歯科技工術論文のご紹介１３
今回は、従来の手研磨法では大変な６４チタン技工物をデジタル研磨の1種であるプラズマ研磨に掛けることで、どのように仕上げることができるのか？わずか10分から20分前後で研磨できるプラズマ研磨機についてご紹介いたします。
手研磨の限界がどのように変容していくのか、ご紹介いたします。
当社で販売しているプラズマ研磨機は、鋳造または積層造形のとちらで作られた６４チタン技工物でも研磨対応できる製品となっておりますので、是非今回の論文をご参考いただけましたら幸いです。
Surface Finishing of Additive Manufacturer Titanium Alloy by
Plasma Electrolytic Polishing Without Pretreatments
前処理を伴わないプラズマ電解研磨による積層図形チタン合金の表面仕上げ
要 約
Ti-6Al-4V（Ti64）合金の積層造形技術の進展により、歯科分野を含む多くの産業において、従来工法では困難であった複雑形状部品の製作が可能となっている。歯科技工分野では、フレームワークやインプラント関連部品などへの応用が拡大している。一方、選択的レーザー溶融（SLM）法により造形された金属部品は、造形由来の高い表面粗さを有しており、これが実用化における大きな課題となっている。
こうした粗い表面は、疲労強度の低下や摩耗・腐食の促進を引き起こすだけでなく、口腔内使用部品に求められる衛生性や清掃性といった厳格な表面品質要件への適合を困難にする。
従来は、研削、バレル研磨、電解研磨などの後処理が用いられてきたが、これらは複数工程を要し、作業が煩雑であるうえ、仕上がりが作業者の熟練度に左右されやすい。また、従来型の電解研磨では強酸性の電解液を使用する場合が多く、歯科技工所における安全性や環境負荷の観点から適用に制約が生じることもあった。
本研究では、3Dプリントにより造形された Ti64 部品に対し、前処理を必要としない単一工程の表面仕上げ方法として、プラズマ電解研磨（Plasma Electrolytic Polishing：PEP）の有効性を評価した。その結果、造形直後に約 9～10 µm の表面粗さを有する試料に対して、15～20 分間の PEP 処理を施すことで、表面粗さを 0.38～0.5 µm まで大幅に低減できることを確認した。
この表面粗さは、歯科補綴装置や口腔内使用部品に求められる衛生的要件を十分に満たす水準である。さらに、PEP は環境負荷の低い電解液を使用できるため、安全性と環境適合性の面でも優れている。
以上の結果から、PEP は機械的研磨を伴わない、効率的かつ再現性の高い積層造形後処理技術であり、量産対応や工程簡略化にも適していることが示された。PEP の導入により、従来必要とされていた多段階の仕上げ工程を代替でき、歯科技工現場における作業時間、コスト、環境負荷の大幅な低減が期待される。
キーワード：プラズマ電解研磨（PEP）；積層造形；Ti-6Al-4V 合金
１． はじめに
積層造形、特に金属3Dプリンティング技術の登場は、多様な産業分野において、複雑形状かつ個別対応（カスタマイズ）された部品製作を可能とし、大きな技術的転換点（パラダイムシフト）をもたらした［1,2］。歯科技工分野においても、金属フレームワークやインプラント関連部品、カスタムアバットメントなどへの応用が進んでいる。こうした積層造形で広く用いられる材料の中でも、Ti-6Al-4V（以下 Ti64）合金は、高い比強度、優れた耐食性、ならびに良好な熱安定性といった特異な機械的特性を有することから、特に注目されている［3］。これらの特性により、Ti64は航空宇宙、自動車、エネルギー分野など、過酷な使用環境下で高い信頼性が要求される用途において好んで使用されている［4,5］。
3Dプリント技術は、複雑形状や患者個別設計に対応した部品製作を可能とし、部品性能の最適化と材料ロスの低減という点で新たな可能性を切り拓いた。しかしながら、3Dプリントされた Ti64 部品では、後処理工程、特に選択的レーザー溶融（Selective Laser Melting：SLM）法に由来する造形特有の表面粗さが大きな課題として残されている。SLM により造形された金属表面は、一般に 9～20 µm 程度の表面粗さを示すことが報告されている［6,7］。この粗さは、疲労耐久性［8］、摩耗特性［9］、さらには流体力学的特性［10］など、部品の機能的性能に悪影響を及ぼす要因となる。
