JP2023078333A - Method for manufacturing molding die - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、成形型の製造法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a mold.
従来から、金型に代えて、樹脂型を成形型として活用することが提案されている。例えば、特許文献1では、3Dプリンタで作製した樹脂型を用い、その成形物の調査を行い、その調査結果を量産用の成形金型の製作の際に反映させる技術を提案している。 Conventionally, it has been proposed to use a resin mold as a mold instead of a metal mold. For example, Patent Literature 1 proposes a technique in which a resin mold produced by a 3D printer is used, the molding is investigated, and the investigation results are reflected in the production of a molding die for mass production.
3Dプリンタで作製した成形型は、上述のような金型を製造する際の調査のためだけではなく、樹脂型のみで正規の成形物を成形するために使われてきている。そのような樹脂型は、高機能化が求められる。 Molds made with 3D printers have been used not only for investigations when manufacturing molds as described above, but also for molding regular molded products using only resin molds. Such resin molds are required to be highly functional.
そこで本発明の目的は、高機能化を実現できる成形型の製造法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a molding die capable of achieving high functionality.
上記目的を達成するため、本発明の成形型の製造法は、3Dプリンタを用いて、物性または色の違う複数の樹脂材料を組み合わせて、色、吸水性、表面温度、耐衝撃性、粘度、または密着性から選ばれる1以上を、部位毎に調節した成形型を作製する工程を有する。 In order to achieve the above object, the manufacturing method of the molding die of the present invention uses a 3D printer to combine a plurality of resin materials with different physical properties or colors to obtain color, water absorption, surface temperature, impact resistance, viscosity, Alternatively, there is a step of producing a mold in which one or more selected from adhesion are adjusted for each part.
ここで、成形型は、各部位が立体的形状で仕切られた複数の区画が設定され、区画毎に前記樹脂材料を配置することとしても良い。 Here, the molding die may be provided with a plurality of compartments in which each part is partitioned in a three-dimensional shape, and the resin material may be arranged for each compartment.
本発明では、高機能化を実現できる成形型の製造法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY In the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a mold that can achieve high functionality.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。ここで、物性とは、機械的性質、熱的性質、電気的性質、磁気的性質または光学的性質から選ばれる1以上である。また、ゲルとは、たとえば、臓器または人間の皮膚程度に柔らかいものである。さらに、本明細書では、成形型等を用いて素材を一定の形に作ることを「成形」(molding)といい、後述する三次元プリンタ(3Dプリンタ)等で形のあるものをつくることを「造形」(shaping)という。さらに、本明細書において、「硬い」と表現される物は、ショア硬度95以上であり、ゲルのように「柔らかい」と表現されるものは、ショア硬度95未満である。また、本明細書では、「ゲル」等の成形材料を成形型で成形したものを「成形物」といい、生体組織を模したもの等の形のあるものを3Dプリンタでつくったものを「造形物」という。また、本明細書において「樹脂材料」とは、単一樹脂、異なる樹脂を混合したもの、樹脂に金属またはセラミック等を混ぜた材料を含むものとする。さらに、生体組織を模したものを成形型でつくったものを「第2成形物」という。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, physical properties are one or more selected from mechanical properties, thermal properties, electrical properties, magnetic properties and optical properties. A gel is as soft as, for example, an organ or human skin. Furthermore, in this specification, making a material into a certain shape using a mold or the like is called "molding", and creating a shape with a three-dimensional printer (3D printer) or the like described later is referred to as "molding". It is called "shaping". Furthermore, in this specification, a substance expressed as “hard” has a Shore hardness of 95 or more, and a substance expressed as “soft” such as gel has a Shore hardness of less than 95. In addition, in this specification, a product formed by molding a molding material such as "gel" with a mold is referred to as a "molded product", and a product with a shape such as a model of a living tissue made with a 3D printer is referred to as a "molded product". It's called a sculpt. In this specification, the term "resin material" includes a single resin, a mixture of different resins, and a material obtained by mixing metal, ceramic, or the like with resin. Furthermore, the thing which imitated the biological tissue and which was made with a molding die is referred to as a "second molding".
(本発明の実施の形態に係る成形型の製造法・・・三次元CADデータの作成等)
以下、本発明の実施の形態に係る成形型の製造法について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る成形型の製造法のフロー図である。図2,図3は、本発明の実施の形態で使用する成形型の斜視図である。図4は、図2のA-A断面図である。
(Manufacturing method of molding die according to the embodiment of the present invention: creation of three-dimensional CAD data, etc.)
