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2022 年度 実績報告書

混合粉をスタート材とする画期的金属積層造形法による疑似生体インプラントの開発

研究課題

研究課題/領域番号 20K05141
研究機関新居浜工業高等専門学校

研究代表者

當代 光陽  新居浜工業高等専門学校, 環境材料工学科, 准教授 (10610800)

研究分担者 真中 俊明  新居浜工業高等専門学校, 環境材料工学科, 准教授 (60805068)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード金属積層造形 / 金属3Dプリンタ / チタン合金 / 生体材料
研究実績の概要

骨疾患は、患者の生活の質の低下、低余命化へとつながるため、超高齢化社会を迎えた我が国においては骨疾患への対策は急務であり、生体インプラント用金属材料の重要性および市場規模は増すばかりである。骨代替インプラントしてのTi合金は、その高い生体適合性と力学的信頼性から、臨床分野でも極めて重要な役割を担っている。
我々の研究グループは生体骨程度の低ヤング率と高弾性異方性を有する単結晶インプラントの開発を提案するとともにその試作に成功している。しかしながら、単結晶体作製にはコスト面と形状の制限の面から製造プロセスを改善する必要がある。そこで、単結晶体とまではいかなくても、金属積層造形法により熱流方位を制御することで荷重軸方位に[001]方位が向くような集合組織を形成し、低ヤング率化と上述のコストや形状の課題を克服できると着想した。さらに、本研究では合金造形体作製時に必要となる合金粉末(Pre-alloyed粉末)を利用しない画期的な手法を模索した。具体的には、合金成分の純金属粉末からなる混合粉をスタート材として用いることで、自在に造形体の合金組成を変化できると考えた。このことは、Ti合金をはじめとする合金粉末の作製にかかるコストを削減でき、今後の金属積層造形のさらなる応用につながるといえる。そこで本研究ではスタート材として成分元素の混合粉末を用いて、レーザ積層造形時に「合金化(組成)」「形状」「微細組織(結晶配向)」を同時に制御し、β-Ti合金造形体の組成・形状・結晶配向を自在に操ることを目指した。その結果、混合粉をスタート材としたレーザ積層造形体作製に成功し、さらにプロセスウィンドーによって整理することで、緻密な造形体作製条件までを見出すことに成功した。さらに造形時のパラメータ制御により、[001]方位の集合組織発現条件とそのメカニズムについても解明し、本研究の目的は概ね達成された。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) 図書 (1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Influence of Input Energy Density on Morphology of Unique Layered Microstructure of γ-TiAl Alloys Fabricated by Electron Beam Powder Bed Fusion2023

    • 著者名/発表者名
      Cho Ken、Morita Naohide、Matsuoka Hiromasa、Yasuda Hiroyuki Y.、Todai Mitsuharu、Ueda Minoru、Takeyama Masao、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 ページ: 44~49

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MLA2022015

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Influence of input energy density on morphology of unique layered microstructure of γ-TiAl alloys fabricated by electron beam powder bed fusion2022

    • 著者名/発表者名
      Cho Ken、Morita Naohide、Matsuoka Hiromasa、Y. Yasuda Hiroyuki、Todai Mitsuharu、Ueda Minoru、Takeyama Masao、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Journal of Japan Institute of Light Metals

      巻: 72 ページ: 298~303

    • DOI

      10.2464/jilm.72.298

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ternary Diffusion and Thermodynamic Interaction in the β Solid Solutions of Ti-Al-Zr Alloys at 1473 K2022

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Tomoshi、Minamino Yoritoshi、Manaka Toshiaki、Todai Mitsuharu
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 63 ページ: 1597~1606

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-L2022018

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] スタート材として合金粉末を使用しないレーザ積層造形法によるTi-Nb超伝導材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      高橋直哉, 當代光陽, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      軽金属学会70周年中国四国支部記念事業
  • [学会発表] TiZrHfAlxミディアムエントロピー合金の開発とその生体材料としての可能性2022

    • 著者名/発表者名
      高橋凪, 當代光陽, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 中野貴由
    • 学会等名
      日本材料科学会四国支部第30回講演大会
  • [学会発表] (TiZr)x(TaZrMo)2-x高エントロピー合金の等軸デンドライト組織とヤング率2022

    • 著者名/発表者名
      當代光陽, 髙橋凪, 川堀龍, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      軽金属学会第143回秋期講演大会
  • [学会発表] 生体用Bcc 型TiNbTaZrMo ハイエントロピー合金における等軸デンドライト組織とヤング率の制御2022

    • 著者名/発表者名
      當代光陽, 川堀龍, 高橋凪, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 中野貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2023年春季講演大会
  • [図書] デジタル化時代のAdditive Manufacturingの基礎と応用【第2版】2023

    • 著者名/発表者名
      中野貴由, 桐原聡秀, 近藤勝義, 西川宏, 田中学
    • 総ページ数
      311
    • 出版者
      一般社団法人スマートプロセス学会
  • [備考] 新居浜高専當代研究室

    • URL

      https://www.mat.niihama-nct.ac.jp/~todai/

  • [備考] 新居浜工業高等専門学校環境材料工学科

    • URL

      https://www.mat.niihama-nct.ac.jp/

  • [備考] 新居浜工業高等専門学校

    • URL

      https://www.niihama-nct.ac.jp/

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公開日: 2023-12-25  

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