チタンならびにチタン合金のAdditive Manufacturing プロセス中野貴由石1)

本卓也
2)開発が進み， 2014 年には大阪大学工学研究科附属異方性カ.

は じめにスタム設計・ AM 研究開発センターが設立された．当セン
ターは，個々に特徴のあるレーザと電子ビームという異なる3D プリンタ( Additive Manufacturing ( AM )付加製造)

熱源による金属 AM を保有する，大学では国内唯一の拠点

は，材料を結合・接合することによって 3 次元物体を作製であり，現在でも，「異方性/等方性組織制御」，「カスタマイするプロセスである．その基本概念は 1980 年に小玉秀男氏ゼーション」を主眼とした金属 AM による形状・組織制御により特許 出願され， 1981 年に論文発表された(1) ．ただ研究が進められている． 2018 年 11 月からは SIP 「統合型材し，特許審査請求を行わなかったため権利化はなされず，世料開発システムによるマテリアル革命」の中の課題として，界 初 の 商 用 3D プ リ ン タ と し て は ， Chuck Hull 氏 とMI 基盤と金属 3D プリンタでの造形技術開発が航空宇宙材

Raymond Freed 氏によって設立された 3D Systems 社から，料を中心に展開されている．

1987年に樹脂を用いた装置が登場した．

金属 3D プリンタ(Metal AM)は1990年代に本格的な研究開発が進み，1992年に Texas 大により SLS(Selective Laser

. AM の特徴とこれからのデジタルモノづくりへの寄与

Sintering)が開発され，1995年には独 EOS 社が DLS(DirectLaser Sintering )方式の装置を製品化，その後 2002年にはス

AM は ， 初 期 に は 試 作 品 製 造 の 手 段 と し て Rapid Pro-

ウェーデンの ARCAM 社が電子ビーム溶融(Electron Beamtotyping と呼ばれ，その用途は主に造形の容易な樹脂によるMelting)方式の装置を製品化し，それ以来，治療用医療機器模型試作にとどまっていた．しかし，現在では，高融点で造や輸送機器分野とりわけ航空宇宙分野への適用が世界規模で形が困難な金属材料やセラミックスにまでその適用範囲が拡模索されるようになった．

大している． ASTM(2) によれば， AM は材料の結合方式に3D プリンタブームを加速させたのは，2013年のオバマ前依存して 7 種に分類され，中でも直接金属溶融によるもの

大統領が一般教書演説にて，「 3D プリンタに代表される技は，金属粉末を出発材料とする粉末床溶融結合法( Powder術によって製造分野でのイノベーションを起こす」と言及し

Bed Fusion 熱源によって EBM ( Electron Beam Melting )たことによる．米国では，公的機関，民間企業，非営利団体と SLM(Selective Laser Melting)がある)，ならびに指向性の連携に基づく America Makes(設立当時の名称は National

エネルギー堆積法(Directed Energy Deposition)である．

Additive Manufacturing Innovation Institute(NAMII))によAM の特徴は必要な部分を選択的に配置/固化させることり，デジタルモノづくりにおける世界的イニシアチブ獲得のにある．従来の切削加工による材料の成形が引き算によるモため，複数のプロジェクトが推進されてきた．

ノづくりであるとすれば， AM は材料を付加することによ

我が国においても 2014 年 9 月より経済産業省による「三る足し算によるモノづくりである．足し算方式によるモノづ次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム(次世代くりは，消費者の価値観の多様化に応える少量・多品種生産型産業用 3D プリンタ等技術開発)」が始動し， 2016年にはによるオンリーワン製品の供給に至適であり，IoT(Internet技術研究組合次世代 3D 造形技術総合開発機構( TRAFAM )of Things)や AI(Artificial Intelligence)によるスマートファが設立され，国産 AM 装置の産業化推進が試みられた．さクトリーの実現，サイバー空間とフィジカル空間の融合を目らに2014年から開始された内閣府の主導する SIP(戦略的イ指す Society 5.0(3) の実現を後押しするものとして期待が大ノベーション創造プログラム)の 1 つの課題である「革新的きい．したがって，コモディティ化を生じている従来型の大設計生産技術」では， AM によるモノづくり手法の研究・量生産・大量消費(Mass Production)を脱却し，多品種生産

大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻1)教授 2)准教授(〒5650871 吹田市山田丘 21)
Additive Manufacturing of Titanium and Titaniumbased Alloys; Takayoshi Nakano and Takuya Ishimoto(Division of Materials andManufacturing Science, Graduate School of Engineering, Osaka University, Suita)
Keywords: additive manufacturing, customization, mechanical properties, microstructural control, simulation
2019年 1 月28日受理[doi:10.2320/materia.58.181]ま て り あ 第58巻 第 4 号(2019)
Materia Japan

を効率的に行うマスカスタマイゼーション実現へと直結する.

