積層造形法により製造されたポリエーテルエーテルケトン（PEEK）の高サイクル疲労挙動

High-Cycle Fatigue Behaviour of Polyetheretherketone (PEEK) Produced by Additive Manufacturing.

抄録

ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は、材料押出（ME）積層造形（AM）（3次元（3D）プリンティングとしても知られる）により加工可能な代表的な高性能熱可塑性生体材料であり、患者固有の荷重に耐えるインプラントの製造に用いられる。耐荷重インプラントの設計における繰返し荷重の重要性を考慮し、本研究では、3DプリントPEEKの高サイクル疲労挙動を取り上げる。この研究では、印刷したPEEK試験片に、印刷したPEEKの引張強度の75%から95%の間で異なる応力レベルを用いて、応力制御された引張-引張下で繰返し荷重をかけた。この実験結果は、Basquinのべき乗則を用いた3DプリントPEEKの疲労挙動を文書化するために使用され、バルクPEEKや他の3Dプリント材料に関する過去の疲労研究と比較された。疲労挙動に関する先駆的な研究として、本研究の結果は、3DプリントPEEKが引張強度の約75%に相当する65MPaという平均以上の疲労強度を示すことを示している。破面解析から、延性破壊から脆性破壊への遷移が、引張強度の85%から95%の最大応力で起こり得ることが示唆された。走査型電子顕微鏡（SEM）観察による破面上の亀裂伝播の特徴から、印刷成膜によって生じたボイド欠陥で亀裂が発生し、層に沿って線接合界面を通って長手方向に伝播することが示唆される。これを考慮すると、3DプリントPEEKの疲労挙動は、印刷条件と強く関連する可能性がある。3DプリントPEEKの疲労挙動に関するさらなる研究は、耐荷重インプラント用途での使用をサポートするために必要である。

Polyetheretherketone (PEEK) is the leading high-performance thermoplastic biomaterial that can be processed through material extrusion (ME) additive manufacturing (AM), also known as three-dimensional (3D) printing, for patient-specific load-bearing implant manufacture. Considering the importance of cyclic loading for load-bearing implant design, this work addresses the high-cycle fatigue behaviour of 3D-printed PEEK. In this work, printed PEEK specimens are cyclically loaded under stress-controlled tension-tension using different stress levels between 75% and 95% of printed PEEK's tensile strength. The experimental results are used to document 3D-printed PEEK's fatigue behaviour using Basquin's power law, which was compared with previous fatigue research on bulk PEEK and other 3D-printing materials. As a pioneering study on its fatigue behaviour, the results from this work show that 3D-printed PEEK exhibits an above-average fatigue strength of 65 MPa, corresponding to about 75% of its tensile strength. Fracture surface analysis suggests that a transition can occur from ductile to brittle fracture with maximum stresses between 85% and 95% of the tensile strength. Evidence of crack propagation features on fracture surfaces under scanning electron microscope (SEM) observation suggests crack initiation in void defects created by printing deposition that propagates longitudinally through line bonding interfaces along layers. Considering this, 3D-printed PEEK's fatigue behaviour can be strongly related to printing conditions. Further research on the fatigue behaviour of 3D-printed PEEK is necessary to support its use in load-bearing implant applications.