特開 2022-144258 立体造形物、及び立体造形物の造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022144258

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】立体造形物、及び立体造形物の造形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/106 20170101AFI20220926BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220926BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20220926BHJP

   A61F 2/12 20060101ALN20220926BHJP

【ＦＩ】

B29C64/106

B33Y10/00

B33Y80/00

A61F2/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021045178

(22)【出願日】2021-03-18

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(71)【出願人】

【識別番号】516262549

【氏名又は名称】エス．ラボ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】秋枝 智美

(72)【発明者】

【氏名】藤井 俊茂

【テーマコード（参考）】

4C097

4F213

【Ｆターム（参考）】

4C097AA19

4C097AA23

4C097BB01

4C097BB09

4C097CC01

4C097CC15

4C097DD04

4C097EE02

4C097MM07

4F213AA45

4F213AA49

4F213AB07

4F213AC02

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL23

4F213WL24

4F213WL25

4F213WL27

4F213WL74

(57)【要約】

【課題】人体と同等の柔らかさを有する立体造形物を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る立体造形物は、熱可塑性樹脂又はその組成物を溶融積層して造形された立体造形物において、繰り返し構造を内部に有し、ヤング率が５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下の範囲である。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱可塑性樹脂又はその組成物を溶融積層して造形された立体造形物において、
繰り返し構造を内部に有し、
ヤング率が５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下の範囲であることを特徴とする立体造形物。

【請求項2】

熱可塑性樹脂又はその組成物のヤング率が１００［ｋＰａ］以下であることを特徴とする請求項１に記載の立体造形物。

【請求項3】

内部構造充填率が２０［％］以上で５０［％］以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形物。

【請求項4】

樹脂が流動パラフィン、硬化油又は硬化ヒマシ油のうちの何れか１つを含むエラストマー材料であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の立体造形物。

【請求項5】

中空の人体パーツ近似造形物であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の立体造形物。

【請求項6】

前記人体パーツ近似造形物の装着者が有する人体パーツ部位の柔らかさ測定結果に基づき、内部構造充填率が決定されていることを特徴とする請求項５に記載の立体造形物。

【請求項7】

熱可塑性樹脂又はその組成物を溶融積層して造形された立体造形物の造形方法であって、
人体パーツ近似造形物の装着者が有する人体パーツ部位の柔らかさ測定結果に基づき、内部構造充填率を決定する工程を含む立体造形物の造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、立体造形物、及び立体造形物の造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、人体皮膚に近似する形成物の代表的な例として、乳がんにより欠除した胸部の乳房位置に装着する補整具としての人工乳房が知られている。

【0003】

個人の乳房と同じ形状の人工乳房を作ろうとすると、各形状に合わせた成形型が必要となるが、成形型は高価であり、その製作にも人による手間がかっていた。成形型の作成方法として、３Ｄプリンタ等の立体造形装置を用いる方法があるが、型を作ってシリコーンゴムを入れるという工程は二度手間となる。

【0004】

一方、近年、金型等などを用いずに立体造形物を造形する装置として、３Ｄプリンタ等の立体造形装置が普及しつつある。例えば、熱溶解積層法により立体造形物を造形する３Ｄプリンタは、他の方法により立体造形物を造形する３Ｄプリンタに比べて低価格なものが多く、個人向けのものも販売されている。

【0005】

また、立体造形用多層フィラメントを用いた立体造形物の製造方法であって、 立体造形装置の押出部において立体造形用多層フィラメントの芯層部と鞘層部とを混合することにより混合樹脂を得る工程と、混合樹脂の溶融物を押出部から押出す工程とを含むものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の構成では、人体パーツ近似造形物等の人体と同等の柔らかさを有する立体造形物を造形することに改善の余地がある。

【0007】

本発明は、人体と同等の柔らかさを有する立体造形物を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る立体造形物は、熱可塑性樹脂又はその組成物を溶融積層して造形された立体造形物において、繰り返し構造を内部に有し、ヤング率が５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下の範囲である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、人体と同等の柔らかさを有する立体造形物を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る立体造形装置の構成の一例を示す図である。

【図2】フィラメントが座屈を起こす現象を説明する図である。

【図3】実施形態に係る立体造形装置の構成の他の例を示す図である。

【図4】ペレットを用いた造形を行う場合の押出装置の内部構造例の断面図である。

【図5】実施形態に係る立体造形装置のハードウェア構成例のブロック図である。

【図6】ヤング率を説明する図である。

【図7】ハニカム構造の図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は斜視図である。

【図8】流動パラフィンを添加してヤング率を変化させた場合の造形物の内部構造充填率とヤング率の関係を例示する図である。

【図9】アスカー硬度とヤング率との関係を例示する図である。

【図10】柔らかさ計測器の弾力センサと圧子を例示する図である。

【図11】柔らかさ測定結果と圧縮試験結果との関係を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0012】