モノづくりシステムであると言える(4)．

.

金属 AM をチタンならびにチタン合金へ適用する意義

金属 AM プロセス
チタンおよびチタン合金は比強度，耐熱性，耐食性などに現在，世界で最も普及している金属 AM 手法は粉末床溶優れるが，酸素を含む他元素との反応性が極めて高く，切削融結合法に基づくものである．図には，粉末床溶融結合法加工性は必ずしも良好ではない．そのためチタンおよびチタにより格子形状の造形体を作製する手順を模式的に示

ン合金にとって，不活性ガス(レーザ造形の場合)やわずかなす(5)(6)．粉末床溶融結合法は電子ビームやレーザビームといHe ガスを導入した真空雰囲気(電子ビーム造形)にて反応性った熱源を用いて選択的に原料金属粉末を溶融する手法であを抑えて付加製造を可能とする金属 AM は最適な加工法とり，未溶融の粉末を取り除くことで複雑な造形体を創製す

 AM はモールドレス造形
いえる(6) ．その利点としては，

る．内包された除去できない粉末を積極的に利用する Pow- (ニア)ネットシェ法であるため造形体への汚染が少ない，

der/Solid 複合体(7)も提案されている．除去した粉末は90

ープでの造形が可能であるため，切削加工性の低いチタンお以上を再利用するため，基本的には，同一組成の粉末のみでよびその合金において加工を最小限に留めることができる，造形することから，異なる組成の部分からなる複合材料や組 厳密な雰囲気制御により，酸素をはじめとする不純物の影


成傾斜材料には不向きである．一方で，部位毎にプロセスパ

 一体造形により部品点数を削減で響を著しく低減できる，

ラメータを変化させることで局所的に異なる結晶粒組織や結 チタンおよびそのきるため，溶接部位を最小限にできる，

晶方位を形成することが可能である．

合金は輸送機器や医療用デバイスといったカスタマイズ化がプロセスパラメータは，一般に単位体積当たりのエネルギ要求される少量・多品種生産の必要な製品での用途拡大が期ー密度( E )で表現され，出力( P )，ビームの走査速度( v )，待され， AM と IoT の組み合わせはマスカスタマイゼーシ

走査間隔(w )，積層厚さ(h )の関数として，式( 1 )で表されョンに対してのマッチングが良い，などが挙げられる．

る．

例えば，人工関節の大部分は生体親和性の高いチタンおよP
E＝・v w ・h[J/m3](1)

びその合金からなり，その形状は現状では患者の平均骨格形状に基づき規定されている．しかし将来的には，個人の骨格

E は最適な造形体を作製するための最適ビーム条件決定の一形状に対応したカスタマイズ化が進むこと，さらには形状だつの手がかりにはなるが，周囲への熱の逃げは考慮されていけでなく後半に述べる内部構造や材質をも変化させることがない点で不十分である．実際の造形物の形状・組織制御には要求され，究極的には患者の疾患の程度や投薬歴までを反映

熱伝導と熱伝達を考慮しつつ，温度分布を時空間にて制御すさせたカスタム化に到達することが期待されている．以上のる必要があり，特に熱源の走査の方法，いわゆるスキャンスようにチタンおよびチタン合金における AM 利用の優位性

ト ラテジー( Scan Strategy )により形成 される溶融 池の形から，多種のチタン，チタン合金に対する積層造形体の作製状，さらにはその周囲の熱勾配を含む温度分布管理が重要とが試みられている．

