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－マルチレーザー加工ヘッドと青色半導体レーザーコーティング装置－

大阪大学接合科学研究所
塚本雅裕―デライトものづくりによる高付加価値製品の創出をめざして―
SIP革新的設計生産技術 公開シンポジウム2016
2016年11月14日（月） 10:00 –17:00
ヒューリックホール、浅草、東京

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
大阪大学接合科学研究所
粉末の供給

日本原子力研究開発機構【共同実施】

溶融池
凝固領域ｚ

異材接合領域 (合金層)
熱影響部

大阪富士工業

村谷機械製作所

石川県工業試験場

母材
山陽特殊製鋼古河電気工業【技術協力】

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.

富士高周波工業

オムロン
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）

片岡製作所

大阪大学光科学センター【ユーザー連携】

島津製作所日亜化学工業

ヤマザキマザック

SIP革新的設計生産技術が実現するデライトものづくり
ＳＩＰ革新的設計生産技術ではデライトものづくりの中でA.感性 B.潜在価値 C.複雑・迅速造形 D.高性能・新機能に集中的に取り組む

顧客価値
（満足）

Ａ.感性

新しいものづくり＝ デライトものづくり

Ｂ.潜在価値

Ｃ.複雑・迅速造形

デライト性
喜び・魅力
驚き

Ｄ.高性能・新機能

従来ものづくり性能
品質
機能的価値（品質等）

3

表面改質技術の背景 ⇒ 耐摩耗、耐腐食・防錆、耐熱、耐衝撃、硬度向上、信頼性向上等、に表面改質技術は用いられている。

適用分野例

鉄鋼、石油化学製紙、樹脂、輸送機器、産業機械、エネルギー、医療機器、宇宙開発、環境機械、自動車等

従来技術① 金属の熱処理加工

高品質・高機能・高密度および低熱影響なコーティング技術が求められている！
② 溶射加工③ プラズマ粉体肉盛課題

課題

課題

母材の金属の特性に依存するため、母材以上の特性を得ることは不可能

皮膜の緻密度が低く、基板-皮膜の密着強度が弱い

母材への熱影響（母材の変形・強度低下）が大きく、熱影響を抑制するための入熱制御が困難

レーザーコーティン
グ技術の開発・高度化

レーザークラッディングの高度化

レーザーと吸収率

肉盛溶接

CO2レーザーＹＡＧレーザー（ファイバーレーザー）
近赤外線半導体
レーザー

エネルギー
効率向上
品質向上
（高品質）
ファイバー
伝送

難加工材料の積層
青色半導体
レーザー

１．研究開発テーマの目的・概要

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●目的
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

本提案で使用する主なコーティング材料
ステライト（Co基合金）：耐摩耗性
ハステロイ（Ni基合金）：耐腐食性
銅：高伝熱性、高電気伝導性
タングステン：耐熱性
チタン・チタン合金：耐腐食性・生体親和性
タンタル：生体親和性● 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

ALCTION D

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

現時点成果
ステージ
ゲート

① レーザー入熱制御技術

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① レーザー入熱制御技術

ALCTION D

① レーザー入熱制御技術(3) 難加工材料の高品質レーザーコーティング技術
粉末設置型

Laser
溶融池

ハッチング距離linear raster scan pattern

Scanning strategy :linear raster scan pattern
Scan vector length：12 mm
Scanning speed：50mm/s
Hatching distance： 50,100,150 µm

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①レーザー入熱制御技術の開発(3)難加工材料の高品質レーザーコーティ
ング技術の開発