以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための立体造形物及び立体造形方法を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。

【0013】

［全体構成例］
造形材料で造形層を造形ステージに造形する造形部を備えた立体造形装置の一実施形態として、熱可塑性樹脂を用いた熱溶解積層法により立体造形物を造形する立体造形装置１について説明する。

【0014】

図１は、実施形態の立体造形装置１の構成の一例を示す図である。立体造形装置１は、リール４に巻かれたフィラメント状態の樹脂を溶融塗布するＦＤＭ法（熱溶解積層法）方式のものである。また、立体造形装置１は、造形材料である樹脂を吐出して造形層を造形する層造形手段を少なくとも含むものである。

【0015】

図１に示すように、立体造形装置１は、筐体２と、造形ステージ３と、フィラメントＦを巻いたリール４と、吐出モジュール１０と、を有する。

【0016】

立体造形装置１は、冷却ブロックと加熱ブロックを備える。冷却ブロックは、加熱ブロックの上部に設けられてもよい。冷却ブロックは、冷却源を備え、フィラメントＦを冷却する。これにより、冷却ブロックは、溶融したフィラメントＦの吐出モジュール１０の上部への逆流、溶融したフィラメントＦを押し出す抵抗の増大、あるいは、溶融したフィラメントＦの固化による移送路内での詰まりを防ぐ。

【0017】

加熱ブロックは、熱源としてのヒータと、このヒータを制御するために温度を検出するための図示しない温度センサ（例えば、熱電対等）と、を備える。移送路を介して、吐出モジュール１０に供給された樹脂を加熱溶融させて、吐出ノズルへ供給する。

【0018】

吐出モジュール１０の下端部に設けられた吐出ノズルは、加熱ブロックからエクストルーダ１１を通って供給された溶融状態あるいは半溶融の樹脂を造形ステージ３上に線状に押し出すようにして吐出する。吐出された樹脂、冷却固化されて所定の形状の層が積層される。更に、吐出ノズルは、積層した層に、溶融状態あるいは半溶融状態の樹脂を、線状に押し出すようにして吐出する操作を繰り返すことで、新たな層を積み上げて積層させる。こうすることにより、立体造形装置１は、織物または網状のシート上へ立体造形物ＭＯを造形する。

【0019】

吐出モジュール１０および加熱モジュールは、立体造形装置１の左右方向（Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動軸３１に対し、連結部材を介して、移動可能に保持されている。吐出モジュール１０は、Ｘ軸駆動モータ３２の駆動力により、立体造形装置１の左右方向（Ｘ軸方向）へ移動することができる。

【0020】

Ｘ軸駆動モータ３２は、立体造形装置１の前後方向（Ｙ軸方向）に延びるＹ軸駆動軸に沿って移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動軸３１がＸ軸駆動モータ３２ごとＹ軸駆動モータ３３の駆動力によってＹ軸方向に沿って移動することにより、吐出モジュール１０及び加熱モジュールはＹ軸方向に移動する。

【0021】

造形ステージ３は、Ｚ軸駆動軸３４及びガイド軸３５が貫通しており、立体造形装置１の上下方向（Ｚ軸方向）に延びるＺ軸駆動軸３４に沿って移動可能に保持されている。造形ステージ３は、Ｚ軸駆動モータ３６の駆動力により、立体造形装置１の上下方向（Ｚ軸方向）へ移動する。

【0022】

また、樹脂の溶融と吐出を経時で続けると、吐出ノズルの周辺部が溶融した樹脂などで汚れることがある。そこで、三次元造形装置１０１に設けられたクリーニングブラシ３７により、吐出ノズルの周辺部に対し定期的にクリーニング動作を行うことで、吐出ノズルの先端にフィラメントが固着することを防ぐことができる。

【0023】

なお、クリーニング動作は、固着防止の観点から、溶融した樹脂の温度が下がりきらないうちに実行されることが好ましい。この場合、クリーニングブラシは、耐熱性部材からなることが好ましい。

【0024】

また、クリーニング動作時に生じる研磨粉については、立体造形装置に設けられたダストボックス３８に集積させて定期的に捨ててもよいし、吸引路を設けて立体造形装置１の外部へ排出させてもよい。

【0025】

図１のようにフィラメントを用いた造形を行う場合、リール４には、立体造形物ＭＯの造形に用いる、熱可塑性樹脂をマトリックスとした樹脂組成物からなる長尺のフィラメントＦが引き出し可能に巻回された状態で設置される。ここで、フィラメントＦは、細長いワイヤー形状の固体材料である。