なる．

金属 AM では，出発原料の組成調整が重要である．合金図1

( a ) 粉 末床溶 融結 合法の 模式図 ．
( b ) 電子ビーム，( c ) レーザを熱源とした積層造形法の概略図．

ミ ニ 特 集中の各元素の蒸気圧や関連する融点に依存して造形体の組成変動が生じ，特に低融点元素の組成低下が認められる．さらに，とりわけチタン合金では，固溶酸素量の増加にも注意を払う必要がある．一般に一定の真空雰囲気場で造形する電子ビーム造形では，レーザビームを熱源にする場合に比べ，固溶酸素濃度の上昇が抑制されるが，製品としての規格組成を満足するためには，十分な品質・工程管理が必要となる．
AM では，造形に至る過程で合金作製，粉末化，造形体の作製において複数回の溶融/凝固を繰り返す必要性があり組成管理が困難となる．したがって，最終的な造形物の組成範囲を基準とし，初期の合金作製からの組成の変動を推算しつつ，組成決定を行うことが必要ある．さらに造形パラメータ

図2

多孔体形状を最適化した臼蓋カップ(帝人ナカシ株 提供)．
マメディカルの変化による組成変動をも考慮した AM 特有の粉末造形技術の確立が急務となっている．合金粉末を利用せず，純粋粉末を混合して合金を直接造形する場合も考えられるが，混合する構造体の作製が可能であるため，計算機シミュレーショの均一性，混合粉末の掃引性・造形性，さらには合金化の際ンの際の要素数が非常に多くなる場合には，トポロジー最適の混合のエンタルピー変化による発熱/吸熱量を考慮する必化と均質化法を相補的に用いて計算負荷を低減しつつ形状パ要性がある．

ラメータ制御を行うことも可能である(11)．

.

形状と材質(組織)の同時制御

材質(組織)パラメータの制御

金属 AM は形状制御を可能にするだけではなく，溶融池
AM は 3 次元形状を制御するための技術とみなされがち単位での熱流束の特異な方向性や，積層ごとの繰返し造形にであるが，金属 AM は，形状パラメータのみならず，材質よる溶融/凝固と熱履歴による材質(組織)パラメータを制御(組織)パラメータを制御することができる画期的な手法であできる有力な手段である．

る．これは選択的溶解/凝固を行う際の走査パラメータ(スキ

低弾性 b 型チタン合金の組織・結晶方位制御

ャンストラテジーなど)の制御に依る(8)(10) ．材質と形状は組織制御の中でも，結晶集合組織化や究極には単結晶化をいずれも金属材料の機能を決定するための最重要因子であおこなうことは，近年の金属 AM での注目すべき技術開発

り，両者の異方性/等方性を考慮しつつ，発現すべき機能を課題の一つである．単結晶化によりヤング率をはじめとする制御することは，必要な方向に特に優れた機能性を発揮する

力学特性の方位依存性を生じ，同一素材であるにも関わらずことを可能とする．

用途に応じた物性値を選択することが可能となる．単結晶は

形状パラメータの制御粉末を出発原料とする金属 AM では，構造体の形状は 3次元 CAD を用いた設計に基づくことから，複雑で任意の 3従来法では作製に長時間を要し，十分な形状・サイズが得られず，製品化には限界があったが，金属 AM の出現により単結晶製品実現への期待が高まりつつある．
例えば，単結晶化の実現は，応力遮蔽を抑制可能な骨イン次元形状制御が可能である．形状制御は，外形状にとどまらプラントを創製できる．体心立方構造を有するb 型チタン合ず，内部形状(例えば多孔体形状)をも最適化可能であり，要金は，多結晶体でも比較的低い弾性率を示すが，単結晶化に求される機能特性を具現化することができる．

より結晶方位に依存した弾性率の異方性を発現し，〈100〉にその一例として，図には， EBM により製造した Ti て最小のヤング率値となる(12)．さらに，ヤング率値 E100 と6Al4V 合金製の臼蓋カップを示す．本臼蓋カップにおけるその異方性 E111 / E100 は 1 原子あたりの価電子数 e / a に依存

形状の特徴は，連通孔と微小突起(スパイク)を有するポーラ

し，e/a が 4 に近づくにつれて E111/E100 は大きくなり，E100ス構造であり，本来骨親和性の高いチタン合金に対して，形は小さくなる．

状パラメータ制御によりカップ深部までの新生骨の進入と骨例えば，e/a が4.10と小さく，ISO 583214により規定(13)のアンカー効果により骨カップ間の結合力を高めている．

