積層造形

準結晶が航空宇宙用3Dプリントアルミニウムを強化する方法

公開日 2025年4月15日

更新日 2026年5月29日

著者

Jonathan Schramm

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理論から実践へ

時に、ノーベル賞の授与は一般の人々にはやや抽象的に映る研究に対して行われます。これは、2011年ノーベル化学賞（“準結晶”の発見に対する授与）のケースです。

これは、自然界および人工的に作られた多くの材料が「通常」の結晶構造で組織化されているためです。結晶を定義するのは、原子レベルで単純な3次元構造が何百万回も繰り返され、巨視的スケールまで拡大することです。これらの構造が金属や、コンピュータチップや太陽電池に使用されるシリコンなどの材料の特性を与えます。

原子が繰り返し結晶パターンを形成できるのは、230通りの可能性だけであると以前は考えられていましたが、これは自然の硬直した法則とみなされていました。

出典： Nobel Prize

しかし、いくつかの基本形状を組み合わせて規則的な分子構造を形成しつつ、繰り返しパターンを持たない別の構造が可能であることが判明しました。この発見は、主に米国標準技術研究所（NIST）で働く研究者によって行われました。

出典： NIST

米国標準技術研究所（NIST）の研究者であるAndrew Iamsは、これらの準結晶がアルミニウムの3Dプリント中に形成されることを発見し、実用的な応用が期待できると考えました。アルミニウムは航空宇宙分野で非常に有用な金属ですが、3Dプリントが特に難しいため、これは大きなブレークスルーとなり得ます。

（当社の記事「3Dプリントが製造業の未来へ統合する」で3Dプリント業界の概要を読むことができます）

これらの結果¹は、NIST、HRL Laboratories LLC、L.A. Giannuzzi & Associates LLC の研究者によって実施され、ジャーナル・オブ・アロイズ・アンド・コンパウンド（Journal of Alloys and Compounds）に「付加製造で製造された高強度アルミニウム合金における微細構造特性とメタ安定相形成」というタイトルで掲載されました。

結晶はなぜ重要なのか？

結晶構造は材料に特別な特性を与える一方で、弱点も伴います。

構造が極めて規則的であるため、原子が互いにすり抜けやすくなります。大規模に行われると、微小亀裂や大きな割れが生じ、理論上可能な強度よりも弱くなります。

この問題は3Dプリントで特に顕著です。金属は少量ずつ溶融し、何度も冷却されます。また、従来の鍛造と同様に、アルミニウムは「固化割れ」や「熱割れ」と呼ばれる現象に特に弱いです。

残存液体金属が冷却による収縮を補えなくなると、割れが発生します。このような割れはアルミニウム部品の構造的完全性を損ない、材料がより脆くなり、破損しやすくなります。

より優れたアルミニウム3Dプリントの必要性

はるかに極端な温度

従来のアルミニウム鋳造では、液体金属の温度は 690 °C から 725 °C（1274 °F – 1337 °F）で、固化冷却速度は通常 0.4 °C/s から 10 °C/s です。

対照的に、金属材料の付加製造（3Dプリント）ではレーザー粉末床融合（金属粉末をレーザーで溶融）が使用されます（動画で確認できます）。

このプロセスでは液体金属の温度が 3000 °C（5430 °F）を超え、金属の沸点を超えてまで加熱され、固化冷却速度は 1 百万 °C/s を超える超高速になります。

これらの高温と極めて高速な冷却は、固化割れの問題をさらに拡大させます。

“高強度アルミニウム合金はほぼ印刷不可能です。割れが生じやすく、実用に耐えません。”
Fan Zhang – NIST 物理学者

3Dプリントアルミニウムの可能性

技術的な困難があるものの、3Dプリントアルミニウムは非常に有望です。従来の鍛造技術では作れない形状や部品を実現できます。

例えば、ロケットエンジンの部品や航空機エンジンの燃料ノズルは現在、3Dプリントで製造されており、最大20個の部品を1つに統合し、重量を削減しています。

2017年、HRL Laboratories のチームは、アルミニウム粉末にジルコニウムを添加すると3Dプリント部品の割れが防止され、強靭な合金が得られることを発見しました。

出典： Journal of Alloys and Compounds

しかし、なぜこの効果が得られるのかは、金属の原子構造に奇妙な構造が観測されるまでほとんど理解されていませんでした。

“この新しい金属を重要部品（例えば軍用航空機部品）に使用するには、原子がどのように結合しているかを深く理解する必要があります。”
Fan Zhang – NIST 物理学者

