積層造形
3Dプリントされたメタマテリアルが自動車の安全性を再定義する可能性
金属デザインの創造
Metallurgy is a technology that has been constantly evolving since the primitive metal craft of early civilization. Until recently, most metalworking was still reliant on techniques like molding (melting metal into hollow shapes) or forging (hammering the metal into shape).
金属材料を扱える3Dプリンティング技術の登場により、金属部品を製造する全く新しい方法が加わり、私たちはその可能性の実現のほんの始まりにすぎません。
例えば、新しいチタン合金、水素注入3Dプリンティング、または振動を吸収する幾何学的プリンティング。
英国グラスゴー大学、イタリアのマルケ工科大学、そしてイタリアの国立核物理研究所の研究者らは、3Dプリンティングを用いて、車のショックアブソーバーの製造方法を置き換える可能性のある新しいねじれメタマテリアルを開発しました。
彼らはその結果をAdvanced Materials1に掲載し、タイトルはAdaptive Twisting Metamaterialsです。
組み込み型ショック吸収
自動車が最初に製造された頃は、衝突に対する保護がほとんどありませんでした。その後、クラッシュボックスやバンパーといった初期の衝撃吸収装置が、車両衝突時に遭遇するすべてのシナリオに対して単一の力‑変位応答を提供しました。
現代の自動車は、衝突時にフレームが主に運動エネルギーを吸収し、乗員へ伝わるエネルギー量を制限するよう設計されています。
“安全基準がますます厳格かつしばしば矛盾する中で、遵守の必要性が高まることで、犠牲部品の構造最適化に焦点が移り、機械設計の哲学が進化しています。”
シートベルトの広範な採用と相まって、このイノベーションは過去数十年にわたる自動車衝突死亡者数の削減の主要な要因となっています。
出典: Haug Farrar
これは主に、構造ジオメトリを変更したり、既存のエネルギー吸収装置に異なる材料を組み合わせてエネルギー散逸を向上させることで実現されてきました。
しかしながら、エネルギー吸収はシナリオに関係なく一定であり（例：歩行者や壁への衝突）、力‑変位応答が固定されたままであるためです。
圧縮‑ねじれ結合機械（CTCM）メタマテリアル
衝撃吸収の現在の手法に対する有望な代替案は、CTCMメタマテリアル（圧縮‑ねじれ結合機械）です。
これらは、材料の軸周りの圧力をねじれ運動（ねじれねじれ状の動き）に変換し、衝撃エネルギーを吸収するよう設計されています。
これにより、単に圧力で圧縮されるシンプルな金属格子に比べ、CTCMメタマテリアルは一歩先を行くことになります。
これらの材料は、3Dプリンティングの製造能力を最大限に活用し、他の方法では不可能な極めて複雑な形状や構造を作り出すことができます。
力依存型反応
従来の衝撃吸収材料は基本的に曲がるか曲がらないかのどちらかでした。そのため、大きな衝撃に対応するためには、しばしば小さな衝撃に対しても耐える必要がありました。
“現在ほとんどの車両で使用されている保護材料は静的で、特定の衝撃シナリオ向けに設計されており、変化する条件に適応できません。”教授 Shanmugam Kumar – University of Glasgow
代わりに、STCMメタマテリアルの複雑な形状は特定の要件に合わせて微調整できます。
研究者らは、小さな衝撃でも大量のエネルギーを吸収でき、後に高速・高エネルギー衝撃に対しても保護を提供できる形状を設計しました。
「最初のクラッシュバンド（すなわち初期の崩壊応力）に続き、ジャイロイドシート材料の延性により、壊滅的な破壊なしに安定した圧縮応答が可能となりました。」
これにより、STCMメタマテリアルは従来の発泡体やクラッシュゾーンに比べて優位性を持ち、重い衝突に対してはより硬い抵抗を、軽い衝撃に対してはより柔らかなクッション性を提供します。
新しいショックアブソーバーの創造
この結果は、ジャイロイド格子と呼ばれる複雑で高度に多孔質な形状を作成することで得られました。その後、3Dプリンティングで製造された実際の部品をCTスキャンで解析し、CADコンピュータモデルと比較しました。
実際の材料は、いくつかの領域で金属の蓄積が厚く（密度が11.8％高い）ため、CADモデルと多少異なっていましたが、実際の衝撃耐性は正しく予測されました。
「圧縮を加えると、ジャイロイド格子はそれをねじれに変換し、境界条件を変えることでエネルギー吸収特性を調整できます。
