Custom-made production of porous ceramics implants towards e-manufacturing

The paper proposes a virtual design approach using digital implant model to custom-made production of porous ceramics implants, considering two major issues: design issue and material issue for tailor-made design and production for hard-tissue implants. Custom-made shape design on hard-tissue implants are required, however, appropriate design for custom-made production needs preliminary operation. Since it is not easily accepted, prefabricated implants are commonly used. In addition to this design issue, material issue of implants is also under discussion. Porous ceramics are regarded as a suitable material for hard tissue implants, because they are compatible with bone and hard-tissue goes into the pore, which makes the bone formation with ceramics in the final stage. But their fragile features are not suitable for mechanical processing to create the complicated shape to fit the damaged portion of bone. The paper proposes a new solution to these two issues, using a virtual environment for design and production on ceramics implants. The digital model prepared in the virtual environment plays a major role in our approach, and will be shared by those who are involved in the medical treatment using implants. The paper covers the basic idea of the approach and describes its goal of tailor made-implants operation.

設計上の問題や材料の問題ハード組織移植のためのオーダーメイドの設計と生産のための:紙には2つの主要な問題を考慮した多孔質セラミックスインプラントのカスタムメイドの生産にデジタルインプラントモデルを使用して仮想設計アプローチを提案する．硬い組織インプラント上のカスタムメイドの形の設計はしかし，カスタムメイドの生産のための適切な設計は，予備動作を必要とし，必要とされる．それは容易に受け入れられないので，プレハブインプラントが一般的に使用される．この設計上の問題に加えて，インプラントの材料問題が議論の下にもあります．それらは，骨及び硬質組織と適合性であるため，多孔質セラミックスは，最終段のセラミックスと骨形成を行い，細孔に入り，硬組織インプラントに適した材料と考えられている．しかし，彼らの脆弱な機能には，機械的な処理は骨の損傷部分に合うように複雑な形状を作成するのには適していません．論文は，セラミックスインプラント上の設計と生産のための仮想環境を使用して，これらの2つの問題に新たな解決策を提案している．仮想環境で用意したデジタルモデルが我々のアプローチに大きな役割を果たし，およびインプラントを使用して医療に関与している人々によって共有されます．論文は，アプローチの基本的な考え方をカバーし，テーラーメイドインプラント操作の目標を説明しています．

International Journal of Manufacturing Technology and Management


Preparation and Structural Control of Porous Hydroxyapatite with Unidirectionally Aligned Continuous Pores

一方向貫通気孔を持つ多孔質アパタイトの製造と組織制御

生体活性物質であるアパタイトは人工骨素材として注目されている．本論文は低融点ワックスをバインダとする成形法と繊維吸収体を用いる脱脂焼結法と多段押し出し成形を組み合わせ，ミリオーダーからミクロンオーダーの一方向に配向した貫通気孔を持つ多孔質アパタイトの製造を試みた．そして製造した多孔質体の強度，気孔率について検討を行ったものである．

Journal of the Society of Materials Science, Japan


Structural Control of Porous Fly-Ash and Flexural Strength by Zeolitization

多孔質フライアッシュの組織制御とゼオライト化による強度変化

The porous fly-ash ceramics with various porosity were prepared using colloidal process with molten wax. Polyethylene terephthalate powders were used combustible pore-forming agents. The total porosity of porous fly-ash increased with the polyethylene terephthalate powder content. The flexural strength of porous fly-ash drastically decreased as the total porosity increased. By the treatment of the sintered fly-ash with 3mol/dm^3 NaOH solution at 383K for 15h, phillipsite, a kind of zeolite, was formed on the sintered fly-ash surface. The flexural strength of sintered fly-ash decreased to half of the original value by the zeolitization treatment.


Joining of ceramic green bodies and sintering characteristics

Journal of Materials Processing Technology


Preparation and Structural Control of Porous Hydroxyapatite

多孔質アパタイトの製造と組織制御

The porous hydroxyapatite ceramics with various porosity values were prepared using molten wax colloidal process. Graphite powders were used as combustible pore-forming agents. The total porosity of porous hydroxyapatite increased with the graphite content added. The total porosity, mean pore sizes were controlled by changing the content of graphite, the mean graphite particle diameter and sintering temperature. Most of the pores in the resulting ceramics were regarded as the open pores. The flexural strength of porous ceramics markedly decreased with the total porosity.


