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金属材料の変形挙动を解明し最适な成形技术を追求する先进的研究。
最适な金属材料の塑性加工技术を実験?モデル化?検証によって导き出す。
身の回りにあるさまざまな金属加工製品。私の研究室では、そうした金属材料を中心とした各种材料の弾塑性変形に関する研究を行っています。基础となるのは、「弾塑性力学」および「材料科学」という分野です。
「弾塑性」というのは、弾性と塑性という2つのことばを合わせたものです。「弾性」は、バネを引っ张って手を离すと元の长さに戻るように、変形が元に戻る性质のこと。
また、「塑性」は、バネをうんと引っ张ったときに伸びきった状态になりますが、そのように変形が元に戻らない性质のことを言います。鉄钢やアルミなど、身近にある金属材料はどれもこの「弾塑性」の性质を持っており、金属製品の多くは、こうした金属材料の変形特性を利用して成形されています。
金属の成形加工法の代表例が、この塑性変形を利用した「塑性加工」です。自动车のボディやジュースの缶など、この加工を用いた工业製品は身の回りにあふれています。それだけ、塑性加工技术は重要なものであり、更なる进化が求められているものと言えるでしょう。
例えば、自动车のボディは、塑性加工のひとつである「プレス成形」という方法で加工されます。これは、一般的には鉄板と呼ばれている钢板を金型で挟んで変形させる加工法ですが、加工の际にはさまざまな问题が起こります。変形の途中で割れたりしわが入ったりして使い物にならなくなる、そして、最もやっかいなのが「スプリングバック」という现象です。前述のように、金属材料はすべて弾塑性、つまり、ばねの性质を持っているので、ばねと同様に、変形させた后には元に戻ろうとします。このことをスプリングバックと呼んでいます。この现象は変形の际に必ず起こるのですが、その起こり方がひどいと、设计した通りの形のものができなくなります。そこで、私の研究室では、これらの问题が起こるか起こらないかを予测するさまざまな技术や讲じるべき対策などを求めて、最适な加工技术を明らかにするという研究をしています。
「塑性加工」の际に、材料をどれくらい変形させたら元に戻らなくなるか、また変形させるためにどれくらいの力が必要かは、変形の状态によって変わってきます。中学?高校では、ばねの伸びはばねにかかっている力に比例すると习いますが、塑性変形ではそう単纯ではありません。材料が変形する际には、変形に関係するさまざまな机械的性质というものがあり、例えば伸び?缩み（ひずみ）と力（応力）の関係を调べて机械的性质を明らかにし、そうした変形挙动を予测できるような材料モデルを确立することが必要になってきます。そのために、この研究室では、いろいろな実験装置を使って调べ、理论を考え、検証するといった一连の研究をおこなっています。
実は、金属板材の変形挙动や破壊に関する多种多様のデータを全部ひとつの研究室で取得できるというのは、日本中を见回してもなかなかありません。そのようなことが可能な研究室は国内では十指に満たないのではないでしょうか。そういった意味でも、自分たちが调べたい机械特性を得るためには、どういう実験をして、その実験にはどういう装置が必要なのかといったことも併せて考え、独自の実験装置で独自のデータを取るというところに、この研究室の大きな特长があると言えるでしょう。
図1／研究概要と実験结果の一例
自动车业界からも求められている研究。インクリメンタル成形の研究も。
私たちが扱っている金属材料は、最も多いのが高张力钢板、次にアルミ、ステンレス、マグネシウム、チタンなど。非常に强度の高い高张力钢板を多く扱うのには、理由があります。
例えば自动车业界では、衝突安全性を向上させたり、自动运転技术を导入するなど、着しい技术の発达が见られます。そういった自动车の机能?性能を向上させることによって、実はどんどん自动车は重くなっていきます。そうすると当然、燃费が悪くなってしまうため、安全性を保ちながら軽量化する、あるいは、少なくとも重くならないようにするということが强く求められているのです。
そのために取るべき方向性は大きく2つあります。1つは、材料の量を増やさずに强さを上げるというもの。
例えば、自动车のボディに使われる钢板の厚みを増やさず、材料の强度を上げていく訳です。そしてもう1つは、材料自体を軽くするというもの。これは、マルチマテリアル化と呼ばれるもので、従来、钢板だけで作っていたものを部分的にアルミや贵搁笔という繊维强化プラスチック材料などに置き换えるというやり方です。この2つのうち、コスト的に有利なのは前者であることから、强度の高い钢板の使用される量とその强度のレベルはいずれもどんどん上がっているのです。ところが、钢板の强度を上げると、非常に厄介な问题が起こってきます。それは、材料の强度を上げるほど、割れやすくなるということ。そうすると、いままで普通の钢板でできていた部品が作れないということになります。