A method for manufacturing a mold according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing a mold according to an embodiment of the present invention. 2 and 3 are perspective views of the mold used in the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
まず、図1に示す工程Sを行う。工程Sは、3Dプリンタを用いて物体の形状を転写した成形型を造形する工程である。3Dプリンタは、三次元印刷機器、三次元プリンタ、または三次元造形機等と言われるものである。また、3Dプリンタは、三次元CAD(computer-aided design)データに基づき、3Dの造形物を印刷し製造するものである。3Dプリンタには、物性と色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有するものを用いる。3Dプリンタの印刷は、印刷する際に紫外線硬化樹脂等の光硬化性樹脂を一層ずつ形成し、その都度紫外線を照射して樹脂を硬化させる操作を繰り返すことで樹脂層を形成し、徐々に3次元形状を印刷、つまり造形していく。この光硬化性樹脂は、紫外線で硬化する樹脂以外に、ブラックライト、レーザー等の光で硬化する樹脂を含む。 First, step S shown in FIG. 1 is performed. Step S is a step of using a 3D printer to form a mold in which the shape of the object is transferred. A 3D printer is called a three-dimensional printing device, a three-dimensional printer, a three-dimensional modeling machine, or the like. A 3D printer prints and manufactures a 3D object based on three-dimensional CAD (computer-aided design) data. A 3D printer is used that has a function capable of arranging a plurality of resin materials having different physical properties and colors at predetermined positions. When printing with a 3D printer, a photocurable resin such as an ultraviolet curable resin is formed layer by layer, and the resin layer is formed by repeating the operation of curing the resin by irradiating it with ultraviolet rays each time, and gradually 3 layers are formed. The dimensional shape is printed, that is, it is shaped. This photocurable resin includes resins that are cured by light such as black light and laser, in addition to resins that are cured by ultraviolet rays.
三次元CADデータは、例えば三次元スキャナで対象物をスキャニングすることで、対象物の三次元CADデータの一部または全部が得られる。三次元スキャナとは、非接触式のものは、主に光つまり電磁波を使うもので、レーザーなどを対象物に照射してその反射光を解析し、三次元CADデータを得るものである。また、臓器モデルの三次元CADデータを得る場合には、MRI(Magnetic Resonance Imaging)または、CT(Computed Tomography)スキャナ等を用いることができる。また、三次元CADデータは、三次元スキャナまたはMRIまたは、CTスキャナ等を用いなくとも、コンピュータで三次元CADのソフトウェアを操作して、モデリングにより、その一部または全部を得ることもできる。 The three-dimensional CAD data is obtained by scanning the object with a three-dimensional scanner, for example, so that part or all of the three-dimensional CAD data of the object can be obtained. A three-dimensional scanner, which is of a non-contact type, mainly uses light, that is, electromagnetic waves, and obtains three-dimensional CAD data by irradiating an object with a laser or the like and analyzing the reflected light. When obtaining three-dimensional CAD data of an organ model, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) or a CT (Computed Tomography) scanner can be used. Also, the three-dimensional CAD data can be partially or wholly obtained by modeling by operating three-dimensional CAD software on a computer without using a three-dimensional scanner, MRI, CT scanner, or the like.