Effect of water based lubricants on wear of coated material


Anti-galling property of a diamond-like carbon coated tool in aluminum sheet forming


The extrusion of alumina composite billets


The extrusion of fiber dispersion ceramic green bodies and their dewax behavior


Machining of alumina green bodies and their dewaxing


Evaluation of wear and tribological properties of coating rubbing against copper


Anti-galling evaluation in aluminum sheet forming


A new near net-shape forming proces for alumina


Near net-shape forming of ceramics by absorbing dewax with fibrous absorbers


The Evaluation of Anti-Galling Characteristics by Observation of Adhesion Morphologies Using Injection Upsetting

実際的な鍛造条件の下で工具材と潤滑剤の耐焼付き性を評価するため，側方押出し鍛造試験と画像処理を組合せた評価試験法を考案した．表面処理材を含む数種類の熱間鍛造工具材と潤滑条件の下でのアルミニウムの熱間鍛造実験を通じて本評価試験法を検討し，各工具材·潤滑剤の耐焼付き性能と特徴を反映した定量的な評価を可能にする優れた方法であることを明らかにした．


Effects of Surface-Finishing Condition and Annealing on Transformation Sensitivity of a 3mol% Y2O3 Stabilized Tetragonal Zirconia Surface under Interaction of Lubricant

部分安定化ジルコニアの塑性加工用工具への適用を目的として， 表面層の相変態に対する表面仕上げ条件の影響を検討した．表面部の約10μm厚さの加工変質層が低硬度のマルテンサイトに変態することを仕上げ条件と関連づけて示すと共に，圧縮残留応力を生じる表面仕上げと焼鈍処理の組合せでこれを保護作用を持つ高硬度の表面層(η相と推定)に転化できることを見出した．


反応性インサート材を用いたアルミニウム板の抵抗スポット溶接法 --- 引張せん断試験による検討

ジュール熱の大半を反応性インサート材の反応熱で代替することによる抵抗スポット溶接の低電流化法を考案し，これをアルミニウム板の接合に適用した．Ti-Al二元系インサート材の適用によって溶接電流の大幅な低減(通常の1/2∼1/3)を達成できることを示すと共に，アルミニウム材の抵抗スポット溶接に鋼板と同じ条件を適用可能であることを実証した．

Transactions of The Japan Society of Mechanical Engineers, Series C

日本機械学会論文集(C編)


Evaluation of Frictional Conditions for Various Tool Materials and Lubricants Using Injection Upsetting

側方押出し鍛造試験法を用いて，セラミックを含む数種類の熱間鍛造用工具材と潤滑剤との組合せのもとでアルミニウム材を熱間鍛造する際の潤滑状態を調査し，工具-素材間の affinity や鍛造条件(温度·加工速度(ひずみ速度))による潤滑および焼付き状態への影響を検討した．

Journal of Materials Processing Technology


A Method for the Evaluation of Lubrication Using Injection Upsetting

素材の変形抵抗を用いずに簡便に実際の鍛造に近い加工状態で潤滑状態を推定するため，側方押出し鍛造を基礎とする試験法を提案した．上界法による解析を行って，本試験法によって求められるフランジ径から工具面での摩擦せん断係数を知るためのノモグラムを作成するとともに，アルミニウムの熱間鍛造における幾つかの固体潤滑剤の潤滑状態の評価例を示した．


潤滑油中でのジルコニアダイス表面の変態感受性に対する表面仕上げ条件と再加熱の影響 --- ジルコニアダイス表面の特性II

ジルコニア製塑性加工用工具材の課題である潤滑油との相互作用によるジルコニア表面の変態感受性を，表面仕上げ条件と研削後の再加熱の面から検討した．X線回折における2θ≒35°付近のT相ピーク強度の比IPT(002)/ IPT(200)によって変態の程度を評価する方法を示すとともに，変態感受性を著しく抑制するための手法として焼鈍処理の有効性を明らかにした．


A Crossed-Cylinders Testing for Evaluation of Wear and Tribological Properties of Coated Tools

塑性加工用コーティング工具の摩擦·摩耗挙動を実操業に近い条件下で評価するための試験法として，クロスシリンダー型試験法を提案した．厚さ数μm∼十数μmという極めて薄いコーティング層の耐摩耗性能の評価パラメータとして有効平均摩耗速度を導入することによって，種々のコーティング工具の摩擦·摩耗特性と性能の定量的な比較を可能にした．


