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表面処理分野における機能性付与とプロセス・インフォマティックス・ツール

産業技術総合研究所製造技術研究部門積層加工システム研究グループ

研究グループ長 廣瀬 伸吾

(s.hirose@aist.go.jp)

平成30年09月20日

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従来技術とその問題点

近年、我が国の製造業を巡る環境は、長年の景気の低迷、熟練作業者の高齢化、若者の製造業離れ、アジア諸国の急成長、情報化への迅速な対応への要求などにより、大きく変革してきている。

高度の技術や技能の維持や継承が困難になりつつあるのではないかという懸念が生まれている。

課題 （めっきを例として）・めっきはブラックボックスで、加工を十分把握できない・多種の材料と様々な手法があるが、その一部分しか対応できていない・便覧や文献を見たいが、図書館に行くには十分な時間がない・高齢化による技術の損失に不安・教育に十分な時間を避けない・若年者がめっきに興味をもってくれない・発注者が信頼できる機関の結果や文献を見ないと信頼してくれない・発注者の要求特性に対するめっき推奨条件を提示できない・自社のデータベース化を図りたいが、そのやり方がわからない・自社内でトラブルが発生した場合の対処法が行き当たりの対処で、蓄積が実効的に難しい

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（成膜）材料(Coating) Material

（膜）機能・（膜）特性Functionality

Property

（成膜）プロセス(Coating) Process

プロセス・インフォマティクスとは、「材料―プロセス―機能」という視点から、技術情報の知識化・デジタル化やデータ活用を通して、製造プロセスの「技能・技術・ノウハウの獲得につなげる工学的アプローチと考える。

「材料工学」＋「トライボロジー、熱工学」＋「データマイニング」＋「品質工学」・・・など。

・データ探索・知識発見

・技能・技術・ノウハウ獲得

IT技術を活用した技術知識情報Technological Information

・データ探索・知識発見

「プロセス・インフォマティクス」は？

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Y (1

0^-3

)

0.0

1.0

2.0

3.0

0.0 2.0 4.0 6.0Y

(10^

-3)

0.0

1.0

2.0

3.0

0.0 2.0 4.0 6.0

(A)

(B)

z(×

10-3

cm)

r(× 10-3 cm )

欠陥要因・対策テンプレート・推奨加工条件提示・トラブル対策DB

自社DB

・属人的な経験や知識の定量化・共有化・品質へのめっき加工パラメータ影響項目分析・ノウハウや勘どころが組み込まれる

表面処理熟練作業者の技能を分析してデジタル化したプロセス・インフォマティックス・ツール

目的に応じためっき条件の設定や欠陥対策、めっき設計が適切に実施できる知識・事例データベース化

実験データを参考に、シミュレーションモデルの作成・評価電極配置の熟練者の実践的知識や経験をシミュレーション化

トラブルへの指針や対策法が定量化・共有化された熟練作業者の経験や知識を基にして提示

コーティング加工テンプレートコーティングデータベース

電流分布計算シミュレーションガスノズルシミュレーション手溶射作業習熟システム

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ＰＶＤ・ＣＶＤ材料

Au

膜特性（付与機能）

光学特性

屈折率消衰係数

真空蒸着電子ビーム蒸着

成膜条件

成膜室圧力基板温度・・

グラフ縦軸

グラフ横軸

ＰＶＤ･ＣＶＤ加工条件および加工事例データダウンロード

（例） 光学薄膜フィルターの設計が可能となる

機能別加工条件・加工事例データベース

・複数の膜機能（硬さ、耐摩耗性、屈折率、電気抵抗率、透磁率、膜構造など）と成膜法と成膜材料、成膜条件の相関関係をまとめて事例化

・・・

・・・

PVD・CVDデータベース活用例 （光学特性）

ＰＶＤ･ＣＶＤ事例データ閲覧

トラブル対策データベース・トラブル内容・トラブル要因・トラブル対策を成膜法と成膜材料ごとに

ＰＶＤ･ＣＶＤ関連シミュレーションによる計算結果取得

トラブルへの迅速な対応

試作への迅速な対応

試作への迅速な対応

（例） 成膜法と加工レシピが取得可能

（例） 成膜工程の欠陥要因因子を過去の経験から得られ、対策への指針を取得可能

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◎欠陥要因提示テンプレート◎欠陥対策提示テンプレート◎欠陥判別テンプレート