特に製薬分野や医療機器製造分野［11］では、衛生性や洗浄性を確保するため、極めて厳格な表面仕上げ基準が求められる。例えば、ASME BPE（American Society of Mechanical Engineers：バイオプロセス機器）規格［12］では、衛生・高精度用途における平均表面粗さ（Sa）の最大許容値を 0.4 µm 未満と規定している［12］。この数値は、医療・バイオ分野のみならず、歯科用金属部品やインプラント関連分野においても、低表面粗さを評価する際の重要な指標として広く参照されている。このことは、積層造形部品に対して、目的とする表面品質を確実に達成できる有効な後処理技術の導入が不可欠であることを示している［13］。
従来、Ti64 部品の後処理には、粗研磨、精密研磨、最終仕上げといった複数工程から成るワークフローが一般的に採用されてきた［14,15］。機械研磨、サンドブラスト、研削といった方法に加え、最終仕上げとして電解研磨や化学エッチングが用いられることも多い。しかしこれらの方法は、作業が煩雑で時間と労力を要するだけでなく、3Dプリント特有の複雑形状や内部構造を有する部品に対しては、工程を通じて均一で再現性の高い表面品質を得ることが困難である［16,17］。
これに対し、プラズマ電解研磨（Plasma Electrolytic Polishing：PEP）は、SLM 造形直後の粗い表面状態からでも、部品形状や寸法精度を損なうことなく、表面粗さを Sa < 0.4 µm まで低減できる可能性を示しており、従来の多段階仕上げ工程を代替し得る技術として注目されている［17］。さらに、従来の電解研磨プロセスの多くは、フッ化水素酸（HF）を含む危険性の高い電解液に依存しており、作業者の安全性や環境負荷の観点から重大な問題を抱えている［16,18］。歯科技工所の作業環境を考慮すると、こうした薬液の取り扱いは大きな制約となる。
このような背景のもと、先進的な表面仕上げ技術である PEP は、従来法の欠点を回避しつつ、高い表面平滑性と耐食性を同時に付与できる、拡張性の高い代替手段として台頭している［19］。
本研究の目的は、PEP を単独の後処理工程として適用することで、積層造形された Ti64 部品が ASME BPE 規格を満足し得ることを示す点にある。本手法により、造形直後の高い表面粗さを大幅に低減し、既存のハイテク産業向け表面規格を十分に下回る水準の表面品質を達成できることが示される。また、本技術は低濃度の塩類を主成分とする危険性の低い電解液を使用するため［16］、作業安全性および環境持続性の両面においても優れた特性を有している。
２． 材料と方法
プラズマ電解研磨（Plasma Electrolytic Polishing：PEP）では、研磨対象となる金属ワークピースを陽極とし、水系電解質を満たした陰極槽に浸漬する方式が一般的である［20］。そのため、PEP に用いられる電解液は水ベースであり、かつ処理対象金属に適合した組成である必要がある［21］。本研究で使用した電解液の導電率は、PEP に適した範囲とされる 80～140 mS/cm に設定した［22］。
直流電圧を印加すると、ワークピース表面では高い電流密度が発生し、その結果生じるジュール熱により、ワークピース周囲に蒸気ガスエンベロープ（Vapor Gas Envelope：VGE）が形成される。この VGE の発生により、ワークピースと電解液間の電気抵抗は急激に増加する［23］。その結果、VGE 内部において局所的なプラズマが生成される。この一過性かつ局所的に不安定なプラズマ層が、物理的なプラズマ作用と電気化学的反応の両方を介して、金属表面の平滑化（研磨）を担うことが知られている［24,14,16,21］。
PEP 実験は、処理結果の再現性を確保するため、厳密に制御された条件下で実施した。電解液は、脱イオン水中にフッ化アンモニウム（NH₄F）および塩化アンモニウム（NH₄Cl）を溶解した混合溶液であり、それぞれの濃度は最大 10% とした。電解液の pH は 5～7 の範囲で厳密に管理されており、この条件が電気化学反応の最適化と、PEP プロセス全体の安定性確保に極めて重要であることが確認された。
