生体親和性塑性加工と金属積層造形条件最適化の事例
吉田佳典

することで生体活性を制御可能な骨ねじの創製技術の研究事.

はじめに例を紹介する．また，カスタムメイド化対応に必須となる金属積層造形においては，造形物の形状自由度が高い一方で，我が国の人口は 1973 年の第二次ベビーブームを境に減少

内部欠陥および造形時間が長い点が問題となる．そこで，未している．我が国における将来推計人口推移(1) において，溶融欠陥発生予測モデルを提案し，簡易な実験によって造形

15 歳から 64 歳のいわゆる生産年齢人口は減少の一途をたどパラメータを同定することで，欠陥が発生しない最適造形条り，40年後においては約3,000万人の減少が予測されている．

件予測技術を開発した事例について紹介する．

65 歳以上の高齢者および生産年齢人口の比は 2022 年現在の

.

ところほぼ 1 2 であるが， 2060 年においては 1  1.25であ生体親和性塑性加工法の開発

り，1 人の高齢者をほぼ 1 人の現役世代が支える構図が予想されている．

本研究においては転造によって純チタン丸棒の表面に微小加えて，団塊の世代と呼ばれる第一次ベビーブーム世代凹凸分布を傾斜付与し，さらに陽極酸化によって表面にチタ(19471949年生にかけて約 806万人が出生(2))が2025年ごろニアを成膜した．これらをラット脛骨に埋植し，チタン丸棒に 75 歳以上の後期高齢者となる．このいわゆる「 2025 年問および骨ねじ表面の生体活性ならびに抜去トルクを評価し題」においては，体力低下や寝たきりの状態にある高齢者のた．以下にその実験方法および結果を示す．

介護や医療のニーズ需要増に対する，生産年齢人口減による医療サービス供給のバランスの崩壊が予想される．認知症に

Ti 骨ねじ微小凹凸表面創成実験(3)(4)

加え，骨粗鬆症を含む外科的疾患の増加も予想される．この

全長 8 mm ，呼び径 M2 の純 Ti 骨ねじを 2 段階の転造にような超高齢化社会に突き進む我が国においては，今後さらよって製造した(図)．第一プロセスにおいて，純 Ti 丸棒なる高度医療技術の開発が求められている．

を M2 のねじに成形する．金型全域の表面粗さを平滑にし体内で使用される人工インプラントに目を向けると，我がており，これが被加工材に転写されることによって表面が平国はその多くを輸入に頼っており，その形や大きさは必ずし滑なねじが製造される．第二プロセスにおいては 3 組の転も日本人の体型に合っているとは限らず，患者の体型に合わ造ダイスを用意し，その表面を( a)全域にわたって平滑( Raせたインプラントのカスタムメイド化が重要である．また超≒0.05 mm)にしたもの，(b)ねじ山に接触する箇所を平滑と高齢化社会において使用量が増加することを考慮すると，生し て 谷 に 接 触 す る 箇 所 を 粗 く ( Ra ≒ 1.5 mm ) し た も の ( 図

産性向上およびコスト削減によって価格を安定化させること)，(c)ねじ山を粗くして谷を平滑にしたものの 3 種類を準で広く普及させる必要がある．すなわち，我が国における医備した．第一プロセスで転造された平滑ねじを本プロセスに療材料加工技術の高度化は，国産化による形状最適化，短納て軽圧下条件下で再度転造することによって，3 種類の表面期化および低コスト化にもつながる重要な役割を有している．

凹凸分布を有する骨ねじを作製した．またこれにチタニア成

本稿では，量産化および規格化が容易な塑性加工法の一種膜を施したものとそうでないものとの 2 種類を作り分けたである転造プロセスに着目し，種々のミクロ表面凹凸を付与(表)．骨ねじの一端は，抜去トルク計測時にトルクドライ

東海国立大学機構岐阜大学 地域連携スマート金型技術研究センター教授(〒5011193 岐阜市柳戸 11)Development of Bioactive Metal Forming Technology and Optimization of Metal Additive Manufacturing Process; Yoshinori Yoshida(Center for Advanced Die Engineering and Technology (GCADET), Gifu University, Tokai National Higher Education and ResearchSystem, Gifu)
Keywords: biomaterials processing, metal forming, additive manufacturing, bioactive surface processing
2022年 9 月25日受理[doi:10.2320/materia.61.733]

