3D modeling construction of transformation process of microstructure / crystal structure aiming at improvement of fatigue strength of joint locomotorium
| Project/Area Number |
19K04096
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | チタン合金 / 積層造形 / 疲労特性 / 組織・微細構造 / 変態プロセス / 関節運動器 / 組織・結晶構造 / 生体材料 / 医療・福祉 / 先端機能デバイス / ショットピーニング / 表面・界面物性 |
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| Outline of Research at the Start |
現在の整形外科用3D造形関節運動器デバイスは，造形時の残留欠陥が疲労強度を著しく低下させるために実用範囲が極めて限定されている．加えて，骨伝導能に乏しい金属インプラントには，骨と協調・融合する機能性の付与が不可欠であり，造形材でその機能の検討や効果の検証はなされていない．
本研究では，チタン合金の3D造形カスタム関節運動器デバイスを骨形状3D CADデータから直接造形し，短時間高周波焼入れとショットピーニング処理で組織のナノ結晶化と結晶相変態による耐疲労強度化プロセスの確立及びプラズマ溶射法による骨伝導能付与技術の一体化創製技術の構築を目的とし立案する．
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| Outline of Final Research Achievements |
Custom-made implants tailored to the skeleton and symptoms of individual patient joints are required. In current 3D orthopedic 3D sculptural joint devices, residual defects during sculpting significantly reduce fatigue strength. Therefore, the practical range is limited.
In this study, we directly modeled a titanium alloy 3D modeling custom articulated locomotor device. Then, a fatigue-resistant strengthening process was constructed by nano - crystallization of the structure and crystal phase transformation by induction hardening for a short time and shot peening treatment.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
カスタムメイド医療を目指す金属粉末積層造形技術の導入は，基本機能を維持しつつ，患者個々の骨形状に見合う性能及び構造となるよう最適化されたヒトに優しいインプラント技術である．積層造形は低侵襲手術，早期リハビリ，長寿命化インプラント，再手術の減少，簡易手術と成績向上等，多くの患者にメリットがある．
本研究ではTi-6Al-4V合金を対象に，電子ビーム積層造形法で造形・創製した．そして，短時間高周波焼入れとショットピーニング処理で残留欠陥の除去及び更なる疲労強度の向上を目指した．すなわち，造形材の安心安全を担保可能であることを検証するための疲労強度・寿命評価を実施し，そのメカニズムを明らかにした．
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Report
(4 results)
Research Products
(4 results)