実験は直流（DC）条件下で行い、測定された電流値はおよそ 2 A であった。この値は、先行研究で報告されている適正な電流密度範囲と一致している［25］。電解液温度は、イオン伝導度および反応速度を高めつつ、過度な熱分解や不安定な反応を防止する目的で、約 80℃ に制御した。さらに、望ましい電気化学的研磨効果を得ながら不要な副反応やシステムの不安定化を回避するため、300 V の電圧を印加した。
本研究では合計 20 個の試料を用い、それぞれ 2 分、5 分、10 分、15 分、20 分 の処理時間を設定して体系的に評価を行った。これにより、所望の表面粗さおよび表面性状を達成するための最適な PEP 処理時間を特定した。
本研究で使用した Ti-6Al-4V 試料（図 1a）は、従来から広く用いられているプロセスパラメータに基づく選択的レーザー溶融（Selective Laser Melting：SLM）法により製造した。レーザー出力は 200 W、走査速度は 1200 mm/s、ハッチ間隔は 100 µm、層厚は 30 µm に設定され、これらの条件は体積エネルギー密度に換算すると約 70 J/mm³ に相当する［26］。造形プロセスは、酸化を防止するため、酸素含有量 0.2% 未満 に制御されたアルゴン雰囲気下で実施した［27］。
さらに、造形時に発生する残留応力を低減する目的で、造形プラットフォームは 200℃ に予熱した［26,28］。これらの条件により、高い緻密性を有する Ti-6Al-4V 部品が得られた。その後、すべての試料に対して高温静水圧プレス（Hot Isostatic Pressing：HIP）処理を施し、内部欠陥の低減および均一な材料組織の形成を図った［29］。加えて、一部の試料については、比較評価を目的として 10 分間のセラミックブラスト処理を実施した。
図 1
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図 1： Ti64 3Dプリント試料の画像
(a) 未処理状態、(b) PEPバス処理20分後、(c) 処理前後における表面エッチング差を強調した底面観察像
３． 結果と考察
Ti-6Al-4V（Ti64）に対してプラズマ電解研磨（Plasma Electrolytic Polishing：PEP）を適用する際の最大の課題は、図1aに示されるように、3Dプリント造形特有の高い表面粗さをいかに効率的に低減できるかにある。SLM法により造形されたTi64試料は、一般に初期平均表面粗さ（Sa）が 12～20 µm の範囲にあることが報告されており［6,7］、本研究で用いた試料でも 約9.2 µm の粗さが確認された。これは歯科技工分野で使用される金属フレームワークやインプラント関連部品としては、後処理を前提としなければ使用が困難な表面状態である。
本研究においてPEPプロセスを適用した予備的検討の結果、3DプリントTi64試料の表面品質は著しく改善されることが明らかとなった（図1b、c および 図2）［16］。最も良好な研磨結果は、低濃度の NH₄F および NH₄Cl を用いた電解液、比較的低い動作電圧、ならびに 2、5、10、15、20 分という段階的な研磨時間を最適化した条件において得られた。特に注目すべき点として、300 V・20 分の条件下では、表面粗さが約 18 倍低減され、最終的な Sa 値は 0.5 µm に到達した。
この研磨効率は、既存の後処理技術と比較して極めて優れている。例えば、高周波プラズマを用いたチタン3Dプリント部品の後処理に関する報告では、表面粗さを 11 µm から 10 µm へわずかに低減するために、約 4 時間を要するプロセスが必要とされている［30］。また、3Dプリント金属スキャフォールドの後処理において、サンドブラストや振動研磨が表面改質に用いられているものの、これらの従来技術では、表面粗さを 約 20 µm から 5 µm 程度まで低減することが限界であることが報告されている［31］。
図 2
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図2： 3DプリントTi-6Al-4V試料における、PEP処理時間に伴う表面粗さ（Sa）の経時変化
各研磨時間に対応する処理開始時および終了時の表面状態を示す拡大走査型電子顕微鏡（SEM）像を併記している。
