3Dプリンティングによる工業用超硬合金：より硬く、より速く、より環境に優しい

私たちの世界を築く道具は、しばしば私たちの目には見えないが、現代文明の静かなる支柱である。都市のインフラを掘り出す高精度ドリルから、乗り物の部品を形作る刃先まで、それらの耐久性の秘密は、ある素材にある。 炭化タングステン・コバルトこの超硬合金は、人類が知る中で最も硬い物質の一つであり、靭性スケールではダイヤモンドのすぐ下に位置する。しかし、その強靭さゆえに不可欠な材料であると同時に、製造が非常に困難で、材料の無駄も多いという欠点も抱えている。

勉強¹ 広島大学の研究者らは、三菱マテリアルハードメタル株式会社との共同研究により、新たな道筋を示した。3Dプリンティングとして知られる積層造形技術と特殊なホットワイヤーレーザー加工法を組み合わせることで、従来の製法と同等の強度を持ちながら、廃棄物を大幅に削減した工業用部品の製造方法を見出した。この開発は、製造現場にとって大きなメリットとなるだけでなく、高性能材料が容易に入手でき、持続可能で、カスタマイズ可能な未来を垣間見せるものでもある。

炭化タングステンの3Dプリントが難しい理由

従来、炭化タングステンとコバルトから部品を製造するのは、非常に手間と費用のかかるプロセスでした。粉末冶金法を用い、金属粉末を高圧で圧縮し、炉で加熱して結合させる焼結という工程を経て製造されます。この方法で非常に硬い工具が製造できる一方で、製造工程は柔軟性に欠けます。複雑な形状や大型の形状を作るのは難しく、高価な原材料であるタングステンとコバルトの多くが無駄になってしまいます。

これらの原材料の高コストは大きな障害となっている。タングステンは希少で高価であり、コバルトは供給網が不安定な重要鉱物である。持続可能性と資源効率が最優先される現代において、材料の塊から不要な部分を削り取るという旧来の切削加工法は、時代遅れと見なされつつある。

ホットワイヤーレーザー方式による炭化タングステンの3Dプリントの実現方法

広島大学の研究チームによる革新は、金属の3Dプリントに対する考え方を、微妙ながらも根本的な転換点に置いた点にある。ほとんどの金属3Dプリンターは、高エネルギーレーザーで金属粉末やワイヤーを完全に溶融させることで動作する。しかし、炭化タングステンでこれを行おうとすると、極度の熱によって材料が炭化タングステンとグラファイトに分解し、微細な穴や亀裂が生じ、その価値の源である硬度が失われてしまう。

研究者たちは、材料の性質に逆らうのではなく、ホットワイヤーレーザー法を採用した。この方法では、超硬合金の棒を電流で融点近くまで予熱してからレーザーを照射する。その後、レーザーによって材料を軟化させるのに十分な熱が加えられ、層状に堆積させることができる。

研究チームは、材料を完全に溶融させるのではなく軟化させることで、炭化タングステンの繊細な微細構造を維持することに成功した。コバルト結合剤の融点以上、かつ炭化タングステンが分解し始める温度以下に保つことで、従来の工業用工具と同等の品質を持つ、1400 HVを超える硬度の、欠陥のない固体を製造できることを発見した。

WC-Co炭化物における積層造形欠陥の解決

この研究で最も巧妙な点の1つは、超硬質炭化物と、それが印刷される基材との相互作用をどのように処理したかという点だった。標準的な鉄の基材に直接印刷しようとすると、鉄が炭化物に侵入し、その強度を低下させてしまうことが多かった。

解決策は、ニッケル基合金製の中間層を導入することでした。この層は緩衝材として機能し、基材が炭化物に混入するのを防ぎ、最終製品の純度と強度を確保します。このマルチマテリアル方式は3Dプリンティングにおける重要なトレンドであり、高価で高性能な材料を工具の刃先など、真に必要とされる箇所にのみ使用し、本体の残りの部分にはより安価な材料を使用することを可能にします。

タングステンカーバイドの3Dプリントが製造業を変革する可能性

この技術の可能性は、研究室の枠をはるかに超えています。これらの手法が改良され、より複雑な形状に対応できるようになり、ひび割れといった残存する問題が解消されれば、世界への影響は計り知れません。

• オンデマンドの産業レジリエンス： 遠隔地の鉱山現場や建設プロジェクトで、中央倉庫から交換部品が届くのを何週間も待つ必要のない世界を想像してみてください。高度な3Dプリンティング技術を使えば、重要な超硬質部品を必要な時に現場で製造することが可能になります。
• 持続可能性と資源の安全保障： 特定の部品に必要な量のタングステンとコバルトのみを使用することで、採掘への依存度を大幅に削減し、産業廃棄物を最小限に抑えることができます。これは、材料を最大限の効率で利用する循環型経済の実現に向けた重要な一歩です。
• 次世代デザイン： 従来の製造方法では、製造できるものに制限がありました。3Dプリンティングはそうした制約を取り払い、内部冷却チャネルを備えた工具、複雑な形状、最適化された重量など、これまで製造不可能だったものの製造を可能にします。これにより、より効率的な機械、より軽量な車両、そしてより耐久性の高いインフラが実現します。

産業用3Dプリンティングと先端材料への投資

産業界がよりスマートで効率的な生産へと移行するにつれ、この移行に必要なハードウェアと材料を提供する企業は、大きな成長が見込まれています。金属3Dプリンティングと高性能材料の進歩を活用しようとする投資家にとって、この分野における主要プレーヤーとして際立つ企業が1社あります。

注目記事：ナノ次元 (NNDM -5.75％)

多くの3Dプリンティング企業が消費者向けプラスチックや単純な金属に焦点を当てているのに対し、Nano Dimensionは高性能な産業用市場のリーダーとしての地位を確立している。同社は最近、戦略の大幅な転換を行い、 Desktop Metalを買収金属バインダージェット技術および先進的な材料堆積技術のパイオニア。

今回の買収により、Nano Dimensionは産業用積層造形における総合的なプロバイダーへと変貌を遂げました。Desktop Metalの技術は既に研究者や製造業者によって、広島大学の研究で取り上げられた超硬合金の応用分野を探求するために活用されています。Nano Dimensionは、自社の電子機器3Dプリンティングにおける専門知識とDesktop Metalの堅牢な金属プラットフォームを融合させることで、ラピッドプロトタイピングから量産までを網羅するフルスタックソリューションを構築しています。

財務面では、同社は最近目覚ましい成長を遂げている。 報告 売上高は前年比81%増。業界は依然として高成長・高投資の段階にあるものの、ナノディメンション社の膨大な特許ポートフォリオと、航空宇宙、自動車、防衛といった重要分野への注力は、製造業の未来への投資を検討している企業にとって魅力的な選択肢となっている。軟溶融ホットワイヤー法のような技術が研究室から生産ラインへと移行するにつれ、こうした先進的なプロセスを支えるインフラを備えた企業が注目すべき存在となるだろう。

ナノディメンション（NNDM）の最新株価ニュースと動向

参照：

^{1. 丸本和也、阿部哲也、永森和也、市川博、西山明、山本正人 (2026)。WC-Co超硬合金の積層造形におけるホットワイヤーレーザー照射法とNi基合金中間層が機械的特性と微細構造に及ぼす影響。 国際高融点金属・硬質材料ジャーナル, 136、第107624条。 https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107624}