【0026】

吐出モジュール１０は、エクストルーダ、冷却ブロック、フィラメントガイド、加熱ブロック及び吐出ノズルを備えている。

【0027】

この構成において、リール４に巻回されているフィラメントＦは、吐出モジュール１０を構成しているエクストルーダ（フィラメントＦの駆動手段）の回転に引っ張られることで、大きく抵抗力を働かせることなく自転し、フィラメントＦを供給する。すなわち、フィラメントＦは、エクストルーダによって引き込まれることで、立体造形装置１の吐出モジュール１０へと供給される。

【0028】

ＦＤＭ法において人体パーツのように柔らかなフィラメントＦを使用した場合、フィラメントＦを吐出モジュール１０へ送る過程において、例えば、フィラメントＦがギアに巻き込まれる現象、および、ギアと吐出モジュール１０との間においてフィラメントＦが座屈を起こす場合がある。

【0029】

ここで、座屈とは、構造物に加える荷重を次第に増加すると、ある荷重で急に変形の模様が変化し、大きな撓みを生ずることをいう。

【0030】

図２は、フィラメントＦが座屈を起こす現象を説明する図である。図２は、フィラメントＦがエクストルーダ１１の間を通って吐出モジュール１０に送られる様子を示している。部位１１１で座屈が生じている。

【0031】

座屈が発生すると、フィラメントＦの溶融していない部分が、溶融している部分をノズルから押し出すことができなくなるため、吐出不良を起こす。フィラメントＦの柔らかさはヤング率が２５［ＭＰａ］以下になると、座屈の発生が顕著となってくる。従って、人体パーツモデル、特に乳房と同様の柔らかさを持つような立体造形物を造形することが困難だった。

【0032】

実施形態に係る立体造形装置の構成の他の例を示す図であり、立体造形装置１ａの構成を示している。立体造形装置１ａは、ペレット状の樹脂をシリンダー中のスクリューで押し出すタイプのものである。

【0033】

図３に示すように、立体造形装置１ａは、筐体２ａと、造形ステージ３ａと、シリンダー内のスクリューで樹脂を押し出す押出装置５と、ヒータユニット６と、を備えている。

【0034】

造形ステージ３ａは、極力平らな面を持ち、その上に材料を造形するために水平に設定できるようになっている。造形ステージ３ａの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレス等の金属、樹脂、ガラスなど上記の目的を達するものであれば何でも良く、造形ステージ３ａにはヒーターがあっても良い。

【0035】

図４は、押出装置５の内部構造の一例を示す断面図である。図４に示すように、押出装置５は、造形ステージ３ａに対して垂直に配置されるシリンダー５１の下端側にノズル５２を有し、シリンダー５１の内部には、スクリューモーター５３により回転が制御され、ペレットを溶融してノズル５２側に供給するためのスクリュー５４が配置されている。

【0036】

そして、スクリュー５４の先端側にはギヤポンプ５６が配置されている場合の図を示している。シリンダー５１の周壁面には、シリンダー５１内部を加熱するためのヒーター５７が設けられており、シリンダー５１の上方側には、シリンダー５１内部に樹脂材料を供給するためのホッパー５８が設けられている。

【0037】

図５は、立体造形装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図５に示すように、立体造形装置１は、制御部１００を有する。制御部１００は、ＭＰＵ、メモリ、各種回路などを有したいわゆるマイクロコンピュータとして構成されており、図５に示すように各部と電気的に接続されている。

【0038】

立体造形装置１には、吐出モジュール１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸座標検知機構が設けられている。Ｘ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動モータ３２の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

【0039】

また、立体造形装置１には、吐出モジュール１０のＹ軸方向位置を検知するＹ軸座標検知機構が設けられている。Ｙ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動モータ３３の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

【0040】

立体造形装置１には、造形ステージ３のＺ軸方向位置を検知するＺ軸座標検知機構が設けられている。Ｚ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動モータ３６の駆動を制御して、造形ステージ３を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

【0041】

このように、制御部１００は、吐出モジュール１０及び造形ステージ３の移動を制御することにより、吐出モジュール１０及び造形ステージ３の相対的な位置を、目標の位置に移動させる。

【0042】

さらに、制御部１００は、エクストルーダ１１、冷却ブロック２２、吐出ノズル２５、クリーニングブラシ３７の各駆動部に制御信号を出力することで、これらの駆動を制御する。

【0043】

［ＦＤＭ法を用いた立体造形方法］
ＦＤＭ法を用いた立体造形装置１は簡便な機構を持ち、造形時間も比較的短いため、人体パーツのようにある程度の大きさを持つ造形には適している。ＦＤＭ法により人体パーツのような柔らかな質感を持つ立体造形物を得る場合、例えば乳房のような特別に柔らかな人体パーツを造形する場合には、非常に柔らかな樹脂での造形が要求される。

