異なる2つのメカニズムで導入される「転位」を、分けて評価する

今回採択された研究の対象である形状記憶合金は、身近なところではメガネフレームや混合水栓に、医療分野では血管治療に不可欠なステントや歯科矯正ワイヤーなどに利用されている。産業分野では、アクチュエータのような機械装置に用いることで、機構の簡素化と小型化、信頼性の向上が見込める。形状記憶合金は、数%の歪みの範囲内で変形させても、加熱すれば元の形状に戻る性質を持っている。この形状回復は、合金の変形時や加熱時にマルテンサイト変態と呼ばれる結晶構造変化（相変態）が、原子の拡散をともなうことなく起こることに起因する。

形状記憶合金は、長年の使用によって相変態温度が変化する機能劣化が起こる。この機能劣化の主な原因の一つは、「転位」だと考えられている。転位とは、金属材料の内部で原子の配列にズレが生じる線状の欠陥を指す。転位は形状記憶合金の成形プロセスで実施される塑性加工時に導入される。加えて、完成した部品や装置が使用される場面で起こる繰り返しの相変態でも発生する。つまり転位が発生するメカニズムとして、塑性加工にともなう塑性変形時に発生するものと、相変態にともなうものがある。

機能劣化をできるだけ生じさせない合金を設計するには、この2種類の転位の効果をマクロとミクロの観点から区別して評価する必要があるが、詳細を明らかにできていないのが現状だ。理由の一つに、塑性変形による転位の影響を評価するために材料に塑性加工を施すと、加工過程で同時にマルテンサイト変態も生じてしまうことが挙げられる。

篠原准教授が着目したFe-Ni-C合金は、一部の組成で形状記憶効果が発現するが、構造材料の研究に用いられることが主であった。しかし、篠原准教授は形状記憶合金の開発を行った経験から、本合金を用いれば室温ではマルテンサイト変態が生じず、外力により塑性変形のみが生じる状態と、その後に合金を冷却することで、マルテンサイトが形成される状態を、段階的に評価できるとしている。透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による観察を通じて、塑性変形がマルテンサイト変態の発現挙動におよぼす影響を明確化する。

• 金属材料のミクロスケールの組織解析
• 試料研磨機

事業部の整理をきっかけに研究者に転身

金沢大学 設計製造技術研究所の立野大地准教授の研究テーマ「不連続熱可塑性CFRPの塑性変形機構の解明」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成（課題研究）」に塑性加工分野で採択された。

立野大地准教授は兵庫県神戸市出身。神戸市立工業高等専門学校を卒業した2004年、金沢大学工学部3年に編入し、米山猛教授（現・名誉教授）の研究室で、スポーツ工学（スキーロボットやスキー力学）を学んだ。

米山教授は塑性加工を基礎に、塑性加工における工具面の圧力・摩擦センサーや、金属光造形法を活用した高機能射出成形金型の開発、スキーにおける計測やスキーロボット、脳腫瘍の判別や脳腫瘍摘出マニプレーターの研究など、多彩な研究分野で実績がある。

立野准教授は米山教授のもとで学び、2008年に大学院修士前期課程を修了して民間企業に就職し、プラスチック製品の生産設備の開発などを担当した。ところがリーマンショックがきっかけで勤めていた企業が事業の整理に乗り出し、結果的に所属していた事業部がライバル会社に売却されることになった。

その際、さまざまな規制や制約の中で働くことに窮屈さを感じた立野准教授は、もっと自由に研究できる環境を求めて大学に戻ることを決意。恩師の米山教授に相談したところ、当時、米山教授が取り組み始めた熱可塑性CFRPの成形に携わる非常勤研究員として勤務することを勧められた。

軽くて強い素材はいつの時代も求められるものであることや、大学は時間や報告義務などの縛りが少なく、自分のペースで研究を進められることに魅力を感じ、2012年に米山研究室の非常勤研究員として働くことを決断。そして、2016年に博士（工学）を取得した。同年には金沢大学機械工学系の研究員、2017年に自然システム学系の博士研究員、2018年にフロンティア工学系の助教、2020～2022年に設計製造技術研究所の助教を経て、2023年から設計製造技術研究所の准教授に昇任した。

熱可塑性CFRPテープを用いて、組みひもと呼ばれる手法とプレス成形を組み合わせて高強度チューブを成形

狭開先溶接とモニタリング技術開発の研究

広島大学大学院 先進理工学系科学研究科 機械工学プログラムの山本元道教授の研究テーマ「高出力半導体レーザとホットワイヤ法を用いた高性能材料狭開先溶接技術および機械学習によるモニタリング技術の開発」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成（課題研究）」にレーザプロセシング分野で採択された。

