3Dプリンターを用いたマルチマテリアル技術を開発 鉄鋼材料とアルミ合金の界面の接合強度を飛躍的に改善、自動車の車体軽量化に期待

3Dプリンターを用いたマルチマテリアル技術を開発鉄鋼材料とアルミ合金の界面の接合強度を飛躍的に改善、自動車の車体軽量化に期待

2024年11月26日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　准教授　山中谦太

【発表のポイント】

金属3顿プリンター^（注１）を用いて鉄钢材料とアルミ合金を组み合わせたマルチマテリアル构造^（注２）を製造するための基盘技术を确立しました。
课题であった异材接合界面における脆化相の抑制効果を実証し、接合强度を飞跃的に改善しました。
本成果を基にトポロジー最适化^（注３）を用いて设计された実物大の自动车部材の试作に成功し、车体軽量化が期待されます。

【概要】

金属3顿プリンターは、金属を積層して造形を行う装置です。近年、金属3顿プリンターによる組織制御^（注４）に基づく高机能材料や异なる材料を适材适所で组み合わせたマルチマテリアル构造の创製に注目が集まっています。

マルチマテリアル构造は自动车や航空机を軽量化することができ、カーボンニュートラルの実现や省资源化において重要です。しかし金属材料の组み合わせによっては异材接合界面に脆い金属间化合物^（注５）が形成され、接合强度が着しく低下することが実用化の课题となっていました。

东北大学金属材料研究所の山中谦太准教授と同大学未来科学技术共同研究センターの千叶晶彦特任教授の研究グループは、金属を対象とした代表的な3顿プリンティング技术の一つであるレーザー粉末床溶融结合法^（注６）を用いて、鉄钢材料とアルミ合金の接合界面において非平衡凝固^（注７）が得られることを见出し、金属间化合物の形成が着しく抑制されることで强固な接合界面が得られることを実証しました。また、本成果を基に世界初となる実物大の自动车用マルチマテリアル部材（サスペンションタワー）の试作に成功しました。

本成果は2024年11月19日、積層造形技術に関する専門誌Additive Manufacturingに掲載されました。

図1. L-PBF法により作製した炭素鋼/Al合金界面付近の組織観察結果

【用语解説】

注1. 金属3顿プリンター
金属材料を対象とした3Dプリンター。材料を積層して3次元構造体を作製する点は一般的な樹脂を対象とした3Dプリンターと同様ですが、金属3顿プリンターでは金属の粉末やワイヤーを溶かしたり、高温に保持して焼結することで造形を行います。

注2. マルチマテリアル構造
异なる特性を持つ复数の材料を组み合わせて作製した构造体。軽量化や强度、耐热性、耐食性などの特性面で単一材料では実现できない复雑な要求に応えることができ、自动车、航空、医疗などの分野で期待されています。3顿プリンティング技术の発展により复雑なマルチマテリアル构造の製造が可能になりつつあります。

注3. トポロジー最適化
强度や刚性を维持しながら軽量化や性能向上を図るための设计手法で、シミュレーションを用いて力学的な负荷に応じた最适构造を决定します。従来の设计方法では困难だった軽量かつ効率的な部品设计が可能になり、それを実现するための手法として3顿プリンティング技术に期待が集まっています。

注4. 組織制御
金属材料は一般に结晶组织を有しており、材料内部の结晶粒の结晶构造やサイズ、形状、配向（结晶方位）などを适切に制御することで强度や耐食性などの材料特性を改善する技术です。组织制御は组成や製造工程に基づいて行われます。

注5. 金属間化合物
金属材料は一般に复数の元素からなる合金ですが、特定の组成（元素の割合）や温度において异なる元素が周期的に配置した复雑な结晶构造（规则构造）を形成します。これらは金属间化合物と呼ばれ、一般的に高强度である反面、変形しにくく、材料を脆くする原因となります。

注6. レーザー粉末床溶融結合法
金属粉末に高エネルギーのレーザーを照射することで溶融?凝固し、それを繰り返すことで3次元構造体を造形する手法であり、最も一般的な金属3顿プリンターの一つです。

注7. 非平衡凝固
溶融金属が热力学的な平衡状态に到达しない状态で凝固すること。鋳造や溶接と比べて尝-笔叠贵法では极めて大きな冷却速度の下で高速凝固が起こるため、非平衡组织を形成することが可能です。

【论文情报】

タイトル：Multi-material additive manufacturing of steel/Al alloy by controlling the liquid/solid interface in laser beam powder bed fusion
著者： Yujie Cui, Jiaxiang. Li, Seungkyun Yim*, Kenta Yamanaka*, Kenta Aoyagi, Hao Wang, Akihiko Chiba
*責任著者：东北大学金属材料研究所准教授　山中谦太、东北大学未来科学技術共同研究センター特任助教　Seungkyun Yim
掲載誌：Additive Manufacturing
顿翱滨：

详细（プレスリリース本文）