オーストラリアのRMIT大学の研究チームは、3Dプリンターを用いて、水に浮く軽量かつ高強度なチタン製ラティス構造体を開発した。中空のチタン製支柱にポリウレタンフォームを充填することで、内部に水が流入しても浮力を維持できる仕組みを実現した。同じ全体密度のステンレス鋼や高密度ポリエチレンと比較して70％高い強度を示し、大きな損傷を受けても水に浮き続けることが確認された。研究成果は学術誌『Advanced Materials』に掲載されており、桟橋やブイ、浮体式センサーなどの海洋インフラへの応用が期待されている。
目次
中空チタン支柱と発泡材料の組み合わせで浮力を確保
今回開発されたのは、3Dプリンターで製造したチタン製のラティス構造体である。内部が空洞になった支柱を相互に接続し、その空洞部分にポリウレタンフォームを充填している。
金属製ラティス構造は、軽量でありながら高い強度を確保できる点が特徴である。しかし、一般的な開放型ラティス構造では、内部の空間に水が流入するため、構造体全体の密度が水より低くても沈んでしまうという課題があった。
RMIT大学の積層造形研究センター（Centre for Additive Manufacturing）に所属するジョーダン・ノローニャ博士らの研究チームは、中空支柱の内部だけに発泡材料を充填することで、この問題を解決した。
発泡材料に含まれる微小な密閉セルが気体を保持し、支柱内部への水の浸入を防ぐ仕組みである。これにより、ラティス構造の開放部分を水が通過しても浮力を維持できる。
研究チームによると、金属とポリマーを組み合わせた浮力を持つラティスメタマテリアルの実証は、世界初の報告例となる。試験片を淡水に2か月以上浮かべる実験でも、浮力が維持されることを確認した。
浮力を予測する新たな設計指標「骨格密度」を考案
研究チームは、開放型ラティス構造が水に浮くかどうかを予測するため、新たに「骨格密度（Skeletal Density）」という指標を考案した。
従来の密度計算では、ラティス構造内部の空間を含めた体積から密度を算出する。しかし、外部とつながった空間には水が入り込むため、その部分は浮力の維持に寄与しない。
骨格密度は、水が入り込まないチタン製の壁面や、発泡材料を充填した密閉空間だけを対象として算出する。
この骨格密度が周囲の液体の密度より低ければ、構造体の内部を水が通過しても浮力を確保できるという。
研究チームは、この指標によって、海洋用途に適した軽量金属構造体の設計が容易になるとしている。
ステンレス鋼などより70％高い強度、海水中でも性能を維持
開発したチタン製ラティス構造体の強度試験では、海洋用途で使用されるステンレス鋼や高密度ポリエチレンと比較して、同じ全体密度の条件で70％高い強度を示した。
また、オーストラリア・メルボルンのポートフィリップ湾から採取した天然海水を用いた耐食性試験では、2週間の浸漬後も質量減少は0.15％にとどまり、強度低下も1％未満だった。
損傷に対する耐性も確認されている。構造体に亀裂が生じた場合や、重要な接続部分が破損した場合、さらにはラティス構造の一層全体が破断した場合でも、浮力を維持した。
構造体が沈んだのは、激しく押しつぶされて圧縮変形した場合のみだった。
従来の中空構造を持つ海洋設備では、外壁に亀裂が生じると内部に水が流入し、浮力を急速に失う可能性がある。今回の構造体は、発泡材料を各支柱に分散して配置することで、局所的な損傷が構造体全体の浮力喪失につながりにくい設計となっている。
3Dプリント製ブイを試作、海洋インフラへの応用を目指す
研究チームは、技術の実証として3Dプリンターで海洋用ブイを試作した。
海水を満たした試験水槽を最大45度まで傾け、水面を激しく動かす試験を行った結果、試作ブイは安定した状態を維持した。
このブイには、密閉型の外装や防護コーティング、追加の浮力材などは使用されていない。チタン製ラティス構造体そのものが浮力を確保している。
研究プロジェクトを率いるRMIT大学の馬謙（Ma Qian）特別教授は、今後、実証用部品の大型化を進めるとともに、実際の海洋環境や深海環境における長期的な性能評価を実施する方針を示している。
また、中空支柱に充填する材料を変更することで、エネルギー吸収、熱管理、振動制御など、海洋インフラ以外の用途にも展開できる可能性があるという。
今回の研究は、RMIT大学の積層造形研究センターが主導し、フランス国立工芸院（Conservatoire National des Arts et Métiers）との共同研究として実施された。オーストラリア研究会議およびRMIT大学工学部が研究を支援している。
研究成果は、学術誌『Advanced Materials』に「Breaking the surface: buoyant metal–polymer open–cell hybrid lattice metamaterials」として掲載された。
研究論文：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74641
シェアラボ編集部コメント
金属製ラティス構造の軽量性と強度を生かしながら、水に浮くという新たな機能を付与した点が興味深い。特に、構造体が大きく損傷しても浮力を維持できることは、長期間にわたって過酷な環境にさらされる海洋設備にとって大きな利点となるだろう。チタンは耐食性に優れる一方、材料費や製造コストが課題となるため、今後は大型化や量産性、長期耐久性の検証が実用化の鍵となりそうだ。また、充填材料を変更することで機能を調整できる点は、積層造形ならではの設計自由度を生かした取り組みとして注目される。
用語解説
| ラティス構造（Lattice Structure） |
|---|
| 格子状の骨組みを組み合わせた構造。内部に空間を設けることで、材料使用量や重量を抑えながら強度や剛性を確保できる。3Dプリンターでは複雑なラティス構造も一体造形できるため、航空宇宙、自動車、医療などの分野で活用が進んでいる。 |
| メタマテリアル（Metamaterial） |
|---|
| 素材そのものの性質だけでなく、人工的に設計した微細構造や幾何学的な配置によって、特定の機能を実現する材料。機械的特性、熱特性、音響特性などを構造設計によって制御できる。積層造形技術との親和性が高く、軽量化や衝撃吸収などへの応用が研究されている。 |
| 骨格密度（Skeletal Density） |
|---|
| 開放型ラティス構造の浮力を評価するために、今回の研究で提案された密度指標。水が入り込む開放空間を除き、固体部分や水が浸入しない密閉空間を対象として算出する。骨格密度が周囲の液体より低い場合、構造体の開放部分に水が流入しても浮力を維持できるとされる。 |
| ポリウレタンフォーム（Polyurethane Foam） |
|---|
| ポリウレタン樹脂を発泡させて製造する軽量な材料。内部に多数の微小な気泡を持ち、断熱材、緩衝材、浮力材などに利用される。今回の研究では、チタン製中空支柱の内部に充填することで、水の浸入を防ぎ、構造体の浮力を維持する役割を果たしている。 |
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