そして、物体の形状を転写した一組の成形型1a,1bの三次元CADデータを作成する。この物体は、人間の肝臓とする。人間の肝臓の三次元CADデータ(A)は、人間の肝臓をMRIまたは、CTスキャナ等でスキャニングして作成する(S1)。そして、一組の成形型1a,1bのそれぞれの、後述する転写部23a,23b以外の部分の三次元CADデータ(B1,B2)を一つずつ作成する(S2)。三次元CADデータ(B1,B2)は、コンピュータで三次元CADのソフトウェアを操作して作成する。
Then, three-dimensional CAD data of a set of
そして、人間の肝臓の三次元CADデータ(A)を加工する(S3)。加工点は、2つある。1つ目の加工点は、人間の肝臓の三次元CADデータ(A)の凹凸を逆にする加工である。これは、一組の成形型1a,1bで人間の肝臓を成形するため、その三次元CADデータ(A)の凹凸は逆にする必要があるためである。2つ目の加工点は一組の成形型1a,1bに、人間の肝臓の形状を分配するため、人間の肝臓の三次元CADデータ(A)の凹凸を逆にしたものを、約半分に分け、A1,A2の2つの三次元CADデータとする加工である(S3)。これらの加工も、コンピュータで三次元CADのソフトウェアを操作して行う。
Then, the three-dimensional CAD data (A) of the human liver is processed (S3). There are two processing points. The first processing point is processing to reverse the unevenness of the three-dimensional CAD data (A) of the human liver. This is because the projections and depressions of the three-dimensional CAD data (A) must be reversed in order to mold the human liver with a pair of
そして、三次元CADデータ(A1)と、三次元CADデータ(B1)を組み合わせる、または加える(S4)。同様に三次元CADデータ(A2)と、三次元CADデータ(B2)を組み合わせる、または加える(S4)。すなわち、
A1+B1→C1
A2+B2→C2
といったデータの操作を行い、三次元CADデータ(C1)と、三次元CADデータ(C2)を得る。三次元CADデータ(C1)は、成形型1aの三次元CADデータであり、三次元CADデータ(C2)は、成形型1bの三次元CADデータである。これらの操作も、コンピュータで三次元CADのソフトウェアを操作して行う。
Then, the three-dimensional CAD data (A1) and the three-dimensional CAD data (B1) are combined or added (S4). Similarly, three-dimensional CAD data (A2) and three-dimensional CAD data (B2) are combined or added (S4). i.e.
A1+B1→C1
A2+B2→C2
3D CAD data (C1) and 3D CAD data (C2) are obtained. The three-dimensional CAD data (C1) is the three-dimensional CAD data of the molding die 1a, and the three-dimensional CAD data (C2) is the three-dimensional CAD data of the molding die 1b. These operations are also performed by operating three-dimensional CAD software on a computer.
ここで、成形型1a,1bは、各部位が立体的形状で仕切られた複数の区画を設定し、区画毎に樹脂が配置されるものである。各区画の輪郭は、目視できない。各区画は、様々な形状に形成されている。その区画には、樹脂の物性、たとえば、硬さ、表面の粗さ、含水量、耐熱性、熱伝導率等が特定のものとなるように、3Dプリンタの印刷状態を調節して、成形型1a,1bを造形する。このとき、三次元CADデータには、区画の形成データおよび、各区画の樹脂の物性と色等を配置するデータ等が追加される。
Here, the molding dies 1a and 1b have a plurality of compartments in which each part is partitioned in a three-dimensional shape, and the resin is arranged in each compartment. The outline of each compartment is not visible. Each compartment is formed in various shapes. In that section, the printing condition of the 3D printer is adjusted so that the physical properties of the resin, such as hardness, surface roughness, water content, heat resistance, thermal conductivity, etc. are specific, and the
そこで、ステップS1からステップS4で得られた三次元CADデータに、成形型1a,1bの、各部位が立体的形状で仕切られた複数の区画を設定する(S5)。次いで、三次元CADデータに、各々の区画に対してどのような物性と色の樹脂材料を供給するかを設定する(S6)。