【0044】

しかしながら、ＦＤＭ法は硬いフィラメントＦをエクストルーダ１１によりノズルへ押し出して吐出させるため、あまりに柔らかな素材を吐出させることは困難である。

【0045】

柔らかな樹脂としては、縦ヤング率１９［ＭＰａ］程度のエラストマーをフィラメント化した商品（例えばＰｏｌｙＭａｋｅｒ ＰｏｌｙＦｌｅｘ ＴＰＵ９５）はあるものの、縦ヤング率５［ＭＰａ］以下の柔らかな樹脂をフィラメント化して吐出させることに改善の余地があった。

【0046】

縦ヤング率５［ＭＰａ］以下の柔らかなフィラメントを作ることが困難であり、さらにギアで押し出そうとすると座屈等の現象が生じるためである。

【0047】

発明者は、スクリューポンプを用いた立体造形装置１によって、ヤング率が１００［ｋＰａ］以下の熱可塑性樹脂を溶融積層して造形し、さらに繰り返し構造を内部に有するような構造とすることで、立体造形物の表面から内部に向かって押圧した時のヤング率が５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下の範囲となる非常に柔らかな立体造形物ＭＯを得ることに成功した。

【0048】

ところで、人体パーツのように柔らかな立体造形物を評価する際に問題となるのは、その質感を定量的に示す方法が確立されていないことである。産業用途の材料であれば、ビッカーズ硬さ試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）やロックウェル硬さ試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４５）、引張試験（ＪＩＳ Ｋ７１６１／ＪＩＳ Ｚ ２２４１）等の変形や破断する限界までの強度を求めることが多いが、これらの評価を人体に用いるのは現実的ではない。測定する際に加わる力が強すぎるため、柔らかいものでは正しい測定が難しいためである。何より、これらの方法で実際の人体を測定するのは危険である。

【0049】

実施形態では、人体パーツを提供するにあたり質感を構成する大きな要因の１つとして考えられる「柔らかさ」について、定量的に表せる評価項目があるかを検討し、項目が存在するのであれば、代替特性値として好ましい範囲を示す。

【0050】

生体の柔らかさを定量的に表す方法として、「ショア硬度」、「アスカー硬度」と「ヤング率」を検討する。

【0051】

（Ｉ）ショア硬度
デュロメータという材料の硬さを測定する機器がある。柔らかな材料用、硬い材料用といくつかの種類があるが、柔らかな材料を測定する硬度指標であるショア硬度はゴムやウレタンエラストマーの硬さを測定する際に多く用いられる。この測定方法は、試料表面に端子を押し当てて、その反発力が平衡状態になった時の押し込み量を測定する。この方法は生体に用いても危険ではないが、臓器のように柔らかい素材では得られる反発力が非常に小さく、精度の良い測定結果が得られにくい。この測定では、数値が大きいほど硬く、小さいほど柔らかいことを示す。

【0052】

しかし、最も柔らかいゴムショア硬度の材料でも、医師が求める柔らかさと比べると硬い。よって、臓器の柔らかさを示すショア硬度は２以下、幅広く取っても５以下となり、生体の柔らかさを定量的に表す方法としては不向きといえる。

【0053】

（II）アスカー硬度
一般のゴムの硬さを測るのに用いられるショア硬度と比べると、より柔らかいもの（軟質ゴム、フォームタイプ等）を測定するときに用いられる指標として、アスカー硬度がある。高分子計器株式会社の開発したデュロメータ、アスカーゴム硬度計から名前が来ている。こちらもいろいろな型があり、その中でもアスカーゴム硬度計Ｃ型はＪＩＳ Ｋ ７３１２も採用している硬度計になる。こちらも、数値が大きいほど硬く、小さいほど柔らかいことを示し、非常に柔らかなものを測定するのに好適である。実施形態では、非常に柔らかな材料を評価するため、アスカーC硬度よりもさらに柔らかな指標であるＣＳＣ２を用いている。

【0054】

（III）ヤング率
ヤング率は、伸びの弾性率や縦弾性係数とも呼ばれ、材料や物体が弾性的に挙動する場合の応力とひずみの比を示す。すなわち、樹脂の剛性を示す指標であり、値が高いほど剛性が高く、値が低いと柔軟性が高いことを示す。

【0055】

ヤング率は弾性範囲における応力とひずみの比例関係を表す比例係数で、単軸引張試験で応力-ひずみ曲線（Ｓ－Ｓ曲線）を取得したときの曲線の初期勾配をヤング率と表す。ここで、図６はヤング率を説明する図である。