ALCTION D

粉末設置型
雰囲気制御型金属粉末供給制御装置

レーザーコーティング動画◇ラスタースキャンによるSUS基板上へのTi合金コーティング

シングルモードファイバーレーザー＆ガルバノスキャナによる照射光学系
電装ボックス

制御PC

コーティングチャンバー

Laser :150W
Spot diameter: 80μm
Scanning speed: 50mm/s

チャンバー内部雰囲気制御用
真空排気システム

コーティングパウダー
供給ボックス

コーティング部

Laser :150W
Spot diameter: 80μm
Scanning speed: 10mm/s
Ra: 26 μm

Before laser irradiationRa: 0.42 μm

After laser irradiation

Laser :150W
Spot diameter: 80μm
Scanning speed: 50mm/s

Laser :150W
Spot diameter: 80μm
Scanning speed: 10mm/s

② モルテンプール型レーザーコーティング技術

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

事業化１

波及効果
長寿命化
軽量化

② モルテンプール型 レーザーコーティング技術
レーザービーム
粉末

シングルビーム

ALCTION D③ 非モルテンプール型レーザーコーティング技術

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

事業化２

③

波及効果
小型化
低コスト化

非モルテンプール型レーザーコーティング技術

新技術

粉末
レーザー
ビーム

レーザー
ビーム

加工エリアでビーム重畳

ALCTION D使用されているレーザー：
ファイバーレーザー
半導体レーザー

従来方式レーザーメタルデポジッション装置

レーザービーム
粉末

シングルビーム

フランフォーファ ＩＬＴ 加工ヘッド

使用されているレーザー：
半導体レーザー

新方式レーザーメタルデポジッション装置
新技術
粉末レーザービーム

レーザー
ビーム

加工エリアでビーム重畳

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

実験③ 放射光とタングステントレーサーを用いたレーザーコーティグの溶融挙動観察
Y
ファイバー伝送

ハイスピードカメラ

近赤外DDL

光源：近赤外レーザー
コーティング材：ステライト ＋ 30µmタングステンを10wt％混入した粉末を使用
基板： SUS304 （0.5～１mm厚）

Z

レーザー光
溶接ビード

0.5mm
Ｘ

基板

掃引方向

改善点：今回30µｍのタングステン粉末を入手出来、これをステライト粉と混ぜた試験用粉末を作成し、この粉末をもちいて造型を試みる。
・溶融層の形成過程を観察するために、純タングステン粉末10wt％を含有したステライト粉末を用いて、SUS304基板上の0.5mm幅の上にコーティングを行う。このときのモルテンプー
ル内の対流層、そのサイズ等の検証を測る。
・熱影響の大きい条件で上述した実験を行い、母材側の溶け込み現象を把握する。

革新的設計生産技術の実用化
・研究成果のツール化【ソフトウェア（プログラム等）、ハードウェア（装置等）】
・開発した技術等を拠点に設置し、活用事例の作成を中心に研究成果の実用化を進めていく

サテライト拠点

ハブ拠点
大阪大学【ハードウェア】
新機能・複雑造形等【ソフトウェア】
感性、潜在価値等

情報共有【イノベーションスタイル】
研究開発成果を使用した企業や個人ユーザの意見を得て新たな問題点を洗い出し、研究開発に迅速にフィードバックする、一連の試行錯誤を繰り返す仕組み

石川県工試

大阪府立
産技研

鹿児島県
工業技術センター【仕組の構築】拠点による成果普及21

④ イノベーションスタイル ALCTION D

工設試で使ってもらう

新技術
粉末
レーザー
ビーム

レーザー
ビーム

加工エリアでビーム重畳

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イノベーションスタイル
想定外の展開【イノベーションスタイル】
研究開発成果を使用した企業や個人ユーザの意見を得て新たな問題点を洗い出し、研究開発に迅速にフィードバックする、一連の試行錯誤を繰り返す仕組み

・ 事業化を真剣に考えている。
購入したい。
プロジェクトに協力するから。
・ 実際に組み込み装置化したい。
製品化を希望。
プロジェクトが終わるまで待てません！
新たなイノベーションスタイルの仕組みが必要 （提言）

Ａ社

Ｂ社

Ｃ社

Ｄ社

Ｅ社

Ｆ社

成果の一部を実際に企業が活用マルチレーザー加工ヘッド搭載工作機械

大阪大学接合科学研究所の塚本雅裕准教授が研究開発責任者を務める内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（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」の成果の一部(マルチレーザー加工ヘッド)を工作機械に搭載。第28回日本国際工作機械見本市 (JIMTOF 2016, Nov. 17 － 22, TOKYOBIG SIGHT, JAPAN)

マルチレーザー加工ヘッド

さらなる開発・展開へ青色半導体レーザーコーティング装置

BLUE TO THE FUTURE

技術協力企業：日亜化学工業島津製作所

１００ Ｗ級青色半導体
レーザーコーティング装置
２０ Ｗ/ユニット × ６ ユニット
＝１２０ Ｗ ⇒ １００ W

THANK YOU FOR
YOUR ATTENTION