三次元異方性カスタマイズ化設計・付加製造拠点の構築と地域実証－異方性により機能を自在にコントロールできるイノベーションスタイルの確立で新市場を創出－

発表者：大阪大学 教授 中野 貴由
研究テーマ責任者：大阪大学 教授 掛下 知行
参画機関：（NEDO直接委託先）（大阪大学再委託先）

大阪大学
パナソニック株式会社
大阪産業技術研究所

帝人ナカシマメディカル株式会社
川崎重工業株式会社
大阪府立大学北須磨動物病院
京都大学
東京大学

革新的設計生産技術における位置づけ
多様なニーズに応じた設計に対応できる、複雑な形状や、多様な材料を用いて従来にない機能を実現する生産技術が重要
3D造形技術製品機能性

ナノ修飾材料

傾斜材料・異方性材料
高付加価値品

実用品

超マイクロ造形
チタン
合金 超耐熱合金

スーパ
エンプラ

ソフト
マター系
ゲル、
ラバー

生体医療・航空機

生体医療・航空機・
介護ロボット・スポーツ

模型(ﾓｯｸｱｯﾌﾟ)

機能性付加技術

高精度造形・
直接造形

超低密度
高強度
セラミックス

表面処理
セラミックスコーティング、金属コーティング等
異種材料の分子接合

今後期待される技術領域(SIPの技術開発領域)

生体・航空機(鋳型)・
フィルタ

従来の技術領域
金属樹脂・高分子
材料

セラミック
1

目次

１．背景
２．目標
３．実施内容のアピールポイント
４．研究開発成果
５．社会実装に向けての提案
６．まとめ

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研究背景
【背景（課題）】『Society5.0』の実現を目指した、多様なニーズに対応する高付加価値製品の創出には、既存のものづくりの枠を超えた、素材を含む上流設計の考え方と、それを実現する革新的な生産技術の普及が必要【目的（解決策）】
超スマート社会実現に向け、異方性概念とカスタム設計手法＋最新の付加製造技術（3Dプリンター）や進化の著しいネットワーク化やサイバー空間利用技術を融合させ、高付加価値な製品やサービスを創出し続ける「新たなものづくりシステム」のプロトタイプ
開発とその普及に向けものづくりプラットフォーム（実証拠点）の構築を行う
異方性： 人工物の組織・構造が等方性（均一）なものに対し、自然界の異方性（生体模倣）に着目し、必要な方向に高機能を発揮させること3

阪大拠点の特徴
等方性と異方性機能のあらゆる方向への均一性

必要な方向に高機能性能発揮異方性（生体模倣）

等方性
人工物（中程度の機能）

自然界の構成物（生体組織や植物など）

植物
アルミ・鉄・銅骨、生体組織製品に高機能化が求められる中、必要な方向に超高機能性を発揮するような異方性を従来の等方性に融合させる「新たなものづくり発想と実証の場を拠点化」
4

目 標
1. 新価値創出に向けた新カスタム設計手法の確立
マイノリティ分析 上流設計手法( トポロジー最適化 )の実証と地域企業での活用
2. 材料異方性を活用したデバイス開発と実用化
 ガスタービンブレード用の異方性高温耐熱部材の開発
 先端獣医療用の異方性カスタム骨インプラントの開発
 自動車･情報通信用の異方性冷熱デバイスの実用化実証
3. 成果の検証・普及のための周辺環境の整備（システム化） マイノリティ分析普及用ツールの開発
 CPS＆3DP＊1 高付加価値設計ツールの開発
 トポロジー最適化プログラムの普及展開
 異方性カスタム骨インプラント普及用設計ツール開発
4. ものづくりプラットフォームの構築 地域の中堅・中小企業向け普及拠点（大阪産業技術研究所）と新技術を普及拠点に供給し続ける研究開発拠点（大阪大学 AM研究開発センター）の構築と継続＊１：CPS：サイバー・フィジカル・システム，3DP：3Dプリンター

5研究開発成果①：マイノリティ分析

データ
読み込み

価値観分析
価値
観分類
エン
ジン

GUI

アンケート
結果

ユーザーマッピング

ユーザー分類

仕様
検討
エン
ジン

独 統
自 計の 解析の開 知
発 識に がよ なり い、 方直 も感 、的 分に 析分 プ
析 ロセ・
可 ス
視 の化 プロが グ
可 ラ
能 ムに 化！ 、分類ごとにサンプル仕様分析