溶接研究に至った経緯

山本教授は、溶接研究に携わる前には造船や橋梁などの大型構造物の構造強度の分野での研究を行っていた。

「広島大学造船学科で学び、卒論と修士1年までは船舶、橋梁や建設機械などの厚板構造物の構造強度・振動を研究しました。修士2年のときに三菱重工業㈱技術本部の技師長を経て広島大学に着任された矢島浩教授から、溶接構造物の極低サイクル疲労強度評価に関する研究テーマをいただき、溶接に関わる研究がスタートしました。その後、矢島研究室の助手に採用され、本格的に溶接部の各種破壊強度（脆性破壊・疲労破壊・腐食疲労強度・延性破壊など）に関する研究に携わらせていただきました」。

「矢島教授の退職後は、大阪大学から着任された篠﨑賢二教授の下で本格的に溶接に関する研究を始めました。現在は工学部第一類（機械・輸送・材料・エネルギー系）で材料加工グループに所属しています」。

「私の研究室では、主に高出力レーザによる溶接・接合、積層造形、ナノ秒パルスレーザによる加工・クリーニング、アーク溶接に関する研究を行っています。今年4月には、主に短パルスレーザを用いた微細加工の研究をされている岡本康寛教授が広島大学に着任されたので、レーザ加工プロセスの分野でお互いに協力して拠点をつくろうと話し合っている最中です。将来のものづくり現場で実際に役立つ研究成果が創出できることを目指しています」（山本教授）。

山本教授の接合プロセス工学研究室には、2台の半導体レーザ（出力6kW）とホットワイヤ技術を組み合わせ、厚板と薄板の両方の溶接に取り組んでいる。また、4kWレーザ発振器を搭載した金属3Dプリンタを導入し、レーザ照射部分に金属ワイヤを直接供給して積層造形する「ワイヤ・レーザDED方式」によるアディティブ・マニュファクチャリング（AM）の研究も行っている。1kWのナノ秒パルスレーザと共同ロボットを組み合わせた大型溶接構造物対応のレーザブラストシステムの開発なども手がけている。

左：半導体レーザ加工装置によるニッケル材への溶接実験／右：肉盛り溶接されたニッケル材

従来技術の限界を超える薄膜材料を形成する

東京都立大学 システムデザイン学部の清水徹英准教授の研究テーマ「超ハイテン用金型に向けた高靭性アモルファス窒化ホウ素膜を実現するイオン化PVD法の開発」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成」に塑性加工分野で採択された。

現在、世界の国・地域では気候変動対策として、温室効果ガスの排出規制が強化されている。各種排出量の目標数値を達成するためには車体の軽量化が必須となる。構造部材には1.8GPa級の超高張力鋼板（以下、ハイテン材）の使用比率を高める必要があり、面圧負荷の高いプレス加工にも耐えうる次世代の金型開発が急務になっている。この開発には金型表面の高強度・高靱性・低摩擦化のために、摩擦熱の発生にも耐えうる硬質薄膜材料の適用が求められる。

従来の表面改質技術の限界を超える革新的な薄膜材料としては、ダイヤモンドに次ぐ硬さと、1300℃程度までの高温耐熱性を備えた「立方晶窒化ホウ素」（以下、c-BN）という化合物が注目されてきた。だが、c-BN相の形成にはさまざまな技術的課題が多く、応用研究が進展せず、産業化に至っていなかった。特に金型などの表面に成膜しようとしても、基材との密着性が低下してすぐに剥がれてしまうことが産業化における足かせとなった。その大きな要因として、薄膜を形成するプロセスに由来して、膜中に大きな残留応力が発生してしまうという構造的な欠陥があった。

• ミラー磁場型HiPIMSにスパッタリング蒸着を行う様子
• あらゆる条件を変えながら成膜されたステージ

金属への凹凸転写加工の新しい技術

名城大学 理工学部 機械工学科設計・生産分野の吉川泰晴准教授の研究テーマ「印刷工具を用いたトレーサビリティ向け凹凸刻印・発色技術の開発」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成」に塑性加工分野で採択された。

現状の金属への凹凸転写加工は、一般に貨幣製造のように凹凸を有する被加工材よりも硬い金型を金属円板に押し付け、金型の凹凸が反転したパターンを金属円板に転写し製造している。吉川准教授の発想は、これとは逆に軟質な材料を工具として使用する。軟質材料の表面に設けられた凹凸を金属板に転写する独自技術により、高精細で高精度、安価で早急に大量の同一品質の製品を製造できる技術の研究を行っている。

本研究は紙や樹脂フィルムなどの軟質材料を工具とし、金属表面に凹凸を転写する技術の基礎・応用研究である。より高精細で高精度な転写が行えるようにするため、軟質材料を工具として用いた際のトライボロジーの役割や、加工条件に関して、転写過程を詳細に分析し、転写機構を明らかにすることを目標にしている。

• 天田財団の2019年度「一般研究開発助成」に採択された研究の際に製作された実験用圧延機
• 印刷物を工具に用いたほかの凹凸転写方式

プラズマによる窒化処理の研究で学位取得

吉川准教授は2000年に名城大学 理工学部に入学した後、2004年4月に同大学大学院 理工学研究科に進学、2009年には「電子ビーム励起プラズマ環境および窒素スピーシーズによる金属窒化処理法の開発」の研究で博士号を取得した。2009年4月にはポスドク研究員として、豊田工業大学でプラズマ窒化の研究を行った。同年11月に岐阜大学 工学部の助教に任官、トライボロジーと塑性加工を中心とした生産加工分野の研究を約8年間にわたり行った。2017年に名城大学 理工学部の助教、2020年には現職である同准教授に就任した。

