最先端研究を訪ねて


【機械材料・材料力学】

金属材料組織

金属材料の強さを飛躍的に向上させるスーパーコンピュータ予測技術を開発

高木知弘先生

 

京都工芸繊維大学

工芸科学部 機械工学課程(工芸科学研究科 機械物理学専攻)

 

東工大のスパコンTSUBAME3.0
東工大のスパコンTSUBAME3.0

 

◆研究の着想のきっかけは何ですか

 

金属に様々な元素を添加すると、より強い合金を作ることができます。また、金属材料の組織を千分の1ミリほどの小さいレベルでコントロールすることによっても、強い強度を持った金属を作れます。

 

ただしこの材料開発の工程は複雑で、試行錯誤による実験では膨大な時間がかかります。私は、スーパーコンピュータを使った模擬実験によって、材料組織が刻々と変化する様子を予測できれば、材料開発のスピードを飛躍的に高速化できるのではないかと考えました。

 

 

◆どんな成果が上がりましたか

 

溶けた合金が凝固して固体になる過程では、雪の結晶の形に似た固体が成長します。これがどのように競いあって成長するか、その仕組みの解明に初めて成功しました。また、冷却され固体となった金属材料は、粒状の結晶がたくさん集まった構造をしています。これを高温に保持すると粒状の結晶が徐々に粗大化していくのですが、この複雑な現象を明らかにしました。

 

◆その研究が進むと何が良いでしょうか

 

コンピュータを使った模擬実験を行うと、金属材料の組織が形作られる過程を見ることができるので、様々な材料組織の形成の仕方の解明につながります。将来的に、新しい材料の開発を短期間で行えるようになり、ものづくりの国際競争力を高めることができます。

 

 SDGsに貢献! 〜2030年の地球のために

技術革新のためには、新材料の開発が重要です。新材料の開発を加速するためには、従来の試行錯誤的実験に寄らないコンピュータシミュレーションを用いる方法が不可欠です。これを可能とする、コンピュータシミュレーションによる材料組織予測法の開発を行っています。

 


 この道に進んだきっかけ

工科系の大学では、4年生から研究室に配属されます。3年生までは座学中心で高校の延長のような感じですが、4年生の卒業研究では自分で手を動かし、自分で考え、自分で物事を進めます。

 

4年生の卒業研究で研究室に配属され、そこで初めて大学生になったような感じがしました。非常に楽しく卒業研究を行ったことを覚えています。継続して研究を行いたいという気持ちが強くなり、大学院に進学、大学教員という職に就く機会を頂きました。

 


 この分野はどこで学べる?

「機械材料・材料力学」学べる大学・研究者はこちら (※みらいぶっくへ)

 

その領域カテゴリーはこちら↓

14.ロボット・自動車・機械」の「56.機械工学(設計、エンジン、材料、流体等)」

 


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スパコンを使って合金の凝固の世界一大規模な計算を行った結果を可視化したもの。樹枝状結晶と呼ばれる結晶が下から上に向かって成長し、凝固が進行する様子を再現しました。
スパコンを使って合金の凝固の世界一大規模な計算を行った結果を可視化したもの。樹枝状結晶と呼ばれる結晶が下から上に向かって成長し、凝固が進行する様子を再現しました。
 学生はどんな研究を?

材料の特性をコンピュータで予測する方法は多々あるのですが、その中で複雑な材料組織の成長を表現できるフェーズフィールド法という方法を用い、コンピュータを使った材料組織の模擬実験(予測シミュレーション)の研究に、学生全員が取り組んでいます。

 

 OB/OGはどんなところに就職?

◆主な業種

 

・製造業

 

◆主な職種

 

・設計・開発 

 

◆学んだことはどう生きる? 

 

本研究室の研究分野は、機械材料・材料力学です。機械工学の中で「材料力学」は最も重要な科目の1つであり、機械構造物の設計や開発に活かされています。自動車、船、飛行機などはいずれも機械構造物です。

 

加えて、機械工学においても「材料」の研究が行われており、「材料(機械材料)」と「構造(材料力学)」の両方を最適化することで機械構造物を軽量化し、また安全に使えるようにしています。

 


 先生からひとこと

高校の物理で力学を学ぶと、その中に「ばね」が出てくると思います。ばねに力を加えると、ばねは伸びたり縮んだりし、ばねの内部に力が作用します。構造物も同じで、構造物に力を加えると、目に見えないほどの小さい量ですが、構造物は変形し、内部に力が作用します。

 

構造物に力が作用した時、構造物が壊れてはいけないので、内部に作用する力を見積もり、それによって構造物の寸法を決めるのが設計です。つまり、構造物は全て「ばね」なのです。

 

高校では「ばね」という、なぜそれを勉強しないといけないのか分かりにくいものを対象にしていますが、それはその先の学問の発展が容易で、かつ応用が利くからです。もしかすると高校物理はつまらないかもしれませんが、その先にある大学での「力学」、とりわけ「材料力学」は実際の構造物を対象とするものであり、大変面白いものです。

 

ただし、そこでは高校の物理が必ず必要になります。力学をしっかり学び、点を取るためだけの勉強でなく、理解しましょう。そうすれば、その先にさらに面白い学問が待っています。

 

 先生の研究に挑戦しよう!

・ブリッジコンテストをやってみよう!パスタ麺や角材を使って橋を作成し、その強度を競います。同じ量の材料でも構造を工夫することで橋の強度が変化することを学びます。

 

・身の回りでコンピュータシミュレーションがどのように使われているか調べてみましょう。また、今後、コンピュータシミュレーションによってどのようなことができるようになるか考えてみましょう。時間的余裕とチャレンジ力があれば、実際にコンピュータシミュレーションを行ってみましょう。

 



 先生に一問一答

Q1.大学時代のアルバイトでユニークだったものは?

たこ焼き屋。たこ焼きというか、明石焼ですね。バイト後に出してもらう食事がおいしかったです。

 

Q2.研究以外で楽しいことは?

メジャーリーグ観戦。ランニング。土日は10kmほど走って、その後メジャーリーグを見るのが楽しみです。

 

Q3.会ってみたい有名人は?

大谷翔平。I  love Ohtani-san!!!