3Dプリントで、失われた「古代ダマスカス鋼」に近い素材を再現!

technology

Credit:depositphotos
point
  • 3Dプリント技術の応用により、ダマスカス鋼の構造を再現
  • 3Dプリンタレーザーの熱をコントロールすることで、軟質層と硬質層を作り出す
  • 作られた新しい合金は、ダマスカス鋼よりも高い機械的特性を持つ

現代において、木目状の模様を特徴とする「ダマスカス鋼」は高級材料として有名です。しかし、古代ダマスカス鋼の作り方は既に失われており、本当のダマスカス鋼を作成できる人はいません。

ところが、ドイツのマックス・プランク研究所(MPIE)のフィリップ・クルシュタイナー博士らの最新の研究では、古代ダマスカス鋼に見られる層状構造を3Dプリンタで再現することに成功。

そのうえ高強度で延性のある新しい合金は、古代ダマスカス鋼の機械的特性を上回っています。

ダマスカス鋼とは

Credit:depositphotos

ダマスカス鋼は高い強度と美しい模様から、ナイフや包丁、アクセサリーなどに利用されており、多くの人に愛されている材料です。

もともと、ダマスカス鋼(別称ウーツ鋼)は南インドで紀元前6世紀ごろに開発されました。当時から人気があり世界的に輸出されていましたが、その製法は既に失われています。

そのため、現代に至るまで多くの材料科学者たちが古代ダマスカス鋼の再現しようと試みてきました。しかし、未だに完全再現できていません。

ですから、現在作成・流通している「ダマスカス鋼」は、正確には「古代ダマスカス鋼に似た別物」です。

現代のダマスカス鋼は異種の金属を重ね合わせて鍛造する「積層鋼」と呼ばれるものであり、「古代ダマスカス鋼」に似た模様があります。

積層鋼は「古代ダマスカス鋼」のいわば代用品ですが、現代では「ダマスカス鋼」という名称が定着しているのですね。

3Dプリンタでダマスカス鋼を再現

さて、古代ダマスカス鋼の成分や手法は完全に判明していませんが、その強度と延性は、作成時の「折り曲げと鍛造の繰り返し」からもたらされると考えられています。

折り曲げと鍛造の繰り返しが「軟質層と硬質層のパターン」を作ります。通常、このパターンは手作業の中で自然に生じるものですが、クルシュタイナー氏らはデジタル制御によって再現できると考えたのです。

そのために、彼らは3Dプリント技術を応用しました。

近年、3Dプリントの技術は大きく前進しています。3Dプリントにはいくつかの方式がありますが、その中の1つに「指向性エネルギー堆積」方式があります。これは、噴射ノズルから粉末を供給しつつ、同時にレーザーで熱を加えて溶融結合していく造形方式です。

指向性エネルギー堆積法/Credit:三菱重工

例えば、金属粉末をレーザーによって1層ずつ堆積させることで、立体的な合金が作れます

「指向性エネルギー堆積」最中に一時停止するなら対象金属層は冷却されます。また逆にレーザーを照射することで再加熱することも可能です。

彼らは金属の冷却状態をコントロールすることで、熱による硬化領域と非硬化領域を交互に作り出すことに成功。

これにより、ダマスカス鋼に見られる「軟質層と硬質層のパターン」を再現したのです。

ダマスカス鋼のような構造を示す合金の光学顕微鏡写真。軟質層は明るく、硬質層は暗く表示される。赤線は硬度を示す/Credit:Philipp Kürnsteiner

研究チームは、この方法によって鉄・ニッケル・チタンをベースとした新しい合金を設計しました。これは1300メガパスカルの引張強度(引っ張りに対する最大強度)と10%の伸び率を持ち、古代ダマスカス鋼よりも優れた機械的特性を示しています。

彼らが作った新しい合金は、正確には「古代のダマスカス鋼」ではありません。しかし、構造的にはダマスカス鋼であり、広義的に「3Dプリンタでダマスカス鋼を再現した」と言えるかもしれませんね。

今回の研究は、3Dプリントの熱処理が合金の構造を局所的に調整できることを示しました。これは今後の製造の可能性を大きく広げるものとなるでしょう。クルシュタイナー氏らは更なる調整とテストを続ける予定です。

この研究は6月24日、「Nature」に掲載されました。

High-strength Damascus steel by additive manufacturing
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2409-3#ref-CR11

血管付きの「生きた皮膚」を3Dプリントで作成成功

reference: mpie / written by ナゾロジー編集部
ナゾロジーは皆さんの身近にある”素朴な疑問”を解決する科学情報メディアです。
最新の科学技術やおもしろ実験、不思議な生き物を通して、みなさんにワクワクする気持ちを感じてもらいたいと思っています。
Nazologyについて
記事一覧へ
【お知らせ】
みなさんのおかげでナゾロジーの記事が「Googleニュース」で読めるようになりました!
Google ニュースを使えば、ナゾロジーの記事はもちろん国内外のニュースをまとめて見られて便利です。
ダウンロードは下記リンクから
andoroid
https://bit.ly/2BcZNFY
iOS
https://apple.co/2YARGLs
ダウンロード後は、ぜひフォローよろしくおねがいします。
あわせて読みたい

SHARE

TAG