Highly Efficient Surface Smoothing by Clarification of EB Polishing Mechanism with Considering Flow of Material

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令和４年度にかかげていた電子ビーム照射による溶融金属の流動・再凝固現象を再現した熱流体解析により，EBポリッシング時の形状変化メカニズムの解明を試みた．はじめに，電子ビームチャンバ内の圧力，金属材料の熱物性値，粘性などを考慮した熱流体解析モデルを構築した．本解析では，明確な自由表面を持つ液体として溶融金属が流動する様子を追跡することができるVOF（Volume-of-Fluid）を用いた数値流体解析（Computer Fluid Dynamics：CFD）を行うことが可能である．解析での入熱は実際の電子ビーム照射時の入熱波形を考慮し，パルス幅μsオーダーの三角波とした．構築した熱流体解析モデルの解析精度を確認するため，平坦形状の工作物に対して電子ビームを1shot照射し，熱流体解析により算出した溶融層厚さや除去厚さを算出した．その結果，実験で得られた再凝固厚さや除去厚さと，解析値が精度良く一致することを確認した．次に，工作物の表面に微細凹凸形状を付与したモデルを構築した熱流体解析により，電子ビームを1shot照射した際の，溶融金属が流動する過程を調べた，その結果，溶融金属が凸部から凹部へ流動・再凝固する過程を詳細に捉えることができた．また，EBポリッシング時において溶融金属が流動する駆動力は，重力よりも表面張力の影響が大きいことが分かった．さらに，微細凹凸形状の初期表面粗さだけでなく凹凸平均間隔が，EBポリッシングにより得られる平滑化効果に影響を及ぼすことが明らかになった．