環境・エネルギー問題が地球規模で深刻化する中、本研究分野では環境負荷を大きく減らすようなグリーンプロセス技術の研究開発に取り組んでいます。特に、機能発現の要素となるナノおよびマイクロ粒子に着目し、それらのボトムアップ合成法、およびそれらをビルディングブロックとして所望の２次元、３次元形状に積み上げる造形法の開拓を進めています。さらに、本研究分野で開発されたグリーンプロセス技術を用いて、環境・エネルギー関連材料およびデバイスの創製も行っています。

積層造形法は、任意形状の２次元断面を積み重ね、複雑形状の３次元構造を形成する先進プロセスである。本研究室では、金属やセラミック微粒子を分散した樹脂ペーストを素材とする、独創的なアディティブ・マニュファクチャリングを考案し実践している。サブストレート方式では、微粒子ペーストを平板上に塗布し、高輝度レーザ走査により断面を描画しつつ積み重ね、層間接合することで実用材料の構造体を作製する。デポジション方式では、微粒子ペーストをプラズマやガスフレームなどの高温熱流へ導入し、部材表面へ吹き付けて肉盛溶接を繰り返しながら、複合組織や凹凸模様を作製する。磁気デバイス・電力モジュール・熱コンバータ・音響モジュレータ・振動アブソーバなどのエネルギー制御構造や、流体フィルタ・研削ツール・生体インプラントなどのマテリアル制御構造の研究開発を進め、持続可能な社会発展に貢献したい。

金属積層造形法による3次元複雑形状部材の品質向上において、金属粉末の溶融凝固現象と繰り返される熱影響に基づく造形機構の理解を通じ、造形材の結晶集合組織制御に資する合金設計やプロセス最適化に関する基礎学理の構築が必要である。そこで本分野では、レーザを熱源とした金属積層造形法の一つである選択的レーザ溶融法を用いて創製する金属材料において、超急冷凝固現象に起因する微細結晶組織や過飽和固溶体などの特異な組織形成に係る造形機構を理解し、これらの組織が支配する積層造形体の力学挙動のマルチスケールでの解析を遂行する。

本研究分野では、レーザを用いた3D造形プロセスに関する基礎研究およびレーザ3D造形装置開発を実施している。特に、銅等の金属材料の安定かつ高効率溶融を可能とする青色半導体レーザに着目し、当レーザを搭載した3D造形装置を開発している。さらに、高品質かつ高速3D造形を実現するために、レーザ照射による材料の溶融および凝固プロセスの解析を実験的かつ理論的に進める。得られた知見を活用し、革新的な３D造形プロセス創出および装置開発に取り組むとともに、それらの社会実装を推進して行く。

先端造形学分野では、アディティブマニュファクチャリングに関する著名な研究者を国内外より招へいしている。主たる活動目標は、卓越した科学知見や優れた実践技術を接合科学研究所へ導入するとともに、次世代の当該領域を牽引する新しいプロセスを共に構築することである。積層造形に用いる素材としては、特殊合金を含む各種金属だけでなく、機能性セラミックを含む無機材料など、幅広い範囲を検討し選定している。さらに、プロセスの核となる溶接接合としては、レーザー·アーク·プラズマなどの熱源による溶融凝固をはじめ、粉体焼結や重合効果などの固相接合や化学接合も取り入れている。