マルチプロパティデザインに基づく金属材料のオンデマンド創製
大阪大学

大学院工学研究科教授 宇都宮 裕
2022年2月3日

1

マルチマテリアルデザイン

鉄鋼材料，銅合金，アルミニウム合金，CFRPなどを適材適所に配置することで，性能を向上させながら，コストを抑制する手法．特に自動車の軽量化に用いられる．
しかし，材料選択と配置の最適化(トポロジー最適化)法が必ずしも確立されておらず、単なる材料置換にとどまることが多いことは問題である。また，異材接合技術の開発も課題．

マルチマテリアルの検討事例：送電線密度の逆数

Al

電気抵抗率の逆数

電線に求められる特性

降伏強度

Cu

Fe

‣ 大電流の送電・抵抗が小さい‣ たわみが小さい（電柱間のスパンを長くできる）・軽い（低密度）・降伏強度が高い

Fe

Cu

Al

Cu

Fe

‣ マルチマテリアル構造を採用しても，材料種の選択・配置の最適化は難しい．
⇒材料選択を伴わない設計法が望ましい
マルチプロパティデザインへマルチプロパティデザインの提案

マルチマテリアルデザインマルチプロパティデザイン

材料特性表を元に，部材ごとに材料選択を行い，部材の形状・寸法を決定し，接合により配置する．⇒部材の設計変更が必要

部材の形状・寸法を決定後，その部材に要求される複数の特性を設定し，その特性を満足する複合材料部材を製造する．

「材料ありき」の設計「特性ありき」の設計

密度

密度

Al

AlCu
導電率

Cu
Fe

強度

導電率

Fe

強度4

多芯押出しによるマルチプロパティデザイン
利点
Al

Cu

Cu
Fe
押出し

‣ 加工度(押出し比)が大きい
省プロセス, 高接合強度‣ 用いる材料種の数＞要求される特性の数‣ 芯材の形状・寸法を統一し多くの材料種を用意すれば配置の変化で多様な材料をオンデマンドで製造可能‣ 空隙（気孔）も利用可
中空材，多穴管，ポーラス材

課題 ‣ 加工限界がある
軟芯材構成，界面すべり抑制などの方策が破断抑制に有効
多芯押出しの模式図1)‣ 特性予測手法の確立が必要
1) 宇都宮ほか: 金属棒線材の製造方法, 特願2021-166711.
複合則，機械学習など‣ 材料種配置方法は要検討
実施例
シース材としてCu，芯材として Al, Cu, Feを用いて，軸対称に近いいくつかの配置で押出しを行い，密度(アルキメデス法)，降伏強度(圧縮試験)，電気伝導度(四端子法)を測定し，複合則による予測値と比較することで，実現性を検討する．

製品の設計
中間素材の組立

部材の寸法・特性の指定

押出し・接合・押出し条件の決定‣中間素材の外径寸法の選定‣押出し機，押出し比、速度、潤滑、ダイス角など加工条件の設定

押出した複合材料の寸法・特性確認

・中間素材の構成の決定‣管材の内径の選定‣芯材の線径と挿入本数の選定‣管材と芯材の材料種の選定‣芯材の配置の決定

不可

製造可否の判定‣予測される特性が要求を満足？
‣破断なく均一変形可能？

出荷
可二次加工・利用

使用材料とビレットの構成
使用材料 : C1020, A1070, 純鉄(99.65%)(単一コア材からの推定値)

Cu

FeAl

密度 / Mg·m-3

8.57

8.193.70

電気抵抗率 / nΩm18.928.623.3

降伏強度 / MPa

360596186

シース材内径, 𝑑𝑐

7.5mm

芯材径, 𝑑𝑓

1.45mmコア部分の深さ, h30mm

ビレット寸法

今回の実験の配置条件

Φ10.9×35mm

10.9mm

1.45mm
7.5 mm‣ 「第1層 : 1本」, 「第2層 : 6本」, 「第3層 : 12本」
‣ 第1層, 第2層, 第3層と同心円状に配置‣ 各層に異なる材料‣ シース材は銅(Cu)で固定

7押出し方法と条件(a) ダイス径5mm(b) ダイス径7mm

Fig. 使用ダイス径

11Fig.押出し治具寸法

Fig.押出し治具

ダイス径, DΦ6mm(押出し比)(3.30)

ダイス半角60o

押出し速度3mm/min

潤滑ステアリン酸リチウム粉

8押出し後の特性の評価方法
9302010Leading endSection𝑃
1A or 2A𝑙𝑑𝐴I

𝜌0V𝑃𝑤𝐵𝑤𝐴

𝑙𝑉 =2040𝑙𝑃
𝜀 = 𝑙𝑛𝜎=𝑙0𝐴𝐴
𝜅=𝑉·𝑙𝑉

Compression test

Four-probe method

AB𝑤𝐴
𝜌 = 𝜌0 ·𝑤𝐴 − 𝑤𝐵
𝜌0 : water density

Archimedes method

押出し前のビレット断面における芯材配置
配置：第1層 Al, 第2層Fe, 第3層Cu, シース:Cu

AFC

ACF

FAC

FCA

CAF

CFA

D=6.0mm

D=6.0mm10押出し後の横断面写真
AFCACF

FAC

FCA

CAF

CFA

D=6.0mm

D=6.0mm11

押出し材の特性の実測値と予測値
密度，降伏強度，電気伝導度の測定値と，それぞれの複合則による予測値のレーダーチャート(銅の特性を１として規格化)