これらの材料は、衝撃の種類と程度に応じて自身の特性を適応・変化させ、影響を軽減します。
応用
現在、金属3Dプリンティングは、金属3Dプリンターの初期コストが高いため、主に航空・宇宙産業に限定されてきました。しかし、技術が成熟し生産規模が拡大するにつれ、急速に変化しています。
「この材料は将来的に自動車および航空宇宙の安全性の両方で応用が見込め、さまざまなニーズに適応できる新しいクラスの材料を提供すると考えています。
また、衝撃を回転運動エネルギーに変換することで、エネルギーハーベスティングの新しい形態の開発も支援できるでしょう。」
したがって、数年後には、ねじれジャイロイド構造によってエネルギー吸収、崩壊応力、剛性を調整可能な新しい適応型材料が衝突に対して登場するでしょう。
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| 機能 | 従来の吸収装置 | CTCMメタマテリアル |
|---|---|---|
| 応答タイプ | 固定された力‑変位 | 適応型、調整可能な圧縮‑ねじれ |
| 材料構成 | 発泡体、ハニカム、金属板 | 3Dプリントされたジャイロイド格子 |
| エネルギー吸収効率 | 中程度、一定 | 高い、衝撃ごとに変動 |
| 製造方法 | 鋳造または鍛造 | 付加製造 |
| 潜在的な用途 | バンパー、クラッシュボックス | 適応型衝突保護、航空宇宙パネル |
当初は、鉄道、航空宇宙、防衛分野に限定される可能性が高く、やがて高級モデルからベースモデルまで、より広範な自動車セクターへと広がるでしょう。
3Dプリンティングへの投資
Nano Dimension
Nano Dimensionは当初、3Dプリントされたエレクトロニクスに注力していました。これには導電性または誘電性インクやセラミックといった高度に専門化された技術が含まれ、例えば光学部品や無線部品の製造に利用できます。
これは、3Dプリンティングをナノスケールで応用する可能性の一例であり、私たちは「Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization」でさらに検討しました。
(NNDM )
特筆すべきは、Nano Dimensionが買収と内部R&Dの組み合わせで成長してきたことです。この戦略は2024年のDesktop Metalの買収により新たな高みへと到達しました。
この2社が統合することで、エレクトロニクスから大型産業機器、航空宇宙に至るまで、あらゆるスケールの金属・セラミック3Dプリンティングにおいてはるかに強固な地位を確立します。また、SpaceX、Tesla、GE、Honeywell、Emerson、Raytheon、NASA、Medtronicなどを含む顧客基盤を統合することで規模の経済も生まれます。
最後に、Nano Dimensionは欧州、Desktop Metalは米国で主に活動していたため、販売チームを統合することでシナジーが得られます。
同社は、製造の環境フットプリントを削減できると主張しており、CO2排出量を94％、水使用量を100％、材料使用量を98％、化学薬品使用量を82％削減できるとしています。総じて、これによりNano Dimensionは3Dプリンティング分野の技術リーダーの一つとして浮上しました。
出典: Nano Dimensions
続いて行われた別の買収は、115百万ドルでのMarkforgedの取得です。複合材料および金属付加製造装置に焦点を当てたこの買収により、Nano Dimensionの金属3Dプリンティング市場での地位がさらに強化されました。
「この合併とMarkforgedおよびその技術群の素晴らしさは、我々の技術と重複しない点にあります。シナジーは類似企業向けの応用にあります。」Yoav Stern- Nano Dimension CEO
同社は買収と内部開発を通じて、3Dプリンティングソフトウェアのリーダーになるべく進展しています。
しかし、投資家は3Dプリンティング業界全体が依然としてキャッシュフローがマイナスであることを認識すべきで、同社は将来的に利益を上げるためにコスト削減または十分な成長が必要です。
(さらに詳しいNano Dimensionに関する投資レポートはこちらをご覧ください。)
最新のNano Dimension（NNDM）株式ニュースと開発状況
参照研究：
1. Mattia Utzeri, Maria L. Gatto, Edoardo Mancini, Donato Orlandi, Daniele Cortis, Marco Sasso, Shanmugam Kumar. 適応型ねじれメタマテリアル. Advanced Materials. 22 2025年10月. https://doi.org/10.1002/adma.202513714