された Ti15Mo5Zr3Al(mass)合金は，多結晶体にて約

近年では，こうした形状パラメータ制御は，トポロジー最85 GPa と Ti 6Al 4V ( mass )合金の 110 GPa と比較して適化により任意のモデル入力変数から最適解を算出すること低ヤング率を示す．さらに Ti15Mo5Zr3Al 合金の単結晶により達成され，特定の制約条件下にて最適形状をシミュレ化により，理論的には E100は 44.4 GPa まで低下する(14)．こーションにより生成可能である．任意の荷重負荷拘束下でサれは皮質骨のヤング率(～ 30 GPa )に匹敵する低値であり，イズや体積の制約を設けることで，力学特性が最大化するよ〈100〉を長管骨長軸と平行方向に設置する場合には応力遮蔽うな形状が算出されるが，現状では物性値の異方性を投入での抑制が期待される．

きないことが課題である．金属 AM では，微細な形状を有

ま て り あ 第58巻 第 4 号(2019)
Materia Japan

本合金での， SLM におけるスキャンストラテジーによる

図3

SLM でのスキャンストラテジーによる結晶配向方位の選択性制御．文献(8)より改変引用．

結晶成長方位の選択性制御は，図に示すように，造形体中での結晶方位制御を実現し，造形体の特定方向に低ヤング率の〈 100 〉を優先配向させることを可能とする(8) ．この際，〈 100 〉が優先結晶配向した方位においては低ヤング率を示し，〈011〉優先結晶配向方向では高値を示すことから，金属AM による材質異方性を有する部材の造形が可能になる．
チタン合金( Ti 6Al 4V 合金)の積層造形性，ならびに組織と力学特性その広範な用途のため，金属 AM 適用の試みのほとんどが Ti6Al4V 合金に対するものである．造形の方式(EBM,SLM, LMD(Laser Metal Deposition))に依存して，熱源のエネルギー効率，予加熱の有無，造形時に選択可能なプロセスパラメータ範囲に基づき冷却速度が異なることから，造形体中の組織は大きく異なる．荷電粒子の電磁誘導で走査を可能とする EBM では， 700°C を超える予加熱が可能であり，比較的小さな冷却速度のため，冷却過程で形成されるラス状マルテンサイト相)は粗大化する．一方，予a 相(もしくは a′

図4Ti 6Al 4V 合金の EBM により形成された微細組織．初晶 b 相の柱状晶組織形態を残しつつ大部分が a 相へと変態している．

加熱のない SLM における冷却速度は他の方式と比べ高速で，微細な a' 相が出現することが特徴であり，プロセスマップは大きく異なる(15) ．その上，温度変化により熱収縮と膨張を繰り返すことで，残留ひずみの蓄積は大きくなる．

ルギー密度に対して中間部で最適値を示すとともに，ほぼ100に近い稠密体となる．こうした最適エネルギー条件でTi 6Al 4V 合金を造形した際の力学特性は，こうしたはラス状組織の粗大化や多孔質化が進行することなく，硬度相の存在する SLMAM 方式の違いに依存して異なる(15)．a′は最大となる． Ti6Al 4V 合金 AM 材では，展伸材に比べ造形体では高い強度と 7程度の低い伸びを示し， LMD でてラス組織の緻密化が起こる．さらに，結晶粒そのもののサもほぼ同程度の機械的特性を示す．一方で EBM では強度はイズも造形材においては急冷により微細化されるため，鋳造低下するが， 10 を超える伸びを発現する．いずれの造形材に比べて高強度化が進む．

体も鋳造材や展伸材よりも高強度を示すことが一般的であTi 6Al 4V 合金 AM 材は，高温 b 相のマルテンサイト変り，もはや金属 AM 法により造形された Ti6Al4V 合金の態，さらにはそれに続く予加熱による熱処理により，残留 b力学的信頼性は高いレベルに到達している．

相とラス状の a ( hcp )相からなる複合組織となる．ラス状 a

投入エネルギー密度の低い領域では不定形状ポアからなる

相は b 母相に対し，バーガースの方位関係を示し，式( 2 )多孔質化が認められ，液相焼結もしくは固相焼結の状態を呈の関係を持つ等価な12種類のバリアント関係が成立する．