◎光学特性テンプレート（光沢度、外観、・・・）◎機械特性テンプレート（ビッカース硬さ、内部応力、摩耗減量、・・）◎磁気特性テンプレート（保磁力、透磁率、残留磁化、角形比、・・・）◎電気特性テンプレート（電気抵抗率、導電率、・・・）◎腐食特性テンプレート（有孔度、レイティングナンバー、・・）

・時系列分析機能・欠陥発生率・欠陥数分析機能・欠陥・要因系統連関提示機能

【品証・欠陥対策】

【工程管理・作業標準化】

【加工条件パラメータ設定】

◎作業工程テンプレート◎冶具作業軌跡テンプレート

◎マルチプルセンサによる時系列信号処理テンプレート

・フィッシャー式実験計画機能・領域指定分析機能・領域重ね合わせ分析機能・機械学習による領域自動形成機能

開発しためっき加工テンプレート（ソフトウェア群）

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Q. 貴社（事業所）において、次世代に継承すべき重要なめっき技能とは？重要なものを６つ以内でえらんでください。 （回答25社）

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

熱処理などを使って、めっき膜に適切な後処理を施せる

ユーザから要求された膜特性に対して、成膜した膜の評価を適切に実施できる

ひっかけめっき、バレルめっき等のめっき手法を決定し、実施できる

装置の試作や、改良などの工夫をすることができる

電気めっき、無電解めっき等のめっき加工法を決定し、実施できる

寸法、数量などを考えて、治具の設計製作ができる

適切な作業手順を決めることができる

めっき結果から判断して、適切な作業が展開できる

安全や規制に係わる知識や経験があり対応することができる

決められた作業手順に従って確実に作業をこなすことができる

必要なめっき浴を選択し、適切に浴の管理維持ができる

材質や履歴の異なった素材に対して、適切な前処理（脱脂、酸洗など）ができる

めっき加工中に状態の良し悪しが判断できる

ユーザの要求にそった適切な加工製品に仕上げることができる

装置の運転状況を正確に認識し、良好な状態に保つことができる

めっき排水処理に関する深い知識を持ち、適切な処置がとれる

新規材料や難素材への対処が適切にできる

めっきプロセスに対する作業改善の提案ができる

めっき装置や周辺機器の保守点検と修理ができる

適切なめっき条件（pH、電流、温度、時間）の設定ができる

現場でトラブルなど何か問題が起こった時に素早く対応ができる

回答企業数産総研廣瀬調査結果

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めっき欠陥

めっき浴

めっき設備

浴組成

浴温度 pH ・・・・

添加剤濃度 ・・・・

めっき条件

前処理条件

不純物

脱脂条件（温度、時間、etc.）

酸洗条件（温度、時間、etc.）

電流密度

浴温制御器 浴攪拌装置 ・・・・自動搬送機 電源装置

めっきトラブル

光沢不良 密着不良 色むら 焦げ キズ

・・・

要因

めっきトラブル発生・対策時の優れた熟練者の対応

要因の絞込み

対策

・・・・

優れた技能を有する熟練者トラブル解析手順

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①めっきトラブル

プラスチック素地上へのめっき業務内容と加工テンプレート活用場面

②めっき欠陥

③要因

対策

④要因絞り込み

検査、製品チェック（女性、外国人が多い）

トラブル対策への戦略、トラブル解決（熟練者、ベテラン）

日々の就労で学ぶ（未熟練、若手）

A

B

C

各ライン

全ラインテンプレートを使って追加・補助的に発生する業務

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是正報告書の入力することで、

欠陥対策事例のデータ化とともに、要因を決定することで、特性要因図に反映

めっき欠陥対策提示テンプレート表示例

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①ある評価基準の影響を低減させるのに都合のよいめっきパラメータ条件は何か？