密度の逆数

電気抵抗率の逆数

降伏強度

12３特性の実測値と予測値の比較
FFF

AFC

密度

CCC

ACF

FFF

8FAC
CAF

7.5
FCA
7CFA

6.5
AAA

Measured electric resistivity / n·m

6.5

30
28

77.5

8−3

電気抵抗率

22

FFF

AFC

CFA
350

ACF
CAF

CCC

FAC
FCA

300
AAA
350

400

450

実測値と予測値の相関係数：

CAF
ACF

20FCA
CCC
AFC
FAC
18182022400

芯材を単一材料種で構成した場合(CCC, FFF, AAA)の測定値から，単体の特性を逆算で決定し，その特性値を用いて複合則で予測

AAA
CFA

降伏強度

Predicted yield strength / MPa

2624450300

8.5

Predicted density / Mg·m

Measured yield strength / MPa

Measured density / Mg·m

−38.524262830

Predicted electric resistivity / n·m

‣ 密度：0.996‣ 降伏強度：0.983‣ 電気抵抗率：0.967

13まとめ複数の材料特性が指定された材料を設計・創製する（マルチプロパティデザイン）方法を提案し，それを実現する手法として，多芯材の冷間押出しについて検討した．
‣ 銅, 鉄, アルミニウムを芯材，銅をシース材として９種類の配置でビレットを構成し，冷間押出しを行ったところ，断面形状が押出し方向に一様な複合棒材が得られた．
‣押出し材で実測した３つの特性（密度, 降伏強度, 電気抵抗率）は， 複合則による予測値とほぼ等しいことを確認した．
以上のことから，指定された複数の特性を同時に満足する部材のオンデマンド創製は，多芯材の冷間押出しによって，実現可能と考えられる．
14

従来技術とその問題点
現在行われている部材の設計法は、マルチマテリアルデザインを含め、・便覧値を参照した材料選択が行われるた
め最適化が不十分．
・複数性能の満足が困難
・部材の形状設計に試行錯誤が多く，リードタイムが長い．
等の問題がある。

新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術における材料選択のプロセスを排除することが特徴• 新技術では複数特性が同時に満足できる．
• 部材の形状設計の試行錯誤回数が減るため，リードタイムが短縮される．

想定される用途• 提案したマルチプロパティデザインの応用範囲は極めて広い．
• 今回紹介した多芯押出し法は，材料のワンオフあるいは多品種少量生産に合致するので，まずは製品の試作や，プロトタイプなどの製造における応用が考えられる．

• 高価な希少材料を用いる場合は，その使用量を削減できる．複合効果がある場合，特に有効．
• 材料特性の変化（加工硬化や時効）を活用可能．

実用化に向けた課題• 特性を指定するためには，線形計画法に基づくCAE解析が期待される。
• 特性予測の精度向上は機械学習の適用が期待される。
• 製造可否の判定のために加工限界・製造限界の解明は重要。
• 配置の最適化には，トポロジー最適化技術の確立が期待される。

企業への期待• マルチプロパティデザインは，塑性加工によらず接合・接着などの複合化プロセスでも実現可能．
• マルチプロパティデザインは，材料の複合化によらず単一材料でも実現可能．
例えば，加工あるいは熱処理条件の制御による強度と延性のバランスなど．

• プロパティデザインには，材料物性のみならず，材料単価，加工賃，納期などを含め拡大して解釈するとよい．
• マルチプロパティデザインを活用するには業界の垣根を超えたアプローチが有効．

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：複合金属材料およびその製造方法• 出願番号 ：特願２０２１－１６６７１
• 出願人
：大阪大学
• 発明者
：宇都宮裕、谷口大將、宮本丈二、松本良産学連携の経歴• 国内の主要材料メーカーのほとんどと共同研究を実施• 重工業・自動車・電機メーカーとも共同研究を実施．
• 複数企業の技術アドバイザーを歴任• 多数の社会人ドクターを養成• 物材機構(NIMS)，鉄道総研などの研究所とも共同研究• 海外メーカや海外大学とも共同研究を実施• 2020年より，大阪大学科学機器リノベーション．工作支援センターのセンター長を兼任お問い合わせ先
大阪大学
共創機構 イノベーション戦略部門 知的財産室<ＴＥＬ> 06－6879－4861<e-mail> tenjikai@uic.osaka-u.ac.jp