Therefore, in the three-dimensional CAD data obtained in steps S1 to S4, a plurality of sections of the
そして、一組の成形型1a,1bの三次元CADデータに基づいて、前述の3Dプリンタを用いて、一組の成形型1a,1bをそれぞれ造形する(S7)。このとき3Dプリンタは、複数種の樹脂材料を混ぜ合わせて、特定の物性を持った樹脂材料となるように噴射し、各区画を形成する。
Then, based on the three-dimensional CAD data of the set of
(本発明の実施の形態に係る成形型の製造法・・・成形型の構成)
この成形型1a,1bは、一組の成形型1a,1bの組み合わせからなる。片方の成形型1aには、人間の肝臓の約半分の形状が転写されている転写凹部23aがあり、もう片方の成形型1bには、上述した人間の肝臓の約半分の残りの約半分の形状が転写されている転写凹部23bがある。転写凹部23a,23bは、一組の成形型1a,1bが閉じた状態で、密着するように接触し合う基準面24a,24bよりも凹んでいる。
(Manufacturing method of molding die according to the embodiment of the present invention: Configuration of molding die)
The
図2,図3および図2のA-A断面図である、図4を用いて、成形型1a,1bの樹脂材料と、その配置を説明する。基準面24a,24bおよび外壁54等、成形型1a,1bのうち、転写部23a,23bおよび後述する縁部233a,233b以外の部分の外壁54には、耐熱性が他の成形型1a,1bの部位よりも高い樹脂材料を用いる。これは、成形中に最も温度が上がるのは、基準面24a,24bおよび外壁54等だからである。
2, 3 and FIG. 4, which is a sectional view taken along line AA of FIG. 2, the resin materials of the
そして、図4に示すように、成形型1aのうち、断面内層53には、靭性(弾力性)が他の部位よりも高い樹脂材料を用いる。これは、成形型1a,1bの略全体の柔軟性を付与するためである。仮に外壁54と同等の樹脂材料で成形型1a,1bを形成すると、成形型1aにヒビが入るおそれがある。なお、成形型1aだけでなく、成形型1bの断面も、同様に図4に示すような柔軟性を有する断面内層53を有している。
As shown in FIG. 4, a resin material having higher toughness (elasticity) than other parts is used for the cross-sectional
転写部23a,23bのうち、血管52以外の肝臓の形状を転写する転写部230a,230bには、熱伝導率が他の部位よりも低い樹脂材料を用いる。この場合、熱伝導率が0.15(W/m・K)のものを用いているが、この値以外でも良い。これは、転写部230a,230bが、非常に複雑な形状であるため、そこに流入するゲルを流動性が良いものとし、極力ゆっくりと硬化させ、成形不良等を起こし難くするためである。このように、ゲルの硬化速度を遅くすると、硬化速度を速くするよりも、一般にゲルの含水量が増えて、ゲルが柔らかくなる。
Among the
そして、転写部23a,23bのうち、肝臓の血管52を転写する転写部232a,232bには、熱伝導率が他の部位よりも高い樹脂材料を用いる。これは、血管52が動脈11と同様に、樹脂材料製で、3Dプリンタで造形したものであるため、成形型1a,1bによって成形されるものでなく、成形不良等を起こすことがなく、ゆっくりと温度を下げる必要が無いためである。むしろ、血管52は、成形型1a,1bによる加熱を極力避けて、変形等を抑制する必要があるためである。
Among the
そして、転写部23a,23bの周囲全体を約5mm囲う領域である、縁部233aは、ゴムのような感触で、弾力のある樹脂材料を用いる。ここで用いる樹脂材料のショア硬度は、60°である。縁部233a,233bは、ゲルを成形型1a,1bが閉じた状態で型内に入れる際に、ゲルが成形型1a,1bの間を流れ出さないために、密閉を保つためのものである。そのため、図2,図3では明確に示していないが、図4に示すように、縁部233a,233bは、基準面24a,24bよりも若干突出している。この突出している部分により、基準面24a,24bを合わせて、成形型1a,1bを閉じた状態としたときに、前述の密閉を保っている。図2,図3の破線は、縁部233a,233bの基準面24a,24bとの境界を示している。
The
片方の成形型1aには、肝臓の形状が転写されていない領域に凹部25a,25b,25cがあり、もう片方の成形型1bには、肝臓の形状が転写されていない領域に凹部25a,25b,25cと嵌め合わせることのできる凸部26a,26b,26cがある。この凹部25aと凸部26a、凹部25bと凸部26b、凹部25cと凸部26cとを嵌め合わることで、転写凹部23aと転写凹部23bとの位置が合う。このように位置を合わせて、一組の成形型1a,1bが閉じた状態、且つ基準面24a,24bが互いに密着するように接触し合うようになれば、両転写凹部23a,23bにより形成された空間が正確に人間の肝臓の形状となるようにできる。
One
なお、一組の成形型1a,1bが開いた状態では、外部から転写凹部23a,23bに成形材料を供給する溝27a,27bが、一組の成形型1a,1bのそれぞれに設けられる。そして、一組の成形型1a,1bが閉じた状態では、2つの溝27a,27bが経路となり、外部から両転写凹部23a,23bに成形材料を供給する成形材料供給経路28となる。
転写凹部23a,23bには血管52を配置する転写部232a,232bが含まれており、そのスペースに血管52を配置する。すると、一組の成形型1a,1bが閉じた状態では、血管52が動かなくなり、転写凹部23a,23bによって形成された空間に配置される。その後、転写凹部23a,23bの残りの隙間に、寒天と水からなる成形材料を成形材料供給経路28から充填し、成形物を成形する。以上によって、成形物に血管52が埋設された臓器モデルを製造できる。
