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阿部 史枝(あべ ふみえ)

所属 機械工学系
兼務
職名 助教
専門分野 生産加工/塑性加工
学位 大阪大学
所属学会 日本塑性加工学会
E-mail f-abe@plast.me
※アドレスの末尾に「.tut.ac.jp」を補完してください
研究室web http://plast.me.tut.ac.jp/

研究紹介

 1980年代にアメリカで特許を取得した高速3次元成型試作及び製造(Rapid Prototyping & Manufacturing: RP&M)技術は,CADデータなどから直接形状を作成することができる新しい技術であった.2009年には様々な名称で呼ばれていた積層造形技術の名称が"アディティブマニュファクチャリング(Additive Manufacturing: AM"と統一された.2013年のオバマ大統領の一般教書演説から,積層造形機は"3Dプリンター"として注目されるようになった.3Dプリンティング造形法は,材料に樹脂を用いたものがほとんどで,低融点・低強度な造形モデルを工業的に使用することは難しい.そこで,強度が高く,より製品に近い金属モデルを造形できる新しい手法としてレーザプロトタイピング(現 SLM法:Selective Laser Melting)を提案,その開発を行ってきた.

 未だにSLM機は大型・高価であるが,近年,コンパクト・安価な3Dプリンターが普及し始めた.そこでこの3Dプリンターを使った鍛造プレス成形工程試作システムの開発を行う.

テーマ1:SLM法(Selective Laser Melting)に関する研究

概要
図1 SLM造形モデル(チタン粉末から直接造形)

 SLM法は,薄層の金属粉末にレーザを照射,部分的に溶融させ順次積層することで金属モデルを直接造形可能にする技術であり,本研究では,CO2レーザおよびYAGレーザを熱源として,モデル材料に様々な金属粉末を用いてSLM法の開発を行った.
 基礎実験として,材料として適した金属粉末を選定するためにCO2レーザ(25Wの米国シンラッド社製,RF励起)を用い,様々な粉末を薄層に広げた状態でレーザをスキャン,スキャン後の固化状態を調べた.その結果,溶融した金属が小球が並んだ状態に固化する粉末と溶融部分が連続してつながり棒状に固化する粉末,溶融部分が連続してつながり固化するが断面がU字型になる粉末があることがわかった.球状に固化する原因として,溶融部分の表面張力の大きさ,溶融部分と周囲の粉末とのぬれ性の低さが考えられた.また,レーザ照射時に酸化を防ぐことが重要であることがわかった.基礎実験の結果,溶融部分が連続的に棒状に固化する材料である肉盛り用合金粉末および純チタン粉末が3次元モデルを作成するために適していると選定した.
チタンは生体適合性の高い金属とされ,インプラントや人工骨などの材料として使用されている.予備試験で純チタン粉末が良好な造形性を示し,骨の3Dモデルを作成した.その結果を図1に示す.
本3次元造形法は,レーザクラッディングの連続的積層と考えることができるので,レーザクラッディングの溶融現象を解明するために有限要素法を用い,レーザ照射後の温度,溶け込み深さなどについて解析を行った.また実用化を考えたときに重要となるモデルの強度など機械的性質を調べ,製造条件が及ぼす影響についても明らかにした.

