銅、ダイヤモンド、ビーム成形が3Dプリンティングに革命をもたらす方法

ウルヴァーハンプトン大学とともに

2025年5月15日 | 読了時間：5分

 

アディティブ・スナック・ポッドキャストの魅力的なエピソードにおいて、ホストのファビアン・アレフェルトは、英国ウルヴァーハンプトン大学の3人の主要人物——アルン・アルジュナン教授、AM商業化マネージャーのジョン・ロビンソン、知識交流担当アソシエイトのマンプリート・シン——と深い議論を交わした。

この対話は、同大学の25年にわたる積層造形（AM）分野における目覚ましい歩みを浮き彫りにし、先駆的な研究、重要な産業界との連携、そして人材育成への取り組みを紹介した。

革新の遺産：レーザー粉末床溶融技術の25年

ウルヴァーハンプトン大学は、レーザー粉末床溶融技術をいち早く導入した学術機関の一つとして、1999年に研究を開始した。アルン・アルジュナン教授は、同大学が主に金属分野に焦点を当てた豊富な歴史と、難加工材料向けのプロセスパラメータ開発における高度な専門性を詳述した。初期の成果には、航空宇宙およびモータースポーツ用途向け チタンの 造形における先駆的研究が含まれる。

ジョン・ロビンソンは、2009年に学部生として大学での自身の歩みを始めた人物であり、初期のEOS M 250からEOS M 290に至るまで、様々なEOSカメラの実機操作経験を共有した。 EOS M 290 、そして最新のAMCM NLightシステムに至るまで、幅広いEOSマシンの実体験を共有した。

同氏は、チタニウム加工の先駆的機関としての大学の役割を強調した。この加工にはEOS M 270装置への特別な改造が必要であった。ロビンソンの経歴には、ジャガー・ランドローバーやクックソン・ゴールド（貴金属用レーザーパラメータ開発）での産業経験が含まれ、最終的にウルヴァーハンプトンに戻り、赤外線レーザーによる反射が困難な材料として知られる銅と銀のパラメータ開発に注力することとなった。

テルフォードキャンパス、工学部

限界への挑戦：銅から銅-ダイヤモンド複合材料へ

議論全体を通じて重要なテーマとなったのは、大学が特に銅をはじめとする高導電性材料で成し遂げた画期的な研究であった。

ジョン・ロビンソンの銅銀合金に関する博士論文研究により、銅の印刷に初めて400ワット未満の電力で成功した。この専門技術は、電池メーカーであるAceOn社との知識移転パートナーシップにおいて極めて有用であった。大学チームは、三重周期最小曲面（TPMS）を採用した積層造形による銅製ヒートシンクを開発した。この最適化されたヒートシンクは、特に高温環境下において、電池パックの熱管理を大幅に改善した。

その後、会話はさらに斬新な素材へと移った。銅とダイヤモンドの複合材料である。ジョン・ロビンソンは、この開発（現在特許出願中）が、ダイヤモンドコーティングプロセスを専門とする企業「ダイヤモンド・ハード・サーフェース」との共同研究から生まれたと説明した。

ダイヤモンドは銅の半分の密度でありながら熱伝導率は4倍であるため、電気自動車などの用途において軽量かつ高性能な熱管理ソリューションとして大きな可能性を秘めている。特に重要なのは、ダイヤモンドが電気的に不活性である点だ。つまり銅とダイヤモンドの比率を制御することで、熱特性と電気特性の両方を特定の用途に合わせて調整できる。例えば、効率的な放熱を必要とする電子機器の絶縁体として活用できる。

驚くべきことに、ロビンソンは、この複合材料が微細化銅ほど高価ではなく、熱伝導性の向上と興味深い電気的特性を、潜在的に低コストかつ軽量で提供できると示唆した。アルジュナン教授は、こうした材料が単なる代替品ではなく、技術開発における根本的な障壁への解決策であり、より小型・軽量・高出力の電子機器を実現すると強調した。

