名古屋工業大学の渡辺義見教授・佐藤尚准教授・知場三周助教の研究グループは、従来材と比較して、内部欠陥が少なく、微細な組織を有する高品質な造形品の製造を可能とする積層造形（いわゆる3Dプリンタ）に特化した新規金属粉末の開発に成功しました。本手法はこれまで積層造形が困難とされてきた金属種においても適用可能な手法であるため、今後の積層造形技術の発展に大きく寄与することが期待されます。この研究成果は、12月4日にオーストラリアのメルボルンで開催される国際会議1st Asia-Pacific International Conference on Additive Manufacturing（APICAM 2017、第１回アジアパシフィック付加加工国際会議）にて発表しました。なお、今回の成果は、国立研究開発法人 産業技術総合研究所（産総研）および早稲田大学との共同研究により，国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）の「革新的構造用金属材料創成を目指したヘテロ構造制御に基づく新指導原理の構築」を実施した結果、得られたものです。

背　　　景

デジタルデータから直接製品を製造する3次元積層造形技術、いわゆる3Dプリンタは、製造工程の大幅な削減のみならず、他技術では製造困難とされてきた複雑形状品の製造も可能とする革新的な製造法です。しかしながら、粉末床溶融法（図1）等の粉末の溶融および凝固を工程に含む積層造形法では、造形品中に形成される内部空孔や粗大かつ不均一な内部組織による品質や力学特性の低下、造形可能な金属種に制限があることが技術的な課題として挙げられます。

図１：粉末床溶融法による積層造形プロセス

研究の内容

今回、渡辺教授らは、鋳造アルミニウムなどの組織微細化に利用される異質核生成理論を積層造形技術に応用しました。本手法は、母材金属と異質核粒子を混合し、母材金属の初晶に対して界面マッチングが良く、且つ、母材金属よりも高い融点を有する異質核粒子が母材金属の凝固時に結晶成長の核として働くことで、組織の微細化が達成されるものです。
今回の研究では、航空機部材等に用いられるTi-6Al-4V合金を母材金属とし、これに対する異質核粒子としてTiC粒子を選定して実験を行いました。それぞれの粉末を予め混合することで作製した積層造形用金属粉末（図2右写真：名工大材）を新たに開発し、同粉末を用いて、粉末床溶融法により積層造形品を作製した結果、母材金属粉末のみで積層造形した従来品と比較して、①相対密度の向上、②初晶粒組織の微細化が確認されました（図3）。
以上の結果より、今回開発した新規積層造形用金属粉末を用いることで、より高品質な積層造形品の製造が可能であるとともに、造形時に必要なレーザーの出力を低減させることも可能であることがわかりました。これにより、造形プロセスの省エネルギー化、あるいは低品位なレーザーを用いた造形でも高品質な造形体の製造が可能であることが示唆され、今後の積層造形技術の普及、発展に大きく貢献するものと期待できます。

図2　従来粉末と開発した新規積層造形用金属粉末

図3　造形した造形品の相対密度と光学顕微鏡写真

今後の展開

本手法は、母材金属に合わせて異質核粒子を選定することで、様々な金属種・合金種を用いた積層造形法に幅広く適用可能であることが特徴です。今後は、純アルミニウムなど積層造形技術に応用が期待される他の金属あるいは合金について同様の効果があることを確認するとともに、添加する異質核粒子の形状やサイズ、添加量を最適化し、さらなる性能発揮を求めていきたいと考えています。

本件へのお問い合わせ

研究に関すること

　国立大学法人名古屋工業大学大学院工学研究科物理工学専攻　教授　渡邉義見
TEL：052-735- 5624　E-mail:yoshimi［at］nitech.ac.jp　

広報に関すること

　国立大学法人名古屋工業大学広報室　水野棟税
TEL：052-735-5647　E-mail: pr［at］adm.nitech.ac.jp

※［at］を＠に置換してください。