金属用 3 次元プリンタを用いた機能性摺動表面の開発
東京理科大学 機械工学科教授 佐々木 信也（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014216）
キーワード：金属３D プリンタ，トライボロジー，表面テクスチャ，キャピラリー構造

１．研究の目的と背景

特殊な部品に限定されることなく利用可能な製造技術に近年，機械部品等の形状創製において，従来の除去加工なるものと考えられる．このような背景のもと筆者らは，や変形加工に代わる付加製造（Additive Manufacturing）

３D プリンタの特長を表面テクスチャ創製プロセスとし技術に注目が集まっている．具体的には，光造形法によるて活用することにより，新しいタイプのトライボシステム

ラピッドプロトタイピングからラピッドマニュファクチの創造を目指した研究開発を開始した．

ャリングとして積層造形技術が進歩する中，実用的な金属

図 1 に AM 法 の １ つ で あ る 選 択 的 レ ー ザ ー 溶 融

3D プリンタの出現により，このような付加製造技術がも（Selective laser melting: SLM)法の概略を示す． 金属のづくり革命をもたらす新しい技術潮流を先導するもの

プリンタによる形状創製における特長は，除去可能では困として大きな関心と期待が寄せられている．

難とされる工具が届かない内部構造を一体で作製可能な

金属３D プリンタの応用例としては，複雑な 3 次元構造を点にある．また，ラティス構造を，部品内部に創製するこ有する金型やチタンや耐熱合金製の航空宇宙用などの特とにより，軽量かつ十分な強度を有する部品を製造するこ殊部品類が取り上げられることが多い．これは現状の高いとも可能である．現在の SLM 式金属プリンタ技術では，数製造コストを踏まえ，より付加価値が高くしかも従来の除十ミクロンの球状金属粒子を原料として，サブミリ程度の去加工や変形加工では困難とされる製品製造において，そ精度で 3 次元構造を造形することが可能である．の技術的優位性を示すことが目的であるためである．しか機械要素の摺動面において，潤滑不良は故障の一因となし近い将来，技術としての完成度が高まり普及も進めば，るため，これを改善する様々な対策が行われている 1)．その手法の 1 つに表面テクスチャリングがある．表面テクスチャリングとは，摺動表面に微細な幾何形状を施すことで，基材や潤滑油を変更することなく摩擦特性を改善する技術であり 2)，例えばテクスチャとしての微小ディンプルに潤滑油を保持することで，境界・混合潤滑下における油切れ防止効果が発現することが知られている 3)．しかしながら，従来のテクスチャリングでは，よりシビアな摺動条件下における油切れを防止することは限界があり，摺動特性のさらなる改善を目的とした新たな機能性表面の創製が期待されている．
実際のトライボロジー要素は，運転状況によって潤滑状態が変化するとともに，なじみ後に続く安定状態にあってもその表面は変化を免れない．特に混合・境界潤滑状態においてテクスチャリング効果を発現させるためには，予め初期のテクスチャが変化することを織り込んだ表面設計，すなわち摺動面アーキテクチャが重要となる．トライボロ

図１

SLM 式金属３D プリンタの造形法の概略

ー挙動は，表面の極微小な領域での特性によっても支配されるため，摺動面アーキテクチャの構築に当たっては，表面の形状及び組成の空間分布をナノ・マイクロからマクロレベルまでの連続したスケールで扱うことも重要な視点である．そこで，シームレスなスケールにおいて支配的となるトライボロジー現象を階層的に捉え，それぞれに対応力がつりあう高さまで上昇することから

2r cos  hr2 gという関係式が得られ，液柱高さ h は，hした適切なテクスチャを統合することによりトータルとしての性能向上を図るというものが，筆者らの提案したマ(1)

2 cosgr(2)と表すことができる．

ルチスケール・テクスチャリングの概念である４）．さらに，表面損傷の進行や摩擦環境の変化に能動的に対応するためには，自己適応（self-adaptive）する機能表面の創製が必要となる．これには，マルチスケール・テクスチャリ
ングの概念を発展させた，自己修復性と環境適応性を有する生体皮膚などを模倣（バイオミメティックス）する摺動面アークテクチャを構築する必要がある．
筆者らは，バイオミメティックスによる摺動面アーキテクチャを実現する鍵は，摺動部に必要とされる物質を適宜

図２

毛細管現象の概念供給可能なしくみを表面の構造として構築することと考式(2)で与えられる液柱高さを算出するために，潤滑油えた．そして，物質輸送のための微細 3 次元構造の創製に，基油（Poly-alpha-olefin4 ; PAO4）の表面張力 γおよび新しいものづくり技術として注目されている金属３D プ