卓越センター：AMの未来を形作る

ウルヴァーハンプトン大学に新設された積層造形技術卓越センターは、現行のAM技術における主要な制約の克服に取り組む態勢を整えている。同センターの主要技術的焦点は「形状レーザー粉末床溶融法（SLPBF）」に置かれ、単一点からリング形状までビームプロファイルを変化させられる革新的なNLightレーザーを活用する。

これは、塗装時に隅には小さなブラシを、広い面積にはローラーを使用するのと同様であり、必要な箇所で細部まで丁寧に仕上げられると同時に、広い領域では構築速度が大幅に向上します（スポット径が最大200％増加する可能性あり）。当センターは、品質と密度に加え、生産性とコストを主要変数として組み込み、プロセスパラメータ開発の確立された手法を拡大することを目指しています。

物質面では、同センターは低ワット銅印刷の成功を活かし、高導電性材料に注力する。第二の柱は多材料印刷であり、導電性金属と絶縁体を組み合わせるもので、銅-ダイヤモンド複合体が代表例となる。 第三の柱は熱電材料に焦点を当てる。設計の自由度を活かしてこれらの材料を積層造形できれば、エネルギー回収や先進的な熱交換器への実用化が可能となり、熱放散が制約要因となる小型・高出力密度の電動モーターを実現することで、次世代コンピューティング、防衛、電気自動車分野に影響を与えるだろう。

産業への影響と労働力開発

マンプリート・シンは、大学の研究成果の商業化と産業向けAMシステム提供への取り組みを強調した。同大学は自動車、電池製造、医療（例：TPMS構造を有するコバルトクロム製患者特異的インプラント）など多様な分野において、地域および国内産業との知識交流パートナーシップや協業を積極的に推進している。

大学はAM分野におけるスキルギャップを認識し、学術コースと継続的進歩開発コースを提供しています。EOS Additive Mindsなどの機関と共同開発されたこれらのプログラムは、AMの経験がない初心者から、EOS M 290 などの高度なシステムに関する実践的なトレーニングを求める方まで、様々なスキルレベルに対応しています。

この取り組みは労働力のスキル向上を目的としており、産業界がAM（積層造形）技術を採用する自信を与えるものである。ジョン・ロビンソン氏は、AMが他の学位課程に深く統合されていると付け加え、AMに特化した修士課程の設置に向けた協議が進行中であると述べた。博士課程の研究もこれらの先進プロジェクトと密接に関連しており、銅-ダイヤモンド材料に取り組む学生や、タンタルおよびモリブデンの形状レーザー加工開発を計画している博士課程学生が含まれる。

より広範なビジョン：持続可能で強靭な未来に向けたAM

議論では、AMが持続可能性や軽量化、製造拠点の再配置の可能性において果たす役割にも触れられた。 アルジュナン教授は、AMがマイクロ／サブミクロンレベルで目標性能を持つメタマテリアルを創出できる点を強調した。これは天然骨の性能を模倣する患者特異的インプラントなど次世代医療機器にとって極めて重要である。さらに教授は、AMが幾何学的形状だけでなくレーザーと材料の相互作用によって特性を制御する材料を創出可能な技術として、熱交換器や電子部品に革命をもたらす可能性を展望した。

今後を見据えると、チームはAMがリショアリングと分散型製造において極めて重要であると認識している。これにより、設計と材料開発をグローバルに展開しつつ、製造を消費地に近い場所で実施することが可能となる。

ウルヴァーハンプトン大学の包括的アプローチ——基礎的な材料科学とプロセス開発から産業応用、労働力教育、英国規格協会（BSI）およびAMTA AMパネルへの関与を通じた政策形成への影響力に至るまで——は、同大学を英国のみならず世界的に見て、積層造形（AM）分野の発展を推進する重要な存在として位置づけている。

テルフォードキャンパス、工学部

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