JP6767699B2 - Method for manufacturing a structure containing a β-type titanium alloy - Google Patents

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本発明は、構造物の製造方法に関し、さらに詳しくは、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a structure, and more particularly to a method for producing a structure containing a β-type titanium alloy.

金属材料は力学特性が長期にわたり一定であり、信頼性が高い。そのため、金属材料は、整形外科等の医療及び歯科用のインプラント用途に利用されている。特に、チタンは生体親和性が高いため、チタンを含有するチタン合金は人工関節、骨プレート等の医療用、歯科用インプラントとして広く利用されている。 Metallic materials have long-term constant mechanical properties and are highly reliable. Therefore, metal materials are used for medical and dental implant applications such as orthopedics. In particular, since titanium has high biocompatibility, titanium alloys containing titanium are widely used as medical and dental implants for artificial joints, bone plates and the like.

しかしながら、金属材料からなる中実のインプラントの弾性率は、生体骨の弾性率よりも大きい。そのため、インプラントを生体骨中に埋入した場合、弾性率差に起因して、生体骨とインプラントとの界面において生体骨が破壊されたり、生体骨に正常な応力が負荷されなくなる、いわゆる応力遮断が生じたりする。したがって、金属製インプラントの低弾性率化が求められている。 However, the elastic modulus of a solid implant made of a metallic material is greater than the elastic modulus of a living bone. Therefore, when the implant is placed in the living bone, the living bone is destroyed at the interface between the living bone and the implant due to the difference in elastic modulus, and the normal stress is not applied to the living bone, so-called stress blocking. Occurs. Therefore, it is required to reduce the elastic modulus of metal implants.

本発明者らは、低弾性率化を実現できる構造物を特開2011−136083号公報
(特許文献1)及び特開2013−94390号公報(特許文献2)に提案している。
The present inventors have proposed a structure capable of realizing a low elastic modulus in JP-A-2011-136803 (Patent Document 1) and JP-A-2013-94390 (Patent Document 2).

特許文献1及び特許文献2に開示された構造物は、無機粉末粒子が溶解されて形成される凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成され、凝固部と結合される焼結部とを備える。焼結部は、内部に隙間を有するため、中実材と比較して密度が低い。そのため、特許文献1に開示された構造物は、中実の金属構造物と比較して、弾性率を低くすることができる。このような構造物はたとえば、付加製造技術AM(Additive Manufacturing)の積層造形法により形成できる。 The structures disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 include a solidified portion formed by dissolving inorganic powder particles and a sintered portion formed by sintering inorganic powder particles and bonded to the solidified portion. To be equipped. Since the sintered portion has a gap inside, the density of the sintered portion is lower than that of the solid material. Therefore, the structure disclosed in Patent Document 1 can have a lower elastic modulus than a solid metal structure. Such a structure can be formed by, for example, a layered manufacturing method of the additive manufacturing technology AM (Adaptive Manufacturing).

特開2011−136083号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-136083 特開2013−94390号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-94390

上記特許文献1及び2では、構造物を多孔質化することにより、低弾性率化を実現する。しかしながら、他の方法によっても低弾性率化を実現できればさらに好ましい。 In the above Patent Documents 1 and 2, a low elastic modulus is realized by making the structure porous. However, it is more preferable if a low elastic modulus can be realized by other methods.

本発明の目的は、低弾性率化を実現できるβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for producing a structure containing a β-type titanium alloy, which can realize a low elastic modulus.

本実施形態によるβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法は、積層造形法を用いる。本製造方法は、ベッド形成工程と、溶融工程とを交互に繰り返して、複数の凝固層が積層された構造物を形成する。ベッド形成工程は、構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成する。溶融工程は、高エネルギー熱源を走査してパウダーベッドを溶融して、β型チタン合金を含有する凝固層を形成する。 As a method for producing a structure containing a β-type titanium alloy according to the present embodiment, a layered manufacturing method is used. In this manufacturing method, a bed forming step and a melting step are alternately repeated to form a structure in which a plurality of solidified layers are laminated. In the bed forming step, powder particles serving as a starting material for the structure are supplied onto the base to form a powder bed. The melting step scans a high energy heat source to melt the powder bed to form a solidified layer containing a β-titanium alloy.

ここで、β型チタンとは、体心立方格子構造(bcc)を有するチタン合金を意味する。β型チタンを含有する構造物は、たとえば、β型チタン合金だけでなく、(α(hcp)+β(bcc))型チタンや、チタンの炭化物等を含有する構造物や、結晶構造の異なるω相などの第二相が析出している構造物等である。 Here, β-type titanium means a titanium alloy having a body-centered cubic lattice structure (bcc). Structures containing β-type titanium include, for example, not only β-type titanium alloys, but also structures containing (α (hcp) + β (bcc)) type titanium, carbides of titanium, and ω having different crystal structures. A structure or the like in which a second phase such as a phase is precipitated.

本実施形態による製造方法は、低弾性率化を実現できるβ型チタン合金を含有する構造物を製造できる。 The production method according to the present embodiment can produce a structure containing a β-type titanium alloy that can realize a low elastic modulus.

好ましくは、上記溶融工程では、高エネルギー熱源のエネルギー出力E(W)、走査速度S(mm/s)、走査間隔P(mm)、有効溶融池幅M(mm)が式(1)〜式(4)を満たす。
E>200 (1)
S>600 (2)
E/(S×P)≧2.5 (3)
0.45≦P/M≦0.60 (4)
ここで、有効溶融池幅Mとは、溶融工程において高エネルギー熱源を用いた1走査で形成され、縦断面が下に凸の放物線状の形状を有する凝固部分のうち、放物線状の形状の底部分の幅(mm)を意味する。
Preferably, in the melting step, the energy output E (W) of the high-energy heat source, the scanning speed S (mm / s), the scanning interval P (mm), and the effective molten pool width M (mm) are expressed by the formulas (1) to (1). (4) is satisfied.
E> 200 (1)
S> 600 (2)
E / (S × P) ≧ 2.5 (3)
0.45 ≤ P / M ≤ 0.60 (4)
Here, the effective molten pool width M is a parabolic-shaped bottom of the solidified portion formed by one scan using a high-energy heat source in the melting process and having a parabolic shape whose vertical cross section is convex downward. It means the width (mm) of the portion.

金属材料の力学特性は一般的に、結晶方位により大きく異なる(結晶異方性)。β型チタン合金の場合、その弾性率は結晶方位<100>で最も低く、生体骨の弾性率に近づく。したがって、結晶方位を制御して、<100>の配向性を高めた構造物を製造できれば、弾性率を低下することができる。 The mechanical properties of metallic materials generally differ greatly depending on the crystal orientation (crystal anisotropy). In the case of β-type titanium alloy, its elastic modulus is the lowest in the crystal orientation <100> and approaches the elastic modulus of living bone. Therefore, if the crystal orientation can be controlled to produce a structure in which the orientation of <100> is enhanced, the elastic modulus can be reduced.

本製造方法は結晶方位が制御された構造物を製造できる。具体的には、上記式(1)〜式(4)を満たす溶融工程を実施すれば、<100>の配向性が高くなる。そのため、構造物の弾性率を低下させ、生体骨の弾性率に近づけることができる。 This manufacturing method can manufacture a structure in which the crystal orientation is controlled. Specifically, if the melting steps satisfying the above formulas (1) to (4) are carried out, the orientation of <100> becomes high. Therefore, the elastic modulus of the structure can be lowered to approach the elastic modulus of the living bone.

上記製造方法では、各溶融工程での走査方向を調整して、前記構造物の結晶配向性を制御してもよい。 In the above manufacturing method, the crystal orientation of the structure may be controlled by adjusting the scanning direction in each melting step.

この場合、β型チタン合金を含有する構造物の結晶配向性(集合組織)を調整できる。 In this case, the crystal orientation (organization) of the structure containing the β-type titanium alloy can be adjusted.

上記製造方法において、β型チタン合金を含有する構造物の素材はたとえば、ASTM F136−13(2013)に規定されるTi−6Al−4V ELI(Extra Low Interstitials)合金、ISO 5832−11(2014)に規定されるTi−6Al−7Nb合金、ISO 5832−14(2007)に規定されるTi−15Mo−5Zr−3Al合金、JIS T7041−4(2009)に規定されるTi−15Zr−4Nb−4Ta合金からなる群から選択される1種以上であり、β型チタン合金はたとえば、ISO 5832−14(2007)に規定されるTi−15Mo−5Zr−3Al合金である。 In the above production method, the material of the structure containing the β-type titanium alloy is, for example, Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitials) alloy defined in ASTM F136-13 (2013), ISO 5832-11 (2014). Ti-6Al-7Nb alloy specified in ISO 5832-14 (2007), Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy specified in JIS T7041-4 (2009), Ti-15Zr-4Nb-4Ta alloy specified in JIS T7041-4 (2009). One or more selected from the group consisting of, and the β-type titanium alloy is, for example, the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy specified in ISO 5832-14 (2007).