する．エネルギー密度が高くなると，明瞭な溶融池跡が認め{11̃0}b//{0001}a,〈111〉b//〈112̃0〉a(2)られるようになる．ポアはエネルギー密度が高い場合であっこの際，液相から固相への変態時に形成される b 相は，積ても低い場合であっても発生することから，相対密度はエネ層方向に対して平行方向に柱状晶組織として伸長している

ミ ニ 特 集図5EBM 法にて造形した Ti48Al2Cr2Nb(at)金属間化合物の光学顕微鏡写真．電子線照射による繰返しの昇温により duplex 組織と g バンドからなる，特異層状構造が発達している． 文献( 7 )

図6より改変引用．

熱源(レーザ)走査の際に形成される溶融池形状．ビーム条件に依存して温度分布，それにともなう溶融池形状は変化する．

(図)．
造形体内部のガス( EBM の場合でも真空に引いた後に，チャージアップに起因するスモーク現象を抑制するため He.

チタン合金造形体の最適条件探索のための計算機シミュレーション

ガス等をわずかに導入する)を内包する残留ポアの除去のため，適切な条件での HIP(Hot Isostatic Pressing)処理が行わ

チタンおよびチタン合金における造形体の作製にはプロセ

れ る．しかし， HIP 処理 後に高温ま で再加熱した 場合にスパラメータの最適化が重要となる．最近の計算機シミュレは，再び内部ポアが復元されることから，耐熱材料のようなーション技術の発達や計算速度の高速化により，機能発揮す高温使用では， HIP 処理を過信することはできない(16)．たる組織の構築までを包含した，パラメータ予測と設計が可能だし，HIP 処理によりポアを消滅させた後の Ti6Al4V 合となりつつある．

金造形体の疲労強度は，鋳造材と展伸材の間に位置する．

図には，熱源となるビームが移動する際に形成される溶つまり Ti6Al4V 合金 AM 材は，ポアの消滅によるクラッ融池形状を示す．例えば，走査速度が速い場合には，溶融池ク形成確率の低減により，造形の室温での疲労特性は医療用は長いテールを引きつつ凝固が進行する．こうした溶融池形ステムや輸送機器部品などでの使用にも耐えられるものであ状は後述するチタン材料の組織形成や結晶方位制御とも深くり，もはや試作品の域を越え，工業製品化が進んでいる．

関わっており，正確なシミュレーションは組織予測をも可能



TiAl 系金属間化合物の造形性と組織・力学制御とする．さらに，造形形状が不均一な場合には，プロセスパ金属 AM 特有の凝固後の溶融池直下での熱影響は，局所ラメータを制御することで最適な造形を可能とする．この的な繰返し熱処理効果を生じ，これを巧みに利用することで際，最も注目し制御すべき物理量は温度分布であり，温度分鋳造などでは得られない特異な金属組織を形成することを可布の制御が溶融池形状や最終的な金属組織を決定する．そこ能とする．図には， EBM 法にて造形した Ti 48Al 2Cr で，抜熱まで考慮しつつ，溶融/凝固解析による溶融池近傍2Nb(at)金属間化合物の光学顕微鏡写真を示す．造形体中の温度分布や熱勾配，さらには固相/液相界面の移動速度等では，等軸 g 粒と a2/g ラメラ組織からなる duplex 組織と gを見積もると同時に，フェーズフィールドシミュレーション

バンドを含むニア g 組織からなる層状構造が発達し，その周等により組織の形成過程を予測することが肝要である．加え期性は造形時の積層厚さと一致する．特異層状組織の存在て，計算時に必要とされる未知の物性値については，第一原は，力学特性を異方性化し， duplex / g バンド界面に対して理計算等を用いることで，最終的にはプロセスパラメータをの角度を有するとき， g バンド部分がせん断変荷重軸が 45 °実験的手法だけでなく計算機を用いたシミュレーションによ形を担うことで 550 MPa 以上の高い引張降伏応力と，鋳造り予め設計することが，AM において必要とされている．

材では困難な 2を超える大きな室温伸びの両立が達成される(17)．
このように，金属 AM はチタン合金の材質制御においても極めて有効な手法であることが示されつつあり，形状の自在造形能力と合わせて，形状・材質同時制御による高機能製品の創製に大きく貢献する可能性を秘めている．