特筆すべき点は、表面粗さが約 9 µm から 0.4 µm まで、前処理を伴わず単一工程で低減された事例が、PEP プロセスによって初めて実証された点である。比較的短時間で達成されたこの著しい表面平滑化は、従来の多段階後処理と比較した際の PEP の高い加工効率を明確に裏付けるものである［32,33］。
得られた表面品質を総合的に評価するためには、微細構造の健全性、研磨層の化学組成変化、ならびに高負荷条件下での機能特性への影響など、さらなる詳細な検討が必要である。しかしながら、近年報告されたチタン合金のプラズマ電解研磨における平坦化メカニズムの解析結果では、PEP 処理後においても母材の機械的構造や表面特性が劣化しないことが示されている［25,34,35］。むしろ PEP は、亀裂の発生を抑制しやすい表面状態を形成することで、積層造形 Ti-6Al-4V の表面特性および高サイクル疲労特性を大幅に改善し、医療用途における機械的完全性を向上させることが報告されている［17］。
図2に示すように、本研究では 3Dプリント Ti-6Al-4V に対する PEP 処理時の表面粗さ変化を、未処理試料と10 分間のセラミックブラスト前処理を施した試料の双方について体系的に評価した。定量的な表面粗さ（Sa）測定の結果、研磨時間の経過とともに表面粗さが大幅に低減することが確認され、PEP プロセスの高い研磨効率が明確に示された。
研磨開始時点では、ブラスト処理を行っていない試料は 約 9.2 µm という高い表面粗さを示したのに対し、機械的前処理を施したブラスト処理試料では 約 3 µm という比較的低い値から研磨が開始された。両試料とも、研磨開始後 5 分の時点で Sa の急激な低下が観察され、とくに非ブラスト処理試料において顕著な低減効果が確認された。20 分経過後には、非ブラスト処理試料の最終 Sa は **0.47 µm（約 20 倍低減）**に到達した。一方、ブラスト処理試料では最終 Sa が 0.38 µm となり、約 8 倍の低減が確認された。
これらの結果は走査型電子顕微鏡（SEM）観察によっても裏付けられており、表面に付着していた部分溶融粉末粒子や造形由来の表面変形が効果的に除去されている様子が確認された。
本研究結果が示すように、20 分間の PEP 処理後には、いずれの試料においても均一で滑沢な表面テクスチャーが形成された。さらに断面観察の結果、両試料タイプともに表面から 約 300 µm の材料除去が生じていることが確認された（図1c）。これは、PEP が大きな研磨効果を有しながらも、制御性の高い表面除去プロセスであることを示している。なお、初期段階、とくに非ブラスト処理試料においてエラーバーが大きく現れた点は、造形直後の表面状態が不均一であることを反映した結果であると考えられる。
図3に示す走査型電子顕微鏡（SEM）像は、プラズマ電解研磨（Plasma Electrolytic Polishing：PEP）処理下における、3Dプリント Ti-6Al-4V 表面の段階的な変化過程を示している。上段（図3a～d）は前処理を施していない試料、下段（図3e～h）はブラスト前処理を施した試料であり、両条件を時間経過とともに比較している。
初期状態（図3a、e）では、非ブラスト処理試料は積層造形金属に特有の表面形態を示しており、部分的に溶融した粉末粒子や球状の凹凸構造が顕著に観察される。一方、ブラスト処理を施した表面では、ブラスト工程による機械的摩耗の影響により、粉末粒子は除去されているものの、テクスチャ化された不規則な表面形状が形成されていることが確認される。これは歯科技工におけるサンドブラスト後の金属表面と同様の形態である。
PEP 処理を 2 分間実施した段階（図3b、f）では、いずれの条件においても初期的な表面平滑化が認められる。非ブラスト処理試料では、依然としてピット状欠陥や埋没した粉末粒子などの表面下欠陥が部分的に残存しているのに対し、ブラスト処理試料では、表面凹凸がより均一に溶解除去され始めている様子が観察される。
研磨時間を 10 分に延長した段階（図3c、g）では、両試料ともに表面の均質性が顕著に向上している。特に、造形由来の粗大な凹凸構造が大幅に減少し、PEP による選択的な表面平坦化が進行していることが SEM 像から明確に読み取れる。
図 3