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図3

陽極酸化の模式図．(オンラインカラー)て，高温気相中で表面酸化する気相中高温酸化法や酸性水溶液中で Ti をアノード電解する陽極酸化法がよく用いられる．過去の報告(4)では，後者がより高生体活性であったことが示されており，本研究でも陽極酸化法を採用した． Ti を適当な酸性水溶液中でアノード電解すると， Ti 表面には酸の種類や pH，温度や電位に応じた膜厚や表面形態を持つチタニアが生成する．本研究においてはリン酸を用いて陽極酸化を行った(図)．前述の転造ねじおよび Pt コイルをそれぞれ陽極および陰極とし，両極間電位は 0.1 V/s で上昇させ
図1

動物実験用骨ねじ創成プロセスの模式図．てこれが 100 V に達した段階(1000秒後)で実験を終了した．
ラット脛骨埋植実験および生体活性評価

ラット脛骨に転造骨ねじを埋植し，生体活性を評価した．
9 週齢のラット脛骨骨幹部(両足)に，転造骨ねじを埋植し，2 週間生育した．その後，埋植骨ねじ試験片およびその周辺の骨組織を含む箇所を切り出し，厚さ 20 mm に研磨加工し試料とした．同一製造条件について 5 サンプル採取し，平均値を用いた．
図2

動物実験用骨ねじの模式図．

生体活性評価方法について，上記試料をトルイジンブルーにて染色し，試料表面上に骨組織が生成した領域を定量し

表1

骨ねじ表面凹凸分布条件．

た．また，試料の埋植部分の長さに対する試料上に骨組織が生成した部分の長さの比によって「骨インプラント接触比(RBI)」を定義し，生体活性を評価した．試料ならびに定量の例を図に示す．骨の構造は皮質骨部(骨表面において硬バーを設置することができるように，放電加工によってキー構造に加工した．


チタニア成膜チタニア( TiO2 )は骨親和性ならびに伝導性に優れた生体活性物質である． Ti 表面にチタニアを形成する手法とし

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

図4

インプラント試料骨界面の組織写真．(オンラインカラー)

特集

図5

転造骨ねじを埋植した骨サンプル．

図7

骨ねじの抜去トルクと生体活性の関係．

骨ねじ谷部の表面粗さをコントロールすることによって抜去トルクを効果的に変化させることが可能である．

.

金属積層造形未溶融欠陥予測モデルの構築

金属積層造形は複雑な立体形状を 3 次元 CAD データから直接造形することができ，医療分野や航空機分野での活用が
図6

表面凹凸分布およびチタニア成膜が骨ねじの抜去トルクに及ぼす影響．

期待されている．一方で，材料が熱源の走査による局所的溶融・急冷プロセスであるため，造形条件の組み合せによっては，溶融された金属が連続しないボーリング(図)，メルトプール内に溶融時に生じる欠陥が残留するキーホール(図組織で構成され力学的支持を担う)と，海綿骨部(骨内部にお)，不適切なハッチングピッチ設定による未溶融欠陥(図)

いて骨代謝が速く，硬組織が約 3 割)で構成されており，そが生じることで延性の低下につながる．そこで，造形条件のれぞれ RBI を評価した．
さらに，転造骨ねじの埋植試料(図)において骨表面から突出した Ti 材先端キー部にトルクドライバーをセットして回転させることで抜去トルクを測定した．回転量は角度計によって測定した．ここで，回転の初期に生じる最大トルク値をもって抜去トルクを定義した．


実験結果

骨ねじの抜去トルク測定結果を図に示す．全ての条件において陽極酸化によって抜去トルクが向上した．また，陽極酸化を施した 2B において，最大抜去トルク(2.27 N ･cm )が発現した．この条件においては，ねじ山および谷ともに平滑

図8

ボーリング欠陥．(オンラインカラー)

図9

キーホール欠陥．(オンラインカラー)

な 1B の結果(1.22 N･cm)と比較して，2B においてはねじ谷部分の表面凹凸がトルクに寄与した．また陽極酸化を施さな
い 1A および 2A の結果を比較しても，それほど大きなアン° )と表面カー効果は得られておらず，ねじの谷形状(角度60
凹凸ならびに陽極酸化の効果によって大きな生体活性向上が得られたものと考えられる．
次に，骨ねじの抜去トルクと生体活性の関係を図に示す．チタニア成膜表面処理の優位性は，これまでの結果と同様に明確に示されている．抜去トルクが最大であった 2B に着目すると，谷部における硬組織生成量が，皮質骨および海綿骨のいずれにおいても他の条件と比して最大となっている．巨視的なねじ谷部形状とその表面粗さの組み合わせが硬組織形成に影響を及ぼしている．