【0056】

ヤング率の測定は、引張試験、圧縮試験又はねじり試験といった静的試験方法に加え、共振法、超音波パルス法又は振子法の動的試験方法もあり、測定方法の選択に幅がある。また、変位量（ひずみ）が正確に測定できれば、柔らかさの微細な優劣を表現することができる。

【0057】

このヤング率については、物質の接触メカニクスではＨｅｒｔｚの弾性接触理論によって評価できることが知られており、すでに産業の幅広い分野で利用されている。Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論では、半無限体試料に対して十分に硬い球圧子を押し込むとき、球圧子の直径φとヤング率Ｅ、ポアソン比νを用いて、押込荷重と押込量δの関係を、次の（１）式で表現できる。

【数1】

【0058】

しかし、押し込む対象の試料が有限の厚さであって、かつ下に試料より固いものがある場合において得られる荷重Ｆは、（１）式で表される荷重Ｆより高くなる。この荷重Ｆの上昇は、（１）式で評価するヤング率Ｅの上昇も招くが、上昇が押込量δの増加に伴って顕著となるため、これを表す関係として係数Ｂを用いた次の（２）式による評価を考える。

【数2】

【0059】

このとき、（１）式の係数Ａとの比較から、（２）式の係数Ａから演繹される見かけのヤング率Ｅ_１と試料本来のヤング率Ｅとの間には、次の（３）式の関係が成立する。

【数3】

【0060】

この（３）式は、押込量δ＝０の場合にＥ_１＝Ｅ となる。また（３）式からその大小によって押込量δの増加に伴って見かけのヤング率Ｅ_１が変化する状況も変わることから係数Ｂ は試料厚さの影響を表す性質を有する、（２）式及び（３）式は有限厚さ試料の押込み変形を半無限体試料の接触変形と有限厚さ試料の圧縮変形の和とする際の重ね合わせの割合を表すこととなる。

【0061】

発明者は、サンプルの柔らかさを測定し定量化するために、上記Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論を用いて、球圧子直径、押込荷重と押込量からヤング率を求める装置「Ｙａｗａｓａ柔らかさ計測器」を使ってヤング率を測定した。

【0062】

以下、より具体的な実施例を説明する。

【0063】

［実施例１］
実施例１で用いた樹脂であるオレフィン系熱可塑性エラストマー（以下ＴＰＯ）は、ポリプロピレン (ＰＰ)の中に、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ、ＥＰＭ）を微分散させた熱可塑性エラストマーである。

【0064】

ＴＰＯは常温ではエラストマー（弾性体）であり、ゴムのような性質を持ちながら、一般のプラスチックと同様な成形加工のできるユニークな合成樹脂である。実施例１では可塑剤を適宜調整してＴＰＯに混錬し、それぞれの硬さに調整した。

【0065】

可塑剤とは、ポリマー分子間に浸透してポリマーの分子間力を弱め、それぞれの分子鎖を動きやすくすることによって、ポリマーのガラス転移点を低下させ、ポリマーに柔軟性を与える材料をいう。

【0066】

可塑剤は樹脂に対し多量に配合されるため、樹脂との相溶性が良いことが必須であるが、それに加えて、揮発性の少ないことや耐熱性に優れること、耐候性に優れることなど多くの特性が必要となるため、それらを満たす種々の可塑剤が開発されている。

【0067】

多くはエステル系可塑剤が用いられるが、特に、生体に近い質感の柔らかさを得るために、実施例１では、流動パラフィン、硬化油、硬化ヒマシ油、オクチルドデカノール等の高級アルコール、スクワラン、スクワレン、ヒマシ油、液状ゴム（ポリブテン）、ミリスチン酸イソプロピル等の脂肪酸エステル等を検討した。

【0068】

これらの中では、流動パラフィン、硬化油、硬化ヒマシ油が好ましいことが分かった。可塑剤の含有量は、樹脂全体に対して２０［質量％］乃至８０［質量％］であることが好ましいことが分かった。

【0069】

可塑剤の含有量が小さすぎると、樹脂が硬くなり人体パーツのような柔らかな質感とはならない。一方で、可塑剤の配合量が大きすぎると、過剰なべたつきや油分のにじみ出しが生じ、さらに樹脂が過剰に軟化するために不安定となり、安定的な品質での生産ができなくなる。

【0070】

可塑剤の含有量は、より好ましくは４０［質量％］以上で７５［質量％］、更により好ましくは５０［質量％］以上で７０［質量％］以下である。

【0071】

実施例１では、人体パーツへの適合性が高く、柔らかさやその質感に関して特に好ましい特性を示した流動パラフィンを用いた。流動パラフィンは不揮発性であり、生体適合性が非常に高く、安定的に柔らかな樹脂を造形できることが分かった。