The transfer
(本発明の実施の形態に係る成形型で成形される成形物の構成および製造法)
図5にこの成形型1a,1bを用いて成形する成形物30を示す。成形物30は、ゲル31と血管52とを有する人間の肝臓の臓器モデルである。血管52は、太い幹である動脈52aと、動脈52aから派生する細い血管52bを有している。臓器モデルは、血管52の一部がゲル31の中に埋設されるものである。この血管52は、樹脂製で、3Dプリンタで造形したものである。また血管52は、青色と赤色で着色している。血管52は、成形物30よりも硬い部分となる。ゲル31は、寒天と水を成形材料として製造する柔らかい物である。
(Structure and manufacturing method of molded product molded with mold according to embodiment of the present invention)
FIG. 5 shows a
このように、血管52の生体組織と成形物30は、それぞれ視覚により判別できるように異なる色彩であることが好ましく、さらに人体または動物の生体組織を模した色彩であることがより好ましい。また、成形物30は、一の生体組織を模したもの(血管52)とは別の、生体組織を模したもの(肝臓)である。
In this manner, the living tissue of the
血管52は、成形の際に、成形型1a,1bの中で、その一部が成形物31に埋設されている。成形物30の製造法を説明する。ゲル31の成形材料は、熱可逆性のゲル化特性を有するものである。具体的な成形材料は、水に寒天を混ぜたものである。この混合比率は、水1000gに対して粉状の寒天が20gである。これを加熱溶解し寒天をゾル状態にした後、上述の一組の成形型1a,1bを閉じ、動脈52aを転写部232a,232b配置した状態で、成形材料供給経路28から成形材料を供給する。成形材料である、ゾル状の寒天の水溶液は、60℃程度では粘度が低く、転写部23a,23bの細かいところまで入り込むことができる。なお、ゾル状の寒天の水溶液は、一組の成形型1a,1bが閉じた状態、且つ基準面24a,24bが互いに密着するように接触し合う状態では、縁部233a,233bの存在により、一組の成形型1a,1bの隙間から滲み出ることは殆どなかった。
The
十分に成形材料が転写凹部23a,23bの細かいところまで入り込んだ後、一組の成形型1a,1bの温度を20℃まで冷却する。これで成形が終了する。人間の肝臓の臓器モデルは、透光性を有するものである。一組の成形型1a,1bは、何度も成形材料の成形に用いることができる。以上で、本発明の実施の形態に係る人間の肝臓の臓器モデルが製造される。
After the molding material has sufficiently penetrated into the fine portions of the transfer recesses 23a and 23b, the temperature of the pair of
(本発明の実施の形態に係る血管52の製造法)
図6に血管52の外観を示す。血管52は、物性または色の違う複数の樹脂材料で製造される。たとえば、血管52の部位によって硬さ等を変更する。この血管52も、物性と色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有する3Dプリンタを用いて製造される。製造方法は、成形型1aの製造法と同様である。図7にその製造フロー図を示す。血管52bの三次元CADデータに、立体的形状で仕切られた複数の区画を設定する(S22)。次いで、三次元CADデータに、各々の区画に対してどのような物性と色をした樹脂材料を供給するかを設定する(S23)。そして、血管52の三次元CADデータに基づいて、血管52を造形する(S24)。
(Manufacturing method of
The appearance of the
図9は、ゲルを成形型1aに入れる前の、血管52の成形型1aへの配置状態を示す図である。動脈52aは、転写部232aにほぼ隙間なく嵌入されている。そのため、血管52は、動脈52aが転写部232aによって固定されていて、ガタツキ等は生じなかった。その上、動脈52aは、成形型1bの転写部232bにもほぼ隙間なく嵌入される。そのため、細い血管部分52bが転写部230a,230bに接触することなく転写部230a,230bの中で浮いている状態とすることができる。そのため、細い血管部分52bがゲル中に完全に埋まった成形物を得ることができる。なお、図9では、縁部233a,233bの記載を省略している。
FIG. 9 is a diagram showing how the
(本実施の形態によって得られる主な効果)
本発明の実施の形態は、3Dプリンタで得られた成形型を用いることから、その成形物である人間の肝臓の臓器モデルの製造を容易にすることを可能としている。また、成形型1a,1bは、何度も成形材料の成形に用いることができることから、臓器モデルの製造の低コスト化を可能とすることができる。
(Main effects obtained by this embodiment)
Since the embodiment of the present invention uses a mold obtained by a 3D printer, it is possible to facilitate the manufacture of the human liver organ model, which is the mold. In addition, since the molding dies 1a and 1b can be used for molding the molding material many times, it is possible to reduce the manufacturing cost of the organ model.
