象に着目 この場合には単一粒子の偏平付着事象 ・そこに関与する因子の抽出 ・支配因子の特定 ・支配因子の影響，実像解明 CD 溶射 V D Fraction of disk splat (%) Our previous study has shown: ★ Particle oriented factors: Madejski’s formula 0.2 D/dvd/) Temperature Tsub : R. T. Ambient pressure Adsorption Splat 100 Flattening is dominated mainly by V and T 100 Splash splat 80 80 60 60 40 40 20 20 0 300 Disk splat 400 500 600 700 0 800 Substrate temperature (K) Substrate temperature ★ Interface oriented factors affect more strongly to the flattening, f Substrate 6 Velocity T SIP Project 「革新的構造材料」 研究開発項目(b) 「耐環境性セラミックスコーティングの開発」 2014年開始 5年間 Flattening degree can be given theoretically by Madejski’s formula: : D/d = 1.29 Re0.2 = 1.29 (vd/0.2 Particle d Adhesion strength(MPa) (m) 10-5 ●Transitional Tsub : 673K 8 phenomenon ●Corresponds well to coating property Practically useful 9 7 Ni Al Ti Splash splat Disk splat 80 Atmospheric pressure 60 50% Disk splat 20 1994, Transition temperature : Tt 500 600 700 800 Defined as 400 Transition Substrate temperature (K) temperature, Tt Critical value in substrate temperature: Transition temperature, Tt 2001, 25μm 30μm 50μm Al 600 Fraction change of disk splat with ambient pressure change 12 Ni , NiCrAlY Tt 500 400 NiCrAlY NiAl Fe Cu Al Ni Pt 300 200 100 0 Ni 60μm Similar change in splat pattern by just reducing ambient pressure, Tsub = R.T. 10 After M. Fukumoto, Y. Tanaka and E. Nishioka, Materials Science Forum, 449-452(2004) 1309-1312 Defined as Transition pressure, Pt 120μm Low pressure 0 300 Cu 50μm 11 Easier to form disk splat 40 Transition temperature / K Fraction of disk splat (%) 100 NiAl Cr, Cu , NiCr Al , Ti , Fe Ti Cr NiCr Easier to form disk splat 0 200 400 600 800 Transition pressure / torr Similarity in dependence of Transition pressure and Transition temperature on sprayed material 13 大手自動車 メーカーの話 100 kPa Flattening degree can be given theoretically by Madejski’s formula: : D/d = 1.29 Re0.2 = 1.29 (vd/0.2 38.4 kPa Fraction of disk splat Tt Pt 0 Ambient pressure 800 200 30.0 kPa 800 17.2 kPa Substrate temperature 0 ms Three dimensional transition curvature Surface tension , Viscosity We 0.5 Re 0.25 ρdV2 γ 0.5 ρdV η Splashing parameter, K Inertial force 1200 based on in-flight kinetic information If K > critical: Kc= 57.7 800 600 200 0 Inertial force(ρ,d,V) 17 Ni（d=101μｍ） Ni（d=69μｍ） Ni（d=32μｍ） Cu（d=73μｍ） Fe（d=51μｍ） Cu（d=27μｍ） Fe（d=21μｍ） 