LLNL、次世代の積層製造材料

February, 2, 2026, Livermore--次世代技術には、正確なミッション要件に合わせてカスタマイズ可能な次世代材料が必要になる。アディティブ製造、すなわち3Dプリンティングは、航空宇宙工学のような産業に革命をもたらし、これまで考えられなかった部品設計を可能にしている。しかし、この技術は主に既存の金属合金に限定されてきた。これは、平衡から遠い微細構造を生み出し、予測が難しい機械的特性をもたらす過程の本質的な複雑さによるものである。

新しい研究で、ローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)の科学者たちとその共同研究者が、従来の付加製造プロセスの課題を克服する方法を示した。組成的に複雑な合金(高エントロピー合金とも呼ばれる)でレーザの速度を調整することで、チームは金属が固化する際に原子がどのように沈下するかを導き、原子スケールで材料の性質を直接制御する方法を発見した。

チームは熱力学モデリングと分子力学を組み合わせ、高エントロピー合金(有望な金属材料クラス)の3Dプリントをシミュレーションし、冷却速度が内部構造に与える影響を明らかにした。チームの発見は、レーザスキャンの速度が原子のロックの動きを制御できることを示した。

「レーザ速度を上げることで冷却速度が上がる」と副グループリーダー、Thomas Voisinは説明している。「材料がより早く冷えるため、低エネルギー構成に再配置する時間が短くなる。これにより物質は非平衡状態に凍結され、原子構造やそれに伴う機械的特性の調整に利用できる。」

急速な冷却は合金を非常に強固にするが、より脆く、遅い冷却はより柔軟でバランスの取れた構造を形成する。これにより、研究者は高エントロピー合金の独自の多様性を活用し、その特性を特定のニーズに合わせて調整することができる。

それは硬い陶器タイルと曲げられるクリップのどちらかを調整するようなもので、一方は力に抵抗して突然壊れ、もう一方は折れて収縮する。この特定の金属合金でレーザ速度を単純に調整することで、研究チームは単一の材料内でこの全ての特性スペクトルを作り出した。

その結果、金属材料の設計方法に画期的な進展が生まれた。試行錯誤のレシピに頼る代わりに、付加製造は特性がプログラムされた金属を工学的に製造するプラットフォームとなり得る。

「われわれは現在、非常に急速な冷却速度など付加製造の特徴を最大限に活用した新材料を効果的に設計できる段階に達している」(Voisin)。

このアプローチは、材料科学の新時代を指し示しており、AMが単なる生産ツールではなく、国家安全保障や商業産業における発見の原動力となる時代である。