・ユーザー分類・対象形容詞の切替が可能

形状プレビュー

・試作サンプルを使って、ユーザーの好みを半自動で分析・可視化する－どんなイメージを好む人が多いのか？
－「よさのポイント」はどこか？

・分析結果の仕様がチューニング可能で、設計ツールと連携し形状を自動リモデリング・形状だけでなく、色・柄や機能・性能などの分析にも展開可能

6

ツールによる普及活動

社会実装に向けて
マイノリティ分析（統計手法）

設計ＤＢ

商品外観イメージ
シンプル・ワイルド・新しい
かっこいい・おしゃれ・さわやか・清潔感♪

因子分析
非階層型k-means法クラスタ分析
数量化Ⅰ類分析

機能・技術（設計要素）
商品パッケージ
パッケージ仕様・パッケージメイン色・メタリック有無・文字量・英文字量・フォント・文字縁取り有無

イメージBな商品を買いたい→

日用品製造販売 A社
魅力的な商品パッケージの分析

高付加価値（要素価値）例）グループ②が好むパッケージ仕様の分析

イメージAな商品を買いたい→サンプル

出典：本多プラス株式会社様 HPより

打合せ風景（10/13）

7

ツールによる普及活動

社会実装に向けて
高付加価値設計ツール●日用品の外観デザインについて、設計ツールを使ってテストユースを実施中

実施： 共立電子産業
コミュニティ・ラボ／YOKOITO

共立電子産業（株）（株）コミュニティ・ラボN5.5

・ LED照明の拡販に電子工作教室で活用
大阪日本橋 共立電子産業㈱・ 古民家を改装したギャラリーで展示会
京都 ㈱ｺﾐｭﾆﾃｨ･ﾗﾎﾞ，㈱YOKOITO
普及拠点としての役割

トポロジー最適化プログラム（他拠点の成果普及）(株）ATOUN● 大阪産業技術研究所がトポロジ
ー最適化プログラムを参画企業に提供してテストユースを実施中・ 構造最適化で材質変更によるコスト削減
パワーアシストスーツ ㈱ATOUN
・ 構造最適化で機能と意匠性の両立 マグネシウム→アルミニウム
部品の50%
建築金物（ドアノブ） ㈱シロクマ
コスト削減

実施：大阪産業技術研究所（株）シロクマカスタムデザイン
ドアノブ

アシストスーツのフレーム

今までにないNEWデザイン
強度・機能保証の新意匠

8

研究開発成果②：異方性高機能タービンブレードⅠ

9研究開発成果②：異方性高機能タービンブレードⅡ
異方性付与に成功

材質＋形状同時制御に成功

造形方向

高温耐熱材料で精密鋳造品に匹敵する造形精度を達成

さらなる高みへ超高融点MoSi2（融点：2030℃）の採用に挑戦
C11b-MoSi2

熱膨張率

連続的熱膨張率制御により，異方的特性を有する三次元造形に初めて成功

これまでに例のない，次世
代超高温構造材料としての遷移金属ダイシリサイドの３次元形状付与，結晶方位制御を同時達成↓
次世代宇宙往還機，革新的超高温発電タービンへの適応が期待10

研究開発成果③：異方性カスタム骨インプラントⅠ
積層造形品

異方性機能11

大弾性率
<110>

<110>

<100>

<100>

<110>

<110>

<100> <100> <100> <100> <100><110> <110> <110><110> <110> <110>

荷重負荷研究開発成果③：異方性カスタム骨インプラントⅡ

小12

ツールによる普及活動

社会実装に向けて異方性カスタム骨インプラント

実施：先端獣医療コンソーシアム（大阪府立大学内）

特徴： 金属３Ｄプリンターを活用し、原子配列を必要な方向に制御することで、高機能性を発揮する「異方性カスタム化」により、成長産業分野へ貢献。一例として、骨折治癒では、低ヤング率カスタム骨インプラント開発により、手術および治癒期間の大幅短縮を目指す【第１ステップ】（2017年2月1日実施）【第２ステップ】（2017年11月 実施予定）
カスタム骨インプラントの有効性検証