②あるめっき条件パラメータを変化させると、どの評価基準が変動するか？

評価基準

代替案

総合目的（目標）

評価基準の２要素間の重要性を一対比較表を用いて評価（Ｔ/Ｈ)し、一対比較マトリクスを作る

目的、評価基準、代替案の３層構造の設定

「重み」の評価を固有値問題で解く

目的

過去の経験や知識に基づいて主観的に判断される熟練作

業者の思考プロセスを高品位の膜作製などの、定性的・定量的システムアプローチを取り入れることによって主観的な意志決定プロセスを分析するテンプレート

モデル化

めっき意志決定プロセス分析機能

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めっきトラブル対策データベース

シミュレーション推論

知識ベース企業が独自に

蓄積

めっき材料めっき浴により原因と対策が表示

加工テンプレートがデフォルトで保有

めっき欠陥 目的

めっき膜の欠陥トラブル対策について、自社のノウハウを

普段の業務から取り込み、関連の欠陥対策ポイントとともに表示して適切なアドバイスを提示するテンプレートの開発

キズ

膨れ

コゲ

シミ

めっきトラブル発生・対策時の優れた熟練者の対応

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従来法

本法

溶接

溶接

悪い結果 問題点の議論・検討

問題点の議論・検討

少ないフィードバック(時によってフィードバックなし)

AHPによる意思決定過程の分析

+

溶接の定量・定性データ

上達までの険しい道

早い上達

容易に弱点発見効果的フィードバック

が可能

「アルミニウム合金のMIG溶接コンテスト」における熟練技能分析の実施検証

悪い結果

瀬渡、森、廣瀬、軽金属溶接 50 (2012) 302-311

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４．重回帰分析（複数の要因（項目）に関して、特性値に対する予測式が得られ、求める結果（溶射皮膜特性）と要因との因果関係が得られる）

２．分散分析

（重回帰の予測に役に立つのかを検定する）

３．要因分析

（要因の結果に対する影響度を求め、複数の要因の中で本当に特性に影響を与えるのはどの要因かを比較）

重回帰式

影響度

分散分析

要因分析

重回帰分析

１．直交配列を用いた実験計画法

領域指定（計算式で領域を表せる）

実験計画型推奨条件提示加工テンプレートの利用手順

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四つの分析を重ね合わせた重回帰分析結果（大気プラズマアルミナ溶射の摩耗減量）

重回帰式摩耗減量(Y) = 4.67

－2×(溶射距離)－0.33×(作動電流)＋0.67×(粉末供給量)

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電解砥粒研磨は押付圧5～20kPa程度の砥粒研磨に電流密度0.1A/cm2オーダーの電解を複合する加

工法である。このレベルの電流密度の電解では、加工面に厚い不働態皮膜が形成され、イオン化による溶出はほとんど起こらず電流効率はゼロ近い低い値になる。ここで、砥粒擦過により皮膜が除去されると、その部分では電解溶出が盛んになり電流効率は数10～100%レベルに急増大する。砥粒速度が１m/s以上の場合、砥粒が選択的に擦過して電解溶出量が急増大するミクロ凸部に対し、ミクロ凹部の加工量はゼロ近いため、表面粗さは急速に改善される。

電解砥粒研磨 （産総研独自表面改質/研磨処理）

電解砥粒研磨

高速で金属材料の鏡面化を実現

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「電解砥粒研磨を用いた色調均一化を実現するSUS発色の実用化開発」NEDO中堅・中小企業への橋渡し研究開発促進事業の成果（産総研で開発した「電解砥粒研磨技術」を技術移転）

視認性・識別性・装飾性を機能付与したステンレス品（企業への試作サンプル提供開始中）

産総研で開発した「金属表面改質技術」をシーズとして、「ＮＥＤＯ 中堅・中小企業への橋渡し研究開発促進事業」に採択→ アサヒメッキ株式会社、鳥取県産業技術センターの３機関の共同提案

産総研加工技術シーズの提供→技術移転

橋渡し事業プロジェクトで開発したステンレス発色ライン（アサヒメッキ㈱）

発色ゴルフパット

カラーサンプル

発色食器・医療部品

医療分野を始め、様々な業界で活用されるSUS材の新たな用途可能性を見出す発色技術開発を行う。既存発色技術“ｲﾝｺ法”の課題である工業的な色ﾑﾗ等を解消する為、発色皮膜均一化を狙い、電解砥粒研磨技術を用いたSUS材の新発色技術確立により、様々な分野の工業製品の色調装飾性・識別性向上を目指している。