1000 Kc 0 50 100 150 200 250 300 1200 Diameter : d Density : ρ Surface tension : γ Viscosity : η Impact velocity : V 2.484 ms 16 400 Spray distance (mm) γ,η Breakup; splashing Ni 1000 0.25 Splashing parameter, K K 0.552 ms Alcohol drop hitting a smooth glass substrate at impact velocity V = 3.74 ± 0.02 m/s in the presence of different background pressures of air. After the paper by Lei Xu, Wendy W. Zhang, Sidney R. Nagel 14 According to the fluid dynamics, criterion for splashing can be given by Splashing parameter: K (Sommerfeld Number) 0.276 ms Cu 1000 800 600 400 200 Kc 0 50 100 150 200 250 300 Spray distance (mm) 400 200 0 Fe 800 0 600 0 Splashing parameter, K Coating property Kc 50 100 150 200 250 300 Spray distance (mm) K value for regular thermal sprayed particle exceed Kc, remarkably 18 Key issue becomes: Splashing ⇒ natural Pt protective layer How splashing motion is arrested with increase of substrate temperature or reduce of ambient pressure? We need to answer to this. Only intimate contact of particle to substrate may realize this ! at R.T. 1 atm inside of splat occurs after flattening, namely, solidification inside never affect to flattening. at 773K 1 atm Substrate Center Splashing is arrested, how? at R.T. 6.7 kPa > Splashing: particle oriented > Disk form: interface oriented Center Columnar crystal structure indicates solidification Substrate Substrate Center Cross-section microstructures of sprayed particles 19 80 ー estimate ◇ experiments 60 40 20 0 10 0 Am 300 bie nt pre 500 ss ure (to 760 300 350 rr) 550 500 450 re (K) 400 peratu te tem Substra Cu 100 600 80 60 40 ー estimate ◇ experiments 20 Estimate equation of Ti disc splat at different ambient pressure and substrate temperature. Center Substrate Correspond to surface wrinkle 0 T 300 810 P F 100{1 exp exp } 50 100 3 Splashing is arrested, how? at R.T. 6.7 kPa Ti 100 Fraction of disk splat (%) at 773K 1 atm Equi-axed fine crystal due to super rapid cooling is formed at bottom part of splat, and its grows up preferentially near periphery Center Substrate region indicating chill crystal arrests splat flowing at periphery and brings about resultant disk splat. Fraction of disk splat (%) at R.T. 1 atm Splashing ⇒ natural Fraction of disk splat (%) Pt protective layer 20 100 1.5 80 ー estimate ◇ experiments 60 600 Fig. Graph of Cu disc estimate equation. Estimate equation of Cu disc splat at different ambient pressure and substrate temperature. 