| 研究課題/領域番号 |
22KK0050
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| 研究種目 |
国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
祖山 均 東北大学, 工学研究科, 教授 (90211995)
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| 研究分担者 |
久慈 千栄子 東北大学, 工学研究科, 助教 (20839287)
伊賀 由佳 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (50375119)
八幡 祥生 東北大学, 大学病院, 講師 (30549944)
矢代 航 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (10401233)
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| 研究期間 (年度) |
2022-10-07 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)
2025年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2024年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2023年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2022年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
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| キーワード | キャビテーション / サブクール沸騰 / 渦キャビテーション / パルスレーザ / ３Dプリント材 / 疲労強度 / 表面粗さ / 機械的表面改質 / 縦渦状気泡 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
サブクール沸騰やキャビテーションなどの相変化現象では，気相から液相に戻る際に衝撃力を発生する。これまで球状気泡に関する研究が多く行われてきたが，研究代表者は縦渦状気泡が強力な衝撃力を発生する事実を発見しており，本研究では縦渦状気泡に着目し，縦渦状気泡を含む流動キャビテーションを可視化観察する。またインプラント用金属製３Dプリント材の疲労強度がバルク材の半分程度で実用化の障壁になっていることを踏まえ，疲労強度向上機構を解明して，気泡の圧潰衝撃力を３Dプリント材の疲労強度向上に活用する機械的表面改質を確立するとともに，気泡による歯根管内洗浄法を構築して，気液相変化現象の医歯工学への有効利用を図る。
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| 研究実績の概要 |
生体インプラントに用いられる金属製3次元積層造形材(レーザ焼結(Laser Sintering)による粉末床溶融結合法(Powder Bed Fusion PBF))PBF-LS/Ti6Al4Vを供試材として、東北大学においてキャビテーション気泡の圧潰衝撃力による圧縮残留応力導入とレーザアブレーションによる表面の平滑を同時に行うレーザキャビテーションピーニングLCPやショットピーニングSPで処理してねじり試験を実施し、LCPによるPBF-LS/Ti6Al4Vの疲労強度向上を実証した。また、同試験片を、オックスフォード大学で電子後方散乱回折EBSDで評価し、LCPやSPの相違を明らかにした。
ナンヤン工科大学NTUで作製したPBF-LS/Ti6Al4V製試験片を、東北大学においてLCPで処理するとともに、NTUにおいてHydrodynamic Cavitation Abrasive Finishing HCAFで処理し、疲労試験を実施した。その結果、HCAFは表面の平滑化が優れているが、疲労強度はLCPのほうが良好であることが判明した。
PBF-LS/Ti6Al4V製試験片を、東北大学においてCavitation Abrasive Surface Finishing(CASF)で処理して平面曲げ疲労試験を実施し、CASFによるPBF-LS/Ti6Al4Vの疲労特性向上を実証した。CASFによるPBF-LS/Ti6Al4Vの平滑化について、ワシントン大学のDr. Arolaらが提唱する表面粗さから応力集中係数を求める方法で評価し、CASFによる疲労特性向上における応力集中係数の影響を明らかにした。
噴流を用いたキャビテーションピーニングにおいて重要な渦キャビテーションを高速度X線イメージングにより、SPring-8ならびにEuropean XFELで可視化観察した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
パルスレーザを用いて発生させたキャビテーション気泡的な挙動を示すレーザ誘起気泡（レーザキャビテーション）を活用した機械的表面改質による生体インプラント等に用いられるチタン合金製積層造形材の疲労強度向上に成功し、その疲労強度向上における支配因子を解明できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
交付申請書の研究計画に記した項目について令和４年度～令和６年度は順調に実施できたので、令和７年度は、引き続き、交付申請書の研究実施計画に記した項目について研究を推進する。特に、医歯工学で生体インプラントの代表的な素材であるチタン合金について、積層造形材（３Ｄプリント材）の表面粗さと残留応力に着目して、疲労強度向上を図る機械的表面改質法についてワシントン大学らと共同でとりまとめる。
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