[論文レビュー] Magneto-active composites with locally tailored stiffness produced by laser powder bed fusion

Kilian Schäfer, Matthias Lutzi+12 more|TUbilio (Technical University of Darmstadt)|May 4, 2023

Advanced Materials and Mechanics参考文献 64被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、特定の領域におけるレーザーパラメータを調整することで、局所的に剛性をチューニングできる1工程のレーザー粉末床溶融（LPBF）法を用いて、熱可塑性ポリウレタンとNd-Fe-B磁性粉体の複合材料から磁気活性複合材料を製造する手法を提示する。このアプローチにより、熱可塑性ポリウレタンとNd-Fe-B磁性粉体の複合材料内で、2〜22 MPaの範囲で正確な剛性制御が可能となり、アクチュエータ性能が顕著に向上し、患者に合わせた個別設計のステントが、カスタマイズされた機械的特性を備えて実現可能となる。

ABSTRACT

Additive manufacturing technologies enable the production of complex and bioinspired shapes using magneto-responsive materials, which find diverse applications in soft robotics. Particularly, the development of composites with controlled gradients in mechanical properties offers new prospects for advancements in magneto-active materials. However, achieving such composites with gradients typically involves complex multi-material printing procedures. In this study, a single-step laser powder bed fusion (LPBF) process is proposed that enables precise local adjustments of the mechanical stiffness within magneto-active composites. By utilizing distinct laser parameters in specific regions of a composite containing thermoplastic polyurethane and atomized magnetic powder derived from hard magnetic Nd-Fe-B, the stiffness of the composite can be modified within the range of 2 to 22 MPa. Various magneto-responsive actuators with locally tailored stiffness are fabricated and their magnetic performance is investigated. The enhanced response exhibited by actuators with locally adjusted mechanical properties in comparison to their homogeneous counterparts with identical geometries is shown. As a demonstration of a biomedical application, a magnetically responsive stent with localized adjustment is presented with the ability to meet specific requirements in terms of geometry and local stiffness based on an individual's anatomy and disease condition. The proposed method presents an approach for creating functionally graded materials using LPBF, not only for magneto-active materials but also for several other structural and functional materials.

研究の動機と目的

• 磁気活性複合材料の空間的に制御された機械的剛性を有する1工程の増加製造プロセスの開発。
• 多材質印刷の複雑さを克服し、単一のレーザーパラメータの変調によって剛性勾配を実現すること。
• 均一な対応物と比較して、局所的に剛性をチューニングした複合材料における磁気アクチュエーション性能の向上を実証すること。
• 解剖学的および病理的状態に基づいた、カスタマイズされた幾何形状と局所的機械的特性を有する、患者に合わせた医療デバイス（例：ステント）の実現。

提案手法

• 熱可塑性ポリウレタンと原子化されたNd-Fe-B磁性粉体の複合材料を、レーザー粉末床溶融（LPBF）法で処理した。
• レーザーパラメータ（例：出力、走査速度）を局所的に変更することで、溶融プールのダイナミクスと凝固挙動を制御し、局所的な密度および微細組織の変化を誘導した。
• その結果、材料の密度および界面結合の変化により、部品の異なる領域で2〜22 MPaの剛性勾配が実現された。
• 有限要素解析と機械的試験を用いて、剛性分布の妥当性を検証し、レーザー処理パラメータとその相関関係を評価した。
• 機能的なアクチュエータおよび磁気応答性ステントを製造し、性能と生体適合性の可能性を実証した。
• 同じ幾何形状の局所的剛性チューニング版と均一な対応物との間で、磁気アクチュエーション応答を測定し、比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一材料処理とレーザーパラメータのチューニングのみを用いて、レーザー粉末床溶融（LPBF）法で空間的に変化する剛性を有する磁気活性複合材料を製造可能か？
• RQ2 局所的なレーザーパラメータの変更が、LPBFで作製された磁性複合材料の機械的剛性にどのように影響するか？
• RQ3 局所的にチューニングされた剛性は、均一な対応物と比較して、ソフトロボットデバイスの磁気アクチュエーション性能をどの程度向上させるか？
• RQ4 この手法により、解剖学的および病理的状態に基づいた、カスタマイズされた機械的特性を有する患者に合わせた医療インプラントの実現が可能か？
• RQ5 この1工程のLPBFアプローチを用いた場合、このような複合材料における剛性制御の実現可能な範囲と精度はどの程度か？

主な発見

• LPBFプロセスにより、レーザーパラメータの調整によって、複合材料内での局所的剛性チューニングが正確に可能となり、2〜22 MPaの範囲を達成した。
• 局所的に剛性をチューニングしたアクチュエータは、同一の幾何形状を有する均一な対応物と比較して、顕著に向上した磁気応答を示した。
• 多材質印刷を用いずに、単一材料系におけるプロセスパラメータの変調のみで剛性勾配を実現した。
• 局所的剛性調整が施された、機能的な磁気応答性ステントが製造され、個別化医療デバイスの可能性を示した。
• 1工程の製造ステップで機能梯度材料を形成可能であり、磁気活性系にとどまらず、広範な応用分野へのインパクトを有する。
• レーザー処理によって誘導される微細組織および密度の変化を活用することで、機械的特性を効果的にチューニングできることが確認された。