2022, Apr.
No.

400

CONTENTS
光と砂で月面インフラをレーザー駆動定在波による鋼管肉厚の遠隔検査法の開発

ISSN 0914-9805【表紙図】DED法により月の模擬砂（FJS-1）から作製した供試体

光と砂で月面インフラを主席研究員◆月面基地建設へ向けて藤田雅之

粉のように）チューブからしぼり出すように積層する

月面での探査活動に際しては、基地建屋や離発着場、ことも行われている。我々は材料として月面の砂だけ道路等のインフラ整備が必要となる。我々は、大阪大を用いることにこだわり、レーザー加熱で積層する手学および大林組と共同でこれらの建設材料を月面で調法である粉末床溶融結合（PBF）方式と指向性エネル達するために月の表土をレーザーで焼成・溶融させてギ ー 堆 積 法（DED：Directed Energy Deposition）方 式積層する方法に着目した研究を進めている。富士山溶に着目した。

岩（玄武岩）を粉砕した月の模擬砂をレーザーで加熱

まずは手作業でPBF方式の積層造形を行い、レーし、3Dプリンティングの手法を利用することで、自由ザーで砂を焼いて立体物ができることを示した（Laser

な形状の建設材料を作製する技術開発に取り組んできCross No.391, 2020 Nov.）。次のステップは、金属や樹た。

脂を造形する市販の装置で砂を造形できるのか？に答◆手作業から自動化へえを出すことである。はたして、砂の装填を受け入れ

3Dプリンティングにはさまざまな手法があり、バインダーと呼ばれる材料を混ぜて（あたかも練り歯磨き

公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロスてくれる市販の装置があるのか、貸してくれるのか、使わせてくれるのか？

幸いなことに（意外にあっさ次ページへつづく光と砂で月面インフラを結果、粒径の上限と下限を決めて分級した粉を用いることになる。
レーザーパワーとスポット径を固定したままで、掃引速度や走査線間隔、層厚を変えながら条件出しを行った。
レーザー照射により模擬砂はビーズ状にガラス化し、ビーズがつながって層を形成する。層厚を薄く設定するとこのビーズが引っ掛かって引きずられ位置ズレが生じる。逆に厚くすると層間【図1】PBF法による造形物。材料は、(a) FJS-1、(b) 珪砂8号に隙間が生じて薄片状にバラバラになる。最終的には、適当な基板を用意しりと）、株式会社アスペクトがPBF装置を、滋賀県工て、その上に1層目を固定し、2層目が離れない程度に業技術総合センターがDED装置を使わせてくれること層厚を調整することで造形を行った。

が分かり、出張実験を開始した。

◆JAXAとの共同研究

図1に (a) FJS-1、(b)珪砂8号を材料として積層した立体物を示す。(a)で20×20×高さ10 mm、(b)で10×10×

そんな折、JAXAの宇宙探査イノベーションハブ・高さ10 mmである。スポット径が0.2 mmと小さいためアイデア型研究に提案した「レーザー加熱による土質に（後述するDED法に比べて）形状精度が高い造形物が材料の有効利用に関する研究」が採択され（2020年秋）、得られた。

2021年2月 か ら1 年 間、大 阪 大 学、大 林 組 に 加 え て◆指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition）方式

JAXAと共同研究を行うこととなった。今回はJAXA
1)から試料として玄武岩を粉砕した模擬月土「FJS-1」の滋賀県栗東市にある滋賀県工業技術総合センターで提供を受けた。以前にも紹介したが、FJS-1はSiO 2 がは有償でDED装置の利用ができるようになっている。

約5割、Al 2 O 3 が2割弱を占める化学組成で、全体の99

普段は金属の造形に用いられている日本電産マシン%が粒径1 mm以下となっている。他にも土質材料としツール（旧三菱重工工作機械）社製の LAMDA 200 にて珪砂8号や桜島の火山灰を用いて実験を行うことと砂を装填して実験を行った。搭載レーザーは出力2なった。

kWのファイバーレーザーで、集光スポット径は約4◆粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion）方式mmである。

東京都多摩市にある株式会社アスペクトのテクニカPBF法でのリコート試験と同様に、DED法でも粉末ルセンターでは有償でPBF装置の利用ができるようにな っ て い る。普 段 は 樹 脂 の 造 形 に 用 い ら れ て い る
RaFaEl II 150-HT に砂を装填して実験を行った。搭載レーザーは出力60 WのCO2レーザーで、集光スポット径は0.2 mmである。
スイッチポンで自動で積層造形が進む市販の装置を使う際にはまず粉の流動性を確認するためのリコート試験を行う。PBF法では砂を敷き均す（ならす）役目を持つリコーターを移動させて粉末床をつくるが、層厚0.3 mmのところに1 mmの粒が紛れ込むと床面に筋ができる。一方で、細かすぎる粉は互いに引っ付いて流動性が低下し塊ができるなど均一に敷きづらくなる。 【図2】DED法による造形の様子

2

の流動性をチェックする必要がある。図2は造形の様◆強度を調べると子を示した写真である。当該装置の加工ヘッド中央に建設材料として評価するために、DED方式で作成しレーザーの出射口があり、その周囲3箇所から粉体がた供試体の圧縮強度試験を行った。表紙図よりも小型吐出される構造となっている。ノズルチップ内径がφの供試体で試験した結果、最大で約90 N/mm2が得ら

