微粒子システムプロセス学分野

教授
野村直之
特任助教(研究)
周 偉偉

世界初、新しいプロセスによる材料創製「凍結乾燥POEM法」。
金属3Dプリンターによるものづくりの革新を推進する力に。

 

金属加工の幅を広げる3Dプリンター、製造現場での導入が進む。
材料に“形を与える”方法として、近年発展めざましいのが「3Dプリンター」です。これは3次元データを基に、立体的なオブジェクトを造形する技術で、製造業を中心に医療、建築、航空宇宙など幅広い分野で普及が進んでいます。
現在、3Dプリンターの材料は樹脂が中心ですが、金属への応用が試みられ、新しい成形技術として盛んに研究・開発が行われています。従来の金属加工法には、溶かして型に流し込む鋳造、熱を加えて接合する溶接、工具類を用いて切り削る切削、叩いて加工する鍛造などがあります。それらに対し、金属3Dプリンターは「3次元データを用いた自由度の高い設計が可能」、「鋳造や切削加工では実現できない複雑形状(中空構造など)に対応できる」、「機器の取り扱いが容易で、製作者の技術力に依存しない」など多くの利点があります。個別ニーズに細やかに対応でき、工場では組立工数が低減できるという点も大きな魅力です。こうした多くの特長を持つ金属3Dプリンターを“ものづくり”に活用したいという要請が高まっており、今後、非常に大きな市場規模になるとの予測もされています。

複合粉末材料の探索、そして凍結乾燥POEM法による作製に挑む。
金属3Dプリンターによってつくられたものは、どのような特徴を持っているのでしょうか。野村研究室では、生体材料に用いられるコバルトクロム合金を用いて、代表的な金属加工技術である「鋳造」と「レーザー積層造形法」(Selective laser melting:SLM。金属3Dプリンターには複数の製法がある)を比較。それぞれの断面組織を光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡で観察した結果、レーザー積層造形法でつくられた組織は、鋳造法に比べ、強度や伸びといった機械的特性、耐食性などにおいて向上していることがわかりました。
優れた機能性を出現させることが明らかになったレーザー積層造形法。現在、野村研究室が取り組むのが、金属3Dプリンター用の粉末材料の探索、ならびに作製技術の開発です。これまで3Dプリンターに供給する合金粉末は、溶融・凝固というプロセスで製造されてきました。
野村研究室では材料選択に制限が生じてしまう溶融過程を経ずに、粉末の球状化と組成制御を実現する「凍結乾燥パルス圧力印加オリフィス噴射法(FD-POEM)」を開発。世界に類を見ないこの方法は、金属基の複合粉末材料の作製に展開できることから、金属3Dプリンターの可能性を大きく広げると期待されています。

Projects

乾燥凍結パルス圧力付加オリフィス噴射法(FD-POEM)

金属3Dプリンターの可能性を最大化する粉末材料。
世界初の技術で、金属基複合粉末の探索と作製に挑む

耐熱性、耐食性など出現させたい特性に合わせて材料を作製。凍結乾燥POEM 法によりテーラーメイドの粉末材料作製が可能となる。

製造分野に革新を。
世界各国が研究・開発レースを繰り広げる金属3Dプリンター。

工業用部品から自動車、住宅、ロケットに至るまで3Dプリンターによる“ものづくり”が本格化しています。NASA(米航空宇宙局)は、今後の惑星/深宇宙探査に向け、主に現地に存在する資源を用いて3Dプリントで有人基地をつくる設計コンペを実施しました(2015~2019年)。競合チームがしのぎを削って開発したテクノロジーは、火星よりも先に地球で応用されるかもしれませんね。
3Dプリンター最大の特徴は、図面が不要なこと。デジタルデータから複雑な形状の部品を直接造形することができます。樹脂(プラスチック)を材料とする3Dプリンターは産業用だけではなく、2013年頃から個人向けの製品も店頭に並ぶようになりました。そして近年、世界各国が資金と人材を投じて研究・開発を進めているのが金属粉末を材料とする3Dプリンターです。金型、鋳造、切削のプロセスが不要で、設計の自由度が高く、軽量化・新機能付加が可能、開発のリードタイムを短縮できるなど、多くの利点を持つ金属3Dプリンターは製造業にイノベーションをもたらすものと期待されています。

金属合金にはない特性を有する複合粉末材料で、新しい価値を創造する。

現在、産業界で導入が進みつつある金属3Dプリンターの性能向上は「装置、ソフトウェア、材料」の3つの柱が支えています。中でも造形物の品質を担保し、優れた性質や新しい価値を創製する源泉となるのが材料です。
金属3Dプリンター(三次元積層造形法)に使われる材料(金属粉末)には、適切な粒度分布、高い流動性、低酸素、高純度、成分安定性など、多くの特性が要求されます。従来、金属粉末は溶解凝固というプロセスで製造されていますが、粒子の大きさが揃わなかったり、複合粉末への適用が難しかったりするなどの課題がありました。
野村研究室では溶融過程を経ることなく金属粉末の球状化と組成制御を可能とする、世界初の「乾燥凍結パルス圧力付加オリフィス噴射法(FD-POEM)」を開発。この技術は、これまでかなえられなかった金属・セラミックスの複合粉末の作製も可能とするものです。野村研究室では高耐熱、高耐食といった過酷な環境にも耐えうる性質を発現する複合材料の探索と作製、造形体の製作と評価に着手しています。これまでのデータ・知見とシミュレーションを融合させ、無限ともいえる組み合わせの中から、金属3Dプリンターの可能性を最大化する複合粉末材料を探っていきます。

Topics

頭を使った後は、体を動かしてリフレッシュ。『アフターゼミ・ジョギング』
Don't think. Just jog!

自然豊かなキャンパスを軽快に走る一団…これは練習に勤しむ陸上部ではなく、野村研究室のメンバー。自らもジョギング愛好家である野村先生の“鶴の一声”で始まったゼミ終了後の慣例行事です(参加は任意)。研究室のある青葉山東キャンパスから新キャンパスをめぐる5~8kmのコースを各々のペースで走ります。
「ジョギングの良さは、頭を空っぽにできるところにあると経験的に感じています。ゼミでは知力をキリキリと鍛え上げますから、そのあとに体を動かすことでリフレッシュしてほしいと思っています」と野村先生。有酸素運動と脳の活性化・ストレス解消との関連は、最近の多くの研究が示唆するところです。
実はこのジョギング、年に1回開催される研究室対抗駅伝大会での上位入賞(もちろん優勝!)を視野に入れたトレーニングでもあります。脚力鍛錬も研究もコツコツと、近道はありません。

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