熱延伸3Dプリンティングした生体用高分子材料の結晶構造の解明と骨類似機能制御

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04745
• Research Institution: Yuge National College of Maritime Technology
• Principal Investigator: 福田 英次 弓削商船高等専門学校, 電子機械工学科, 准教授 (30536553)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: ポリエーテルエーテルケトン / ３Dプリンタ / 骨類似機能化

Outline of Annual Research Achievements

ポリエーテルエーテルケトンは高分子材料のひとつで、生体適合性や生体機能性に優れていることから、医療デバイスとして使用されている。本研究では、高分子材料を溶融状態にした後、素早く、薄く引き伸ばしながら積層することで立体造形体を得る熱延伸3Dプリンティングという手法を確立することで、ポリエーテルエーテルケトンの高強度化および骨類似機能化を目指すとともに、熱延伸3Dプリンティングで得られる造形体の結晶構造が機械的性質に及ぼす影響とそのメカニズムを明らかにすることを目指している。
令和４年度は、主として結晶構造や機械的性質の分析に資する種々の造形条件で熱延伸３Dプリンティングした造形体およびその後アニーリング処理した造形体を作製した。新たなスライスソフトを導入したため、これまでとは異なるノズルの走査パターンでの造形が可能となった。得られた造形体について、実体顕微鏡を用いて積層間の接合状況および走査間の接合状況を観察した。また、造形環境を考慮して、フィラメント乾燥供給システムの設置および造形装置内の保温性を高めるため、アルミフレームとアクリル板を用いて３Dプリンタ全体を覆うなどの工夫を施した。
令和5年度は、新たなスライスソフト導入によりノズルの走査パターンの変更をおこなったため、造形条件のうち、ノズルの走査速度と積層ピッチについて重点的にスクリーニングを行った。熱延伸3Dプリンティングで得られる造形体の結晶構造（結晶化度や配向性など）が機械的性質（強度や力学的異方性など）に及ぼす影響について調査する造形条件を引張試験結果と割断面の観察より決定した。引張試験より得られた応力-ひずみ線図の変形挙動は４種類に分類された。また、走査速度が増加するに従い、引張強度が低下する傾向にあった。割断面の観察より、積層ピッチが大きくなるに従い、積層間の隙間が大きくなる傾向にあった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

結晶構造や機械的性質の分析に資する熱延伸３Dプリンティング造形条件を、引張試験および割断面の観察を行い決定した。当初予定していなかったが機械的性質のひとつである曲げ特性を評価するために曲げ試験を実施した。令和5年度中に結晶構造の調査に着手したかったができなかった。

Strategy for Future Research Activity

スクリーニングした造形条件で熱延伸３Dプリンティングした造形体およびその後アニーリング処理した造形体について結晶構造を多角的に分析する。