2025-01-08 大阪大学,科学技術振興機構
ポイント
- 金属３Ｄプリンティングを使用して、力学機能（ヤング率などの強さ）異方性を生み出す結晶配向性の制御法を確立。形状と材質（結晶配向）の重畳（ちょうじょう）による革新的な製品設計指針を提案した。
- 立方晶構造を持つ金属材料において、世界で初めて＜１１１＞／／造形方向（ＢＤ）配向の単結晶様組織の形成に成功。これにより力学機能制御に重要な、＜００１＞、＜０１１＞、＜１１１＞／／ＢＤ配向を持つ一連の単結晶様組織をそろえることに成功した。
- ＜１１１＞方向は最も高いヤング率、強度を示すことから、＜１１１＞配向の獲得は力学機能とその異方性の制御幅の大幅な拡大をもたらす。
- 今回、変えることのできない立方晶の＜００１＞優先成長方向と、結晶対称性を幾何学的に組み合わせたレーザー走査戦略の新設計により、＜１１１＞／／ＢＤ配向を実現した。
- 実現した＜１１１＞方位と形状異方性を重ね合わせることで、形状や結晶配向単独では到達できない、最大１０倍以上の高いヤング率異方性を発現させることに成功した。
- この成果は、従来のトポロジー最適化技術に、走査戦略によって部材内部部位ごとの結晶配向性（力学機能）設計を融合させた新しい部品設計指針創出の基盤となるものである。
大阪大学 大学院工学研究科の中野 貴由 教授、石本 卓也 特任教授らの研究グループは、金属３Ｄプリンティング技術によって、弾性率や降伏強度といった材料の力学機能に異方性を生み出す結晶配向方位（原子の並びの向き、金属の材質特性を特徴づける重要なパラメーター）を制御することに成功しました。
具体的には、レーザー粉末床溶融結合（ＬＰＢＦ）法を使用して、金属材料における結晶の並び方（結晶配向方位）を制御しました。特に、立方晶系の結晶構造を持つ金属材料において、これまで達成されていなかった＜１１１＞／／ＢＤ単結晶様組織の形成を世界で初めて実現しました。これにより、カスタム力学機能制御に不可欠な、結晶配向方位である単結晶＜００１＞、＜０１１＞、＜１１１＞／／ＢＤ単結晶をすべてそろえることに成功しました。さらに、単結晶を形成する機構を明らかにしたことで、異なる結晶構造や組成を持つ合金においても、単結晶化が可能となりました。
金属３Ｄプリンティングが本来得意とする自在な形状設計能に、本研究で達成した結晶配向制御を重ね合わせることで、トポロジー（形状）最適化のみでは不可能な、最大１０倍以上の力学機能異方性（最小値に対する最大値の比）が達成可能であることを実証しました。これにより、部材の部位ごとの力学的要請にローカルに対応した結晶配向を導入することが可能となり、トポロジーと結晶配向を同時に最適化する新たな製品設計・製造指針を提案しました。
この成果により、形状のみで機能制御を図る従来の設計概念が覆され、製品設計・製造にゲームチェンジが引き起こされると期待されます。
本研究成果は、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ発刊の材料科学のトップ３パーセントジャーナルである「Ａｃｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ」誌に２０２５年１月８日（水）（日本時間）に公開されます。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） ＣＲＥＳＴ 「革新的力学機能材料の創出に向けたナノスケール動的挙動と力学特性機構の解明」（研究総括：伊藤 耕三）での「カスタム力学機能制御学の構築～階層化異方性骨組織に学ぶ～」（研究代表者：中野 貴由）（課題番号：ＪＰＭＪＣＲ２１９４）の一環として行われました。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（１．４１ＭＢ）
＜論文タイトル＞
- “Superimpositional design of crystallographic textures and macroscopic shapes via metal additive manufacturing-Game-change in component design”
- ＤＯＩ：10.1016/j.actamat.2025.120709
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
中野 貴由（ナカノ タカヨシ）
大阪大学 大学院工学研究科 教授
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
安藤 裕輔（アンドウ ユウスケ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
＜報道担当＞
大阪大学 工学研究科 総務課 評価・広報係
科学技術振興機構 広報課