1 mm であるため、大きな粒の砂はつまってしまうし、れた。これはセメントコンクリートと同程度の強度で小さな粒は塊をつくるので、ここでも粉の分級が必要ある。一方で、PBF方式で作成した供試体はポーラスとなる。

状ということもあり、約3〜12 N/mm2であった。

DED方式は、レーザー肉盛りと同じ原理で積層して◆大型化を目指していくため基板が必須である。基板にレーザーを集光照

これまでのところ、建設材料の作製には強度、大き射し溶融池（メルトプール）を作り、そこに粉を吹き付さ共にDED方式が適していることが分かってきた。次けて溶かし材料を盛っていく。装置としては2 kWのの課題は、さらなる大型化・高速化である。今のとこレーザーを積んでいるが、フルパワーでは基板が熱歪ろ、レーザーパワー 300 Wでの条件出しに成功していみによって割れてしまうので、まずは出力100 Wで条る。これを500 W、1000 Wと増やすことにより短時件出しを行った。

間で大型（レンガ相当）の造形物を得られることが期待表紙図にFJS-1を材料として積層した立体物を示す。

される。

大 き さ は36×36×高さ40 mmで あ る。ス ポ ッ ト 径 が4本実験の遂行にあたりご協力頂いた、株式会社アスmmと比較的大きく、砂の供給量も調整できるため、ペクトの萩原氏、熊坂氏、ならびに滋賀県工業技術総PBF方式に比べて大型の造形物が得られた。造形物の合センターの斧氏、柳澤氏、片岡氏に感謝の意を表し

表面の筋は走査線間隔2 mm、層厚約2 mmで積層したます。

ためのものである。1層ごとに掃引方向を90゜ずつ変

参考文献
1)田島 孝敏 他, 大林組技術研究所報 No.81 (2017).

えている。

TOPICS

レーザー駆動定在波による鋼管肉厚の遠隔検査法の開発
レーザー計測チーム■はじめにオレグ コチャエフ、倉橋慎理
レーザープロセスチーム 藤田雅之

から、鋼管の固有振動モードを利用する手法について

工事現場では、廃棄物を流水により運搬するため鋼検討した。検査用として十分な感度が得られること、管が用いられている。廃棄物の移動に伴い鋼管の内壁、鋼管の減肉に伴い固有振動数が低下すること、帯水時特に底面が削られ肉厚が減少するので、定期的な検査の鋼管にも適用可能であること、などを実験で確認が必要である。肉厚低減を遠隔から検査できる手法と（Laser Cross No.396, 2021 Mar.）し た。本 稿 で は、してレーザー法を検討してきた。

使用済みの鋼管を用いた振動解析実験結果と、減肉に当初は鋼管の内外壁でのレーザー超音波の多重反射よる固有振動数の変化を計算で解析した結果を中心を利用して肉厚を計測する手法を開発（Laser Crossに、研究開発の現状を紹介する。

No.376, 2019 Jul.）した。この手法ではレーザー光を鋼■使用済み鋼管による固有振動計測実験管の真下から照射する必要があるので、現場環境に現場で使用されていた鋼管（外径355 mm、初期肉厚よっては使いにくいという課題があった。このため、10.9 mm）を長さ40 cmに切り出したものをサンプルとレーザー光の照射位置を自由に設定できるという観点して使用した。肉厚は厚い方で10.5 mm、薄い方で8.53

【図3】固有振動スペクトルと実験値（黒）、計算値（赤）の比較■固有振動モードの計算
有限要素法を用いて鋼管の固有振動モードを計算した。結果を図2に示す。１次、2次、3次、4次の固有振動 数 と し て、219 Hz、615 Hz、1175 Hz、1890 Hzが【図1】レーザー照射により鋼管に誘起された振動波形（上）と周波数スペクトル（下）得られた。これを実験で得た振動数と比較したものが図3である。実験値と計算値で比較的良い一致が得られている。

mmであった。以下、厚い側を上部、薄い側を下部と下部の鋼管肉厚を変えて計算した固有周波数の肉厚呼ぶことにする。パルスエネルギー5 J、パルス幅100 ns依存性を図4に示す。肉厚の減少に伴い固有周波数ののCO2レーザーを鋼管に照射し、誘起された振動を振減少する様子がよく現れている。固有周波数の減少率動計PDV-100（ Polytec Co.）で検出した。観測されたにして5 %が検出可能とすれば、肉厚の減少率に換算振動波形とその周波数スペクトルを図1に示す。固有して〜10 %が検出できることになる。肉厚10 mmの鋼振動モードがきれいに観測されている。

管の場合1 mmの減肉まで検出できることがわかった。
工事現場での適用に期待できる。
謝辞
本研究の一部は（株）大林組の委託研究として実施されたものである。関係各位に謝意を表します。

【図2】固有振動数計算結果
Laser Cross No.400 2022, Apr.

【図4】下部肉厚の減少と固有振動数の変化
http://www.ilt.or.jp

発行／公益財団法人レーザー技術総合研究所 編集者代表／谷口誠治 〒550 - 0004 大阪市西区靱本町1-8-4 大阪科学技術センタービル4F TEL(06)6443-6311 FAX(06)6443-6313

掲載記事の内容に関するお問い合わせは、編集者代表･谷口誠治（E-mail:taniguchi@ilt.or.jp）
までお願いいたします。