溶融池周囲の温度分布を計算するための支配方程式は，固相/液相変化にともなう潜熱の発生を考慮した固体の熱伝導方程式を用いて式( 3 )で表すことができる．

rC p&T－k;2T＝Qin＋Qlat&t(3)

ここで， r は密度， Cp は比熱， T は温度， k は熱伝導率，Qin はレーザ入熱量， Qlat は潜熱を表す． Qlat は凝固速度 Vに比例するものとすると，式( 4 )が成立する．

ま て り あ 第58巻 第 4 号(2019)
Materia Japan図7

Qlat＝CV＝C&q&t(4)

ただし，C は比例定数であり，q は溶融パラメータ(0液相，造形品の品質管理のための，インプロセスリアルタイムモニタリン
グと補正システムの概念図．

歩は設計段階からの組織形成・機能発現予測をも可能とし，AM 装置と相補的に AM 技術を発展させることが期待される．

1固相)を示す．

q ＝ f( T )(5)

溶融パラメータ q は，融点 Tm よりも小さい場合は 1，大き.

今後必要となる研究開発～インプロセスによるモニタリング・品質管理～

い場合は 0 を取るものとし，融点近傍でこれらを滑らかにつなぐステップ関数 f(T )で表されるものとする．造形中は3D プリンタ技術そのものは，新方式や複合化(マルチビ繰り返しスキャンされるため，過溶融の場合には同一箇所がーム化や切削加工との組み合わせなど)が出現・淘汰され，繰り返し溶融を受けることになる．一方でエネルギー密度が造形の高速度化・大型化に加え，製品機能を設計段階で予測不十分な場合には，溶融温度まで粉末温度が到達しない．こするための蓄積データ活用や定式化，自動化が今後進むことうした計算機シミュレーション結果を用いることで，造形体が期待される．その際，金属 3D プリンティングでは，溶の形状と組織の同時制御が可能になる．

接・接合・焼結の 3 次元化技術として捉えることで，既存さらに，計算機シミュレーションから得られた固相/液相学理の下，新規の技術基盤を構築する必要性がある．

界面の移動速度(R )と温度勾配(G )を用いることで凝固時に一方で，製造技術と同レベルで今後開発が求められるの形成される組織が等軸晶から柱状晶，そして単結晶へと変化は，「 3D 造形に特化した」 CAD / CAM / CAE システムの構する境界をマップとして示すことができる．これは AM が築である．従来の形状制御技術はもちろん，3D 造形ならで熱拡散をある程度まで制御できることに起因する．合金の凝はの高機能を製品に付与するには，その根源となる内部構造

固マップではそれぞれの軸を R と G で描き，組成的過冷条(微細組織)を部位に応じて適切に作り込むための順シミュレ

件を考慮することで，平滑な固相/液相界面が維持される，ーション，さらに最終的に社会基盤技術としてまで 3D プリ

もしくは液相中にて固相核が発生するかを判別でき， G / R

ンタを発展させるには，必要な機能を直感的に誰にでも引きは式( 6 )で表される．

出すことができるような自動化・半自動化を可能とする逆シG
k0 － 1 1＝mLC0
Rk0 D L

(6)

ミュレーション手法の構築が強く求められる．
今後の課題として，造形製品の品質管理手法の確立があmL は状態図の液相線勾配，C0 は溶質の初期濃度，k0 は平衡る．図には，リアルタイムモニタリングでのインプロセス分配係数， DL は液相中の溶質元素の拡散係数である． G /R

における品質管理・組織制御の例を示す．造形毎に，機能にが大きいほど，さらに左辺より右辺が小さいほど組成的過冷直接つながるプロセスの健全性を“リアルタイム計測”し，は発生し難い．つまり，組織形成は平衡分配係数や液相中の即座に造形された組織や機能を“リアルタイム推定”，さら溶質元素の拡散係数からも影響を受けることから， AM 時にはボイドのような欠陥の発生や意図した組織が形成されての完全な平衡状態ではない急冷状態においてはシミュレーシいない部位について直ちに，“リアルタイム補正”する一連

ョンには注意が必要である．ただし，こうした計算機シミュの品質管理システムである．

レーションによる組織予測は予めプロセスパラメータを設定

その結果，造形完了時には検査や修正が完了し100の品する基準を示唆するため，計算機シミュレーション技術の進質が保証される金属 AM 技術となり，最高品質での部材製