本発明の実施の形態では、3Dプリンタを用いて臓器モデルの一組の成形型1a,1bを製造している。3Dプリンタは、三次元CADデータを驚くほど忠実に印刷物、つまり造形物の形状に反映できる特徴を有する。3Dプリンタは、14μmの細かい凹凸も表現できると言われている。そのため、血管等の細かい凹凸を忠実に転写部23a,23bに転写した成形型を製造できる。この細かい凹凸を忠実に転写する効果は、従来の金型等を採用した場合には、到底得られず、3Dプリンタを用いて成形型1a,1bを製造した場合に初めて得られる効果である。しかも、3Dプリンタを用いた一組の成形型1a,1bの製造に要するコストおよび時間は、従来の金型の約1/6とすることができる。
In the embodiment of the present invention, a 3D printer is used to manufacture a set of
また、本実施の形態によって得られる臓器モデルは、触感が本物そっくりのものとすることが可能である。また、この臓器モデルは、メスまたはペアンで切った感触を本物そっくりのものとすることが可能である。そのため、この臓器モデルは、手術前の練習に用いたり、医者の研修の際に用いるのに適している。また、臓器モデルは、手術の縫合練習の際に、その臓器モデルに対して縫合練習できるため、有用である。また、臓器モデルは、腫瘍等までに辿り着くまでのルートをシュミュレーションする際にも、その臓器モデルを使ってシュミュレーションができるため、有用である。また、臓器モデルは、手術の際等の、注射の練習の際に、その臓器モデルに対して注射できるため、有用である。また、臓器モデル等は、医療機器の評価および安全性等の試験、または検証の際に臓器モデルを用いてできるため、有用である。また、臓器モデルは、医療用ロボットの操作の習得の研修等の際に、その臓器モデルに対して医療用ロボットを動かすことができ、有用である。また、臓器モデルは、PTC(経皮経肝胆管造影法)またはPTCD(経皮経肝胆管ドレナージ)の練習の際に、臓器モデルに対して検査等を行うことができるため、有用である。また、臓器モデルは、超音波医療装置を用いたシュミュレーションにも使える。また、臓器モデルと同様のゲル(成形物)で食道から胃に至るチューブ状の物、または肛門から腸に至るチューブ状の物を作れば、内視鏡検査の練習ができる。臓器等を切る回数が多い程名医になるといわれるため、この臓器モデルを用いて経験を積むことができる場合には、この臓器モデルは医学に多大な貢献をするものと考えられる。また、この臓器モデルは、食品の一種である寒天を主成分としているため、廃棄物になっても環境調和性が高い。また、生きている動物をわざわざ殺し、臓器を取り出して、人間の臓器モデル(代替物)を得るようなことが、従来は行われてきたことがあるが、本実施の形態では、そのような余計な殺生をする必要がない。また、成形材料の寒天等に対する水の量の増減により、成形物の柔らかさを調節できるし、繊維質のもの等を混ぜることにより、成形物の質感を変えることができるため、様々な柔らかさおよび質感の成形型を得る事ができる。 In addition, the organ model obtained by the present embodiment can have a realistic tactile sensation. In addition, this organ model can have a life-like feel when cut with a scalpel or pean. Therefore, this organ model is suitable for practice before surgery and for training doctors. In addition, the organ model is useful because it enables suturing practice on the organ model during surgical suturing practice. In addition, the organ model is also useful when simulating a route to a tumor or the like, because the organ model can be used for simulation. In addition, the organ model is useful because it can be injected into the organ model during injection practice such as during surgery. In addition, organ models and the like are useful because the organ models can be used for evaluation, safety testing, and verification of medical devices. In addition, the organ model is useful because the medical robot can be moved relative to the organ model during training for mastering the operation of the medical robot. In addition, the organ model is useful because it is possible to perform inspections and the like on the organ model when practicing PTC (percutaneous transhepatic cholangiography) or PTCD (percutaneous transhepatic cholangiography). In addition, the organ model can also be used for simulations using ultrasonic medical equipment. Also, if a tube-shaped object extending from the esophagus to the stomach or a tube-shaped object extending from the anus to the intestine is made from a gel (molded object) similar to the organ model, endoscopic examination can be practiced. It is said that the more times an organ is cut, the better a doctor becomes. Therefore, if experience can be accumulated using this organ model, it is believed that this organ model will make a great contribution to medicine. In addition, since this organ model is mainly composed of agar, which is a kind of food, it is highly environmentally friendly even if it becomes waste. Conventionally, it has been practiced to intentionally kill a living animal, extract its organs, and obtain a human organ model (substitute). You don't have to kill yourself unnecessarily. In addition, by increasing or decreasing the amount of water in the molding material such as agar, it is possible to adjust the softness of the molded product. and a textured mold can be obtained.