本製造方法において、上記積層造形法はたとえば、レーザー積層造形法である。 In the present manufacturing method, the above-mentioned laminating molding method is, for example, a laser laminating molding method.

図1は、本実施形態の製造方法に利用される積層造形装置の構成図である。FIG. 1 is a block diagram of a laminated modeling apparatus used in the manufacturing method of the present embodiment. 図2は、ISO 5832−14(2007)に規定されるTi−15Mo−5Zr−3Al合金を用いて測定された結晶方位と弾性率との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the crystal orientation and the elastic modulus measured using the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy specified in ISO 5832-14 (2007). 図3は、積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力E(W)及び走査速度S(mm/秒)と、測定方向における結晶面(100)のロットゲーリングファクター(Lotgering Factor)=L(100)の値との関係を示す。FIG. 3 shows the output E (W) and scanning speed S (mm / sec) of the high-energy heat source obtained by the laminated molding method, and the lotgering factor (Lotting Factor) = L of the crystal plane (100) in the measurement direction. The relationship with the value of (100) is shown. 図4は、積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力E(W)及び走査速度S(mm/秒)と、エネルギー密度Dの値と、測定方向における(100)のロットゲーリングファクター(Lotgering Factor)=L(100)との関係を示す図である。FIG. 4 shows the output E (W) and scanning speed S (mm / sec) of the high-energy heat source, the value of the energy density D, and the lot-gering factor (100) in the measurement direction obtained by the laminated molding method. It is a figure which shows the relationship with Rotgering Factor) = L (100). 図5Aは、溶融工程において、高エネルギー熱源の1走査で形成された凝固部分の、走査方向と垂直な断面(縦断面)の模式図である。FIG. 5A is a schematic view of a cross section (vertical cross section) perpendicular to the scanning direction of the solidified portion formed by one scanning of a high energy heat source in the melting step. 図5Bは、出力E=300W、走査速度S=1000mm/秒、走査間隔P=0.12mmで積層造形法によりTi−15Mo−5Zr−3Al合金の構造物を製造した場合の、最上面近傍の縦断面写真画像である。FIG. 5B shows the vicinity of the uppermost surface when a structure of Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy is manufactured by a laminated molding method with an output E = 300 W, a scanning speed S = 1000 mm / sec, and a scanning interval P = 0.12 mm. It is a vertical cross-sectional photographic image. 図6は、積層造形法により得られた、走査間隔Pの有効溶融池幅Mに対する比(=P/M)と、測定方向における(100)のロットゲーリングファクター(Lotgering Factor)=L(100)との関係を示す。FIG. 6 shows the ratio (= P / M) of the scanning interval P to the effective molten pool width M obtained by the additive manufacturing method and the lotgering factor (Rotting Factor) = L (100) in the measurement direction. Shows the relationship with. 図7は、本実施形態のチタン合金を含有する構造物の製造方法の詳細を示すフロー図である。FIG. 7 is a flow chart showing details of a method for manufacturing a structure containing a titanium alloy of the present embodiment. 図8は、図7中の造形工程の詳細を示すフロー図である。FIG. 8 is a flow chart showing details of the modeling process in FIG. 7. 図9は、図8中のベッド形成工程を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic view showing the bed forming step in FIG. 図10は、図9に続く一工程を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic view showing one step following FIG. 図11は、図10に続く一工程を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic view showing one step following FIG. 図12は、図11に続く一工程を示す模式図である。FIG. 12 is a schematic view showing one step following FIG. 図13は、図12に続く一工程を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic view showing one step following FIG. 図14は、図13に続く一工程を示す模式図である。FIG. 14 is a schematic view showing one step following FIG. 図15Aは、本実施形態の製造方法で製造されたTi−15Mo−5Zr−3Al合金の構造物の写真画像である。FIG. 15A is a photographic image of the structure of the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy produced by the production method of this embodiment. 図15Bは、図15Aと異なる、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金の他の構造物の写真画像である。FIG. 15B is a photographic image of another structure of the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy, which is different from FIG. 15A. 図16は、本実施形態の積層造形法における高エネルギー熱源の走査方向を説明するための模式図である。FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the scanning direction of the high energy heat source in the additive manufacturing method of the present embodiment. 図17(A)は、図16(A)で走査して製造された構造物の極点図であり、図17(B)は、図16(B)で走査して製造された構造物の極点図である。17 (A) is a pole figure of the structure manufactured by scanning in FIG. 16 (A), and FIG. 17 (B) is a pole figure of the structure manufactured by scanning in FIG. 16 (B). It is a figure.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals and the description thereof will not be repeated.

本実施形態によるβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法では、たとえば、図1に示す積層造形装置を使用する。 In the method for producing a structure containing a β-type titanium alloy according to the present embodiment, for example, the laminated modeling apparatus shown in FIG. 1 is used.

[積層造形装置の構成]
図1を参照して、積層造形装置100は、レーザー積層造形装置である。積層造形装置100は、制御装置10と、レーザー装置14と、レンズ系15と、ミラー(ガルバノミラー)16と、チャンバ20とを備える。
[Structure of laminated modeling equipment]
With reference to FIG. 1, the laminated modeling apparatus 100 is a laser laminated modeling apparatus. The laminated modeling device 100 includes a control device 10, a laser device 14, a lens system 15, a mirror (galvano mirror) 16, and a chamber 20.

レーザー装置14は高エネルギー熱源であり、レーザー光を出射する。レーザー装置14はたとえば、ファイバーレーザーやYAGレーザー等の固体レーザー、CO2レーザー等である。レンズ系15は、レーザー装置14からレーザー光を受け、レーザー光を収束してレーザー30を形成する。ミラー16は、レーザー30の照射操作を行う。つまり、ミラー16により、レーザー30が照射される位置が調整される。 The laser device 14 is a high-energy heat source and emits laser light. The laser device 14 is, for example, a solid-state laser such as a fiber laser or a YAG laser, a CO 2 laser, or the like. The lens system 15 receives the laser light from the laser device 14 and converges the laser light to form the laser 30. The mirror 16 performs an irradiation operation of the laser 30. That is, the mirror 16 adjusts the position where the laser 30 is irradiated.

チャンバ20は、ベッド形成室201と、粉末供給室202と、造形テーブル203と、リコータ205とを備える。 The chamber 20 includes a bed forming chamber 201, a powder supply chamber 202, a modeling table 203, and a recorder 205.

ベッド形成室201は、筒状であり、上端に開口を有する。造形テーブル203は、ベッド形成室201に収納され、上下方向に昇降可能に支持される。造形テーブル203は、図示しないモータにより昇降する。造形テーブル203上には、基台208が配置される。基台208はたとえば、チタン等の金属からなる。基台208はチタン以外の他の金属であってもよい。β型チタン合金を含有する構造物は、基台208上に形成される。 The bed forming chamber 201 is tubular and has an opening at the upper end. The modeling table 203 is housed in the bed forming chamber 201 and is supported so as to be able to move up and down in the vertical direction. The modeling table 203 is moved up and down by a motor (not shown). A base 208 is arranged on the modeling table 203. The base 208 is made of, for example, a metal such as titanium. The base 208 may be a metal other than titanium. The structure containing the β-type titanium alloy is formed on the base 208.

粉末供給室202は、ベッド形成室201の隣に配置される。粉末供給室202は筒状であり、上下方向に昇降可能なピストン204を内部に備える。ピストン204上には、チタン合金の構造物の出発材料となる粉末粒子40が積層される。ピストン204が上昇することにより、粉末供給室202の上部開口から粉末粒子40が排出され、ベッド形成室201に供給される。 The powder supply chamber 202 is arranged next to the bed forming chamber 201. The powder supply chamber 202 has a tubular shape and includes a piston 204 that can move up and down in the vertical direction. Powder particles 40, which are starting materials for titanium alloy structures, are laminated on the piston 204. As the piston 204 rises, the powder particles 40 are discharged from the upper opening of the powder supply chamber 202 and are supplied to the bed forming chamber 201.