側方押出し鍛造を用いた潤滑評価法

側方押出し鍛造を用いた潤滑評価法

素材の変形抵抗を用いずに実生産に近い加工状態で鍛造時の潤滑状態を推定するため，側方押出し鍛造を基礎とした簡便な試験法を提案した．同時に，解析解に基づいて，無次元化したフランジ径から工具面での摩擦せん断係数を求めるためのノモグラムを作成した．これによって，側方押出し鍛造試験から熱間鍛造時の潤滑状態を定量的に把握できるようになった．


Cutting performance and wear mechanism of alumina-based ceramic tools when machining austempered ductile iron

ADI切削におけるアルミナ系セラミック工具の切削性能を述べている．摩耗速度は，TiCを含むセラミックでは切削速度の上昇とともに増加するが，ZrO2を含むセラミックではある速度以上で減少することを見いだしている．


潤滑油中でのジルコニアダイス表面の変態感受性に対する研削と再加熱の影響 --- ジルコニアダイス表面の特性I

塑性加工用工具材にジルコニアセラミックを適用する場合に問題となる潤滑油との相互作用によるジルコニア表面の変態感受性を検討した．その結果，セラミックの焼結温度が高くなるにつれて変態感受性が高まることを明らかにするとともに，仕上げ研削の後に再加熱(焼鈍処理)を施すことが変態感受性を大幅に抑制するための有効な手段であることを実証した．


擬似HIP条件下での自己伝播高温合成法によるチタンアルミナイドの固化成形性

擬似HIP条件下での自己伝播高温合成法によるチタンアルミナイドの固化成形性

自己伝播高温合成法を擬似HIP条件下で行うことによってチタンアルミナイドの反応合成と固化成形とを同時に短時間で行うプロセスの可能性を，主に相対密度と固化前後での寸法変化の面から検討した．その結果，本法がnear-net shape加工に適することや，クローズドポアよりもむしろオープンポアの減少に効果があることなどを明らかにした．

Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy


鉄アルミナイドFe3Alの機械的合金化と固化特性

鉄アルミナイドFe3Alの機械的合金化と固化特性

メカニカルアロイングによる耐熱金属間化合物·軟磁性材料の創製を目的として，鉄アルミナイドFe3Alの機械的合金化と固化特性を検討した．機械的合金化したままの素材は非晶質状態であるが，後続の固化成形過程での加熱によって目的とする結晶相が得られた．また，1423Kでの押出しあるいはHIPが固化法として適していることを明らかにした．


セラミック工具のNi基合金に対する恒温加工条件下での耐凝着性試験法

セラミック工具のNi基合金に対する恒温加工条件下での耐凝着性試験法

高温硬度計を応用した恒温鍛造金型材料に対する耐凝着性試験法を提案した．この試験法により工具材と素材との種々の組合せに対して恒温加工条件での凝着発生マップを作成することにより，容易に耐凝着性を比較検討できるようになった．また，凝着発生までの限界接触時間と雰囲気温度の逆数とが両対数グラフ上で直線関係を示すことも明らかにした．


引抜き試験によるアルミナ·ジルコニア複合セラミック工具のNi基合金の恒温加工に対する適合性の検討

Al2O3-ZrO2複合セラミック工具のNi基超合金の恒温加工に対する適合性を，相対すべりを広範囲に設定できる引抜き試験によって検討した．ジルコニアの配合率と焼成温度を種々変化させて作成した複合セラミックの高温硬度と1273Kでの引抜き試験における摩耗挙動などを総合して，焼結温度1723K，ZrO2含有量20wt%の複合セラミックが恒温加工用工具に最も適することを明らかにした．


機械的合金化条件がM/Aアルミニウム合金の機械的特性に及ぼす影響

機械的合金化条件がM/Aアルミニウム合金の機械的特性に及ぼす影響

機械的合金化条件がメカニカルアロイング材の強度特性に及ぼす影響を，種々のミリング条件下で調製したMAアルミニウム合金押出し材(組成:2024-2Ni)の室温および473Kでの引張り試験を通じて検討した．その結果，鋼球充填率·粉末充填率·ミリング助剤は強度特性に大きな影響を与える因子であるが，鋼球径とミルポット容積の影響は小さいことなどを明らかにした．