転写部23a,23bは、例えば、図8に示すような成形型1aの転写部23aの断面模式図において、入り口9が奥側10よりも狭い形状の箇所があったとしても、臓器モデルつまり成形物30は離型できる。その理由は、成形材料が寒天であり、液状とも言える成形物30が非常に低い粘性であるため、入り口9が奥側10よりも狭い形状であっても、形状を変えて入り口9の狭い形状を掻い潜ることができるためである。
The
また、本実施の形態によって、血管52の部分の触感を異なるものとした人間の肝臓の臓器モデルを得ることができた。臓器モデルは、血管52の部分を固くし、成形物30を寒天と水で柔らかくしているため、血管52の部分が際立った臓器モデルである。
Further, according to the present embodiment, an organ model of the human liver with different tactile sensations in the
また、人間の肝臓の臓器モデルは、血管52の位置を意識しながら手術の練習ができる。従って、より実践に近い手術練習用の臓器モデルを提供できる。また、血管52は、1度臓器モデルに使い、ゲル31の部分をメス等で切った後、何度も再利用ができるため、臓器モデルのより大きなコスト削減となる。
In addition, the human liver organ model can be used to practice surgery while being conscious of the position of the
本発明の実施の形態によって、物性の違う複数の樹脂材料を組み合わせることで、成形型1a,1bの各区画の硬さ、表面の粗さ、耐熱性、弾力性および熱伝導率等を変えることができる。たとえば、成形型1a,1bの各区画の熱伝導率を変えることができると、ゲルの硬化速度を部分的に調整することができる。また、成形型1a,1bの各区画の硬さを変えることができると、成形型1a,1bの頑丈さまたは強度を部分的に調整することができる。また、成形型1a,1bの表面の粗さを変えることができると、成形型1a,1bの意匠性等を部分的に調整することができる。また、成形型1a,1bの各区画の耐熱性を変えることができると、成形型1a,1bの耐熱性を部分的に調整することができる。また、成形型1a,1bの各区画の弾力性を変えることができると、縁部233a,233bによる成形型1a,1bの密閉、または、断面内層53による成形型1a,1bの略全体の柔軟性の付与が実現できる。これらのことより、高機能化を実現できる成形型1a,1bを提供できる。
Depending on the embodiment of the present invention, by combining a plurality of resin materials with different physical properties, the hardness, surface roughness, heat resistance, elasticity, thermal conductivity, etc. of each section of the
3Dプリンタ(物性と色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有するもの)は、樹脂材料を蓄積および供給するインクカートリッジを6本まで搭載でき、各々のカートリッジから樹脂材料を同時に噴射可能である。そのため、成形型1a,1bの製造に必要な樹脂材料を、一度の印刷作業で、繋ぎ部材を必要としない一体造形物(一つのかたまり)として配置し、成形型1a,1bを製造できる。 3D printers (those that have the ability to arrange multiple resin materials with different physical properties and colors at predetermined positions) can be equipped with up to six ink cartridges that store and supply resin materials. It is possible to jet the resin material at the same time. Therefore, the resin materials necessary for manufacturing the molding dies 1a and 1b can be arranged as an integrally molded object (one lump) that does not require a connecting member, and the molding dies 1a and 1b can be manufactured in a single printing operation.