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図10

図11

溶融部オーバーラップモデルの概念図．

図12

シングルトラック断面楕円近似モデル．

未溶融欠陥．(オンラインカラー)

組み合せを最適化する手法の登場が望まれる．造形条件が造形品質に及ぼす影響を実験的に調査する方法としては，種々の造形パラメータの組み合せでブロックを造形し，その空孔率や機械的特性を求めることで造形条件を評価する方法が広く行われている．しかしながらこの場合，大量のブロックを造形・評価しなければならず，より簡易な方法で造形条件の最適化を行う方法が求められる．また，金属積層造形法は鍛造や切削に比べて造形時間が長いため，生産性の観点からより短い時間で造形する造形条件の組み合せを求める必要がある．
本研究では選択的レーザ溶融法(Selective Laser MeltingSLM)による金属積層造形において，レーザ照射によって投入されるエネルギー密度一定の条件下で，レーザ照射条件が造形後のマルエージング鋼の未溶融欠陥生成に及ぼす影響を調査した．エネルギー密度を一定とすることは，すなわち 1条件では未溶融欠陥が生成するものと考えられる．すなわち層あたりの造形時間を一定とすることと等しく，投入エネル未溶融欠陥が発生しない必要条件は次式で表される．

ギーおよび生産速度を一定とした条件で機械的特性を評価す

a＋ b＞ t(1)

ることができる．レーザ照射条件を変更して造形したブロッシングルトラックの溶融部形状に影響を与えるパラメータ

クから微小な試験片を切り出し，引張試験に供し，引張強さとして，主にレーザパワー，レーザパワーの吸収率，スポッおよび破断相当ひずみの評価を行った．また，レーザ走査線ト径，走査速度，積層厚さが考えられる．ここでは吸収率をに垂直な断面のミクロ組織観察を行い，空孔率を評価すると一定と仮定し，また，スポット径および積層厚さを固定しともに，1 本のビード断面形状とハッチングピッチの関係かて，レーザパワー P および走査速度 v が溶融部形状に及ぼら幾何学的に未溶融部が生成せず，なおかつ溶融部オーバーす影響を検討した．

ラップが最大となる最適条件を検討した．


溶融部オーバーラップモデル(5)

シングルトラック断面形状のモデル化

ビード上面形状(溶融部上面形状，図(a)の上部実線部)

未溶融欠陥生成予測モデルである溶融部オーバーラップモ

ならびにメルトプール境界形状(溶融部下面境界線，図 12デルの模式図を図に示す．レーザの走査方向に垂直な断面( b )の下部実線部)それぞれの楕円弧での近似を試みた．パにおいて，シングルトラックの上面およびメルトプール境界

スを 1 本のみ造形したビードの断面において，前の層の表の輪郭で囲まれた領域を溶融部とする．前層で造形した造形

面に平行に x 軸を，積層高さ方向に y 軸をとる．楕円弧は左物の上面に平行に x 軸をとり，溶融部形状の中心，積層高さ右対称と仮定し，溶融部中心に原点をとると次式で表される．

方向に y 軸をとる．左右対称と仮定した溶融部断面形状が，x 方向にハッチングピッチ h の間隔で， y 方向には積層厚さx 2 ( y－ p ) 2＋＝1a2b2(2)t の間隔で繰り返されることで立体形状が造形されると仮定

ここで， a および b は x および y 方向の形状因子， p は楕円する．隣り合うトラックおよび層の間で溶融部形状がオーバ中心の y 座標である．

ーラップしていない領域が生じた場合，未溶融欠陥が生成す上下楕円弧で囲まれた断面を持つ溶融部の生成がハッチンることを示す．すなわち， x ＝ h /2 における溶融部がオーバ

グピッチ h および積層厚さ t の間隔で左右上下方向に繰り返ーラップする高さ(図 11 中の a ＋ b )が積層厚さ t を超えないされることで造形される．ここで，隣り合う溶融部がオーバ



特集

ーラップする境界，すなわち x＝h/2 におけるビードの高さ

ラップ長さの予測結果と，実験結果(図 13 )の比較を示す．

を a ，メルトプールの深さを b とすると， a ＋ b で溶融部オこれらは良い一致を示している．また，同条件で造形したブーバーラップ高さを定義できる．式( 2 )から，a および b はロック断面の空孔率を図に示す．溶融部オーバーラップと次式で表される．