準結晶の探索と作製

研究者は電子顕微鏡を用いて、可能な限り高い解像度で材料を分析しました。その結果、原子が五重、三重、二重の回転対称性を示す新奇で奇妙なパターンで配列していることが判明し、通常のアルミニウム合金の結晶では説明できませんでした。

“その瞬間、興奮しました。なぜなら、準結晶を見ているかもしれないと思ったからです。”
Andrew Iams、NIST 材料研究エンジニア

アルミニウム‑ジルコニウム合金の微細粒子領域に加えて、研究者は20面体（20面サイコロ）の形状をした二十面体準結晶を観測しました。

出典： Math Stack Exchange

これにより、通常見られる規則的な結晶構造が破壊され、割れが発生しにくくなります。したがって、準結晶はアルミニウム結晶の規則的パターンを分断し、欠陥を生じさせることで金属をより強くします。

出典： Journal of Alloys and Compounds

コンピュータシミュレーションは、準結晶形成に関する洞察を提供しました。冷却過程で二次相が生成され、これは準結晶形成に有利であることが判明しました。

準結晶コアから派生した線状破壊パターンは金属全体を強化し、冷却時や機械的応力下での割れの可能性を低減します。

出典： NIST

将来の展開

この新しいタイプの3Dプリントアルミニウム合金は、ピークエイジド AA7075 と同等の硬度を示し、耐食性が高く、航空機構造部品に広く使用されている確立されたアルミニウム合金に匹敵します。

初期テストは、析出硬化熱処理によりこの合金をさらに硬くできる可能性を示唆していますが、実験的に検証する必要があります。

さらに、より強靭なアルミニウムの生産が可能になる枠組みを提供します。材料科学者が付加製造中の準結晶形成を部分的に予測できるようになれば、発生頻度を高めて機械的性能を向上させることに注力できるでしょう。

3Dプリントへの投資

3Dプリントは技術的成熟と市場統合の段階に入りつつあります。これにより投資家は過去に比べて可視性が高まり、この技術が流行ではなく永続的なものだと確認できます。

多くのブローカーを通じて3Dプリント関連企業に投資でき、当サイトでは米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国におけるベストブローカーをご紹介しています。

以下で紹介する企業以外にも、当記事「トップ10ナノテクノロジー株」で投資アイデアを見つけることができます。

特定の3Dプリント企業を選びたくない場合は、ARK Invest 3D Printing ETF（PRNT）のようなETFで付加製造セクター全体の成長に乗ることも可能です。

革新的な例

（以下で紹介する企業以外にも、当記事「注目すべきトップ10付加製造・3Dプリント株」で他社情報を読むことができます）

Nano Dimension

(NNDM )

多くの付加製造企業は金属やプラスチックに焦点を当て、複雑な機械部品を製造しますが、Nano Dimension は 3D プリントされたエレクトロニクスに注力しています。これには導電性や誘電性インク、セラミックなどの高度な技術が含まれ、光学部品や無線部品の製造に利用できます。

これは「ナノスケール3Dプリントが商業化に向けて準備完了」でさらに詳しく取り上げた、3Dプリントのナノスケール応用例の一つです。

Nano Dimension は買収と社内 R&D の組み合わせで成長してきました。

出典： Nano Dimensions

この戦略は、Desktop Metal の買収（2024年発表） 2025年に完了によって新たな高みへと到達しました。両社が統合すれば、エレクトロニクスから大型産業機器、航空宇宙まで、すべてのスケールで金属・セラミック 3D プリントのポジションが大幅に強化されます。

これにより、SpaceX、Tesla、GE、Honeywell、Emerson、Raytheon、NASA、Medtronics などを顧客に持つ基盤が統合され、規模の経済が生まれます。

さらに、Nano Dimension は欧州、Desktop Metal は米国という異なる地域で主に活動していたため、販売チームの統合によりシナジーが期待できます。

出典： Nano Dimension

同社は製造のエコ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％削減するとしています。全体として、Nano Dimension が技術リーダーの一つとして台頭することが期待されます。

出典： Nano Dimensions

統合された企業は新たな 3D プリント技術と、より強靭なアルミニウム合金の開発に活用でき、これらのイノベーションは対象市場を拡大する可能性があります。

ただし、買収前の Nano Dimension と Desktop Metal はどちらもキャッシュフローがマイナスであったため、統合後の企業はコスト削減または十分な成長で将来的に黒字化する必要があります。

Nano Dimensionの最新情報

参照文献：

^{1. Andrew D. Iams}^{et al.}^(2025).^{高誘電率誘電エラストマーアクチュエータファイバーの高速製造}^{. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 2025年4月, 180281}^.^{https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}