PAO4 の金属表面（SUS 630）に対する接触角θを接触角５）リンタの活用を提案し ，その１つの具体例として，毛細計（Phoenix，メイワフォーシス）により測定した．算出

管現象を利用した潤滑油循環システム（キャピラリー構造）

した液柱高さの妥当性については，図 3 に示す液柱高さ評を考案した．キャピラリー構造とは，摺動面外に排出され価試験片を作製して検証を行った．液柱高さ評価試験片は，た潤滑油を回収し，毛細管現象により 3 次元微細配管を通潤滑油を表面に供給するパスと潤滑油貯蔵部を有しておして再び摺動表面へ潤滑油の供給を可能とする構造であり，両者は試験片内部で繋がっている．パスの直径は 0.4る． しかしながら，従来の除去加工や成形加工ではキャmm，0.8 mm，1.6 mm，2.0 mm とし，それぞれの深さピラリー構造の実現は困難であったため，造形形状精度のを 15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，高い SLM 式金属３D プリンタによるキャピラリー構造を有50 mm とした．PAO 4 を潤滑油貯蔵部が満たされるまでした機能性摺動表面の創製を試みた．

注入し，PAO 4 液面が表面まで到達することを以って液本研究では，SLM によりキャピラリー構造を有する試柱高さを評価した．

験片を作製し，潤滑油供給機能ならびに摺動特性について調査した結果を報告する．

２．実験方法2・1

キャピラリー構造の原理

図２に毛細管現象の概念図を示す．毛細管現象とは，液体が表面張力により細管の内部を浸透する現象である(5)．
液体の表面張力をγ，液体の表面と細管の表面が成す接触角をθ，液柱高さを h，細管半径を r，液体の密度をρとする．管内の液面は，表面張力の合力と液柱に作用する重図３

液中高さ評価試験片の外観

2・2摩擦試験片

2・4

焼付き試験

キャピラリー構造を有する試験片は，SLM 式金属３D プ

図 6 に示す往復動摩擦試験機（SRV4，Optimol，GE）をリンタ（ProX 300，3D Systems，US）により作製した．試

使用し，シリンダー・オン・ディスク型摩擦試験にて焼付

験片材料には SUS630 を用いた．図４に作製した試験片のき試験を行った．潤滑油 PAO 4 を潤滑油貯蔵部に 300 µL概略を示す．

注入後，さらに摺動面に 50 µL 滴下した．表 1 に摺動条件を示す． 試験は 5 分毎に荷重を 5 N ずつ 100 N まで上昇させた．今回，摺動試験開始から摩擦係数が 0.3 以下で安定するまでをなじみ過程とし，なじみ過程後の摩擦挙動が安定的に経過する中で，摩擦係数が急上昇し 0.4 を超える高い値が 3 秒以上継続した場合を焼付きと判断し，摩擦試験を終了した．

図４キャピラリー構造試験片

表 1 摩擦試験条件
(a)

(b)

荷重[N］
温度
［℃］
ストローク［mm］
速度［Hz］

図５5～10080
1.010

比較試験片
(a)ノンテクスチャ，(b)ディンプル

キャピラリー試験片は潤滑油を摺動面に供給する細管と，摺動面から漏出した潤滑油を保持する潤滑油貯蔵部を有しており，両者は試験片の内部で繋がっている．細管の直径および深さはそれぞれφ0.4 mm，6.9 mm とし，直線上に 1.5 mm の間隔で 5 つ配置した．また，潤滑油の供給が毛細管現象により行われていることを確認するため，潤滑油貯蔵部の深さを 4.9 mm とし，細管深さより 2 mm 低く設計した．また，摩擦特性の比較材料として，図 5 に示すような摺動面にディンプルを有していないノンテクスチ
ャ試験片と細管－貯蔵部間が繋がっていない（従来型ディンプル）試験片を 金属プリンタにて作製し比較評価した．

2・3

細管による供給機能

試験片の潤滑油貯蔵部に潤滑油 PAO4 を 300 µL 潤滑油貯蔵部に注入し，摺動面に潤滑油が存在しない状態で摺動試験を行った．摺動試験にはバウデン・レーベン型往復動摩擦試験機を使用し，PAO 4 が摺動面に供給される様子をビデオカメラにより撮影した．

