Substrate temperature (K) - eiiris

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/dvd/)
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
1m
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