3Dプリンターが拓くアルミ新素材｜軽量・高強度・高耐熱のブレークスルー
アルミニウムは鉄の約1/3という軽さでありながら、一定の強度を持つ優れた金属です。そのため航空機や自動車の車体など、軽量化が求められる分野で広く使われてきました。
しかしアルミニウムには弱点もあります。それは高温に弱いことです。アルミニウムは温度が上がると急激に強度を失い、300℃近くでは実用に耐える強度を保てなくなってしまいます。エンジン内部やガスタービンといった高温環境で部品に使えないため、せっかくの軽さを活かせる場面が限られていました。この「高温に弱いアルミ」という課題は長年技術者を悩ませてきたのです。
名古屋大学による新合金開発の挑戦
こうした中、名古屋大学大学院工学研究科の高田尚記教授らの研究チームは、高温に強いアルミニウム合金を開発するという挑戦に取り組みました。
従来の常識を覆すポイントは、「アルミには入れてはいけない」とされてきた鉄（Fe）をあえて加えたことです。鉄は一般にアルミを脆く（もろく）し腐食しやすくするため、通常はアルミ合金にほとんど使われません。しかし研究チームは、金属3Dプリンターで材料を成形する際の特殊な過程に着目しました。
3Dプリンターでは金属粉末をレーザ光で局所的に溶かし、一層ずつ積み重ねて造形します。その際に起こる急速な冷却によって、鉄などの元素が通常はできない形で金属内部に閉じ込められ、微細な組織を作り出すことが可能になります。言わば3Dプリントの過程で「急冷効果による新しい合金設計」が実現できるのです。
高田教授は次のように説明しています。「レーザ粉末床溶融（L-PBF）という金属3Dプリント法の極めて速い冷却のおかげで、通常はできない元素の配置や構造（準安定相）が実現できます」。
この手法を活用し、鉄を含むアルミ合金でも強靱さを保つ新素材の可能性を引き出しました。
レーザ粉末床溶融法が生み出す微細構造
研究グループはまず、3Dプリンター製造時の材料内部のミクロ・ナノ構造に注目しました。レーザ粉末床溶融法（L-PBF法）では、溶けた金属が一瞬で固まる非平衡状態が生み出されます。
この結果、肉眼では見えない微細な結晶粒や粒子が材料内部に形成され、合金の強度や耐熱性を飛躍的に高めることが可能になります。高田教授らはこの急冷凝固の理論に基づき、「どの元素を加えればアルミ基材が強化され、どの元素が保護的な微細構造を形成するか」を予測する体系的な方法を開発しました。
その予測に従って銅（Cu）、マンガン（Mn）、チタン（Ti）など複数の元素を段階的にアルミ-鉄合金に添加し、新たな合金の特性を調べました。電子顕微鏡による観察で、これら添加元素が微小な粒子や結晶組織を生成し、材料の強さと耐熱性を高めることを確認しています。
軽量で高温に強い新合金の性能
こうして得られた新しいアルミ-鉄系合金の中で、最も性能が優れていたのはアルミ-鉄-マンガン-チタン（Al-Fe-Mn-Ti）合金です。この合金は常温で高い強度と靱性（しなやかさ）を示すだけでなく、約300℃という高温下でも強度を維持できることが確認されました。従来のアルミ材料では考えられなかった「300℃でも強度と柔軟性を保てる」画期的な特性です。
さらに、この合金は3Dプリンターで造形しやすい点も重要です。一般的に高強度アルミは3Dプリント時に割れや反りが生じやすく加工が難しいのですが、新合金ではそうした問題が起こりにくいことが報告されています。実験では安定した成形が可能となり、複雑な形状の部品でも精密に作製できることが示されました。
環境・産業へのインパクトと今後の展望
開発された耐熱アルミ合金によって、自動車エンジンのコンプレッサーや航空機エンジンのタービンなど、高温にさらされる部品をアルミニウムで作る道が開かれます。アルミ製の部品は鉄や耐熱鋼に比べて大幅に軽量なため、車両全体の軽量化につながります。自動車であれば燃費の向上や二酸化炭素排出量の削減、航空機であれば搭載量増加や燃料消費削減といった環境負荷低減につながる効果が期待できます。
また、新合金は鉄やチタンなど地殻中に豊富に存在する安価な元素のみで構成されており、レアメタルを使わないためリサイクルしやすく低コストで量産できる利点もあります。研究チームが示した合金設計手法はアルミ以外の金属にも応用可能で、3Dプリンター用材料の開発スピードを大きく加速させるプラットフォーム技術になると期待されています。今回の成果は英文学術誌『Nature Communications（ネイチャー・コミュニケーションズ）』に2025年12月付で掲載されており、日本発の素材技術ブレークスルーとして今後の展開が注目されています。
参照リンク
-
Nature Communications 論文原文：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-12345-6 -
名古屋大学プレスリリース（2025年12月）：
https://www.nagoya-u.ac.jp/research/press/202512/metal3d_alloy.html -
Aichi Center for Industry and Science Technology：
https://www.pref.aichi.jp/aichi-cist/ -
3Dnatives記事（2025年12月20日）：
https://www.3dnatives.com/en/heat-resistant-aluminum-3d-printing-201220256/
