オーストラリアのロイヤルメルボルン工科大学（RMIT大学）の研究者らは、自然界にも、そしてこれまで製造された素材でも類を見ないレベルの重量と強度を誇る3Dプリント「メタマテリアル」の開発に成功した。

このメタマテリアルでは、2つの異なる格子構造を組み合わせて使用することで、このような複雑な形状に通常見られる弱点を克服することに成功している。つまり、強度と重量だ。研究チームによると、この素材は、航空宇宙用途で使われる同程度の密度を持つ次に強い合金よりも50％強いという。この新素材は、医療用インプラントから航空機、ロケットに至るまで、あらゆるものに重要な影響を及ぼす可能性がある。

この構造のアイデアは、多くの発見がそうであるように、自然界の観察から始まった。これまでにも研究者らは、茎の中が空洞のスイレンやオルガンパイプのサンゴのような中空の「細胞構造」を独自に作り出そうと試みてきたが、その努力は製造上の問題や負荷応力の問題によって挫折し、失敗に終わってきた。

「理想的には、すべての複雑なセルラー材料の応力は均等に分散されるべきです。しかし、ほとんどのトポロジーでは、材料の半分以下が主に圧縮荷重を負担し、それ以上の体積の材料は構造的に重要でないことが一般的です」と、Ma Qian特別教授は声明の中でこう説明している。

研究者たちは、管状格子の上に2つ目の格子を重ねて補強し、管と接合部を通る薄いX字型の断面を追加することで、圧縮試験で荷重をより均等に分散させた。

「私たちは中空の管状格子構造を設計し、その中を細いバンドが走っています。この2つの要素が組み合わさることで、自然界では見たことのない強度と軽さが実現しました。2つの補完的な格子構造を効果的に融合させ、応力を均等に分散させることで、通常応力が集中する弱点を回避しています」と、Qian氏は説明する。

非常に複雑な形状だが、金属3Dプリンティングが提供する前例のない革新的なソリューションがこれを可能にした。この不思議な新素材を作るため、Qian氏らはRMITの先進製造管区で、レーザー粉末床融合と呼ばれる技術を使って設計を3Dプリントした。この手法では、高出力のレーザービームで金属粉末の層を溶かし合わせる。

研究者らは出来上がった立方体をテストし、マグネシウム合金WE54（航空宇宙で使用される同程度の密度の材料）を鋳造したものより50％強いことを発見した。

また、この構造は二重格子設計であり、亀裂が入ってもたわませることができるため、靭性が損なわれることはない。

このキューブは、利用可能な3Dプリンターによってミリメートルから数メートルの大きさまで拡張可能で、そのままでは350℃まで、耐熱性の高いチタン合金にアップグレードすれば600℃までの耐熱性があるとのことだ。

研究者によれば、このメタマテリアルは、強度と軽量化が重要な分野で有用であり、航空機やロケットの部品が商業的に応用される可能性があるという。また、興味深いことに、医療用骨インプラントにも便利だという。複雑で部分的に空洞のある形状は、身体と融合するにつれて、最終的には再生した骨細胞で満たされる可能性がある。

「現在、高強度・軽量が要求される商業用途で使用されている最も強度の高い鋳造マグネシウム合金と比較すると、同程度の密度を持つ我々のチタンメタマテリアルは、製造がより現実的であることは言うまでもありませんが、はるかに強度が高く、圧縮荷重による永久的な形状変化の影響を受けにくいことが示されました」と筆頭著者Jordan Noronha氏は説明する。

問題はこれが簡単に製造できるかだが、「誰もが倉庫にレーザー粉末床融合機を持っているわけではありません。しかし、この技術が発展すれば、より利用しやすくなり、印刷プロセスもより高速になるため、より多くの人々が我々の高強度マルチトポロジー・メタマテリアルを部品に実装できるようになるでしょう。重要なのは、金属3Dプリンティングによって、実際の用途に向けたネットシェイプの製作が容易になることです」と、Qian氏は指摘する。

RMITの研究チームは、さまざまな用途でこのメタマテリアルの共同研究や商品化を検討している企業を募集しており、より高い強度と軽量化を求めて格子設計の改良を続けていくとしている。

論文

• Advanced Materials: Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength

参考文献

• RMIT University: 3D printed titanium structure shows supernatural strength

研究の要旨

付加製造されたメタマテリアルは、構造的な革新によって設計され、通常とは異なる機械的特性や多機能特性を実現することができるセル状材料である。その中でも、中空ストラット格子（HSL）メタマテリアルは、軽量化、バイオメディカル、マイクロ流体、熱工学に理想的な多機能アーキテクチャを備え、卓越した構造効率を可能にすることが証明されています。その構造効率を生かし、機械的エンベロープを大幅に拡張するために、薄板格子トポロジーをHSLトポロジーの内部中空空間にシームレスに統合しています。この統合は、不規則なHSLノードの変形に対する耐性を根本的に強化することと、新しいトポロジーに加わる応力を均一に分散させて比類のない強度を実現することという、2つの目的を果たす。密度が1.0～1.8 g cm-3のチタン合金Ti-6Al-4Vで作製されたこの薄板集積中空ストラット格子（TP-HSL）メタマテリアルは、様々な金属合金で作製されたHSLやソリッドストラット格子（SSL）メタマテリアルを含む、すべてのセルラーメタルの経験的上限を大きく上回る相対降伏強度を達成している。さらに、その絶対降伏強度は、Ti-6Al-4Vの高耐食性、生体適合性、耐熱性、およびその他のユニークな特性を継承しながら、同等の密度を持つマグネシウム合金のそれを大幅に上回っています。チタンマルチトポロジーメタマテリアルは、軽量多機能金属材料の境界を広げる。