20 T 300 760 P F 100{1 exp exp } 100 550 3 10 0 Am 30 bie 0 nt pre 500 ss ure ( Substrate 550 500 450 re (K) 400 peratu te tem Substra 40 0 Center 10 0 Am 300 bie nt pre 500 ss ure 0 (to 760 300 35 rr) Ni(ただし,300<T<600,0<P<760) 7 350 tor 60 300 r) 550 500 450 re (K) 400 peratu te tem Substra 3 (ただし,300<T<600,0<P<760) 600 Three dimensional transition curvature Estimate equation of Ni disc splat at different ambient pressure and substrate temperature. 760 P T 300 F 100 {1 exp } exp 500 200 4 Cross-section microstructures of sprayed particles 21 3 (ただし,300<T<600,0<P<760) 22 Transition temperature / K 600 corresponds to Periodic Table: Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 500 400 NiCrAlY NiAl 第一回「可視化ものづくり」シンポジウム ～接合プロセスを例として～ Fe Cu 300 Al Ni Pt 200 100 0 豊橋技術科学大学機械工学系他主催 平成２７年３月１６日（月） ホテルアソシア豊橋 Cr NiCr Ti 可視化ものづくり拠点構築に向けて Easier to form disk splat 0 200 400 600 豊橋技術科学大学 機械工学系 福本 昌宏 800 Transition pressure / torr e-mail: [email protected] Dependence of material on Transition pressure. 23 提案の背景 企業 愛知県（+岐阜，三重）／中部圏 ➣自動車産業 国内工業生産の９０％超 ➣ＧＤＰ ３２兆円 ものづくり関連企業が林立する世界屈指の 産業集積地帯 企業 ただし， ➣労働人口減少，産業・人材の空洞化，アジア 諸国等との技術格差縮小 企業 ➣自動車産業と並ぶ 航空機，半導体，エネル ギー等新産業分野の開拓，実質化促進 企業 企業 企業 企業 ものづくりにおける高度化，差別化， 企業 ブレークスルーに向けて何を為すべきか？ 企業 企業 何ができるのか？ 25 電気・電子 繊維 航空 宇宙 情報 ものづくり 食品 化学 建築 バイオ 産業分野 デバイス 自動車 素材 材料,素材 金属，高分子，セ ラミックス，複合 材料(C-FRP等) 構造材料，機能材 料(エネルギ関連等) 企業 製品 基幹産業を支える実践的技術 分野：機械系ものづくりに特化 プロセス 溶接・接合，切削・研 削，表面処理，粉末冶 金，塑性加工，鍛造， 鋳造，熱処理，その他 ものづくり 分析, 評価 機械，電気，電子， 熱，情報，光学，化 学，生化学，音響， その他特性 27 可視化ものづくり拠点構築に向けて 第１回「可視化ものづくり」シンポジウム ～接合プロセスを例として～ ミッション「可視化ものづくり」 日時：平成27年3月16日(月) 12:45～17:40 場所：ホテルアソシア豊橋 ５階 ボールルーム 〒440-0075 愛知県豊橋市花田町西宿(JR豊橋駅直結), TEL : 0532-57-1010(代表) 主催：豊橋技術科学大学 (機械工学系、人間・ロボット共生リサーチセンター、次世代シミュレーション技術者教 育推進室) 協賛：中部経済産業局、愛知県、日本機械学会東海支部、日本金属学会・日本鉄鋼協会東海支部、溶接学会東海支 部、日本溶射学会、塑性加工学会東海支部、鋳造工学会東海支部、可視化情報学会、自動車技術会中部支部、航空 宇宙学会中部支部、豊橋信用金庫組合、東三河懇話会、精密工学会東海支部、計測自動制御学会中部支部 プログラム ※学内プロジェクト推進経費の支援 12:45～12:46 開会挨拶 (司会 豊橋技術科学大学/安井利明) 12:47～12:54 主催者挨拶 (豊橋技術科学大学/大貝 彰) を頂きました！ 