アルミニウム合金の機械的合金化におけるミリング助剤の作用

アルミニウム合金の機械的合金化におけるミリング助剤の作用

アルミニウム合金をメカニカルアロイングで製造する際の課題である過剰な凝着の抑制をミリング助剤の作用の面から検討した．無定形炭素，黒鉛およびステアリン酸亜鉛の3種類のミリング助剤についてミリング過程における粉末の凝着抑制能力を定量的に明らかにするとともに，それぞれのミリング助剤が機械的合金化材の機械的特性に及ぼす影響についても評価検討した．


機械的合金化したアルミニウム-金属酸化物複合材料のテルミット反応と機械的性質

機械的合金化したアルミニウム-金属酸化物複合材料のテルミット反応と機械的性質

メカニカルアロイングによってアルミニウム中に遷移金属酸化物を微細均一に分散させた後，これをテルミット反応で還元する手法によって，アルミナで分散強化された遷移金属を合金元素とする耐熱アルミニウム合金の製造を試み，本プロセスが通常のメカニカルアロイングに比較して非常に微細均一な組織を形成する能力に優れ，高い高温強度を達成できることを実証した．


ジルコニアダイスによるステンレス鋼の深絞り加工

ジルコニアダイスによるステンレス鋼の深絞り加工

低摩擦係数で耐焼付き性に優れるZrO2セラミックのSUS304ステンレス鋼の深絞り加工用工具への適用を試みた．ジルコニアダイスは，製品カップの表面性状に優れると共に板厚変化も小さく， 従来の超硬合金製ダイスを上回る良好な性能を示した．さらに，加工数150万個以上の実生産試験を通じてその特性の安定性を確認し，ジルコニアの深絞り工具材としての有効性を実証した．


機械的合金化条件の解析的検討 --- 機械的合金化の研究II

機械的合金化条件の解析的検討 --- 機械的合金化の研究II

先に提案したメカニカルアロイング過程の解析モデルを基礎として， 機械的合金化過程に対するミリング条件の影響を検討した．振動ボールミルによるアルミニウム材のメカニカルアロイング実験を行って粉末粒径の変化を求め，解析モデルを適用することで，ミルポット容積，鋼球充填率，粉末充填率，鋼球直径，ミリング助剤などの影響を定量化して検討した．


機械的合金化過程の解析 --- 機械的合金化の研究I

機械的合金化過程の解析 --- 機械的合金化の研究I

アルミニウム材のメカニカルアロイング過程を定量的に把握して最適化を図るための基礎として， メカニカルアロイング中の粉末粒子形状および粒径の変化に着目した解析モデルを提案した．これを用いて，合金化中の粉末粒子の粒径変化をミリング時間の関数として表現できる解析解を得た．これによって，ミリング条件を定量的に検討することが可能となった．


アルミニウム合金の機械的合金化と高温特性

アルミニウム合金の機械的合金化と高温特性

アルミニウム材の高温強度の改善を目的として，Niまたは無水珪酸粉末を添加した2024アルミニウム合金の機械的合金化を行った．押出しで固化した材料の特性はミリング状態を強く反映し，特にミリング助剤の適正な使用によって大きく改善された．実験の範囲では2024-SiO2系試料で最も良好な高温強度(523Kで約300MPa)を達成し，高温保持による強度低下は小さかった．


繊維組織を有する焼結アルミニウム合金の高温特性

繊維組織を有する焼結アルミニウム合金の高温特性

NiまたはTi粉末を添加した2024アルミニウム系複合素材に強加工を施して集合組織を発達させる方法により，加工を積極的に利用した材料の高温強度特性の改善を検討した．加工度の増加につれて室温強度も高温強度も共に向上し，また高温での長時間保持による強度低下の小さい優れた耐熱アルミニウム合金を製造できることを明らかにした．


セラミックダイスのSUS304線引きに対する実用試験

セラミックダイスのSUS304線引きに対する実用試験

SUS304に対して耐焼付き性に優れるSiCとZrO2の2種類のセラミック工具の実用化を図るため，耐チッピング性に配慮した引抜きダイス形状を考案設計し，予備試験を経て，実際の生産現場での試用を行った．その結果，摩耗の点から硬化材の加工にはSiCダイスが適し，潤滑剤の粘度を適当に選択すれば焼結ダイヤモンドダイスと同程度の良好な性能を発揮し得ることを実証した．