異方性カスタム骨インプラントの開発・有効性検証［大阪府立大学で設計］（大阪大学において異方性原子配列解析中）［大阪大学の金属３Dプリンターで造形］

上：チタンカスタム骨インプラント ［インプラント設計ツールを同時開発］
下：市販ステンレスプレート

獣医師の負担も軽減【手術時間の30％削減を達成】（大阪府立大学獣医学部による検証結果より）

ヤング率107GPa⇒60GPa【骨質劣化を防止し、治癒期間を短縮】（チタンは生体親和性は良いが、高強度により骨の成長を阻害することが課題）13

ツールによる普及活動

社会実装に向けて異方性カスタム骨インプラント

ボーンプレート設計ツール

頭蓋骨プレート設計ツール

先端獣医療コンソーシアムにおいて、設計ツールを活用した普及活動を展開

14

研究開発成果④：異方性カスタム冷熱デバイス

製品化実証のための体制を確立
通信デバイス・アミューズメント用途・車載用の実証品を試作中

15

波及効果と出口戦略

16拡大する産官学の普及拠点
チタン合金

材料開発 超高温材料

設計・シミュレーション 造形温度計測

アMSC
超硬合金
プ
京都大学 設計ツール
Marc
電子ビーム加工解析
山陽特殊製鋼３D-CAD COMSOL
J社
ソフトキューブ リ
品質管理
Solidworks
３D-CAD
N社
流体制御
ケAutodesk
装
熱伝導・凝固解析
システムアップ
FUSION360
インバー合金開発
K社
大塚商会 ーO社
造形ソフト
置L社
レーザービーム造形
シMateriaｌise
ﾄｰﾀﾙｱｼｽﾄ
EOS
分析ツール
マイクロCTョ
マイクロCT
構造計画
阪大拠点
ロイスエンタテ
電子ビーム造形
リガク【異方性造形用特殊粉末開発】
研究所
インメント ンArcam
大阪チタニウム
テクノロジー

M社

解析

ﾄﾎﾟﾛｼﾞｰ最適化

P社

大阪府工業協会／ ３Ｄプリンタービジネス研究会／大阪産業経済リサーチセンター／生産技術振興協会

普及の場
大阪産業技術研究所
普及の場
航空宇宙部品医学
医学
インプラントタービンブレード
京都大学 東京大学帝人ナカシマ
川崎重工業
ヘ カスタム骨インプラント
ロケット部品
F社
先獣医学
メディカル
高機能材料
H社
ル 先端獣医療超高温ヒータ大阪府立大学
端I社
E社
コンソーシアム
椎体デバイス 冷却デバイス
ス
パワーアシスト獣医療
産
カスタム個電・金型
D社 冷熱デバイス
C社
ケ 北須磨動物病院
ATOUN
業
G法人
ﾃﾞｼﾞﾀﾙﾌｧﾌﾞﾘｹｰｼｮﾝバルブ
ア
コンサル・リノベパナソニック
ロボット/ＩｏＴ
住宅部品
日用品製造販売YOKOITO コミュニティ
B社
共立電子産業シロクマ
A社
・ラボ くらしまとめ
設計技術：先行ユーザーでの事業化と阪大拠点を中心とした開発、実証拠点での導入、普及活動
生産技術：SIP内外への技術移転による実用化と金属３Dプリンター技術普及の場を構築
出口戦略：阪大AM開発センター、大阪産業技術研究所によるSIP終了時点の実用化と持続成果創出
金属AM事例

異方性カスタム

先端獣医療コンソーシアムの設立
普及展開

結晶方位を制御することで，様々な材料特性を実現

実用化・汎用化
ヘルスケア

テストユース，自動設計ツールによる診断フィードバック
異方性カスタム設計 金属積層造形

拠点構築
異方性カスタム設計・ＡＭ研究開発センター
先端産業＋ 大阪産業技術研究所
革新的な設計・生産技術を研究開発／普及する拠点

原子配列制御による部位に応じた硬さ変化の実現

異方的結晶配向制御による高機能化

電子ビーム
金属AM

ﾚｰｻﾞｰﾋﾞｰﾑ
金属AM

ﾚｰｻﾞｰﾋﾞｰﾑ
金属AM

今後の展開： 高機能・高温耐熱材料創成への異方性技術の進化
コンソーシアムや拠点化企業と連携した出口を見据えた製品開発

ﾚｰｻﾞｰﾋﾞｰﾑ
金属AM

18

おわり19