複合レーザを用いたチタン製生体機能部品の個別三次元造形

使用复合激光对钛生物功能部件进行单独 3D 建模

• 批准号: 13750096
• 负责人: 塩見 誠規
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750096/
• 关键词: ラピッドプロトタイピング; 三次元造形; チタン粉末; 生体機能部品; 疲労強度; 残留応力; 複合レーザ; 有限要素法解析

純チタンあるいはチタン合金は生体適合性に優れており,人工骨や歯冠などの生体機能部品に用いられているが,切削や塑性加工が困難な難加工性材料であるため,製造されている生体機能部品のサイズや形状は限られている.そこで本研究では,CADなどの三次元データを利用して直接三次元製品を造形するレーザプロトタイピングを用いて,チタン製生体機能部品を直接製造する方法の開発を目的とする.前年度に示されたチタンモデルの低疲労強度について,焼鈍,静水圧成形(HIP)等の後処理を行い,疲労強度の向上を試みた.モデルの疲労強度は焼鈍によりわずかな向上は見られるが,依然として低い.HIP処理を行ったモデルは,密度がほぼ100%となり,疲労強度も固体材料と同等の値を示した.造形後のHIP処理が有効であることが明らかになった.また,造形中に生じるモデルの変形および残留応力の測定を行った.造形中に生じる変形は主にレーザ走査方向と平行に生じる.そして,造形後モデル内に存在する残留応力を測定するためにはり状モデルを作成し,切削法により測定した.残留応力分布は,モデル表面付近に最大の引張応力,内部ではほぼ零,基板との接合面付近において引張応力を示すことが明らかとなった.モデル表面の最大引張残留応力は,モデルサイズやレーザ走査速度の影響を受けず,ほぼ同じ値を示した.残留応力の低減には,焼鈍などの熱処理,あるいは各造形層において,造形面を再度レーザ走査を行う方法に効果があることが明らかとなった.さらに,主熱源にYAG,副熱源にCO_2を用いた複合レーザシステムを構築し,造形モデルの精度向上を試みた結果,粉末上に平面を成形する場合,副熱源にて後熱を行うことにより造形中の変形を抑制する効果はみられたが,三次元モデル内の残留応力低減には効果はみられなかった.

Pure metal alloy is suitable for biological applications, artificial bone crown is suitable for biological functional parts, cutting is difficult to machine, plastic processing is difficult to machine materials, production is difficult to machine biological functional parts, shape is limited. The purpose of this study is to develop a method for the direct production of biological functional components by using CAD as a three-dimensional product. In the past year, the low fatigue strength of the test tube was tested, and the post-treatment such as burn-in, hydrostatic pressure forming (HIP), etc. was carried out, and the fatigue strength was tested upward. The fatigue strength of a solid material is equal to that of a solid material. After the HIP processing, there is a problem. In the process of formation, the shape of the film and the determination of residual force were determined. In the shape of the main body, the direction of the main body is parallel to the main body. The residual force in the inner surface of the workpiece is measured by the cutting method. The residual force distribution is: maximum tensile force near the surface of the substrate, zero tensile force near the interface of the substrate. The maximum tensile residual force on the surface of the film is affected by the velocity of the film, and the same value is indicated. The residual force is reduced, and the heat treatment is carried out. The heat treatment is carried out on each shaping layer, and the shaping surface is re-examined. In addition, when the primary heat source is YAG and the secondary heat source is CO_2, the composite heat system is constructed, the shape accuracy is improved, and the powder is formed on the plane.

项目成果

阿部 史枝: "チタンモデルの機械的性質に及ぼすレーザメルティング製造条件の影響"鋳造工学. 73巻 12号. 840-845 (2001)

Fumie Abe：“激光熔化制造条件对钛模型机械性能的影响”《铸造工程》第 73 卷第 12 期。840-845 (2001)。

F.Abe: "Influence of forming conditions on the titanium model in rapid prototyping with the selective laser melting process"J. Mechanical Engineering Science, Proc. Institution of Mechanical Engineers, part C. vol.217, no.1. 119-126 (2003)

F.Abe：“选择性激光熔化快速成型中成形条件对钛模型的影响”J。

E.C.Santos: "Mechanical properties of pure titanium models processed by selective laser melting"Proc.13th Solid Freeform Fabrication Symposium. 180-187 (2002)

E.C.Santos：“选择性激光熔化加工的纯钛模型的机械性能”Proc.13th Solid Freeform Fabrication Symposium。

F.Abe: "The Manufacturing of Hard Tools from Metallic Powders by Selective Laser Melting"Journal of Materials Processing Technology. vol.111 no.1-3. 210-213 (2001)

F.Abe：“通过选择性激光熔化从金属粉末制造硬质工具”材料加工技术杂志。

山下隆史: "複合レーザを用いたレーザプロトタイピングにおける金属モデルの変形"平成14年度塑性加工春季講演会論文集. 433-434 (2002)

Takashi Yamashita：“使用复合激光器进行激光原型制作中的金属模型的变形”2002 年春季塑料加工会议论文集 433-434 (2002)。