リコータ205は、粉末供給室202の上部開口の近傍に配置される。リコータ205は、図示しないモータにより特定方向(水平方向)に移動し、粉末供給室202及びベッド形成室201の間を往復する。図1では、リコータ205は、X方向に往復移動する。 The recorder 205 is arranged near the upper opening of the powder supply chamber 202. The recorder 205 is moved in a specific direction (horizontal direction) by a motor (not shown), and reciprocates between the powder supply chamber 202 and the bed forming chamber 201. In FIG. 1, the recorder 205 reciprocates in the X direction.

リコータ205は、X方向に移動することにより、粉末供給室202から排出された粉末粒子40を水平方向に移動させてベッド形成室201に供給する。ベッド形成室201内の造形テーブル203の基台208上に堆積された粉末粒子40により、パウダーベッド(粉末床)206が形成される。リコータ205がX方向に移動することにより、粉末粒子40が水平方向に移動し、パウダーベッド206の表面が平坦に整えられる。 By moving in the X direction, the recorder 205 moves the powder particles 40 discharged from the powder supply chamber 202 in the horizontal direction and supplies the powder particles 40 to the bed forming chamber 201. The powder bed (powder bed) 206 is formed by the powder particles 40 deposited on the base 208 of the modeling table 203 in the bed forming chamber 201. When the recorder 205 moves in the X direction, the powder particles 40 move in the horizontal direction, and the surface of the powder bed 206 is flattened.

なお、リコータ205に代えて、ローラを用いてもよい。ローラを用いた場合、粉末粒子40に対してローラで任意に加圧しながら、パウダーベッド206を形成できる。 A roller may be used instead of the recorder 205. When a roller is used, the powder bed 206 can be formed while arbitrarily pressurizing the powder particles 40 with the roller.

制御装置10は、図示しない中央演算処理装置(CPU)と、メモリと、ハードディスクドライブ(以下、HDDという)とを備える。HDDには、周知のCAD(Computer Aided Design)アプリケーションとCAM(Computer Aided Manufacturing)アプリケーションとが格納される。制御装置10は、CADアプリケーションを利用して、製造したい構造物の3次元形状データを作成する。 The control device 10 includes a central processing unit (CPU) (not shown), a memory, and a hard disk drive (hereinafter referred to as HDD). A well-known CAD (Computer Aided Design) application and a CAM (Computer Aided Manufacturing) application are stored in the HDD. The control device 10 uses a CAD application to create three-dimensional shape data of a structure to be manufactured.

制御装置10はさらに、CAMアプリケーションを利用して、3次元データに基づいて、加工条件データを作成する。積層造形法では、レーザー30により形成される複数の凝固層が積層されてβ型チタン合金を含有する構造物が形成される。加工条件データは、各凝固層が形成されるときの加工条件を含む。つまり、加工条件データは、各凝固層(各パウダーベッド206)ごとに作成される。制御装置10は、加工条件データに基づいてレーザー装置14、レンズ系15及びミラー16を制御して、レーザー30のエネルギー密度を規定する条件(出力E、走査速度S、走査間隔P及び照射位置)を調整する。 The control device 10 further uses the CAM application to create machining condition data based on the three-dimensional data. In the additive manufacturing method, a plurality of solidified layers formed by the laser 30 are laminated to form a structure containing a β-type titanium alloy. The processing condition data includes the processing conditions when each solidified layer is formed. That is, the processing condition data is created for each solidified layer (each powder bed 206). The control device 10 controls the laser device 14, the lens system 15, and the mirror 16 based on the processing condition data, and conditions that define the energy density of the laser 30 (output E, scanning speed S, scanning interval P, and irradiation position). To adjust.

[製造方法の概要]
本実施形態では、積層造形法を用いてβ型チタン合金を含有する構造物を製造する。具体的には、本製造方法は、ベッド形成工程と、溶融工程とを交互に繰り返して、複数の凝固層が積層された上記構造物を形成する。ベッド形成工程は、構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成する。溶融工程は、高エネルギー熱源を走査してパウダーベッドを溶融して、β型チタン合金を含有する凝固層を形成する。
[Outline of manufacturing method]
In this embodiment, a structure containing a β-type titanium alloy is manufactured by using a layered manufacturing method. Specifically, in this manufacturing method, the bed forming step and the melting step are alternately repeated to form the structure in which a plurality of solidified layers are laminated. In the bed forming step, powder particles serving as a starting material for the structure are supplied onto the base to form a powder bed. The melting step scans a high energy heat source to melt the powder bed to form a solidified layer containing a β-titanium alloy.

好ましくは、本製造方法では、β型チタン合金を含有する素材の結晶方位を制御することにより、構造物の弾性率を低下する。以下、この点について詳述する。 Preferably, in the present production method, the elastic modulus of the structure is lowered by controlling the crystal orientation of the material containing the β-type titanium alloy. This point will be described in detail below.

図2は、ISO 5832−14(2007)に規定されるβ型Ti−15Mo−5Zr−3Al合金の単結晶を用いて測定された結晶方位と弾性率との関係を示す図である。図2を参照して、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金では、結晶方位に応じて弾性率が異なる。具体的には、結晶方位<100>の弾性率が最も低く44.4GPaであり、<100>から<111>に向かうにしたがって弾性率が大きくなり、<111>では120GPa程度まで上昇する。そして、<111>から<011>に向かうにしたがって弾性率は徐々に低下し、<011>では80GPa程度になる。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the crystal orientation and the elastic modulus measured using a single crystal of the β-type Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy defined in ISO 5832-14 (2007). With reference to FIG. 2, in the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy, the elastic modulus differs depending on the crystal orientation. Specifically, the elastic modulus in the crystal orientation <100> is the lowest, 44.4 GPa, and the elastic modulus increases from <100> to <111>, and increases to about 120 GPa in <111>. Then, the elastic modulus gradually decreases from <111> to <011>, and becomes about 80 GPa in <011>.

以上のとおり、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金では、<100>方位の弾性率が最も低く、その値は生体骨の弾性率(10〜40GPa)に近い。他のβ型チタン合金も同様に、<100>の弾性率は低い。したがって、生体骨にインプラントとしてβ型チタン合金を含有する構造物を利用する場合、応力遮蔽を抑制するためには、主応力が掛る方向が<100>となるよう構造物を製造するのが好ましい。 As described above, the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy has the lowest elastic modulus in the <100> orientation, and its value is close to the elastic modulus of living bone (10 to 40 GPa). Similarly, other β-type titanium alloys have a low elastic modulus of <100>. Therefore, when a structure containing a β-titanium alloy is used as an implant in a living bone, it is preferable to manufacture the structure so that the direction in which the main stress is applied is <100> in order to suppress stress shielding. ..

そこで、本実施形態では、付加製造技術(3Dプリンター)の一種である、積層造形法を用いて、結晶方位を制御しつつβ型チタン合金を含有する構造物を製造する。積層造形法は、ベッド形成工程と溶融工程とを交互に繰り返し実施して、複数の凝固層が積層された構造物を製造する。ベッド形成工程では、構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成する。溶融工程では、高エネルギー熱源を走査してパウダーベッドを溶融しβ型チタン合金を含有する凝固層を形成する。 Therefore, in the present embodiment, a structure containing a β-type titanium alloy is manufactured while controlling the crystal orientation by using a layered manufacturing method, which is a kind of additional manufacturing technology (3D printer). In the additive manufacturing method, the bed forming step and the melting step are alternately repeated to produce a structure in which a plurality of solidified layers are laminated. In the bed forming step, powder particles used as a starting material for the structure are supplied onto the base to form a powder bed. In the melting step, a high-energy heat source is scanned to melt the powder bed to form a solidified layer containing a β-titanium alloy.

各溶融工程では、結晶方位を制御するために、高エネルギー熱源のエネルギー出力E(W)、走査速度S(mm/s)、走査間隔P(mm)、有効溶融池幅M(mm)が式(1)〜式(4)を満たすように、高エネルギー熱源を制御して、パウダーベッドを溶融する。
E>200 (1)
S>600 (2)
E/(S×P)≧2.5 (3)
0.45≦P/M≦0.60 (4)
ここで、有効溶融池幅Mとは、溶融工程において高エネルギー熱源を用いた1走査で形成され、縦断面が下に凸の放物線状の形状を有する凝固部分のうち、放物線状の形状の底部分の幅(mm)を意味する。有効溶融池幅Mについては後述する。
In each melting step, in order to control the crystal orientation, the energy output E (W) of the high energy heat source, the scanning speed S (mm / s), the scanning interval P (mm), and the effective molten pool width M (mm) are expressed. The high energy heat source is controlled to melt the powder bed so as to satisfy the equations (1) to (4).
E> 200 (1)
S> 600 (2)
E / (S × P) ≧ 2.5 (3)
0.45 ≤ P / M ≤ 0.60 (4)
Here, the effective molten pool width M is a parabolic-shaped bottom of the solidified portion formed by one scan using a high-energy heat source in the melting process and having a parabolic shape whose vertical cross section is convex downward. It means the width (mm) of the portion. The effective molten pool width M will be described later.