主な業績

・F. Abe, K. Osakada, Fundamental Study of Laser Rapid Prototyping for Metallic Parts, Int. Journal of Japan Society of Precision Engineering, 30-3 (1996), 278-279.
・阿部史枝, 吉留彰宏, 小坂田宏造, 塩見誠規,レーザプロトタイピングにおける金属粉末溶融現象の有限要素解析,鋳造工学, 69-11 (1997), 930-935.
・F. Abe, A. Yoshidome, K. Osakada, M. Shiomi, Direct Manufacturing of Metallic Model by Laser Rapid Prototyping, International Journal of Japan Society of Precision Engineering, 32-3 (1998), 221-222.
・阿部史枝, 吉留彰宏, 小坂田宏造, 塩見誠規,レーザクラッディングにおける溶融現象の有限要素解析,鋳造工学, 70-1 (1998), 40-45.
・M. Shiomi, A. Yoshidome, F. Abe, K. Osakada, Finite Element Analysis of Melting and Solidifying Processes in Laser Rapid Prototyping of Metallic Powders, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 39-2 (1999), 237-252.
・F. Abe, K. Osakada, M. Shiomi, K. Uematsu, M. Matsumoto, The Manufacturing of Hard Tools from Metallic Powders by Selective Laser Melting, Journal of Materials Processing Technology, 111 (2001), 210-213.
・阿部史枝, 北村嘉朗, E. C. Santos, 小坂田宏造, 塩見誠規,チタンモデルの機械的性質に及ぼすレーザメルティング製造条件の影響,鋳造工学, 73-12, (2001), 840-845.
・M. Matsumoto, M. Shiomi, K. Osakada, F. Abe, Finite Element Analysis of Single Layer Forming on Metallic Powder Bed in Rapid Prototyping by Selective Laser Processing, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42-1 (2002), 61-67.
・F. Abe, E.C. Santos, Y. Kitamura, K. Osakada, M. Shiomi, Influence of Forming Conditions on the Titanium Model in Rapid Prototyping with the Selective Laser Melting Process, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 217-1 (2003), 119-126.
・M. Shiomi, K. Osakada, K. Nakamura, T. Yamashita, F. Abe, Residual Stress within Metallic Model Made by Selective Laser Melting Process, Annals of the CIRP, 53-1 (2004), 195-198.
・E.C. Santos, M. Shiomi, K. Osakada, Y. Kitamura, F. Abe, Microstructure and Mechanical Properties of Pure Titanium Models Fabricated by Selective Laser Melting, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 218-7 (2004), 711-719.
・T. Laoui, E.C. Santos, K. Osakada, M. Shiomi, M. Morita, S.K. Shaik, N.K. Tolochko, F. Abe, M. Takahashi, Properties of Titanium Dental Implant Models Made by Laser Processing, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 220-6 (2006), 857-863.【11】
・小坂田宏造, 熨斗良次, 阿部史枝, 塩見誠規,レーザ溶融積層造形に適した金属粉末の試験法,精密工学会誌, 73-8 (2007), 901-905.
・F. Abe, K. Osakada, A Study of Laser Prototyping for Direct Manufacturing of Dies from Metallic Powders, Advanced Technology of Plasticity 1996 (ed. T. Altan), Vol.2, Proc. 5th ICTP, (1996), 923-926.
・M. Shiomi, A. Yoshidome, K. Osakada, F. Abe, Finite Element Simulation of Solidification Process of Metallic Powders in Laser Rapid Prototyping, Proc. the 8th Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes VIII, (ed. B. G. Thomas et al.), TMS, (1998), 697-704.
・F. Abe, K. Osakada, M. Shiomi, K. Uematsu, M. Matsumoto, Manufacturing of Hard Tools from Metallic Powders by Selective Laser Melting, Proc. AFDM’99, (1999).
・F. Abe, K. Osakada, K. Uematsu, M. Shiomi, Direct Manufacturing of Metallic Tools by Laser Rapid Prototyping, Advanced Technology of Plasticity 1999 (ed. M. Geiger), Vol. 2, Proc. 6th ICTP, (1999), 1005-1010.
・F. Abe, K. Osakada, Y. Kitamura, M. Matsumoto, M. Shiomi, Manufacturing of Titanium Parts for Medical Purposes by Selective Laser Melting, Proc. 8th Int. Conf. on Rapid Prototyping, Tokyo, (2000), 288-293.
・M. Shiomi, M. Matsumoto, K. Osakada, F. Abe, Two-Dimensional Finite Element Simulation of Laser Rapid Prototyping, Proc. Simulation of Materials Processing: Theory, Methods and Applications, (K. Mori ed.), Balkema, (2001), 1059-1064.
・E.C. Santos, F. Abe, Y. Kitamura, K. Osakada, M. Shiomi, Mechanical Properties of Pure Titanium Models Processed by Selective Laser Melting, Proc. The 13th Solid Freeform Fabrication Symposium (SFFS), Texas, (2002), 180-186.
・E.C. Santos, K. Osakada, M. Shiomi, M. Morita, F. Abe, Fabrication of titanium dental implants by selective laser melting, Proc. SPIE - The International Society for Optical Engineering, 5662, (2004), 268-273.
・T. Laoui, E.C. Santos, K. Osakada, M. Shiomi, M. Morita, S.K. Shaik, N.K. Tolochko, F. Abe, Properties of Titanium Implant Models Made by Laser Processing, Proc. 4th Int. Conf. Laser Assisted Net Shape Engineering (LANE 2004), Erlangen-Nuremberg, Germany, (2004), 475-484.

【解説】
・小坂田宏造,阿部史枝,金属の高速3次元造形法の開発動向,Optronics(オプトロニクス社), 15-4 (1996), 125-129.
・阿部史枝,小坂田宏造,吉留彰宏,金属のラピッドプロトタイピング,型技術(日刊工業新聞社), 11-13 (1996), 54-55.
・阿部史枝, 小坂田宏造,松本美起也,北村嘉朗,塩見誠規,金属粉末を用いたレーザプロトタイピングによる金型作製と問題点,型技術(日刊工業新聞社), 14-12 (1999), 56-57.
・阿部史枝, 小坂田宏造,レーザプロトタイピング-金属粉末のレーザによる部分溶融3次元造形法-,塑性と加工, 42-484 (2001), 393-396.
・阿部史枝,小坂田宏造,レーザーを用いた金属モデルの3次元造形,光学(日本光学会), 30-4 (2001), 253-257.
【便覧】
機械工学便覧デザイン編β3「加工学・加工機器」,
第11章 三次元造形技術
11・2・2 粉末積層法(β3-238頁~239頁)
11・2・5 その他の造形法(β3-241頁)
社団法人日本機械学会,平成18年10月


キーワード

SLM法,金属粉末,チタン,レーザ,3Dプリンティング, 積層造形

テーマ2:3Dプリンターを使った鍛造プレス成形工程試作システムの開発

概要

 工程設計において工程数の削減,荷重の低減,設備の小型化などを行う必要があるが,新しい金型・ダイセットは機構が複雑で設計が難しく高価であるため,設計ミスは許されない.そこで,成形工程設計後,3Dプリンターで金型・ダイセット(一部)を作成し,短時間で成形工程システムモデルセットを作成し,新しい工程の動きおよび試作形状の確認を行うことができるような鍛造プレス成形工程試作システムの開発を行う.

キーワード

3Dプリンター,試作,金型

担当授業科目名(科目コード)

機械工学基礎実験(B11510110)
機械工学実験(B11610021,B11610023)

その他(受賞、学会役員等)

1990年 3月   日本機械学会畠山賞受賞
2000年 6月   型技術協会第10回型技術協会賞奨励賞受賞
         (金属粉末を用いたレーザプロトタイピングによる金型製作と問題点の研究)


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