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図3： 3Dプリント Ti-6Al-4V 試料の SEM 画像。上段は前処理なし、下段はブラスト前処理を施した試料を示す。
（a,e）初期状態、（b,f）PEP 処理 2 分後、（c,g）PEP 処理 10 分後、（d,h）PEP 処理 20 分後。
ブラスト前処理を施していない試料では、PEP 処理によって緩く結合した粉末粒子が効果的に除去され、微細構造の不均一性が緩和されることで、より連続性の高い表面組織が形成されることが確認された。一方、ブラスト処理試料では、初期段階で観察された不均一なテクスチャが研磨の進行とともに徐々に平準化されており、表面全体にわたる局所的かつ均一なプラズマ活性が生じていることを示唆している。
PEP 処理を 20 分間実施した後（図3d、h）には、両タイプの試料とも表面形態が収束し、微細な粒状パターンを特徴とする均一で平滑な表面が形成された。この段階では、目視および SEM 観察のいずれにおいても、明確な汚染物質や残存する粗さ由来の特徴は確認されなかった。
注目すべき点として、ブラスト処理を施した試料は、中間段階における欠陥数がわずかに少ない状態で、非ブラスト処理試料と同等の最終仕上げ品質を達成していた。これは、ブラスト前処理が PEP 処理中の電流分布を均一化し、安定したプラズマ活性を促進する可能性を示唆している。
一方で、本研究で観察された全体的な傾向から、前処理の有無にかかわらず、PEP は積層造形に起因する表面アーティファクトの除去および表面品質の向上に極めて有効であることが明らかとなった。ただし、初期の表面地形は、PEP 処理初期段階における材料除去挙動に大きな影響を及ぼすため、用途や要求精度に応じた前処理選択が重要である。
4. 結 論
本研究により、プラズマ電解研磨（PEP）は、3DプリントTi-6Al-4V（Ti64）部品の表面粗さを大幅に低減できる、非常に有効な後処理技術であることが確認された。未処理試料およびブラスト前処理試料のいずれにおいても、研磨時間の増加に伴い表面粗さ（Sa）は着実に低下した。
特に、初期表面状態に応じて10～15分のPEP処理を行うことで、Sa 0.38～0.5 μmという高品質な表面仕上げが達成可能であることが示された。これは、結果セクションで示した通り、低表面粗さが求められるTi64部品に対して、PEPが実用レベルの表面仕上げ手法であることを示している。
PEPは、積層造形Ti64部品の複雑形状に対しても適用可能な、非機械的かつ高効率な研磨技術であり、規制産業における厳しい表面品質要求への対応に適している。本プロセスは単一工程での後処理を可能とし、ASME BPEに準拠した高品質表面を実現できる点が大きな特長である。これにより、寸法精度や平坦性を維持しながら、研磨と仕上げを同時に行うことが可能となる。
その結果、従来必要とされていた研削、電解研磨、化学エッチングなどの多段階後処理工程を省略でき、時間・エネルギー・コストの大幅な削減が期待できる。我々の知る限り、本研究は、PEP単独の一工程によって、未処理の積層造形Ti64に医療・航空宇宙グレードの表面仕上げを実現した初の報告である。
さらに、PEPはその電気化学的原理から、Ti64に限らず、ステンレス鋼やCo-Cr合金などの導電性金属材料にも適用可能であり、医療、航空宇宙、エネルギー分野への展開が期待される。今後は、材料ごとの電解液組成やプロセス条件の最適化を進めることで、PEPの産業応用範囲をさらに広げることが可能である。
PEPが提供する迅速・低コスト・単工程の表面仕上げ技術は、金属積層造形における後処理工程の効率化を促進し、さまざまな産業分野での実用化を加速させる可能性を有している。
Surface Finishing of Additive Manufacturer Titanium Alloy byPlasma Electrolytic Polishing Without Pretreatments
前処理を伴わないプラズマ電解研磨による積層図形チタン合金の表面仕上げ
出展元 Materials 2025, 18(20), 4719; https://doi.org/10.3390/ma18204719
投稿受付日: 2025年8月28日 / 改訂日: 2025年10月5日 / 受理日: 2025年10月13日 / 公開日: 2025年10月15日