[式(1)〜式(3)について]
結晶方位の配向性は、溶融工程における出力E、走査速度S、走査間隔Pに依存する。図3は、後述の積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力E(W)及び走査速度S(mm/秒)と、測定方向における(100)のロットゲーリングファクター(Lotgering Factor)=L(100)の値との関係を示す。図4は、後述の積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力E(W)及び走査速度S(mm/秒)と、エネルギー密度Dの値と、測定方向における(100)のロットゲーリングファクター(Lotgering Factor)=L(001)との関係を示す図である。ロットゲーリングファクターL(100)が大きいほど(最大値は1)、(100)の配向性が高くなる。
[About equations (1) to (3)]
The orientation of the crystal orientation depends on the output E, the scanning speed S, and the scanning interval P in the melting process. FIG. 3 shows the output E (W) and scanning speed S (mm / sec) of the high energy heat source obtained by the laminated molding method described later, and the lotgering factor (Lotting Factor) = L in the measurement direction. The relationship with the value of (100) is shown. FIG. 4 shows the output E (W) and scanning speed S (mm / sec) of the high energy heat source, the value of the energy density D, and the lot gering of (100) in the measurement direction obtained by the laminated molding method described later. It is a figure which shows the relationship with the factor (Rotting Factor) = L (001). The larger the lot-gering factor L (100) (the maximum value is 1), the higher the orientation of (100).

図3及び図4では、積層造形法によりTi−15Mo−5Zr−3Al合金を製造した。このときの各溶融工程での高エネルギ−熱源の走査方向は、互いに直交していた(図16(A)参照)。また、図3及び図4において、走査間隔Pはいずれも0.1mmであった。ロットゲーリングファクターの測定では、図16のDE方向を測定方向とした。 In FIGS. 3 and 4, Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy was produced by additive manufacturing method. The scanning directions of the high-energy-heat sources in each melting step at this time were orthogonal to each other (see FIG. 16 (A)). Further, in FIGS. 3 and 4, the scanning interval P was 0.1 mm. In the measurement of the lotgering factor, the DE direction of FIG. 16 was set as the measurement direction.

図3及び図4中の「○」印は、得られたチタン合金のロットゲーリングファクターL(100)が0.5以上であることを示す。「◇」印は、得られたチタン合金のロットゲーリングファクターL(100)が0.5未満であることを示す。図3中のグラフ中の印付近の数値は、ロットゲーリングファクターL(100)の値であり、図4中のグラフ中の印付近の数値は、エネルギー密度Dの値である。ここで、エネルギー密度Dは、次の式で定義される。
D=E/(S×P)
The “◯” mark in FIGS. 3 and 4 indicates that the lot gelling factor L (100) of the obtained titanium alloy is 0.5 or more. A “◇” mark indicates that the lot gelling factor L (100) of the obtained titanium alloy is less than 0.5. The numerical value near the mark in the graph in FIG. 3 is the value of the lot gering factor L (100), and the numerical value near the mark in the graph in FIG. 4 is the value of the energy density D. Here, the energy density D is defined by the following equation.
D = E / (S × P)

図3及び図4を参照して、高エネルギー熱源の出力E(W)、走査速度S(mm/s)、走査間隔P(mm)がそれぞれ、式(1)〜式(3)を満たす場合、ロットゲーリングファクターL(100)が0.5以上となり、(100)方位の配向性が高まる。 When the output E (W), the scanning speed S (mm / s), and the scanning interval P (mm) of the high-energy heat source satisfy the equations (1) to (3), respectively, with reference to FIGS. 3 and 4. , The lot-gering factor L (100) becomes 0.5 or more, and the orientation of the (100) orientation is enhanced.

[式(4)について]
本製造方法ではさらに、溶融工程において、式(4)を満たす。
0.45≦P/M≦0.60 (4)
[About equation (4)]
In this production method, the formula (4) is further satisfied in the melting step.
0.45 ≤ P / M ≤ 0.60 (4)

ここで、有効溶融池幅M(mm)は次のとおり定義される。図5Aは、溶融工程において、高エネルギー熱源の1走査で形成された凝固部分の断面の模式図である。なお、簡単のため、各溶融工程での高エネルギー熱源の走査方向が互いに並行な場合(図16(B)参照)の、走査方向と垂直な断面(縦断面)を示す。走査時において、高エネルギー熱源の強度は中心部ほど高い。そのため、図5Aを参照して、形成される凝固部分300の縦断形状は、下に凸の放物線状の形状を有し、中心部が最も深い。より具体的には、中心部が他の部分よりもより深く溶融されるため、放物線上に曲率の変化する部分(変曲点)X0が形成される。放物線上の変曲点のうち、底300Bに最も近い変曲点X0間の幅方向の距離を、有効溶融池幅Mと定義する。 Here, the effective molten pool width M (mm) is defined as follows. FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of a solidified portion formed in one scan of a high energy heat source in the melting step. For simplicity, a cross section (vertical cross section) perpendicular to the scanning direction is shown when the scanning directions of the high-energy heat sources in each melting step are parallel to each other (see FIG. 16B). During scanning, the intensity of the high-energy heat source is higher toward the center. Therefore, with reference to FIG. 5A, the longitudinal shape of the solidified portion 300 to be formed has a downwardly convex parabolic shape, and the central portion is the deepest. More specifically, since the central portion is melted deeper than the other portions, a portion (inflection point) X0 whose curvature changes is formed on the parabola. Of the inflection points on the parabola, the distance in the width direction between the inflection points X0 closest to the bottom 300B is defined as the effective molten pool width M.

図5Bは、出力E=300W、走査速度S=1000mm/秒、走査間隔P=0.12mmで積層造形法によりTi−15Mo−5Zr−3Al合金の構造物を製造した場合の、構造物の最上面近傍の縦断面写真画像である。図5Bを参照して、図中の「M/2」は、1走査により形成された各凝固部分の有効溶融池幅Mの1/2の幅(M/2)を示す。 FIG. 5B shows the most structure when a Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy structure is manufactured by a laminated molding method with an output E = 300 W, a scanning speed S = 1000 mm / sec, and a scanning interval P = 0.12 mm. It is a vertical cross-sectional photographic image near the upper surface. With reference to FIG. 5B, “M / 2” in the figure indicates a width (M / 2) of 1/2 of the effective molten pool width M of each solidified portion formed by one scan.

本実施形態では、有効溶融池幅Mを次のとおり求める。図5Bのような縦断面写真画像を作成する。作成された写真画像において、最上層の凝固層の20個の凝固部分300の有効溶融池幅(mm)を測定する。測定された値の平均を、その製造方法における有効溶融池幅M(mm)と定義する。 In the present embodiment, the effective molten pool width M is obtained as follows. A vertical cross-sectional photographic image as shown in FIG. 5B is created. In the created photographic image, the effective molten pool width (mm) of the 20 solidified portions 300 of the uppermost solidified layer is measured. The average of the measured values is defined as the effective molten pool width M (mm) in the manufacturing method.

図6は後述の積層造形法により得られた、走査間隔Pの有効溶融池幅Mに対する比(=P/M)と、測定方向における(100)のロットゲーリングファクター(Lotgering Factor)=L(100)との関係を示す。図6を参照して、P/Mが増加するに従い、ロットゲーリングファクターL(100)が増加する。そして、P/Mが0.45以上になれば、ロットゲーリングファクターL(100)が0.5以上になる。そして、P/Mが0.53近傍でロットゲーリングファクターL(100)がピークを示し、P/Mが0.53を超えると、P/Mが増加するに従い、ロットゲーリングファクターL(100)が低下し、P/Mが0.6を超えると、ロットゲーリングファクターL(100)が0.5未満となる。 FIG. 6 shows the ratio (= P / M) of the scanning interval P to the effective molten pool width M obtained by the additive manufacturing method described later, and the lotgering factor (Rotting Factor) = L (100) in the measurement direction. ) Is shown. With reference to FIG. 6, the lot-gering factor L (100) increases as the P / M increases. Then, when the P / M becomes 0.45 or more, the lot gering factor L (100) becomes 0.5 or more. Then, the lot-gering factor L (100) peaks when the P / M is around 0.53, and when the P / M exceeds 0.53, the lot-gering factor L (100) increases as the P / M increases. When it decreases and the P / M exceeds 0.6, the lot gering factor L (100) becomes less than 0.5.