吉川研究室では、紙や樹脂フィルムを工具として金属表面に凹凸を転写する技術の基礎・応用研究や、板鍛造の工程設計および板鍛造工程中の諸問題の解決、塑性加工におけるトライボロジーに関する研究、精密金型や治具に関する研究などに取り組んでいる。

卓上拡散接合装置の開発

2021年4月には、サーボプレスを採用した高分子樹脂製マイクロ流体デバイス用卓上拡散接合装置を開発。旧型装置では実現が難しかった加圧精度の向上、データロガー機能の追加、圧力制御の自動化、タッチパネルによる接合条件のワンタッチ呼び出しを実現した。新型装置により接合品質の向上も実現し、3層構造の高分子樹脂製マイクロ流体デバイスの量産に成功した。3層構造にすることで、流路機能を中間層に集約可能となり、レーザ加工による安価な流路形成や、フィルムを用いたフレキシブルなマイクロ流体デバイスの実現が期待できる段階に到達している。

すでに、蛇行流路を有するアクリル（PMMA）樹脂製マイクロ流体デバイスを複数試作しており、マイクロ流体デバイス上でのPCR（On-Chip PCR）の実現に向けて、デバイス上でサーマルサイクルを実現した。フィルム同士の接合にも着手しており、100㎛前後のフィルム同士を接合し、密着することに成功している。また、各種研究用マイクロ流体デバイスへの発展も進めており、3層構造の高分子樹脂製マイクロ流体デバイスの応用として、中間層に透析膜を挟んだ透析デバイスを実現している。

• デバイス作製に使用する3Dモデリングマシンを説明する横山講師
• マイクロ流体デバイス作製用の鋳型

スイスへの留学を通じて、材料研究の真のおもしろさを実感

東京科学大学 物質理工学院 材料系の富田夏奈助教の研究テーマ「遷移金属イオン含有ガラスのCWレーザに対する光吸収機構の解明」が、天田財団の2023年度「奨励研究助成（若手研究者）」にレーザプロセッシング分野で採択された。

富田助教は「高校時代、化学の教科書を見ていたとき、物質が原子から構成されていて、元素の種類を変えるだけでモノの性質が変わることが、とても“目新しい”と感じました。これが、無機材料を勉強したいと思ったきっかけでした」と話す。2014年に東京工業大学（現・東京科学大学） 工学部 無機材料工学科に入学。セラミックスについての勉強に取り組む傍ら、さまざまな産業に使用されているガラスに興味を持つようになり、学部4年生からはガラス研究室に所属した。

修士課程1年のとき、先生に勧められて大学に籍を置いたまま、スイス連邦工科大学に半年間留学。フェムト秒パルスレーザによる石英ガラスの加工を専門としている研究室で、博士課程の学生や研究者とのやり取りを重ねる中で、「研究の真の楽しさを実感した」という。

修士課程修了後は就職より博士課程を選び東京工業大学で、レーザ照射によるガラスのマイクロ加工、シリカガラス基板のナノ・マイクロ構造の制御などの研究を続けた。2023年に博士課程を修了して博士（学術）の学位を取得。2023年4月からは同大の物質理工学院 材料系の矢野哲司教授の研究室で助教として活動している。

左：金属イオン含有ガラスにCWレーザを照射するCO2レーザ装置／右：シリカとホウ酸の成分を含んだガラスにCWレーザを照射し、ガラス基板の内部まで加熱する

蚊の口針を模倣した「マイクロニードル」の開発

天田財団の2018年度「一般研究開発助成」に塑性加工分野で採択された関西大学 システム理工学部 機械工学科の青柳誠司教授の研究テーマ「蚊の針のサイズを追求した中空マイクロニードルの微細成形加工」は長年、ロボット・マイクロシステムなどを研究してきた青柳教授が、ナノ・マイクロメートルスケールの3次元微細構造の創成技術とバイオミメティクス技術の融合による新学問分野の確立、医療デバイス、メカトロニクス・ロボティクス関連のデバイス開発への応用を進める中で実施してきた研究開発テーマである。青柳教授は「低侵襲性の無痛針」を実現するため、蚊の口針を模倣した「マイクロニードル」の開発を目指してきた。

青柳教授がこの研究を思い立ったキッカケは、「痛みが少ない注射針」が医療の現場で望まれていることを知ったことにある。注射器は病気の治療や予防にあたり欠かすことのできない医療用品の一つである。しかし、あのチクリとした痛みが嫌で、できれば打つのを避けたいと思う人が多い。そんな人々の気持ちに応えたいと考えたのが発端となっている。

注射針と蚊の針の太さの比較。針の太さが細いほど痛点に振れる確率は低くなり、患者の負担軽減につながる