ミ ニ 特 集

文造を可能とする究極のデジタルものづくりとなる．造形中に献欠陥や結晶方位をリアルタイムでモニタリングし，異常検出時には即座に造形レシピを修正することで造形・検査・修正にまでその適用範囲は広がっている．工業製品における多品( 1 ) H. Kodama: Rev. Sci. Instrum., 52(1981), 17701773.
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Prangnell: Scr. Mater., 122 (2016), 7276.
(17) M. Todai, T. Nakano, T. Liu, H. Y. Yasuda, K. Hagihara, K.
Cho, M. Ueda and M. Takayama: Addit. Manufact., 13(2017),
6170.
(18) F. Trevisan, F. Calignano, M. Lorusso, J. Pakkanen, A.
Aversa, E. P. Ambrosio, M. Lombardi, P. Fino and D.
Manfredi: Materials, 10(2017), 76.
(19) V. Manakari, G. Parande and M. Gupta: Metals, 7(2017), 2.

種・大量生産(マスカスタマイゼーション)が今後の消費者の★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

 先端的解析と AI を活用したリアを同時進行させるため， 高速温度分布測
ルタイム高速結晶方位モニタリング技術，
 欠陥消失・結晶方位補正のた定による欠陥分布推定技術，

めの造形用ビーム制御レシピのリアルタイム作成技術等を組み合わせることになる．これにより，金属積層造形プロセス
は，現在の半導体製造における多層積層構造の製造と同等以上の品質を保証する金属部材製造テクノロジーへと進化し，超スマート社会に向けたモノづくりの刷新を牽引することを可能とする．そのためには，金属 AM 技術に精通した，「 Society 5.0 」で目指す情報科学技術を駆使した設計・製造両過程を通じた高機能性の担保を可能とするための， 3D 
CAD / CAE に関する高度な専門技術を持つ技術者の養成が必要不可欠である．

.

お わりに

本稿では，金属 AM 研究開発の一般論，とりわけチタンおよびチタン合金の AM 技術について紹介した．金属材料における AM は，単に形状の制御に留まらず，材質(組織)の制御をも可能とし，金属材料製品の特性を最大限にまで引き上げることが期待される．こうした新しいプロセスの一つとしての AM は，反応性が高くカスタマイズ化が要求されるチタン材料にとっては極めて相性の良い技術であり，今後のチタン分野の牽引的プロセスとして期待される．同時に，チタン材料のみならず，アルミニウムおよびアルミニウム合金(18)，マグネシウムおよびマグネシウム合金(19)などの軽金属，さらにはチタンアルミナイドのような金属間化合物(17)ニーズに対応したモノづくりであるとすれば， AM 技術の利用は不可避であり，チタン材料をはじめとする軽金属の新しい機能発現の可能性を広げると同時に， AM は計算機設計，情報科学， IoT ， AI などの Society 5.0 の重点項目と深く連携しつつ，第 4 次産業革命へとつながるような今後の研究・開発が大きく進む学際的領域であるといえる．
本稿で紹介した研究の一部は，内閣府が主導する SIP(戦中野貴由
1992年 3 月
1992年 4 月
1996年 3 月
2008年 4 月
2014年12月

大阪大学大学院工学研究科金属材料工学科修士課程修了
大阪大学工学部材料物性工学科助手
博士(工学)(大阪大学)
大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻教授(現職)
大阪大学工学研究科附属異方性カスタム設計・ AM 研究開発センター副センター長
専門分野生体材料学・結晶塑性学◎「異方性の材料科学」の構築に向け，耐熱性金属間化合物の異方性塑性挙動，生体骨組織の異方性組織の解析手法の確立，異方性インプラントデザ
イン，異方性組織構築メカニズムの解明などを行っている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

略的イノベーション創造プログラム)「革新的設計生産技術」(管理法人 NEDO)ならびに，「統合型材料開発システムによるマテリアル革命」(管理法人JST)，日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究(S)「骨異方性誘導のための「異方性の材料科学」の構築(研究代表者中野貴由)」(2018年度～2022年度)(JP18H05254)の支援によって実施された．
中野貴由

ま て り あ 第58巻 第 4 号(2019)
Materia Japan

石本卓也

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