2021 Fiscal Year Annual Research Report
Quality assurance by systematized modeling of uncertainties and stochastic prediction of fatigue life for 3D printing
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20H02034
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
高野 直樹 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10206782)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
植松 美彦 岐阜大学, 工学部, 教授 (80273580)
松田 哲也 筑波大学, システム情報系, 准教授 (90345926)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 確率的FEMシミュレーション / 不確かさ / 確率的疲労寿命予測 / 3D積層造形 / 歯科補綴物 / 初期欠陥 / チタン合金 / 純チタン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
3D積層造形に起因する幾何的な造形不良および初期条件としての微小欠陥を仮定した有限要素解析に関し、以下の成果を得た。
1. 円孔を有する造形物の力学的挙動の製造前の確率的予測： ポリアミド(PA-12)およびアルミ合金(Al-Si10-Mg)に対し、円孔のゆがみを表す幾何的パラメータを定義し、統計的計測により、ばらつきも含めて積層角度の正弦に対して線形の相関性を見出した。作成したデータベースは補間が可能である。確率的有限要素モデルを生成することにより、製造前に確率的予測が行えることを、イメージベース解析との比較により実証した。
2. 積層造形用のサポート内多孔質構造の解析： ストラットの不連続部とストラット幅のばらつきを考慮した確率的有限要素解析モデリング手法を考案し、熱伝導率および弾性定数の等価物性値の解析を行った。
3. チタン合金製歯科補綴物の疲労試験： チタン合金(Ti-6Al-4V)製クラスプの疲労試験（N=14本）を1万回～10万回の繰り返し負荷の範囲で実施し、歯科臨床上要求される1万回の繰返し負荷に耐えるストロークが0.45mmであることを見出した。SWT法の係数をキャリブレーションし、疲労寿命の予測が可能となった。初期条件の不確かさとして微小欠陥を仮定した疲労寿命のばらつき（下限値）の予測結果とあわせ、歯科分野の学術誌に論文発表した。
4. 純チタン製歯科補綴物の解析と疲労試験： チタン合金より降伏応力が低く、加工性に優れる純チタン(TiCP)に対し、材料特性の取得ならびにチタン合金と同様の疲労試験を実施した。有限要素解析を行うことにより、SWT法の係数をキャリブレーションした。1万回の繰り返し負荷に耐えるストロークはチタン合金と同じ0.45mmであったが、0.45mm以下のストロークでは純チタンの方が疲労寿命が長く、純チタンの臨床応用可能性を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度に計画した研究項目のすべてを順調に実施し、有益な成果を得るとともに、学術論文として発表することができた。当初計画通り、材料特性（物理的パラメータ）、幾何的パラメータ、初期条件にそれぞれ不確かさを適切に設定し、偏微分方程式に沿った系統的な不確かさのモデリング法の基礎を構築した。患者別の歯科補綴物の3D積層造形時の品質保証として、確率的有限要素解析をバーチャルテストとして用いる目処がついた。また、研究チーム内でZoomによるオンライン会議を行い、全体として計画通りに進捗していることを確認するとともに、次年度の協力体制の強化を図ることができた。論文発表、学会講演会発表とも予定通り多数行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画通り、研究を続行するが、純チタンの疲労特性については予想以上に良好な結果を得たため、さらに深く研究を行う。研究者間の連携項目として、疲労試験結果の破面観察、歯科補綴物の臨床応用を目指した人工唾液の影響の調査、サポート内ミクロ構造の等価物性値の予測における非弾性特性の考慮の3点を次年度計画に盛り込むこととした。予算の使途についても当初計画通りである。
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