要するに、P/Mに対するロットゲーリングファクターL(100)は上に凸の曲線となる。式(4)に示すとおり、0.45≦P/M≦0.60であれば、ロットゲーリングファクターL(100)が0.5以上となり、(100)方位への配向性が高まる。P/Mの好ましい下限は0.50である。P/Mの好ましい上限は0.55である。 In short, the lotgering factor L (100) with respect to P / M becomes an upwardly convex curve. As shown in the formula (4), when 0.45 ≦ P / M ≦ 0.60, the lot gering factor L (100) becomes 0.5 or more, and the orientation toward the (100) orientation is enhanced. The preferable lower limit of P / M is 0.50. The preferred upper limit of P / M is 0.55.

有効溶融池幅Mを考慮する必要がある理由は、次のとおりと考えられる。カウンタKでの溶融工程において、パウダーベッドの水平方向(幅方向)に走査間隔Pで走査を順次ずらしながらパウダーベッドを溶融する。このとき、前段の走査で形成された凝固部分と、走査間隔Pずらした次段の走査で形成された凝固部分との重複範囲が狭い場合(つまり、P/Mが大きすぎる場合)、次段の走査時において前段の走査で形成された凝固部分が溶けにくい。そのため、前段の走査で形成された凝固部分の結晶構造が次段の走査で形成された凝固部分に引き継がれにくい。一方、前段走査による凝固部分と、次段走査による凝固部分との重複範囲が広すぎる場合(つまり、P/Mが小さすぎる場合)、前段走査の凝固部分が過剰に溶融する。この場合、前段走査の凝固部分の結晶構造が次段走査の溶融時に消滅し、次段の凝固部分に引き継がれない。 The reason why it is necessary to consider the effective molten pool width M is considered as follows. In the melting step at the counter K, the powder bed is melted while sequentially shifting the scanning at the scanning interval P in the horizontal direction (width direction) of the powder bed. At this time, if the overlapping range between the solidified portion formed in the previous scan and the solidified portion formed in the next scan with the scanning interval P shifted is narrow (that is, when the P / M is too large), the next stage The solidified portion formed in the previous scanning is difficult to melt during the scanning. Therefore, the crystal structure of the solidified portion formed in the previous scan is unlikely to be inherited by the solidified portion formed in the next scan. On the other hand, when the overlapping range between the solidified portion by the previous scan and the solidified portion by the next scan is too wide (that is, when the P / M is too small), the solidified portion in the previous scan is excessively melted. In this case, the crystal structure of the solidified portion of the previous scan disappears when the next scan is melted, and is not inherited by the solidified portion of the next scan.

P/Mが0.45〜0.60であれば、前段走査による凝固部分の結晶構造が、次段走査による凝固部分の結晶構造に引き継がれやすい、その結果、(100)のロットゲーリングファクターL(100)が大きくなりやすく、(100)への配向性が高まる。 When the P / M is 0.45 to 0.60, the crystal structure of the solidified portion obtained by the first-stage scanning is likely to be inherited by the crystal structure of the solidified portion obtained by the next-stage scanning. (100) tends to be large, and the orientation toward (100) is increased.

本製造方法は、上述の知見により完成したものである。以下、本製造方法を詳述する。 This manufacturing method has been completed based on the above findings. Hereinafter, the present manufacturing method will be described in detail.

[製造方法の詳細]
図7は、本実施形態のβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法の詳細を示すフロー図である。以下、β型チタン合金の具体例をTi−15Mo−5Zr−3Al合金とし、構造物の具体例を生体骨用のインプラントとして説明する。しかしながら、本製造方法は、他のβ型チタン合金を含有する構造物及び他の構造物にも適用できる。
[Details of manufacturing method]
FIG. 7 is a flow chart showing details of a method for manufacturing a structure containing the β-type titanium alloy of the present embodiment. Hereinafter, a specific example of the β-type titanium alloy will be a Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy, and a specific example of the structure will be described as an implant for living bone. However, this production method can also be applied to other structures containing β-type titanium alloys and other structures.

制御装置10は初めに、CADアプリケーションを用いて構造物の3次元データを作成する(S1)。作成された3次元データは制御装置10内のメモリに格納される。続いて、制御装置10はCAMアプリケーションを用いて、3次元データに基づいて加工条件データを作成する(S2)。 The control device 10 first creates three-dimensional data of the structure using a CAD application (S1). The created three-dimensional data is stored in the memory in the control device 10. Subsequently, the control device 10 creates machining condition data based on the three-dimensional data using the CAM application (S2).

加工条件データは、凝固層ごとに作成される。初めに、構造物(本例ではインプラント)を、予め設定された凝固層SOk(kは自然数であり、最大数はkmax)の積層数kmax(個)でスライスした場合を想定する。このとき、構造物がスライスされて形成される複数の凝固層SOkの各々の形状が異なる場合がある。したがって、加工条件データは、各凝固層SOkごとに製造される。これにより、所望の3次元形状の構造物が製造される。 Processing condition data is created for each solidified layer. First, it is assumed that the structure (implant in this example) is sliced with a preset number of solidified layers SOk (k is a natural number and the maximum number is kmax). At this time, the shapes of the plurality of solidified layers SOk formed by slicing the structure may be different. Therefore, the processing condition data is produced for each solidified layer Sok. As a result, a structure having a desired three-dimensional shape is produced.

第k層(k=1〜kmax)の凝固層SOkの加工条件データは次の方法で作成される。ここで、第1層は最下層であり、第kmax層は最上層である。 The processing condition data of the solidified layer SOk of the kth layer (k = 1 to kmax) is created by the following method. Here, the first layer is the lowest layer, and the first kmax layer is the uppermost layer.

制御装置10はまず、3次元データに基づいて、第k層における凝固層SOkの断面形状データを作成する。続いて、制御装置10は、断面形状データに基づいて、加工条件データを作成する。加工条件データは、領域条件とレーザー条件とを含む。制御装置10は、断面形状データに基づいて、レーザー30を照射する領域を決定し、領域条件として定義する。続いて、凝固層を形成するために必要なエネルギー密度(J/mm2)に応じて、レーザー条件(レーザー30の出力E、走査速度S、走査間隔P)を決定する。レーザー条件に関する情報は、粉末粒子40の組成に対応して、制御装置10内のHDDに予め格納されている。以上の工程により、各層(凝固層SOk)における加工条件データが作成される。作成された複数の加工条件データは、制御装置10内のメモリに格納される。 First, the control device 10 creates cross-sectional shape data of the solidified layer SOk in the k-th layer based on the three-dimensional data. Subsequently, the control device 10 creates machining condition data based on the cross-sectional shape data. The processing condition data includes region conditions and laser conditions. The control device 10 determines a region to be irradiated with the laser 30 based on the cross-sectional shape data, and defines it as a region condition. Subsequently, the laser conditions (power E of the laser 30, scanning speed S, scanning interval P) are determined according to the energy density (J / mm 2 ) required to form the solidified layer. Information on the laser conditions is stored in advance in the HDD in the control device 10 according to the composition of the powder particles 40. By the above steps, processing condition data for each layer (solidified layer SOk) is created. The created plurality of processing condition data are stored in the memory in the control device 10.

続いて、真空ポンプを用いて、チャンバ20を真空に引く(S3)。チャンバ20内が真空になった後、造形工程を実施して、構造物を形成する(S4:造形工程)。 Subsequently, the chamber 20 is evacuated using a vacuum pump (S3). After the inside of the chamber 20 is evacuated, a modeling process is performed to form a structure (S4: modeling process).

[造形工程(S4)]
図8は、図7中の混合層形成工程(S4)の詳細を示すフロー図である。図8を参照して、制御装置10は初めに、カウンタkを「1」に設定し(S41)、最下層となる第1層の凝固層SO1の作製を開始する。
[Modeling process (S4)]
FIG. 8 is a flow chart showing details of the mixed layer forming step (S4) in FIG. 7. With reference to FIG. 8, the control device 10 first sets the counter k to “1” (S41), and starts producing the solidified layer SO1 of the first layer to be the lowest layer.