【0072】

ＴＰＯ（三井ケミカル製 ミラストマー）に流動パラフィン（カネダ（株）製ハイコールＭ）を添加してそれぞれの柔らかさを持つヤング率に調整した。ＴＰＯは二軸押し出し機（ヘンシェルミキサー（三井鉱山社製））に投入し、２４０［℃］で加熱溶融させながら（溶融混錬温度は１６０［℃］以上で３００［℃］以下が好ましい）、任意の比率で可塑剤を導入してその柔らかさを調整した。調整した樹脂は、軟質用ペレット加工機ペレタイザー（タナカ製ＴＳＳ１００）にてペレット化した。

【0073】

このようにペレット化したそれぞれの樹脂は、図３に示したスクリューポンプ式の立体造形装置１ａ（例えばエスラボ社製）により造形を行った。試験片サイズは４０［ｍｍ］×４０［ｍｍ］×４０［ｍｍ］である。Ｙａｗａｓａ柔らかさ計測器ＹＷＳシリーズＨＧ ＭＳＥＳ（テック技販社製）を使って３．０［ｍｍ／ｓｅｃ］の速度で圧縮してヤング率を測定した。

【0074】

柔らかさ計測器での測定では、最大荷重１．０［Ｎ］、押し込み速度３．０［ｍｍ／ｓｅｃ］、圧子直径３０［ｍｍ］とし、試験片の面（４０×４０［ｍｍ］）の中央位置を測定した。

【0075】

一般的に材料のヤング率を測定する方法としては圧縮試験が用いられる。しかし、圧縮試験は広い面で押し潰す試験方法であるため、本実施形態のように人体パーツの柔らかさとなるようなヤング率を測定するには本柔らかさ計測器が適していると判断し、上記の計測器の結果を以てヤング率とした。

【0076】

上記方法によって調整した樹脂の柔らかさは、およそ２００［ｋＰａ］、１２０［ｋＰａ］、１００［ｋＰａ］（実測値９７［ｋＰａ］）及び８０［ｋＰａ］である。

【0077】

様々なヤング率に調整した樹脂を上記の試験片サイズに造形し、ヤング率を測定した。また実施例１では、試験片の内部に繰り返し構造によって空隙を作り、その柔らかさをヤング率として測定した。繰り返し構造の形状は、ハニカム、三角形、四角形、井桁構造等が考えられるが、基本的に同じ内部構造充填率であればヤング率に大きな差異はなかったため、ハニカムの繰り返し構造に統一して造形及び評価した。試験片の外殻はそれぞれ４層とした。

【0078】

図７はハニカム構造７０を例示する図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は斜視図である。図７に示すように、ハニカム構造７０は繰り返し構造を含んでいる。

【0079】

また、実施例１と並行して添加する可塑剤の種類を変更してみた。流動パラフィンの他に試した可塑剤としては、硬化油、硬化ヒマシ油、オクチルドデカノール等の高級アルコール、スクワラン、スクワレン、ヒマシ油、液状ゴム（ポリブテン）、ミリスチン酸イソプロピル等の脂肪酸エステルである。どれも材料を柔らかくする効果が認められた。しかし、流動パラフィンと最も特性が近かったのは硬化油、硬化ヒマシ油であった。

【0080】

人体パーツの中でも最も柔らかな部位の一つである乳房脂肪組織のヤング率は３．２５［ｋＰａ］であった（参考資料；Elastic moduli of normal and pathological human breast tissues: an inversion-technique-based investigation of 169 samples
Abbas Samani1、 Judit Zubovits2 and Donald Plewes3 Published 16 February 2007 ・ 2007 IOP Publishing Ltd Physics in Medicine & Biology、 Volume 52、 Number 6 Citation Abbas Samani et al 2007 Phys. Med. Biol. 52 1565）。乳房全体として上記柔らかさ計測器での測定値として５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下程度となる。

【0081】

ヤング率としては乳房の数値を目標として造形を行った。腎臓、肝臓等の臓器も同様な柔らかさとなる。この目標を達成することで、特に柔らかな人体パーツを造形することができ、手術前のシミュレーションや手術練習等に好適に使用できるようになる。

【0082】

最も柔らかな人体パーツを直接造形することが目標となるが、その柔らかさの指標として、柔らかさ計測器の測定値５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下となる範囲を目指した。

【0083】

ここで、図８は、流動パラフィンを添加してヤング率を変化させた場合の立体造形物の内部構造充填率とヤング率の関係を例示する図である。図８に示すように、１９９［ｋＰａ］以下のヤング率となるよう調整された樹脂を用いた場合、２０［％］以上で５０［％］以下の内部構造充填率によって人体パーツに適した柔らかさを実現できた。