12:55～13:03 来賓挨拶 (中部経済産業局産業技術課/岡本正弘) ※参加者：聴講者７７，登壇者８， 13:04～13:14 シンポジウム趣旨説明 (豊橋技術科学大学/福本昌宏) 実行委員６の計９１名 ＜産業界における課題，産業振興に向けた施策＞ 13:15～13:50 愛知県が取り組むものづくり産業の振興 (愛知県産業労働部/加納廣和) ＜接合関連可視化研究の粋＞ 13:50～14:25 自動車部品の溶接における可視化活用事例 (トヨタ自動車/西尾匡弘) 14:25～15:10 各種接合・溶接現象の実験的可視化 (大阪大学接合科学研究所/片山聖二) 15:10～15:55 材料界面の原子・電子レベル解析と可視化 (産総研関西/香山正憲) 15:55～16:25 休憩 ＆ 会場後方にて展示会 ＜「可視化ものづくり拠点」の提案＞ 16:25～16:40 産官学連携「可視化ものづくり拠点」の提案 (豊橋技術科学大学/福本昌宏) ＜パネルディスカッション：可視化ものづくり・拠点構築に向けて＞ 16:40～17:35 司会：豊橋技術科学大学 福本昌宏 パネラー：中部経済産業局産業技術課課長 岡本正弘 愛知県産業労働部技監 加納廣和 大阪大学接合科学研究所長教授 片山聖二 産業技術総合研究所ユビキタスエネルギー研究部門首席研究員 香山正憲 豊橋技術科学大学学長特別補佐 原 邦彦 29 17:40 閉会挨拶 ものづくりの高度化，高品位化の要件： ➣ 材料，素材における徹底した品質管理 ➣ インプロセス制御による徹底した品質管理 ➣ 材料，プロセスを知悉した分析，評価の高度化 これらを達成するには，また，ものづくりの 高度化には，本質的に何が必要か？ 28 異材摩擦撹拌接合の基本概念 荷重 実行委員長 FSW: Friction Stir Welding 接合方向 パネルディスカッション 回転 ツール 大貝理事 材料界面 オフセット 原先生 中部経済産業局/ 岡本様 撹拌域 硬材 ショルダー 愛知県産業労働部/加納様 トヨタ自動車/西尾様 大阪大学/片山様 産総研/香山様 30 ピン 軟材 異種材料の場合 32 Tensile stress (MPa） 160 Al 母 材 強 度 ピンがSS400に 接触する位置 140 120 母材破断 接合界面で破断 100 10 Reaction layer 80 接 合 界 面 60 40 20 09 07 Fe side 06 04 0 Al side 05 02 SS400 08 01 03 1m 100 06 Concentration(mass %) 引っ張り強度測定 80 60 08 05 Fe 09 10 03 Al 07 02 04 Fe2Al5 40 20 01 Intermediate layer!？ 0 0 1000 2000 Distance,d/nm 3000 Point of EDX ADC12 33 Reaction layer at weld interface in butt welding 34 摩擦攪拌援用異材接合技術の新展開 EDX分析より反応層はFe2Al5 6063 S45C 6063 S45C 6063 S45C １次元直線 接合体で継手 効率100%を 達成 鉄 Al ２次元軸対称接合 体創製も達成 ２次元任意形状 接合体の創製へ 鋳鉄 Al Al Al Fe Fe (a) 接合まま (b) 175℃-2時間 加熱後 ツール Fe2Al5 Fe (c) 500℃-1時間 加熱後 5μm Growth of Reaction layer Cross-section microstructure change with heat treatment Al合金 接合線 ※自動車用デフ部品 35 武蔵精密工業様との共同研究 経済産業省： ・平成１９年度 地域新生コンソーシアム研究開発事業 ・平成２０年度 地域イノベーション事業 ２，３次元任意形状異材継手創製を実現する 自動追尾型インプロセス制御接合技術 Fe 摩擦攪拌援用バルク体接合の具体イメージ Al クリアランス ～DEFORM-3D for FSW～ (a) Side view observation of welding direction Rotation Welding tool y x Welding direction Rotation Rotation x z z Shoulder PVC Pin (transparent) Pin Observation area PVC PVC (gray) (transparent) (b) Backside view observation of welding direction Welding direction Synchro control photography y Rotation z High speed video camera (b) PVC Fig. FEM model at the beginning of FSW. Work piece (mm) Tetrahedral linear elements (number) Mesh size (mm) Thermal conductivity (W/m・K) Thermal capacity (N/(mm2・K)) Exchange coefficient of tool surface (W/(m2・K)) n m ) + y ・・・Equation (1) σ = c(ε) (ε c=7.791, n=1.987, m=0.1116, y=20.052 (MPa) PVC (transparent) 金属 Simulative conditions y x Shoulder z High speed video camera (a) セラミックス 数値解析による摩擦攪拌現象の可視化 ～Side and backside view of welding direction～ Welding direction Load 