チャンバ20内に不活性ガス(アルゴン、窒素、ヘリウム等)を供給し、造形テーブル203上に配置された基台208を予熱する。なお、予熱時において、真空に引いた後、不活性ガスを供給することなく基台208を予熱してもよい。また、真空にせずに、不活性ガスを供給した後、基台208を予熱してもよい。基台208の予熱をしなくてもよい。 An inert gas (argon, nitrogen, helium, etc.) is supplied into the chamber 20 to preheat the base 208 arranged on the modeling table 203. At the time of preheating, the base 208 may be preheated without supplying an inert gas after being evacuated. Further, the base 208 may be preheated after supplying the inert gas without creating a vacuum. It is not necessary to preheat the base 208.

続いて、制御装置10は、パウダーベッド206を形成する(S42:ベッド形成工程)。制御装置10は、粉末供給室202のピストン204を上昇して、チタン合金を含有する構造物の出発材料となる粉末粒子40を排出するよう指示する。粉末供給室202は、制御装置10からの指示に応じて、粉末粒子40を排出する。このとき、図9に示すとおり、リコータ205がX方向に移動する。これにより、排出された粉末粒子40がX方向に移動して、ベッド形成室201に供給される。粉末粒子は基台208及び造形テーブル203上に堆積し、パウダーベッド206が形成される。 Subsequently, the control device 10 forms the powder bed 206 (S42: bed forming step). The control device 10 is instructed to raise the piston 204 of the powder supply chamber 202 to discharge the powder particles 40 which are the starting materials of the structure containing the titanium alloy. The powder supply chamber 202 discharges the powder particles 40 in response to an instruction from the control device 10. At this time, as shown in FIG. 9, the recorder 205 moves in the X direction. As a result, the discharged powder particles 40 move in the X direction and are supplied to the bed forming chamber 201. The powder particles are deposited on the base 208 and the modeling table 203 to form the powder bed 206.

リコータ205はさらに、基台208上のパウダーベッド206の表面上を水平(X方向)に移動する。このとき、粉末粒子40が水平方向に移動する。最下層のパウダーベッド206の厚さはたとえば、5〜1000μm程度である。 The recorder 205 further moves horizontally (in the X direction) on the surface of the powder bed 206 on the base 208. At this time, the powder particles 40 move in the horizontal direction. The thickness of the powder bed 206 of the lowermost layer is, for example, about 5 to 1000 μm.

次に、制御装置10は、パウダーベッド206を予熱する(S43)。種々の方法で予熱することができる。たとえば、パウダーベッド206にレーザー30を照射して予熱してもよいし、造形テーブル203を昇温することによりパウダーベッド206を予熱してもよい。ベッド形成室201内の粉末粒子40をヒータで加熱することにより、パウダーベッド206を予熱してもよい。 Next, the control device 10 preheats the powder bed 206 (S43). It can be preheated in various ways. For example, the powder bed 206 may be preheated by irradiating the powder bed 206 with the laser 30, or the powder bed 206 may be preheated by raising the temperature of the modeling table 203. The powder bed 206 may be preheated by heating the powder particles 40 in the bed forming chamber 201 with a heater.

次に、レーザー30によりパウダーベッド206を走査して、パウダーベッド206を溶融し、第1層の凝固層SO1を形成する(S44:溶融工程)。制御装置10は、ステップS2で作成された複数の加工条件データのうち、第1層の凝固層SO1の加工条件データをメモリから読み出す。読み出された加工条件データに基づいて、制御装置10はレーザー30を制御する。 Next, the powder bed 206 is scanned by the laser 30 to melt the powder bed 206 to form the solidified layer SO1 of the first layer (S44: melting step). The control device 10 reads the processing condition data of the solidification layer SO1 of the first layer from the memory among the plurality of processing condition data created in step S2. The control device 10 controls the laser 30 based on the read processing condition data.

具体的には、制御装置10は、加工条件データ内の領域条件に基づいて、パウダーベッド206の所定の領域にレーザー30を照射する。制御装置10はさらに、加工条件データ内のレーザー条件に基づいて、レーザー30の出力E(W)、走査速度S(mm/秒)及び走査間隔P(mm)を調整する。このとき、出力E、走査速度S、走査間隔P、及び、有効溶融池幅M(mm)が式(1)〜式(4)を満たす。 Specifically, the control device 10 irradiates the predetermined region of the powder bed 206 with the laser 30 based on the region conditions in the processing condition data. The control device 10 further adjusts the output E (W), the scanning speed S (mm / sec), and the scanning interval P (mm) of the laser 30 based on the laser conditions in the processing condition data. At this time, the output E, the scanning speed S, the scanning interval P, and the effective molten pool width M (mm) satisfy the equations (1) to (4).

溶融工程(S44)において、パウダーベッド206だけでなく、基台208の表層部分も溶融してもよい。上記レーザー条件でレーザー30を1方向(X方向)走査してパウダーベッド206を溶融し、図10に示すように、凝固層SO1を形成する。このとき、パウダーベッド206のうち、凝固層SO1以外の領域に配置された粉末粒子40は、溶融しておらず、焼結もしていない。 In the melting step (S44), not only the powder bed 206 but also the surface layer portion of the base 208 may be melted. The laser 30 is scanned in one direction (X direction) under the above laser conditions to melt the powder bed 206 to form the solidified layer SO1 as shown in FIG. At this time, the powder particles 40 arranged in the region other than the solidified layer SO1 in the powder bed 206 are neither melted nor sintered.

第1層の凝固層SO1が形成された後、制御装置10は、カウンタkがkmaxか否かを判断する(S45)。ここでは、カウンタk=1であるため(S45でNO)、制御装置10はカウンタkをインクリメントしてk+1=2とする(S46)。そして、制御装置10は、第2層の凝固層SO2の作製を準備する。 After the solidified layer SO1 of the first layer is formed, the control device 10 determines whether or not the counter k is kmax (S45). Here, since the counter k = 1 (NO in S45), the control device 10 increments the counter k to set k + 1 = 2 (S46). Then, the control device 10 prepares for the production of the solidified layer SO2 of the second layer.

制御装置10は、造形テーブル203を積層ピッチΔhだけ降下する(S47)。その結果、図11に示すように、パウダーベッド206の表面が、図10と比較して、Δhだけ低下する。 The control device 10 lowers the modeling table 203 by the stacking pitch Δh (S47). As a result, as shown in FIG. 11, the surface of the powder bed 206 is lowered by Δh as compared with FIG.

ステップS47が完了した後、ステップS42に戻る。このとき、制御装置10は、凝固層SO1が形成されたパウダーベッド206上に、新たなパウダーベッド206を形成する(S42:ベッド形成工程)。具体的には、制御装置10の指示に応じて、粉末供給室202内のピストン204が上昇し、粉末粒子40が再び排出される。このとき、図12に示すように、リコータ205がX方向に移動する。そのため、粉末粒子40はX方向に移動して、厚さΔhを有する新たなパウダーベッド206を形成する。新たなパウダーベッド206の表面は、リコータ205により平坦に整えられる。 After step S47 is completed, the process returns to step S42. At this time, the control device 10 forms a new powder bed 206 on the powder bed 206 on which the solidified layer SO1 is formed (S42: bed forming step). Specifically, according to the instruction of the control device 10, the piston 204 in the powder supply chamber 202 rises, and the powder particles 40 are discharged again. At this time, as shown in FIG. 12, the recorder 205 moves in the X direction. Therefore, the powder particles 40 move in the X direction to form a new powder bed 206 having a thickness Δh. The surface of the new powder bed 206 is leveled by the recoater 205.

続いて、制御装置10は、パウダーベッド206を予熱し(S43)、第2層の凝固層SO2を形成する(S44:溶融工程)。このとき、制御装置10は、第k層(ここではk=2)の加工条件データに基づいて、式(1)〜式(4)を満たす条件でレーザー30をパウダーベッド206に照射する。その結果、図13に示すとおり、レーザー30が照射された領域内のパウダーベッド206が溶融して凝固し、凝固層SO2が形成される。以上の工程により、凝固層SO2は凝固層SO1上に積層される。 Subsequently, the control device 10 preheats the powder bed 206 (S43) to form the solidified layer SO2 of the second layer (S44: melting step). At this time, the control device 10 irradiates the powder bed 206 with the laser 30 under the conditions satisfying the equations (1) to (4) based on the processing condition data of the kth layer (here, k = 2). As a result, as shown in FIG. 13, the powder bed 206 in the region irradiated with the laser 30 melts and solidifies, and the solidified layer SO2 is formed. By the above steps, the solidified layer SO2 is laminated on the solidified layer SO1.