そのため、従来の技术とは违う工夫が必要になってきます。まずは、どれくらいまでなら成形でき、どの程度変形させると割れてしまうのかを予测できるような材料モデルと割れ予测理论を作る必要があります。加えて、金型の形や工程设计等をどのようにすれば割れずに成形できるのかを调べていくことも必要です。高张力钢板を使った研究のベースには、このような产业界からの要请があると言えます。
さらに、いままでお话ししたような研究に加えて、「インクリメンタルフォーミング」に関する研究もおこなっています。これは少々特殊な世界になりますが、多品种少量生产に使えるような新しい技术で、1990年代あたりから日本で研究が始まりました。加工のやり方はというと、固定した金属板の里侧に棒状の工具を押し当て、その棒を3次元的に动かしていくと、その棒の轨跡に沿って、板材が膨らんでいくというもの。この方法は、工具の动かし方を変えるだけで、さまざまな形のものが金型を使わずに成形でき、プレス成形ではできないような変形をさせることができるという大変兴味深い成形技术です。
私たちの研究室では、大きくこの2つの金属成形技术についての研究を进めています。
実験と理论を両轮として进む、ものづくりの进化とともにある先进の研究。
お话ししたような塑性加工、プレス成形の分野は、成熟した技术であるように见られていて、大学で研究するような问题はあまり残っていないのではないかといった见方をされることもあるのですが、実际には、工业製品の机能?性能がどんどん进化する中で、新たな问题や研究テーマがどんどん出てきています。従って、ものづくりの国である日本が世界で胜负をしていく限りは、私たちが手掛けているような研究が必要になってくると考えます。そうした意味で、実际にものを作る现场に贡献できるような、非常に重要な研究であると自负しています。
そして、明らかにしたいニーズ、调べたいことがあると、そのために独自の装置を作って独自のデータを取るというこの研究室のやり方は、前任の先生の顷からずっと受け継がれている方法。个人的にはそんな风に工夫をしていくところにおもしろさを感じていますし、他の研究室ではなかなか取れない、非常に特徴的なデータが取れることで、オリジナリティを発挥できると思っています。
私自身は、学部4年生の研究室配属の时から、まさにこの研究室で、この研究をするようになりました。もともと実験をすることが好きということもあり、実験装置から作っていくこの研究室のやり方はとても合っていたのでしょう。
大学での研究というと、研究分野によっては、理论ばかり、コンピュータによる计算ばかりであったり、あるいは年中実験ばかりをやっているようなところもあるかと思いますが、この研究室は、実験と理论的な计算というのが必ず両轮のようにセットになっています。そのどちらかに重きを置くということはありますが、必ずその両方を学生の皆さんにはやってもらうことになりますので、実験と理论の両方の力をつけたいという人にはぜひ来て欲しいと思います。その両方にどっぷり浸かることができます。
さらに言えば、ここでの研究は、数学的なモデルを作るというところまでは学术的な世界であり、これらの知见がダイレクトにプレス成形技术といった応用面につながっていく。学术面と応用面が非常に近いところにあることも特长のひとつと言えるでしょう。自动车业界をはじめ、鉄钢メーカーなどの产业界との共同研究あるいは委託実験などの机会も豊富にあります。おもしろそうだと感じた方は、どうぞこの研究室をめざしてください。皆さんの参加をお待ちしています。
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成形プロセス工学研究室 准教授
1991年3月26日 広島大学 工学部第一類（機械系） 卒業
1993年3月26日 広島大学大学院 工学研究科 材料工学専攻 博士課程前期 修了
1996年3月26日 広島大学大学院 工学研究科 材料工学専攻 博士課程後期 修了
1996年4月1日～1999年3月31日 福井大学 工学部 助手
1999年4月1日～2001年3月31日 広島大学 工学部 助手
2001年4月1日～2003年3月31日 広島大学大学院 工学研究科 助手
2001年6月1日～2002年2月21日 連合王国?ブラッドフォード大学 客員研究員
2003年4月1日～2007年3月31日 広島大学大学院 工学研究科 助教授
2007年4月1日～2016年3月31日 広島大学大学院 工学研究科 准教授
2016年4月1日～2019年3月31日 広島大学学術院（大学院工学研究科） 准教授
2020年4月1日～ 広島大学学術院（先進理工系科学研究科） 准教授
