傾斜多孔質構造の設計と疲労性能に関する研究

寄稿者: Dong Enchun、Wang Ling

チタン合金は機械的特性と生体適合性に優れています。多孔質構造の設計により、応力遮蔽の影響を軽減でき、また、人体の機械的環境により適合するように勾配多孔質構造を設計することで、多孔質構造の機械的特性を向上させることができます。3Dプリント技術により、多孔質構造と勾配多孔質構造を作製することが可能になりました。そのため、チタン合金は医療分野で広く使用されています。しかし、現在の多孔質構造に関する研究は、主に多孔質ユニットの設計と静的特性に焦点を当てており、疲労性能に関する研究は比較的少ない。そのため、使用中の多孔質構造の安全性を確保するためには、多孔質構造の疲労性能と疲労損傷メカニズムを研究することが非常に必要である。

中国科学院の研究者らは、菱形十二面体単位セルの柱の傾斜角とサイズを変えて、3つの変形構造G1、G2、G3を設計し、それぞれこの3つの構造の圧縮性能を研究した。また、3つの構造を組み合わせて勾配構造を設計し、その疲労性能と疲労損傷メカニズムを研究した。

図1(a)-(c)は3つの多孔質単位構造を示し、(d)は勾配多孔質構造を示しています。圧縮実験では、3つの構造の等価弾性率は15.8-23.9 GPaであり、G1>G2>G3であることが示されています。次に、ASTM E466-07規格に従って傾斜構造の疲労試験を実施し、1000N、2000N、3000Nにおける試験片の亀裂形成をX線トモグラフィー（XRT）で観察しました。亀裂は勾配の交差点に現れたのではなく、最初に最も硬い G1 に現れ、圧力が増加し続けると、亀裂は徐々に柔らかい G2 と G3 に広がったことがわかります。ひずみの蓄積を観察すると、ひずみの蓄積速度は 3 段階に分けられ、その速度は常に増加していることがわかりました。

図2 疲労実験における傾斜多孔質構造の亀裂伝播。これらの現象に基づいて、著者らは傾斜多孔質構造の疲労損傷メカニズムモデルを提案しました。つまり、傾斜多孔質構造の等価弾性係数関係によれば、等価弾性係数が大きい領域はより大きな応力を受けるため、最初に亀裂が発生します。しかし、亀裂が発生すると、その等価弾性係数は徐々に低下します。次のレベルの多孔質構造の等価弾性係数に近づくと、応力は徐々に次のレベルの多孔質構造に伝達されます。同様に、応力はレベルごとに伝達され、継続的に再分配されます。さらに、高強度グリッドの亀裂伝播は、低強度グリッドの応力再分配によって破壊されるまで抑制されます。

この理論に基づいて、著者らは、外層がより高い等価弾性率を持つ立方構造で、内層がより柔らかい構造である二重層構造を設計しました。したがって、この構造は、高い疲労強度（約70MPa）と高いエネルギー吸収率（約50MJ/Mg）の両方を実現します。

図3 二層構造モデルこの研究は、臨床現場で広く使用されている菱形十二面体多孔質ユニットを対象としています。構造パラメータを調整することで、勾配多孔質構造を設計しました。機械実験を通じて勾配多孔質構造の圧縮疲労性能を研究し、勾配多孔質構造の圧縮疲労損傷理論を提案しました。この理論は、勾配多孔質構造の設計を導く上で大きな意義を持っています。

参考文献:
S. Zhao 他「電子ビーム溶融法で作製した傾斜機能 Ti-6Al-4V メッシュの圧縮および疲労挙動」Acta Materialia. 2018,150, 1-15。

寄稿者: Dong Enchun、Wang Ling 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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