【0084】

なお、内部構造充填率が２０［％］に満たない場合には疎になり過ぎてしまい、内部の繰り返し構造の上部を樹脂で塞ぐことができず、穴の開いた立体造形物となった。５０［％］以上では人体パーツとして適した柔らかさにはならず、これ以上材料に可塑剤を入れて柔らかくすることもできなかった。

【0085】

なお、ここでの内部構造充填率とは内部構造部における、｛（樹脂の体積）／（内部における樹脂を含めた空間の体積）｝×１００の式で表される割合であり、外殻の構造部分は含まれていない。

【0086】

［実施例２］
これまで患者の人体パーツ、特に乳房とほぼ同じ柔らかさを持つ立体造形物の需要は非常に高かったものの、それを実現することは困難であったが、本実施形態により、人体パーツ、特に乳房等の患者と同じ大きさと形を持つ立体造形物を立体造形装置１又は１ａで造形可能となった。これにより、例えば乳房を手術によって失った患者と同じ大きさと形の乳房を再現し、それを胸に装着することが可能となる。

【0087】

また、胸の柔らかさについても個人個人において違いがあり、その造形した乳房が自分の本来の柔らかさと異なる場合に、装着の違和感につながる。

【0088】

患者の実際の乳房の柔らかさをヤング率で測定できればそれが最も好適ではあるものの、患者の胸の柔らかさをヤング率で測定するには、柔らかさ計測器のようにやや大掛かりな装置を必要とするため、現実問題として患者の乳房の柔らかさに対応した立体造形物を造形することは困難だった。

【0089】

そこで、より簡便な装置での測定の可能性を探るため、アスカーＣＳＣ２硬度を測定する高分子計器株式会社製アスカーゴム硬度計ＣＳＣ２型を用いた。実施例２では、このＣＳＣ２型硬度計を用いて、図８に示した９７［ｋＰａ］のヤング率を持つ樹脂における様々な内部構造充填率を有するサンプルに対してアスカーＣＳＣ２硬度を測定した。

【0090】

ここで、図９は、アスカー硬度とヤング率との関係を例示する図である。図９は、図８に示した９７［ｋＰａ］のヤング率を持つ樹脂における様々な内部構造充填率を有するサンプルのそれぞれのアスカーＣＳＣ２硬度とヤング率との対応関係を示している。

【0091】

図９中示した［％］は、それぞれの測定点での立体造形物の内部構造充填率を示している。図９に示すように、アスカーＣＳＣ２硬度と柔らかさ計測器で測定したヤング率との間には、対応関係が認められた。また、これらの柔らかさは本実施形態で規定した人体の乳房の柔らかさの範囲である５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下の範囲で明らかな対応関係が得られた（図９の斜線ハッチング領域）。

【0092】

これにより、簡便な測定方法であるアスカーゴム硬度計を用いることで、ヤング率と対応させることができ、さらにそのヤング率から立体造形物の内部構造充填率を逆算で求められることも分かった。すなわち、医療の現場にて比較的安価に、簡便に患者個人の乳房の硬度を測定し、立体造形物の柔らかさに反映できることが分かった。

【0093】

このように、アスカー硬度で測定した人体パーツの柔らかさでも、対応関係を示すデータを予め取得しておくことで、直ちにその柔らかさをヤング率に変換することができ、そのヤング率を実現するため、立体造形物の内部に繰り返し構造を持つ立体造形物の内部構造充填率を割り出すことができる。

【0094】

また、その繰り返し内部構造充填率によって造形した立体造形物は、測定された患者の乳房の柔らかさとほぼ同等の柔らかさとなることが分かった。このように、例えば乳房を手術によって失った患者と同じ大きさと形の乳房を再現し、それを胸に装着する用途を考える場合、個人個人の患者の胸の柔らかさに合わせた乳房を造形することが可能となった。本実施形態により、装着した乳房が自分の胸の柔らかさと同等となり、装着の違和感を大きく改善できる。

【0095】

また、実施例２では、Ｙａｗａｓａ柔らかさ計測器ＨＧ ＭＳＥＳ（テック技販社製）という測定装置を用いた。該測定装置によってヤング率を定義した理由として、人間の柔らかな臓器や乳房は表面が曲面状になっており、その柔らかさを測定するのに面で押圧する測定方法では適切でないためである。

【0096】

例えば患者の乳房と同じ大きさと形となる立体造形物を造形し、その柔らかさを測定したい場合には、比較的狭い範囲での圧子での押し込みによる測定が適している。図１０は、柔らかさ計測器の弾力センサと圧子を例示する図である。図１０における破線で囲った部分が弾力センサ２００に該当する。