続いて、ステップS45に進み、k=kmaxとなるまで、つまり、最上層の凝固層SOkmaxが形成されるまで、制御装置10は、ステップS42〜ステップS47までの動作を繰り返す。つまり、制御装置10は、図14に示すように所望の形状の構造物ICが完成するまで、ベッド形成工程(S42)及び溶融工程(S44)を繰り返す。なお、凝固層SOkの形状は、下層の凝固層SOk−1の形状に拘束されず、凝固層SOk−1よりも大きな形状にすることもできるし、小さな形状にすることもできる。さらに、凝固層SOkの形状に1又は複数の孔を形成できる。この場合、構造物は、閉空間を有したり、複雑な孔形状を有する等、通常の切削加工では得られない形状を有することができる。 Subsequently, the process proceeds to step S45, and the control device 10 repeats the operations from step S42 to step S47 until k = kmax, that is, until the uppermost solidified layer SOkmax is formed. That is, the control device 10 repeats the bed forming step (S42) and the melting step (S44) until the structure IC having a desired shape is completed as shown in FIG. The shape of the solidified layer SOk is not restricted by the shape of the lower solidified layer SOk-1, and can be made larger or smaller than the solidified layer SOk-1. Further, one or more holes can be formed in the shape of the solidified layer SOk. In this case, the structure can have a shape that cannot be obtained by ordinary cutting, such as having a closed space or having a complicated hole shape.

以上のとおり、積層造形法では、構造物を構成する各凝固層SOkの形状を自由に形成できる。そのため、特定の結晶面の配向度を高めながら構造物ICを多孔質な構造とすることができる。そのため、結晶面の配向度、及び、構造の多孔質化の両面から、β型チタン合金を含有する構造物ICの弾性率を下げることができる。 As described above, in the additive manufacturing method, the shape of each solidified layer SOk constituting the structure can be freely formed. Therefore, the structure IC can have a porous structure while increasing the degree of orientation of a specific crystal plane. Therefore, the elastic modulus of the structure IC containing the β-type titanium alloy can be lowered in terms of both the degree of orientation of the crystal plane and the porosity of the structure.

本実施形態ではさらに、溶融工程において高エネルギー熱源であるレーザー30が式(1)〜式(4)を満たす。そのため、製造されたβ型チタン合金を含有する構造物ICにおいて、(100)への配向性が高まる。そのため、構造物ICの弾性率をさらに低下することができ、生体骨の弾性率に近づけることができる。 Further, in the present embodiment, the laser 30 which is a high energy heat source in the melting step satisfies the formulas (1) to (4). Therefore, in the manufactured structure IC containing the β-type titanium alloy, the orientation toward (100) is enhanced. Therefore, the elastic modulus of the structure IC can be further lowered, and the elastic modulus of the living bone can be approached.

以上の製造工程により、β型チタン合金を含有する構造物ICが完成する。完成された構造物はチャンバ20から取り出され、基台から切断される(S5)。
図15Aは、本実施形態の製造方法で製造されたTi−15Mo−5Zr−3Al合金の構造物の写真画像であり、図15Bは、図15Aと異なる、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金の他の構造物の写真画像である。本製造方法では、図15Aのように、製造された構造物に複数の貫通孔を形成することもできるし、図15Bに示すように、格子状の構造物を製造することもできる。また、構造物ICがインプラントである場合、CADモデルを患者骨格に適合させて作成することで、ネットシェイプの製品を提供できる。
Through the above manufacturing process, a structural IC containing a β-type titanium alloy is completed. The completed structure is removed from the chamber 20 and cut from the base (S5).
FIG. 15A is a photographic image of the structure of the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy produced by the production method of the present embodiment, and FIG. 15B shows another Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy different from FIG. 15A. It is a photographic image of the structure of. In this manufacturing method, a plurality of through holes can be formed in the manufactured structure as shown in FIG. 15A, and a lattice-shaped structure can be manufactured as shown in FIG. 15B. Further, when the structure IC is an implant, a net-shaped product can be provided by creating a CAD model adapted to the patient's skeleton.

[各溶融工程での高エネルギー源の走査方向について]
図16に示すとおり、各凝固層SOkの溶融工程(S44)において、高エネルギー源であるレーザー30の走査方向SDkは、下層の凝固層SOk−1を形成するときの走査方向SDk−1と略直角に交差してもよいし(図16(A))、並行してもよい(図16(B))。ここで、並行とは、幾何学における平行及び平行から±10°以内の範囲を意味する。要するに、走査方向は特に限定されない。
[Scanning direction of high energy source in each melting process]
As shown in FIG. 16, in the melting step (S44) of each solidified layer SOk, the scanning direction SDk of the laser 30 which is a high energy source is abbreviated as the scanning direction SDk-1 when forming the lower solidified layer SOk-1. They may intersect at right angles (FIG. 16 (A)) or may intersect in parallel (FIG. 16 (B)). Here, parallel means parallel in geometry and a range within ± 10 ° from parallel. In short, the scanning direction is not particularly limited.

ただし、レーザー30の走査方向を調整することにより、凝固層の結晶配向(集合組織)を制御することができる。したがって、レーザー30の走査方向を調整すれば、たとえば、インプラントとして利用される構造物の弾性率の方位による組合せ(一方向にのみ低弾性率、二方向に低弾性率等)を調整したり、構造物中で種々の弾性率を有する部位をモザイク状に配置し、構造物全体の弾性率を調整したりすることができる。 However, the crystal orientation (organization) of the solidified layer can be controlled by adjusting the scanning direction of the laser 30. Therefore, by adjusting the scanning direction of the laser 30, for example, a combination of elastic moduli of a structure used as an implant depending on the orientation (low elastic modulus in only one direction, low elastic modulus in two directions, etc.) can be adjusted. Parts having various elastic moduli can be arranged in a mosaic pattern in the structure, and the elastic modulus of the entire structure can be adjusted.

レーザー30の走査方向の調整の一例は次のとおりである。たとえば、凝固層SOkでのレーザー30の走査方向SDkを下層の凝固層SOk−1での走査方向SDk−1に対して、図16(A)に示すとおり、互いに直交としたり、図16(B)に示すとおり、互いに並行とする。この場合、走査方向に対する特定の結晶面の配向度を高めることができ、構造物の弾性率を調整できる。 An example of adjusting the scanning direction of the laser 30 is as follows. For example, as shown in FIG. 16A, the scanning direction SDk of the laser 30 in the solidified layer SOk may be orthogonal to each other with respect to the scanning direction SDk-1 in the lower solidified layer SOk-1, or in FIG. 16B. ), They are parallel to each other. In this case, the degree of orientation of a specific crystal plane with respect to the scanning direction can be increased, and the elastic modulus of the structure can be adjusted.

図17(A)、(B)は、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金を図16(A)及び(B)の走査方向で製造した場合の、図16のDE方向から見た(100)と(011)の極点図である。図17では、構造物の製造工程(溶融工程)中のレーザー出力を300W、走査間隔を0.1mm、走査速度を1000mm/sとして、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金を製造した。図17(A)は、走査方向が図16(A)の場合の結果であり、図17(B)は、走査方向が図16(B)の場合の結果である。 17 (A) and 17 (B) show (100) as seen from the DE direction of FIG. 16 when the Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy was produced in the scanning directions of FIGS. 16 (A) and 16 (B). It is a pole figure of (011). In FIG. 17, a Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy was manufactured with a laser output of 300 W during the structure manufacturing step (melting step), a scanning interval of 0.1 mm, and a scanning speed of 1000 mm / s. 17 (A) is the result when the scanning direction is FIG. 16 (A), and FIG. 17 (B) is the result when the scanning direction is FIG. 16 (B).

図17(A)を参照して、凝固層SOkでのレーザー30の走査方向SDkを下層の凝固層SOk−1での走査方向SDk−1に対して互いに直交させた場合(図16(A))、2つの走査方向及び造形方向(図16の造形物の高さ方向)のいずれにおいても、結晶面(100)が優先配向している。一方、図17(B)を参照して、凝固層SOkでのレーザー30の走査方向SDkを下層の凝固層SOk−1での走査方向SDk−1に対して互いに並行とした場合(図16(B))、走査方向には結晶面(100)が、造形方向には(011)がそれぞれ優先配向している。 With reference to FIG. 17 (A), when the scanning direction SDk of the laser 30 in the solidified layer SOk is orthogonal to the scanning direction SDk-1 in the lower solidified layer SOk-1 (FIG. 16 (A)). ), The crystal plane (100) is preferentially oriented in both the two scanning directions and the modeling direction (the height direction of the modeled object in FIG. 16). On the other hand, referring to FIG. 17B, when the scanning direction SDk of the laser 30 in the solidified layer SOk is parallel to the scanning direction SDk-1 in the lower solidified layer SOk-1 (FIG. 16 (FIG. 16). B)), the crystal plane (100) is preferentially oriented in the scanning direction, and (011) is preferentially oriented in the modeling direction.

