SIP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」

大阪大学接合科学研究所 塚本雅裕
SIP設計生産公開シンポジウム
２０１９年１月３０日（水）１４：５４～１５：１２
東京ビッグサイト 会議棟6F 605、606会議室

Laser Additive Manufacturing (LAM)
EB-AM : Electron Beam - Additive Manufacturing

EB-AM

S-EB-M

３D printing

S-EB-M : Selective - Electron Beam - Melting

AMSLM

AM : AdditiveManufacturing

LAM
LAM : Laser AdditiveManufacturing

３D printing

SLM : Selective Laser Melting

Cladding
LMD
LMD : Laser
Metal Deposition

Repair
３D printingレーザークラッディング（レーザー肉盛り溶接）
基板と粉末を溶かして（溶融）、固めて（凝固）、接合
レーザー

粉末の供給
溶融池
凝固領域ｚ

異材接合領域 (合金層)
熱影響部

母材（基板）

チタン合金

ステライト

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

ALCTION D

レーザークラッディング（肉盛溶接）技術の高度化
レーザーコーティング技術へ
レーザー粉末の供給
溶融池

大阪大学接合科学研究所

凝固領域ｚ

日本原子力研究開発機構

異材接合領域 (合金層)

熱影響部【共同実施】

母材
CO2の制御性→薄膜困難
半導体、ディスクレーザー、etc.→コーティングの可能性
大阪富士工業

村谷機械製作所

石川県工業試験場

技術開発課題・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 etc.

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）

古河電気工業

山陽特殊製鋼研究体制
Project leader : Masahiro Tsukamoto
内閣府
佐々木直哉（PD）

大阪大学
接合科学研究所

大阪富士工業
石川県工業試験場

管理法人：NEDO

村谷機械製作所

レーザーコーティング

古河電気工業

日本原子力研究開発機構

山陽特殊製鋼①レーザー入熱制御技術
Conventional method
IR diode laser③非モルテンプール型
レーザーコーティング技術②モルテンプール型
レーザーコーティ
ング技術

Base metal④ Innovation style

技術協力

島津製作所

ヤマザキマザック

ユーザー連携Four companeis

New method
IR and blue diodelaser

Five companeis

年毎に増加するユーザー連携企業、技術協力、事業化案件

日亜化学工業計画の概要１．研究開発テーマの目的・概要

レーザークラッディング（肉盛溶接）技術を「レーザーコーティング技術」へ
高機能化のための「難加工材」のレーザーコーティング● 計画の概要（開発項目）① レーザー入熱制御技術(1) 計算科学手法による溶融凝固シミュレーション(2) レーザーコーティング現象の解明(3) 難加工材料の高品質レーザーコーティ
ング技術
コーティング試料

数値シミュレーションによる歪み分布

レーザー溶融凝固シミュレーションおよび高エネルギー放射光X線
SPring-8を利用した
レーザーコーティングその場時分割計測技術と解析
レーザーコーティング基礎実験②モルテンプール型レーザーコーティング技術③非モルテンプール型レーザーコーティング技術

難加工材等の材料粉末

難加工材・高融点材料等の材料粉末

材料粉末供給の制御

高度入熱制御したレーザーを照射

材料粉末の溶融凝固の制御

材料粉末の溶融凝固の制御

高品質コーティング膜の実現

高品質コーティング薄膜の実現

膜厚1mm以上の高精度厚膜コーティング

薄膜 1mm以下の高精度薄膜コーティング

7

レーザークラッディング（レーザー肉盛り溶接）
希釈 ： コーティング材料の性能が劣化
熱影響部： 母材（基板）の性能が劣化あらかじめ基板厚さを増さらに盛る

コーティング膜（層）悪いコーティング
希釈

熱影響部
異材接合領域(合金層)

母材（基板）
良いコーティング

熱影響部

Development of non-molten pool type laser coatingprocess
Single and multiple laser beams heads
Conventional method : Single laser beamLaser beam
PowderSingle laser beamand coaxial powder feeding

New method : Multiple laser beams
Powder
Laser
beam

Laser
beam

Multiple laser beams
around powder feeding2

Development of non-molten pool type laser coatingprocess
Single and multiple laser beams heads
Conventional method
Laser

PowderLaser

PowderT1

Powder

T1

⊿T

⊿T0X
00dL

X

0dL

Powder has temperature distribution.

New method
PowderPowder

Laser

Laser

Laser

T1

T1
⊿T

⊿TX

00dL

00dL

X

No temperature distribution 3

Development of non-molten pool type laser coatingprocess
Multiple laser beams head
Conventional method

New method

https://www.youtube.com/watch?v=iM-9tkNrARI

Development of non-molten pool type laser coatingprocess
Multiple laser beams head

https://www.youtube.com/watch?v=S6G_aJm2B24

Development of non-molten pool type laser coatingprocess
Multiple laser beams head

Multi-Beam Laser Coating Systemwith Powder Center Feeding
・直噴型レーザーコーティングユニット
・5軸自動ステージ（X軸，Y軸，Z軸，傾斜軸，回転軸）
・CNCコントローラ + 3D-CAM

Development of non-molten pool type laser coatingprocess
Multiple laser beams head

Trimming die(Suppression of chemical wastewater)

製品補修欠損➀5mm
欠損②欠損製品

3D-CADデータ作成

CAMによるパスデータ作成

部品補修フロー

破損

3Ｄ
破損部
各種3D計測器
モデル化
計測

パス生成(CAM)

再生
加工

再生完了❕

Blue to The Future

100 W blue diode laser
coating systemcomplated In January 2016
Pure copper coating
Demonstarated at Optics
and Photonics International Exhibition,
Pacifico Yokohama Japan In May 2016

URL :https://www.youtube.com/watch?v=S6G_aJm2B24

2015 to 2016

Wavelength Blue
20 W / beam
6 beams overlapped, 100 W
Diameter of overlapped area, 280 mm

Multiple laser beams head with blue diode lasers(Blue Impact, Shimadzu corp.) in 2015 and 2016
Patterning of copper formation on SUS plate by blue direct diode laser

Lattice structure

SpiralWidth of layer : 3mm

11mm

12.5mm

10.5mm11mm

Development of multiple color laser beams
head with IR and blue diode lasers
April 18, 2017

Rod formation