【0097】

但し、一般的に樹脂の圧縮試験においてヤング率を求める場合はＪＩＳ－Ｋ７１８１にあるように精密万能試験機を用いる。万能試験機を用いたヤング率とのおおよその対応関係は認識しておくことが好ましい。

【0098】

圧縮試験では、精密万能試験機（島津製作所社製）を用い、試験速度１［ｍｍ／ｓｅｃ］で式円行った。試験片寸法は４０×４０×４０［ｍｍ］、外周線の厚さは約２［ｍｍ］である。ヤング率は、圧縮ひずみε1＝０．０１、及びε2＝０．０２に対応する圧縮応力をそれぞれσ1、及びσ2とすると、圧縮応力の差（σ２－σ１）を圧縮ひずみの差（ε２－ε１）で除した値である。

【0099】

図１１は、柔らかさ測定結果と圧縮試験結果との関係を例示する図である。柔らかさ測定のヤング率に対して圧縮試験のヤング率はおよそ１．８倍の値となることが分かった。これにより、柔らかさ測定によるヤング率と圧縮試験測定でのヤング率とを対応させることが可能となった。

【0100】

このように、本実施形態に係る立体造形物ＭＯは、人体パーツ近似造形物の装着者が有する人体パーツ部位の柔らかさ測定結果に基づき、内部構造充填率が決定されている。

【0101】

［作用効果］
以上説明したように、本実施形態に係る立体造形物ＭＯは、繰り返し構造を内部に有し、ヤング率が５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下の範囲である。これにより、人体と同等の柔らかさを有する立体造形物を提供することができる。

【0102】

また、本実施形態に係る立体造形物ＭＯは、熱可塑性樹脂又はその組成物のヤング率が１００［ｋＰａ］以下である。これにより、立体造形物の表面から内部に向かって押圧した時のヤング率が５［ｋＰａ］以上で２０［ｋＰａ］以下の範囲となる非常に柔らかな立体造形物を得ることができる。

【0103】

また、本実施形態に係る立体造形物ＭＯは、内部構造充填率が２０［％］以上で５０［％］以下である。これにより、人体パーツに適した柔らかさの立体造形物を提供できる。

【0104】

また、本実施形態に係る立体造形物ＭＯは、樹脂が流動パラフィン、硬化油又は硬化ヒマシ油のうちの何れか１つを含むエラストマー材料である。これにより、立体造形部の材料をより柔らかくし、人体パーツに適した柔らかい立体造形物を造形できる。

【0105】

また、本実施形態に係る立体造形物ＭＯは、中空の人体パーツ近似造形物である。例えば、人工乳房には主に中実型と中空型があり、中実型は、成形型に硬化性シリコーンゴムを流し入れて乳房形状に固める等の方法で作成されるが、重量が重くなるという欠点がある。一方、従来、中空型は乳房外枠をシリコーンゴム膜によりを形成して内部に空気を注入したものであり、重量は軽くなるが、触感がゴムのようであり、人体皮膚感触とは異なるという欠点がある。

【0106】

本実施形態では、人体パーツに適した柔らかい立体造形物を造形できるため、重量が軽く、且つ人体皮膚感触に近い中空型の人工乳房等の人体パーツ近似造形物を得ることができる。

【0107】

また、本実施形態に係る立体造形物ＭＯは、人体パーツ近似造形物の装着者が有する人体パーツ部位の柔らかさ測定結果に基づき、内部構造充填率が決定されている。これにより、装着者の人体パーツ部位の柔らかさをより忠実に再現可能な立体造形物を提供できる。

【0108】

以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【0109】

また、実施形態は、立体造形物の造形方法を含む、例えば、立体造形物の造形方法は、熱可塑性樹脂又はその組成物を溶融積層して造形された立体造形物の造形方法であって、人体パーツ近似造形物の装着者が有する人体パーツ部位の柔らかさ測定結果に基づき、内部構造充填率を決定する工程を含む。このような立体造形物の造形方法により上述した効果を有する立体造形物を提供することができる。

【符号の説明】

【0110】

１ 立体造形装置
２ 筐体
３ 造形ステージ
４ リール
５ 押出装置
５１ シリンダー
５２ ノズル
５３ スクリューモーター
５４ スクリュー
５６ ギヤポンプ
６ ヒータユニット
１０ 吐出モジュール
１１ エクストルーダ
７０ ハニカム構造
Ｆ フィラメント
ＭＯ 立体造形物

【先行技術文献】

【特許文献】

【0111】

【特許文献1】特開２０１８－１６７４０５号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】