ロケットや自動車部品への応用に期待　阪大が金属3Dプリント造形技術を高速化

大阪大学は、金属材料を積層造形(3Dプリント)する技術の一環として、摩擦熱を用いて金属層を形成する固相プロセスの一種「摩擦肉盛法」のエネルギーコストの大きさや、造形時間の長さといった課題を解決するため、リング治具の導入によって高効率な積層造形を可能にする「リング治具式摩擦攪拌積層造形(AFSD)法」の確立を発表した。

リング治具式AFSD法による積層造形の外観。リング治具がバリの形成を抑えながら層の表面を平滑に仕上げている (出所:阪大Webサイト)

7月30日に同大学が発表したもの。この成果は、大阪大学(阪大)大学院工学研究科の石田冬輝大学院生、阪大接合科学研究所の藤井英俊教授らの研究チームによるもの。詳細は、英総合学術誌「Nature」系の旗艦オープンアクセスジャーナル「Nature Communications」に掲載された。

積層造形(3Dプリント)とは、材料の層を積み重ねることで立体物を製造する技術のことを指す。金属積層造形では、材料となる金属粉末やワイヤーなどをレーザーや電子ビームなどで溶融・凝固させながら必要な箇所にのみ材料を積層して形状を作り出す方式が主流だ。このため、ブロック材の削り出しなどを行う従来の加工技術と比較して、材料ロスを抑えながら複雑形状を実現できることを特徴としている。

しかし、既存手法は高いエネルギーコストと長い製造時間(積層速度が遅い)を必要とすることから、大型構造物の造形には不向きとされている。これに対し、低エネルギーかつ高効率な積層造形法として、摩擦熱を熱源として材料を溶融させずに造形を行う「固相プロセス」が注目を集めている。

摩擦肉盛法は、金属丸棒を高速回転させながら金属基材に押圧し、摩擦熱で軟化した丸棒材を盛り付ける技術だ。耐摩耗性に優れた層を高速度で形成できるため、主に表面コーティング技術として用いられてきた。しかし、同手法は表面が荒れた層が形成されやすいことから、積層造形法としての応用は困難と考えられていた。

また、摩擦肉盛法では造形中に丸棒先端で分厚いバリが成長する。バリは層の形成には寄与しないため、材料ロスの大きい点が課題とされていた。大型構造物の積層造形向け手法として、エネルギーコストと材料ロスの両方を抑えた高効率な新規技術の確立が求められていたのである。そこで研究チームは今回、従来の摩擦肉盛法の課題を解決した新手法の開発を試みることにしたという。

従来の摩擦肉盛法による造形の外観。供給材(丸棒)の先端にバリが形成されながら基材上に層が形成されている (出所:阪大Webサイト)

今回新たに開発された「リング治具式AFSD法」は、リング治具を導入することにより平滑な層を高速造形できる技術だ。同手法では、金属丸棒の先端にリング治具を装着した状態で丸棒を高速回転させ、金属基材に押圧する。丸棒材と基材との摩擦を開始して一定時間が経過すると、摩擦熱で軟化した丸棒材の変形が始まり、リング治具の下に材料が堆積していく仕組みだ。

リング治具式AFSD法では、材料の堆積が始まった後に丸棒の移動(送り)を開始すると丸棒材が消費され、金属層が形成される。この際、リング治具が丸棒材と共に回転しながら層の表面を均すことにより、平滑な層が得られるという。加えて、リング治具が従来の摩擦肉盛法におけるバリの代替となるため新たなバリが発生せず、材料ロスを抑えた造形が可能となった。

従来の摩擦肉盛法(左)およびリング治具式AFSD法(右)で得られた層の表面形状。従来法では表面の荒れた層が形成されるのに対し、リング治具式AFSD法では極めて平滑な層が形成された (出所:阪大Webサイト)

さらに、リング治具式AFSD法では形成される層の厚みと幅を丸棒への押圧荷重で制御でき、荷重を増やすことで造形効率を1時間あたり約8000cm3まで高めることに成功したという。これは、従来の溶融凝固による積層造形法の10倍以上の造形速度に相当する。リング治具式AFSD法の開発により、金属材料の高品質かつ高効率な積層造形が実現されたとした。

リング治具式AFSD法により、大型構造物の低コストかつ高速での造形が可能となる。自動車の主要部品製造への適用が期待されるほか、ロケット用エンジンのような大型の少量製造品に対しても同手法を適用することで、製造コストを大きく削減でき、宇宙開発の促進効果も期待できるとしている。