直噴型マルチビーム式レーザーコーティング装置として製品化
2018/10/30 新エネルギー・産業技術総合開発機構,大阪大学,石川県工業試験場,株式会社村谷機械製作所
NEDOが管理法人を務める内閣府事業「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」において、大阪大学と石川県工業試験場、（株）村谷機械製作所は、直噴型マルチビーム式によるレーザーコーティング法を開発し、スマートフォン部品向け金型やマイクロドリルなど高精度な加工に対応できるレーザーコーティング技術を確立しました。
この技術では、集光径の小さいレーザー光の複数照射などにより、歪みの小さいコーティングや薄肉な皮膜積層、球面などさまざまな形状へのコーティングを実現します。
（株）村谷機械製作所は、この成果を活用して開発した直噴型マルチビーム式レーザーコーティング装置を同社のレーザー加工機「ALPION（アルピオン）」シリーズに加え、2019年4月から販売を開始する予定です。
なお、このレーザーコーティング装置は、2018年11月1日から6日まで東京ビッグサイト（東京国際展示場）で開催される第29回日本国際工作機械見本市「JIMTOF 2018」で実機のデモンストレーションを行います。
図1 直噴型マルチビーム式レーザーコーティング装置
1．概要
近年、さまざまな産業分野において製品の小型・軽量化、省エネ・省資源化への要求が激しさを増しており、その対応策として付加価値の高い機能を必要な部分にのみ効率的に付与できる表面処理技術が重要視されています。しかしながら、肉盛溶接※1や粉体プラズマ溶接※2の場合には多量の入熱を必要とするため母材への熱の影響が大きく、母材が大きく歪んだりすることが問題となっています。一方、溶射※3の場合には皮膜内部に空隙が多く残存することや母材との密着性が低く、使用中に剥がれてしまうなどの問題があります。
これらの課題を解決するために、薄肉で微細な製品に適用可能な高精度なレーザーコーティング技術の開発が求められています。
このような背景のもと、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が管理法人を務める内閣府事業「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」※4において、国立大学法人大阪大学接合科学研究所の塚本雅裕教授と石川県工業試験場、株式会社村谷機械製作所は、スマートフォン部品向け金型やマイクロドリルなどへのレーザーコーティングの高精度化を実現するため、従来の1本のレーザー光で加熱溶融していたレーザーコーティングプロセスとは異なり、ヘッド中心から原料粉末を噴射し、そこに複数のレーザー光を照射することで溶融凝固して皮膜を形成するプロセスを用いた直噴型マルチビーム式レーザーコーティング技術を独自に開発しました。
この成果を活用し、（株）村谷機械製作所は、レーザーコーティングの高精度化を実現するための直噴型マルチビーム式レーザーコーティング技術の装置化にめどをつけました。この装置（図1）を同社のレーザー加工機「ALPION（アルピオン）」シリーズに加え、2019年4月から販売を開始する予定です。
なお、このレーザーコーティング装置については、2018年11月1日から6日まで東京ビッグサイト（東京国際展示場）で開催される第29回日本国際工作機械見本市「JIMTOF 2018」で実機のデモンストレーション展示※5を行います。
2．今回開発した装置の特徴
今回開発した装置は、ヘッド中心から原料粉末を噴射供給し、集光径の小さな複数のレーザー光を照射して溶融凝固させることで薄くて微細な皮膜を狙った位置に正確に形成できることが特徴です。（図2）
また、噴射される粉末材料を直接加熱することで母材表面の溶融を必要最小限とし、希釈が少なく歪みの小さなコーティングが可能です。これに直交3軸に傾斜軸および回転軸を加えた5軸制御の自動ステージを組み合わせることによって、曲面形状への皮膜形成も可能となります。
図2 直噴型マルチビーム式レーザーコーティングプロセス
【1】高精度／高品質のレーザーコーティングの実現
従来のレーザーコーティング装置に比べてレーザー光の集光径が小さく、また、噴射される原料粉末を直接加熱することで母材への熱負荷が小さくなります。よって、低歪みのコーティングや薄肉な皮膜積層、さらにはドリルの刃先（図3）など微細部へのレーザーコーティングが可能になりました。
図3 ドリル刃先へのレーザーコーティング
【2】5軸制御のレーザーコーティング装置の実現
直交3軸に傾斜軸および回転軸を加えた5軸制御の自動ステージを組み合わせることによって、加工対象物（ワーク）を自在に傾けながら角部や隅部をコーティングすることが可能になりました。さらに、株式会社ジェービーエムの技術協力を受けて、同社とともに開発したCAMシステムを用いて装置を動作させることで、図4に示すように球面へのコーティングなど、さまざまな形状の製品に対して対応することが可能になりました。
図4 球面へのレーザーコーティング
【3】自動制御する粉末供給機を備えたレーザーコーティング装置の実現
マルチビーム式レーザーコーティング装置を活用するには、微少量の原料粉末を安定して供給する必要があります。そこで、図5に示すように専用の粉末供給機を開発しました。これには粉末供給量をモニタリングする機能が付加されており、その値が設定通りになるようにバルブの開閉を自動制御することで、粉末供給量の安定性を向上させることができます。
図5 粉末供給機
3．今後の予定
（株）村谷機械製作所は、直噴型マルチビーム式レーザーコーティング装置の開発を継続し、一層の生産性向上を目的に、レーザーの高出力化を図ります。
【注釈】
※1 肉盛溶接溶接の原理を利用して溶接の原料である溶接棒をアーク放電の熱によって溶かし、母材表面で凝固させることで層を形成する技術です。
※2 粉体プラズマ溶接電極と母材間でアークプラズマを発生させ、そこに原料となる粉末材料を投入することで，母材表面に皮膜を形成する技術です。
※3 溶射何らかの熱エネルギー源によって、皮膜となる材料を溶融あるいは半溶融状態にすると同時に、運動エネルギーを付与して高速で飛行する溶滴を作り出し、これを次々と基材表面に衝突、積層させて皮膜を形成する表面被覆プロセスです。付与できる熱エネルギーおよび運動エネルギーの温度、速度範囲が広いことから、溶射材料の選択範囲も広く、溶融あるいは半溶融状態を実現できる多くの材料を適用することができます。（出典：一般社団法人日本溶射学会HP）
※4 NEDOが管理法人を務める内閣府事業「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」事業名：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
研究開発責任者：大阪大学接合科学研究所 塚本雅裕 教授
委託先：国立大学法人大阪大学
共同実施先：石川県工業試験場、株式会社村谷機械製作所
事業期間：2014年度～2018年度
※5 「JIMTOF 2018」で実機のデモンストレーション展示
場所：東京ビッグサイト（東京国際展示場）東5ホール E5009 （株）ジェービーエムのブース
4．問い合わせ先
（本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先）
NEDO IoT推進部 担当：齋藤、梅田
大阪大学 接合科学研究所 担当：塚本 雅裕（つかもと まさひろ）
石川県工業試験場 機械金属部 担当：舟田
（株）村谷機械製作所 製造部製品開発課 担当：左今
（その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先）
NEDO 広報部 担当：坂本、髙津佐、藤本