独自開発発色工程に関して、３機関での特許共同出願

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摩耗・はく離検知センサ付きスラスト型軸受

摩耗・欠損検知センサ付き切削工具

摩耗量および欠損が検知できるセンサが一体化された切削工具を開発し、これを用いた旋削用工具摩耗計測システムを開発。摩耗・欠損センサ付切削工具は、セラミック母材上に切れ刃稜線に平行な数本の細線パターンをもつTiN製センサ薄膜が一体化された構造をもつ。

スラスト型転がり軸受の軌道面上に、硬質で、かつ電気抵抗を検出可能にするTiN/Al2O3センサ構造を形成し、軸受

動作中において損傷や劣化に関わる情報を直接取得する劣化検知センサ機能付きベアリングを開発

極限環境下でのインテリジェント劣化検知診断システム

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原子長成長法を用いた

ナノレベルで荒れた表面の回復技術

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2D Island Growth Mode

CVD

Step Flow Growth Mode

原子層成長

原子長成長法を用いた

ナノレベルで荒れた表面の回復技術

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JST A-STEP 研究開発成果事例（積水化学工業との共同成果）

研究代表者 廣瀬伸吾企業 積水化学工業株式会社

２０１７年３月２９日 事業化決定積水化学工業プレスリリース

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世界初！ 室温プロセスでフィルム型色素増感太陽電池の試作成功（産総研オリジナル技術）

粒子を噴射して室温成膜する手法（エアロゾルデポジション法の技術進展を行い、ナノ粒子を多孔状に室温形成実現

JST A-STEPでの取り組み

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評価検証

（硬さ、圧電特性、電気抵抗率、磁気特性、構造特性、など）

打ち合わせ（技術相談）

サンプル試作提供

・既に産業化された従来法とのベンチマークによる比較検証

企業・表面処理現象の確認や発見・新規表面処理プロセスの開発・表面処理加工工メカニズムの解明

学会・プレス発表

問い合わせ

共同研究（研究開発を伴う場合）

・コーティングに関するデータベースを活用

・成膜実験や評価によるデータ検証

・成膜と評価の同時活用・知見、ノウハウの蓄積・問題点の把握と解決・影響因子の解明

・新製品開発・作製ノウハウの提供・プロセス改善・実用化

・生産性（コスト）評価

・環境負荷評価・市場調査

産総研開発の独自手法を活用

・公設試との連携地域ニーズ調査

想定される用途と企業への期待

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• 本技術の特徴を生かすため、表面処理工程に適用することで、ITを活用した製造現場に変換することが期待でき、現場主導のITの提案、取り組みを実践可能と考えている。

• 新しい表面処理技術の研究、開発に意欲のある企業との連携および共同研究により、新規表面処理工程の具現化を目指していきたい。

想定される用途と企業への期待

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本技術に関する知的財産権

• 表面処理の各種データベースに関しては、無償インターネットで「加工技術データベース」を検索し、登録

• 表面処理の加工テンプレートに関しては、産総研で知財プログラムとして登録済。

有償でソフトウェア提供

紹介した表面処理に関する特許例

• 登録発明の名称： 機械要素部品の表面改善方法

• 出願番号： 特許2995300• 出願人： 産業技術総合研究所

• 発明者： 廣瀬伸吾、森和男

• 登録発明の名称： 劣化検知センサ付き軸受

• 出願番号： 特許3834612• 出願人： 産業技術総合研究所

• 発明者： 廣瀬伸吾、碓井雄一、是永敦、間野大樹、森和男

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国立研究開発法人 産業技術総合研究所

イノベーション推進本部

ベンチャー開発・技術移転センター

技術移転マネージャー 仲間 健一

ＴＥＬ ０２９－８６１ －６６９０

ＦＡＸ ０２９－８６２ －６１５９

e-mail k-nakama@aist.go.jp

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