Al/SiC複合材の平面ひずみ圧縮加工 --- FRMの二次加工に関する研究

Al/SiC複合材の平面ひずみ圧縮加工 --- FRMの二次加工に関する研究

一方向強化Al/SiC複合材を高温下で平面ひずみ的に圧縮加工する際の加工性(加工力·巨視的な延性)·加工後の組織と機械的性質の変化を調査し，繊維強化複合材料の二次加工の可能性を検討した．その結果，複合材の弾性係数は圧縮加工によってほとんど影響されないが，強化方向の強度特性は劣化しやすく，それがSiC繊維の配向の乱れや折損に起因することを明らかにした．


Zn-22Al合金粉末を用いた高強度Al系焼結材料の製造

Zn-22Al合金粉末を用いた高強度Al系焼結材料の製造

超塑性Zn-22Al合金粉末を添加したアルミニウム系焼結材に強加工を施して集合組織を発達させる方法により，加工を積極的に利用した材料強度特性の向上を検討した．その結果，加工度を高めることによって強度は複合則の予測を超え，さらに熱処理と組合せることで700MPaを超える引張強さを達成するなど，焼結材料の強化に有効な手法であることを示した．


SUS304及びアルミニウムのローラダイス引抜きに対するセラミック(SiC)工具の有用性

耐焼付き性に優れるSiCセラミックの塑性加工用工具への展開のひとつとして， SUS304及びアルミニウムの引抜き工具としての可能性を検討した．セラミックをローラダイスとして用いることは，単に脆性なセラミックのチッピング対策面での有効性に留まらず，被加工材の凝着の無い良好な工具表面状態を維持できる点でも固定工具よりも優れていることを明らかにした．


SiC工具によるSUS304のバニシ加工

SiC工具によるSUS304のバニシ加工

SiCセラミックのSUS304に対する良好な耐焼付き性を利用して，高強度で難加工とされているSUS304の振動バニシ加工工具としての可能性を検討し，良好な仕上げ面を得るための加工条件を明らかにした．さらに，工具摩耗と潤滑条件の関係を調査して，塩素系極圧添加剤が SiC工具によるSUS304のバニシ加工に顕著な効果を示すことを明らかにした．


セラミック(SiC)工具によるSUS304の引抜き加工

セラミック(SiC)工具によるSUS304の引抜き加工

SiCセラミック工具のSUS304引抜きダイス用工具材としての可能性を，工具摩耗と工具のチッピングによる加工限界の面から検討した．その結果， SiCセラミックは劣悪な潤滑環境下でも高速での引抜きが可能な点で大きな特徴と魅力を有するが，チッピング限界を高め，工具摩耗を抑制してSiC工具のより安定的な使用を図る為には潤滑剤の選択が重要であることを示した．


An Analytical Study of Deformation Behavior of Porous Metals in Uniaxial Tension and Compression

単軸引張りまたは単軸圧縮における多孔質金属(金属焼結体)の変形挙動を上界法により解析した．多数の孔を持つ板材の変形挙動を参照しながら新規で現実的な動的可容速度場を提案し，そのエネルギー消散率を最小化することによって多孔率·ポア形状·静水圧力などの影響を明らかにすると共に，実験結果との比較を通じて解析結果の妥当性を検証した．


セラミック(SiC)工具による引抜き加工

セラミック(SiC)工具による引抜き加工

SiCセラミックの引抜き加工用工具材としての応用を目的として，高硬度ではあるが脆性なセラミックの性質を考慮した耐チッピング性に優れる工具形状を設計した．このセラミックダイスでSUS304の引抜き加工実験を行い，通常の工具材では焼付きにより品質面での問題を起しやすいSUS304を低級な潤滑条件下でも高い加工度で加工できることを示し，その有用性を実証した．


An Upper Bound Approach on Deformation of Two-Phase Materials in Uni-Axial Tension

二相材料の強度と塑性変形挙動を上界法によって解析し，第2相粒子の体積率·母材に対する降伏強度比·相界面での接合強度·粒子形状·静水圧力などの影響を明らかにすると共に，これらの解が実験結果と良く一致することを示した．さらに，本手法によって母相·第2相それぞれ単独での応力-ひずみ曲線から，二相材料の応力-ひずみ曲線を精度良く予測し得ることを示した．


圧電素子による塑性加工における摩擦状態の評価

圧電素子による塑性加工における摩擦状態の評価