空孔率は対応しており，モデルの有効性が示された．また条

a＝ b U

1－b＝ b L

1－h2＋ pU
4a 2U(3)h2－ pL
4a 2L(4)

件 2 が最適造形条件である．

シングルトラック実験およびモデルパラメータ同定

積 層 造 形 装 置 に は 金 属 光 造 形 複 合 加 工 機 LUMEXAvance 25 (松 浦 機 械 製 作 所 )を 用 い た ．本 装 置 は 粉 末 床SLM を採用している．対象材はマルエージング鋼とし，粉末 粒 径 は 45 mm 以 下 で ， S50C ベ ー ス プ レ ー ト ( 板 厚 10mm )上に窒素雰囲気内でシングルトラックおよびブロック造形を行なった．またレーザ照射によって投入されるエネル
ギー密度 E[J/mm3]は次式で表される(6)．
E＝Pvht(5)

ビードおよびメルトプールの形状および寸法はレーザのパワ
ー，スポット径，走査速度，レーザの吸収率の関数である．
本研究ではレーザパワー，スポット径が一定であり，レーザの吸収率も一定と仮定した．つまり，ビードおよびメルトプール形状は走査速度で決まるものと考える．ここでレーザ照射 に よ る 1 秒 あ た り の 造 形 面 積 を 塗 り つ ぶ す 速 度 を Vh[mm2/s]とすると， Vh ＝v ・h となる．造形物への投入エネルギー量を一定にするため，塗りつぶし速度 Vh が一定となるように走査速度 v とハッチングピッチ h の組み合せを 4

図13

ビードおよびメルトプール断面．(オンラインカラー)水準設定した．積層造形条件を表に示す．レーザ走査パスは一方向で区間分割(セル分割)は行なわず，また各層ごとの走査パターンは変化させず，なおかつパスをずらすことはしなかった．図に 4 種のシングルトラック断面および寸法評価結果を示す．ビード上面ならびにメルトプール境界線の各輪郭上の 11 点の座標を測定し，最小二乗法を用いて楕円を同定することで式( 3 )および( 4 )のパラメータを h の一次関数として同定した．


実験結果

図に式( 3 )および( 4 )の和で表される溶融部オーバー表2

図14

溶融部オーバーラップ長さとハッチングピッチの関係．

シングルトラック積層条件．

図15

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造形ブロックの空孔面積率．

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.

ま とめ転造によって純 Ti 骨ねじ表面に微小凹凸傾斜分布をコントロールすることによって抜去トルクを制御する塑性加工技術を紹介した．また，金属積層造形における未溶融欠陥発生を溶融部オーバーラップモデルと簡易なシングルトラック実験によって予測する技術を紹介した．今後は塑性加工と金属積層造形を融合することで，造形物の強度および伸びを向上し，生体親和性および安全性の高い人工インプラント製造技術の開発を目指す．
骨ねじ抜去トルク制御技術開発は，名古屋大学黒田健介博

文

献( 1 ) 国立社会保障・人口問題研究所日本の将来推計人口，人口問題研究資料，336(2017).
( 2 ) 厚生労働省平成 21年( 2009 )人口動態統計(確定数)の概況，(2010)，厚生労働省ホームページ．
( 3 ) Y. Yoshida, K. Kuroda, R. Ichino, N. Hayashi and N. Ogihara,
Y. Nonaka: Procedia Engineering, 81(2014), 340.
( 4 ) Y. Yoshida, K. Kuroda, R. Ichino, N. Hayashi, N. Ogihara and
Y. Nonaka: CIRP Annals Manufacturing Technology, 61(2012), 579582.
( 5 ) 沓掛あすか，吉田佳典，児嶋 彬，岡島琢磨塑性と加工，61(2020), 211216.
( 6 ) A. Simchi and H. Pohl: Mater. Sci. Eng. Ser. A, 359(2003),
119128.

株 三明製作所との共同研究におい士，市野良一博士ならびに★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★て開発された．また金属積層造形最適条件予測モデルの構築
株 との共同研
は，島根大学沓掛あすか博士および大同特殊鋼究の成果である．ここに，各位へ深甚なる謝意を表す．

吉田佳典

1998年 3 月 名古屋大学大学院工学研究科修士課程修了
1998年 8 月 名古屋大学大学院 助手
2009年 4 月 岐阜大学工学部機械工学科 准教授
2021年 4 月 島根大学次世代たたら協創センター 教
授
2022年 4 月 現職
専門分野塑性加工学・積層造形学◎生体親和性塑性加工技術および塑性変形付加積層造形技術開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

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特集