可撤式部分義歯クラスプ用選択的レーザー溶融Ti-6Al-4Vの微細構造および特性に及ぼすビルドオリエンテーションの影響

The effect of build orientation on the microstructure and properties of selective laser melting Ti-6Al-4V for removable partial denture clasps.

抄録

問題提起:

選択的レーザー溶解（SLM）法によるTi-6Al-4Vは、取り外し可能な部分義歯に使用されているが、SLM法によるTi-6Al-4Vの造形方向による影響は明らかでない。

STATEMENT OF PROBLEM: Selective laser melting (SLM) Ti-6Al-4V has been used for removable partial dentures, but the impact of SLM Ti-6Al-4V build orientation is not evident.

目的:

本研究の目的は，造形方向が異なるSLM Ti-6Al-4V 留め具を鋳造 Ti-6Al-4V 留め具と比較して，微細構造および特性を調査することである．

PURPOSE: The purpose of this in vitro study was to investigate the microstructure and properties of SLM Ti-6Al-4V clasps with different build orientations compared with cast Ti-6Al-4V clasps.

材料と方法:

Ti-6Al-4V合金から48個のクラスプを3種類の造形方向（SLM0，SLM45，SLM90）と対照として鋳造（CAST）でSLMにより製作した．微細構造は、金属顕微鏡と共焦点レーザー走査型顕微鏡を使用して調査した。留め具のフィット感や表面粗さを測定し、物性を評価した。また、有限要素解析によりクラスプのフォンミーズ応力を算出した。その後，すべての試料について，5年間の臨床使用を想定した人工唾液中での挿入・取り外し試験を行った．これらの試験後、3点曲げ試験によりクラスプアームの破断面を分析し、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。すべてのデータは統計的に分析された（α=.05）。

MATERIAL AND METHODS: Forty-eight clasps were made from Ti-6Al-4V alloys-by SLM with 3 different build orientations (SLM0, SLM45, and SLM90) and cast (CAST) as a control. The microstructure was investigated by using a metallographic microscope and a confocal laser scanning microscope. The fit and surface roughness of the clasps were measured, and the physical properties were evaluated. In addition, the von Mises stresses in the clasps were calculated by finite element analysis. All specimens were then subjected to insertion and removal tests in artificial saliva to model 5 years of clinical use. After these tests, 3-point bend tests were used to analyze the fracture surface of the clasp arms, which were observed by using a scanning electron microscope. All data were statistically analyzed (α=.05).

結果:

Ti-6Al-4V試料の組織は、α+β相の混合組織であった。また、β粒の成長方向はビルド方位とほぼ平行で、β粒の間にアシキュラーα粒が存在した。SLM0とSLM45はSLM90に比べ、粗さが著しく高いことがわかった。適合度はSLM90より劣るものの、SLM0とSLM45は鋳造試験片より良好な結果を示した（P<.05）。有限要素解析の結果，最大フォンミーゼス応力はリテーナアームの中間部に位置し，0.50mmアンダーカットのクラスプの値は弾性限界よりはるかに低いことがわかった．また，SLM90クラスプの保持力の低下はCAST群より小さかった（P<.05）．CASTクラスプは脆性破壊を示したが，SLMクラスプはすべて延性破壊を示した．

RESULTS: The microstructure of the Ti-6Al-4V specimens was a comixture of α+β phases. In addition, growth directions of β grains were approximately parallel to the build orientation, with acicular α grains present between β grains. SLM0 and SLM45 had significantly higher roughness than SLM90. Even though the fit was inferior to that of SLM90, SLM0 and SLM45 still performed better than cast specimens (P<.05). The finite element analysis showed that the maximum von Mises stress was located on the middle part of the retainer arms and that the values of the 0.50-mm undercut clasps were much lower than the elastic limit. In addition, the decrease of retentive force in SLM90 clasps was less than that of the CAST group (P<.05). CAST clasps showed brittle fracture, whereas all SLM clasps showed ductile fracture.

結論:

SLM Ti-6Al-4V の微細構造は，試験片の異方性を変化させることにより，クラスプの特性に影響を与えた．試験したグループの中で，SLM90クラスプは最も適合性が高く，表面粗さが最も小さく，耐疲労性が最も優れていた．さらに，SLM Ti-6Al-4V クラスプは，0.50 mm のアンダーカットに係合することができた．

CONCLUSIONS: The microstructure of SLM Ti-6Al-4V affected the properties of clasps by changing the anisotropy of specimens. Among the tested groups, SLM90 clasps had the best fit, the lowest surface roughness, and the best fatigue resistance. Furthermore, SLM Ti-6Al-4V clasps could be engaged into 0.50-mm undercuts.