以上のとおり、走査方向を調整することにより、β型チタン合金を含有する構造物に種々の結晶配向性を与えることができる。結晶配向性(集合組織)は、図17(A)、(B)に限定されない。走査方向を適宜調整することにより、図17(A)、(B)に示す2種類以上の複数の集合組織を形成できる。 As described above, by adjusting the scanning direction, various crystal orientations can be given to the structure containing the β-type titanium alloy. The crystal orientation (organization) is not limited to FIGS. 17A and 17B. By appropriately adjusting the scanning direction, a plurality of two or more types of textures shown in FIGS. 17A and 17B can be formed.

[他の実施形態]
上述の製造方法は、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金だけでなく、他のチタン合金の構造物にも広く適用できる。他のチタン合金はたとえば、ASTM F136−13(2013)に規定されるTi−6Al−4V ELI(Extra Low Interstitials)合金、ISO 5832−11(2014)に規定されるTi−6Al−7Nb合金、JIS T7041−4(2009)に規定されるTi−15Zr−4Nb−4Ta合金からなる群から選択される1種以上である。
[Other Embodiments]
The above-mentioned manufacturing method can be widely applied not only to Ti-15Mo-5Zr-3Al alloys but also to other titanium alloy structures. Other titanium alloys include, for example, Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitials) alloys specified in ASTM F136-13 (2013), Ti-6Al-7Nb alloys specified in ISO 5832-11 (2014), JIS. One or more selected from the group consisting of Ti-15Zr-4Nb-4Ta alloys specified in T7041-4 (2009).

さらに、上述の製造方法で製造される構造物は、β型チタン合金からなる必要はなく、β型チタン合金を含有していればよい。構造物がβ型チタン合金をある程度含有していれば、上記製造方法の効果がより有効に発揮される。構造物が体積%で30%以上のチタン合金を含有する場合、上記効果は特に有効に発揮される。好ましくは、構造物のチタン合金の含有量は体積%で50%以上であり、さらに好ましくは60%以上であり、さらに好ましくは70%以上である。構造物のβ型チタン合金の含有量は実質的に100%であってもよい。 Further, the structure manufactured by the above-mentioned manufacturing method does not have to be made of a β-type titanium alloy, and may contain a β-type titanium alloy. If the structure contains a β-type titanium alloy to some extent, the effect of the above manufacturing method will be more effectively exhibited. The above effect is particularly effective when the structure contains a titanium alloy of 30% or more by volume. Preferably, the content of the titanium alloy in the structure is 50% or more in volume%, more preferably 60% or more, still more preferably 70% or more. The content of the β-type titanium alloy in the structure may be substantially 100%.

上述の製造方法では、β型チタン合金を含有する単結晶を製造することもできるし、柱状晶材を製造することもできるし、等軸晶材を製造することもできる。 In the above-mentioned production method, a single crystal containing a β-type titanium alloy can be produced, a columnar crystal material can be produced, or an equiaxed crystal material can be produced.

上述の製造方法では、ステップS43(図8参照)において、予熱を実施する。しかしながら、予熱を実施しなくてもよい。 In the manufacturing method described above, preheating is performed in step S43 (see FIG. 8). However, preheating does not have to be performed.

上述の製造方法では、一例として、積層造形法に属する粉末床溶融結合法のうち、熱源をレーザーとするレーザー積層造形法を利用する。しかしながら、上記製造方法は、熱源を電子ビームとする電子ビーム積層造形法を利用してもよい。 In the above-mentioned manufacturing method, as an example, among the powder bed melt bonding methods belonging to the layered manufacturing method, the laser layered manufacturing method using a laser as a heat source is used. However, as the above-mentioned manufacturing method, an electron beam additive manufacturing method using an electron beam as a heat source may be used.

上記製造方法で製造される構造物は、生体用のインプラントとして広く利用できる。本実施形態の製造方法で製造される構造物はたとえば、生体骨用のインプラント、人工関節等に適用できる。 The structure manufactured by the above manufacturing method can be widely used as an implant for a living body. The structure manufactured by the manufacturing method of the present embodiment can be applied to, for example, implants for living bones, artificial joints, and the like.

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the embodiments described above are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the above-described embodiment can be appropriately modified and implemented without departing from the spirit of the present invention.

40 粉末粒子
206 パウダーベッド
208 基台
IC 構造物
SOk 凝固層
40 Powder particles 206 Powder bed 208 Base IC structure SOk solidification layer

Claims (3)

積層造形法を用いた、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法であって、
前記構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成するベッド形成工程と、
レーザーを走査して前記パウダーベッドを溶融して、前記β型チタン合金を含有する凝固層を形成する溶融工程とを交互に繰り返して、複数の前記凝固層が積層された前記構造物を形成し、
前記各溶融工程において、第k層(kは自然数)の前記凝固層を形成するときの前記レーザーの走査方向を、前記第k層の前記凝固層の下層の第k−1層の前記凝固層を形成するときの前記レーザー走査方向に対して直交又は並行に調整し、
前記各溶融工程では、
前記高エネルギー熱源のエネルギー出力E(W)、走査速度S(mm/s)、走査間隔P(mm)、有効溶融池幅M(mm)が式(1)〜式(4)を満たす、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法。
E>200 (1)
S>600 (2)
E/(S×P)≧2.5 (3)
0.45≦P/M≦0.60 (4)
ここで、有効溶融池幅Mとは、前記溶融工程において前記高エネルギー熱源を用いた1走査で形成され、縦断面が下に凸の放物線状の形状を有する凝固部分のうち、前記放物線状の形状の底部分の幅(mm)を意味する。
A method for manufacturing a structure containing a β-type titanium alloy using a layered manufacturing method.
A bed forming step of supplying powder particles as a starting material of the structure onto a base to form a powder bed, and
The structure in which the plurality of the solidified layers are laminated is formed by alternately repeating the melting step of scanning the laser to melt the powder bed and forming the solidified layer containing the β-type titanium alloy. ,
In each of the melting steps, the scanning direction of the laser when forming the solidified layer of the kth layer (k is a natural number) is set to the solidified layer of the k-1th layer below the solidified layer of the kth layer. adjust the orthogonal or parallel to the laser scanning direction when forming the,
In each of the melting steps,
The energy output E (W), scanning speed S (mm / s), scanning interval P (mm), and effective molten pool width M (mm) of the high-energy heat source satisfy equations (1) to (4), β. A method for manufacturing a structure containing a type titanium alloy.
E> 200 (1)
S> 600 (2)
E / (S × P) ≧ 2.5 (3)
0.45 ≤ P / M ≤ 0.60 (4)
Here, the effective molten pool width M is the parabolic shape of the solidified portion formed in one scan using the high energy heat source in the melting step and having a parabolic shape whose vertical cross section is convex downward. It means the width (mm) of the bottom portion of the shape.
請求項1に記載のβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法であって、
前記β型チタン合金を含有する構造物の素材は、ASTM F136−13(2013)に規定されるTi−6Al−4V ELI(Extra Low Interstitials)合金、ISO 5832−11(2014)に規定されるTi−6Al−7Nb合金、ISO 5832−14(2007)に規定されるTi−15Mo−5Zr−3Al合金、JIS T7041−4(2009)に規定されるTi−15Zr−4Nb−4Ta合金からなる群から選択される1種以上である、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法。
The method for producing a structure containing a β-type titanium alloy according to claim 1.
The material of the structure containing the β-type titanium alloy is Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitials) alloy specified in ASTM F136-13 (2013) and Ti specified in ISO 5832-11 (2014). Select from the group consisting of -6Al-7Nb alloy, Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy specified in ISO 5832-14 (2007), and Ti-15Zr-4Nb-4Ta alloy specified in JIS T7041-4 (2009). A method for producing a structure containing a β-type titanium alloy, which is one or more of the above.
請求項1又は請求項2に記載のβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法であって、
前記積層造形法は、レーザー積層造形法である、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法。
The method for producing a structure containing the β-type titanium alloy according to claim 1 or 2.
The laminating method is a laser laminating method for producing a structure containing a β-type titanium alloy.
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