拡 大 塑性流動金属 材料の流入 透明材料による摩擦攪拌現象の可視化 回転方向 ツールの受ける ＸＹＺ方向分力の ピックアップ Fe 塑性流動➣ 具体像が不明 塑性流動 Al セラミックス セラミックス基 材表面性状 回転数，送り速度の インプロセス制御 接合界面 送り方向 CAD/ CAM ➣動的可視化，インプロセス制御 条件適正化のための 界面プロファイル， ➣欠陥ゼロ化の品質保証は未達 面内，面外クリアランス 情報のピックアップ ピン ピン圧力 Database 攪拌ツール 要素技術間の ３次元 相互連携によ る革新ものづ くりの実質化 ピン Data logger Tool 界面温度 画像処理技術 データ処理技術 制御技術 ものづくり技術 PVC (gray) Observation area PVC (40×50×6) 100,000 0.5 0.17 1.95 5,000 ・汎用の数値解析ソフトを使用 ・PVC材を簡易的に左式にて定義 ・実接合との整合性を評価 A rigid-viscoplastic temperature and strain rate dependent material model were used in equation (1). x 最先端装置による摩擦攪 拌現象の実験的可視化 y z shoulder Rotation 大阪大学接合科学研究所 藤井，今泉，森貞研究室 Stagnation area Pin Welding direction RS Rotation Velocity (mm/s) AS 2.0 1.0 0.0 Defect formation mechanism can be estimated by material flow analysis 42 ものづくりにおける本質的改革，新価値の創出 には「可視化」「ものづくり」の連携が必須！ 既存シミュレーション解析に絶対値 金属材料塑性流動の実態把握 を世界で初めて達成 としての保証を与える実験事実との ➣塑性流動層はツールの７割 連携が効果的 ほどの角速度で，一体に近い 形で回転 流体力学 これら相互の ➣ツール/流動層/その外周間 シミュレーション 連携による機構 ですべり，摩擦発熱 材料工学 解明の実質化： ➣ただし全体が一体ではなく， 外周に向けた流れを内包 実験観察技術 認識工学の粋 分 類 可視化 ものづくり 科学技術 JSPS研究会（工学基礎） 科学 技術 Science Engineering Sein 存在 Analysis Sollen 当為 Synthesis Engineering Science 哲学の概念 英語表記 センシング アクチュエーション （電気・電子分野） （機械分野） 機械工学 ４大力学ベース 基礎・認識工学 生産ものづくり 応用・設計工学 研究分野 機械力学，熱力学 材料力学，流体力学 材料工学，加工学，制御 工学，システム工学 本学 ➣ 静的可視化で得た知見の動的可視 化，インプロセス制御への連成が重要 600mm/min⇒10mm/s 600rpm⇒10rps 10mm進む間に10回転 43 ・各種計測，分析，観察 ・シンクロトロン放射光解析 ・シミュレーション実験 ・各種要素解析 ・数値シミュレーション 企業Aの 課題 可視化技術 人材バンク 企業Bの 課題 企業Eの 課題 課題解決に必須の 企業Fの 要素技術担当者間の 課題 緊密な連携体制構築 可視化 ものづくり 機能 企業Cの 課題 制御技術 人材バンク ものづくり技術 人材バンク 企業Dの 課題 企業Gの 課題 ・機械加工 ・表面加工 ・塑性加工 ・PVD, CVD ・接合 ・粒子コーティング ・鋳造 ・３Ｄプリンティング ・鍛造 ・メッキ ・C-FRP ・セラミックス ・高張力鋼 岐阜大 企業 企業Hの 課題 ・論理制御 ・微分制御 ・オン/オフ制御 ・線型制御 ・積分制御 ・比例制御 ・ファジィ論理 ・ＰＩＤ制御 ・その他 拠点コンセプト： ○地域内可視化，ものづくりトップの人材バンク構築 ○最先端可視化技術の支える究極のものづくり技術 ➣究極の生産効率の改善，生産物の品質保証 ➣可視化，ものづくり学術交流の世界的拠点 名大 名工大 世界的産学官集中連携拠点： 企業 あいち可視化ものづくり拠点 JFCC 企業 企業 三重大 企業 企業 企業 分子研 企業 人材登録 企業 世界グロー バル人材： 欧州から 豊技大 成果還元 世界グロー バル人材： オセアニア から 企業 世界グロー バル人材： アジアから シンクロトロンをコアに自らの地域性を活かし，新成長戦略 に謳う「世界的産学官集中連携拠点」として構築する 「あいち可視化ものづくり拠点」 ➣先行拠点：「つくばイノベーションアリーナ」 国内外に開いた「ナノ研 産：ニーズの提示 究拠点」として，高度に洗練された学術活動，研究者交流を展開中 学：シーズ提供 官：Platform構築 間の緊密な連携体制 産総研 企業 地方税収を原資に域内産学官関係者が総力を挙げて取り組む 「地域立脚型知の拠点」事業の達成点・機能・貢献： ➣産業社会的視点 ⇒域内産業活動の活性化，後継人材の 育成による当該地域／我が国の活力増進 ➣学術的視点 ⇒人類社会に貢献し得る智の集結する学術 拠点／グローバル人材の交流基地の構築 世界グロー バル人材： 北米から
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