Research

研究トピック

焼結現象のシミュレーション

複雑形状の金属部品や,セラミックス材料や複合材料などの製品製造においては, 粉末成形・焼結プロセスがよく用いられています. 焼結中には,粉末成形体が収縮します.この収縮にむらがあると,しばしばゆがみやクラックなどの欠陥が生じ, 健全な焼結体が得られません. このようなトラブルを防ぐためには,これまで実験的な試行錯誤が中心でしたが,手間とコストを省くには, 計算機援用設計が強力なツールとなります. 本研究では,焼結収縮挙動のモデル化とシミュレーション手法の開発を行い, 計算による成形条件最適化あるいは材料設計法を確立することを目標としています.

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有限要素法により,粉末成形体(1/2モデル)の焼結収縮変形を計算した例(カラー表示は相当ひずみ分布)
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フェーズフィールド法/個別要素法の連成により,粉体の焼結と結晶粒成長を計算した例

インプリントプロセスによるセラミックスへの微細パターニング

シート状の材料に微細な金型を使ってマイクロパターンを転写することができます.このような転写加工自体は古くから知られる圧印加工ですが,近年精度が大幅に向上し,その高い加工解像度が注目されています.このようなプロセスはインプリント加工と呼ばれます.

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インプリント装置

当研究室では,セラミックナノ粉末材料を樹脂と混ぜ合わせた材料を開始材としたインプリントプロセスの研究を行っています.微細パターンを施した後に,樹脂成分の加熱分解およびセラミック材料の焼結という一連のプロセスを経て,最終的に脆弱なセラミックシートにマイクロメートルレベルの微細なパターニングを施すことが可能となります.

このような技術は個体酸化物形燃料電池(SOFC)への適用や,セラミックス表面の超撥水・超親水技術への応用が可能です.新たな加工プロセスにより,極薄の波形状セラミックスシートや,粗い表面パターンと微細なパターンの両方を有する多階層構造の作製といった,これまでの加工では容易に実現できなかった成形加工に関する応用研究・開発研究を進めています.

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波形状セラミックシート
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波形状電解質の模式図

磁性粉末材料を用いた人工繊毛の開発

ゴムのような柔軟な材料に磁性粉末材料を練りこむことで,磁石に反応する,いわば磁性ゴム材料になります.この磁性ゴムは外部磁場で変形するソフトアクチュエータとして利用可能です.特徴としては,駆動源として外部磁場を利用できるため,空間を介してエネルギ伝達ができます.例えば,MEMS分野といった微細な領域での利用が有効です.電気エネルギを利用する場合,たいていの場合複雑な配線構造を作りこむことが必要となります.一方,外部磁場を利用することで,配線構造を排除し,非常に単純な構造でデバイスを作製することが可能となります.

本研究室では,この材料を用いた人工繊毛の開発に取り組んでいます.繊毛は微細な世界での効率的な送液システムとして知られています.例えば,ゾウリムシの表面や,われわれ哺乳動物の気管表面にも存在しています.しかしながら,繊毛を人工的に作製し活用している例は未だ報告されていません.

自然界に見られる人工繊毛には特徴的な挙動が2つあります.ひとつは非対称的な動きです.ここでは永久磁石を回転させる簡単な方法で微生物上に見られる繊毛の動きをうまく模擬できた例を示します(動画参照).

もうひとつの特徴的な挙動に「メタクロナール波」があります.これは「稲穂が風になびくように」動きが伝播していくものです.生物はこの方法で効率的な送流を生み出しています.本研究室では,ひとつひとつの人工繊毛内に磁気的な異方性を設定することで,このメタクロナール波を人工繊毛において世界で初めて再現しました.以下の動画では5本の例を示しています.現在,2次元に敷き詰めた繊毛群を開発中です.

さらに,一本一本の繊毛の動きをさらに高度に制御することも検討しています.以下の動画では一本の繊毛が複数個所で曲がる例です.

また本研究室では,様々な分野で使用されるようになった3Dプリンタを発展させた研究も行っています.単に造形体を作製するだけでなく,時間軸を第4の軸として加え,作製後の変形をも設計に組み込んだ「4次元プリンタ」の開発です.材料としては磁性ゴム材料を用いて一定方向の磁場下に置かれた際に変形を制御できるような構造体の作製を目指しています.この作製技術を用いることで,将来的に複雑な動きをするアクチュエータを作製することが可能になります.

金属粉末射出成形プロセス

金属粉末射出成形(Metal Injection Molding, MIM)は,複雑三次元形状の小型金属部品を大量生産可能な画期的なプロセスです.金属粉末と樹脂を用いて,樹脂の射出成形と同様に形状を作製し,樹脂を除去して(脱脂),最終的に金属部品を得ることができます.

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金属粉末射出成形プロセス

本研究室では,金属粉末射出成形のプロセスパラメータの検討等により,得られる金属部品の高強度化,高機能化を目指しています.チタン合金の高疲労強度化,軟磁性材料の磁気特性向上,Niフリー強靭鋼の開発等を行っています.小型の複雑形状部品を作製するのが得意なMIMですが,大型部品への期待も高まっており,大型部品のためのプロセス開発,変形挙動の解析も行っています.

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大形部品写真と変形挙動解析例
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