図６

往復動摩擦試験による焼付き試験の概略

３．実験結果
3.1

毛細管現象の検討

接触角計による測定結果を以下に示す．PAO 4 の表面張力γは 26 mN/m とした，PAO 4 の SUS 630 に対する濡れ性は良好であり，接触角θは濡れ性測定器において評価が出来なかったため，θは 0 とした.また PAO 4 の密度ρは0.82 g/cm3 とした．以上の結果から，直径 0.4 mm のパスにおける PAO 4 の液柱高さは，式(2)より

h2 cos2  26  103  cos 0 32  10 3gr0.82  103  9.8  0.2  10 3(3)32mm と算出された．液柱高さ評価試験の結果を表 2 に示す．表 2 中の〇は PAO 4 が表面に供給されたことを表し，✕は供給されなかったことを表す．パスの直径が 0.4

図７

摺動中の摩擦界面における潤滑油挙動

mm の場合は液柱高さが 30 mm 以上，35 mm 未満であり，パスの直径が 0.8 mm の場合は液柱高さが 15 mm 以上 20 mm未満であることが確認された．パスの直径が 1. 2 mm，1.6mm においては供給が確認されなかった．以上の試験結果
から，式(2)で算出される液柱高さは，表 2 で示した液柱高さの範囲内であり適切であることが確認された．

直径[mm]

3.20.40.81.21.6

表2

液中高さの評価結果

15〇〇
✕
✕

高さ [mm]
253035〇〇✕✕✕✕✕✕✕✕✕
✕

20〇
✕
✕
✕

40✕
✕
✕
✕

50✕
✕✕✕

細管による潤滑油供給機能

図 7 に摺動中の潤滑油の挙動を観察した画像を示す．図7 (a)より，試験開始時では表面にメニスカスは確認されなかった．次に，図 7 (b)より，摺動に伴いシリンダーと図8各試験片の焼き付き荷重ディスク表面間にメニスカスの発生が確認された．これは毛細管現象により潤滑油が貯蔵部から摺動表面まで供給3.3焼付き性能されたことによるものと考えられる．また図 7 (c)より，

図 8 に SRV 摩擦試験機による焼付き試験の結果を示

摺動開始時と同一の位置においても PAO 4 由来のメニスす．なじみ過程終了後，ノンテクスチャおよび従来型ディカスが確認された．これらのことから，キャピラリーを通ンプル試験片はそれぞれ 50 N，45 N において，摩擦係数して潤滑油がディスク表面全体に供給されたものと考えの急上昇が確認された．一方で，キャピラリー構造試験片られる．この結果からキャピラリー構造試験片は潤滑油のでは，0.4 を超える急激な摩擦係数の上昇は確認されず，回収および供給に有効であると考えられる．

試験終了時まで比較的安定した摩擦挙動を示した．尚，焼謝付き荷重は，従来型ディンプルなどの同一形状サンプル内辞でばらつきが見られたが，キャピラリー構造試験片におい本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究開発助ては，ばらつきはほとんど見られなかった．これらの結果

成（AF-2014216）により実施した研究に基づいていることから，従来の表面テクスチャリングと比較して，キャピラを付記するとともに，同財団に感謝いたします．

リー構造は耐焼付き性の向上に有効であると考えられる．

参考文献

キャピラリー構造による潤滑油の安定的な供給によって，焼付きが抑制されたものと推察される．

1)

佐々木：” マルチスケール表面テクスチャリングによるトライボロジー特性の制御について”,塑性と加工，４．結論
SLM 式金属 3D プリンタにより潤滑油循環摺動面を作製

56，657（2015）49-53
2)

し，潤滑挙動の観察および焼付き性評価を行った結果，以texturing

下の知見を得た．
1)

2)

frictionbehaviorofsilicon

International, 44 (2010) 579 – 584.
3)

キャピラリー構造による潤滑油循環機構は，従来の表面テクスチャリングと比較し，耐焼付き性の向上

onnitride under lubrication with water”，Tribology

キャピラリー構造は，潤滑油の供給および潤滑油回収機能を有する．

H.Yamakiri, et.al.:“Effects of laser surface

佐々木：” 表面テクスチャリングによるトライボロジー特性の向上”, 表面技術，65，12 (2014) 568-5724)に有効である．

佐々木:“しゅう動面アーキテクチャとマルチスケー
ル･ テクスチャリング”，トライボロジスト，60，4（2015）241-248

今後は，青銅などの摺動部材として一般的な素材について，SLM 方式金属 3D プリンタによる造形技術を確立することにより，3 次元微細テクスチャ構造の機械システム摺動面への展開を図る予定である．

5)

佐々木: “3D プリンティングによる表面テクスチャ
創 製 と ト ラ イ ボ ロ ジ ー ”， 月 刊 ト ラ イ ボ ロ ジ ー ,329(2015)33-41