本発明の実施の形態のように、成形型1a,1bの各区画の硬さ等を変えることによって、人間の肝臓等の臓器モデルの、成形物の部分をよりリアルに作ることができる。人間の肝臓は、人工物ではないため、厳密に言えば各所の硬さ等が違うはずなのに、ゲルで成形物を作った場合には、どうしても人間の肝臓の各所が同じ硬さ等となってしまう。そのような人間の肝臓の微妙な質感を、臓器モデルで実現可能とするのが、本発明の実施の形態である。
As in the embodiment of the present invention, by changing the hardness of each section of the
縁部233a,233bの樹脂材料は、成形型1a,1bではなく、金型をベースに作った場合には、ゴム等を金型の所定箇所に貼り付けて形成するのが通常である。この金型に貼り付けたゴム等は、非常に剥がれやすいのが通常である。しかし、成形型1a,1bは、一体造形物であるため、縁部233a,233bが極めて剥がれにくい。
The resin material of the
本発明の実施の形態の人間の肝臓等の臓器モデルは、PTC(経皮経肝胆管造影法)またはPTCD(経皮経肝胆管ドレナージ)の練習の際に、臓器モデルに対して検査等を行うことができるため、有用である。また、この臓器モデルは、超音波医療装置を用いたシュミュレーションにも使える。たとえば、静脈と門脈の硬さと表面の摩擦係数を変えて、研修医が扱う医療器具が当たった時の感触で部位を判断できるため、研修医が手術等の練習をするときに、非常に有益である。また、最近の手術で多く用いられる内視鏡手術の場合には、胸に開けた小さな穴からカメラを挿入して画面を見ながら手術をする。このとき、本発明の実施の形態の血管52の製造過程と同様の過程で、画面からの情報以外に実際の臓器の硬さまたは摩擦係数に近づけた内容物を作ることができる。
An organ model such as a human liver according to the embodiment of the present invention is subjected to an inspection or the like when practicing PTC (percutaneous transhepatic cholangiography) or PTCD (percutaneous transhepatic cholangiography). It is useful because it can be done. This organ model can also be used for simulations using ultrasonic medical equipment. For example, by changing the hardness and surface friction coefficient of veins and portal veins, it is possible to determine the site by the feel of a medical device used by an intern. Beneficial. In addition, in the case of endoscopic surgery, which is often used in recent surgeries, a camera is inserted through a small hole in the chest and the operation is performed while viewing the screen. At this time, in the same process as the manufacturing process of the
(他の形態)
上述した本発明の実施の形態に係る成形型の製造法は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変形実施が可能である。
(other forms)
The method of manufacturing the mold according to the embodiment of the present invention described above is an example of a preferred embodiment of the present invention, but it is not limited to this, and various modifications can be made without changing the gist of the present invention. is possible.
本発明の実施の形態では、成形物30を人間の肝臓の臓器モデルとしている。しかし、人間の腎臓または心臓の臓器モデル等、他の臓器モデルにしても良い。また、動物の臓器モデルとしても良い。さらに、人間等の皮膚、眼球、または脳等のいわゆる医療モデルを成形物30にしても良い。この医療モデルの「医療」には、外科医療等に加え、歯科、形成外科、美容外科等を含む。さらには、人形等の医療とは全く無関係の分野における、成形物30にしても良い。たとえば、釣りの疑似餌に用いられるミミズ(ワーム)等を成形物30としても良い。ワームを寒天等で作れば、それを廃棄しても自然環境に悪影響を与えることは少ない。
In the embodiment of the present invention, the
また、成形材料は、水に寒天を混ぜたものを用い、この混合比率を、水1000gに対して粉状の寒天が20gとした。しかし混合し溶解された溶液濃度は、適宜変えることができる。たとえば、成形物を柔らかくしたいときには、水分量を増やし、成形物を硬くしたいときには、水分量を減らす等する。また、寒天以外の、ゲルを用いることができる。さらに、ゲルに限らない成形材料、たとえば、樹脂材料を成形材料とすることができる。 A mixture of water and agar was used as the molding material, and the mixing ratio was 20 g of powdery agar to 1000 g of water. However, the mixed and dissolved solution concentrations can be varied as appropriate. For example, the water content is increased when the molded product is desired to be softened, and the water content is decreased when the molded product is desired to be hardened. Also, gels other than agar can be used. Furthermore, a molding material other than gel, such as a resin material, can be used as the molding material.
また、臓器モデルは、透光性を有するものである。しかし、臓器モデルの色は任意の色とすることができる。たとえばその臓器そっくりの色とすることができる。また、硬い部分である血管52は、成形物30とは異なる色となる部分を有することとしても良い。また、たとえば、食品の着色料を成形材料に混ぜることで、臓器モデルに着色ができる。また、成形後に臓器モデルの表面に着色することもできる。
Moreover, the organ model has translucency. However, the color of the organ model can be any color. For example, it can be the same color as the organ. Also, the
本発明の実施の形態では、人間の肝臓の三次元CADデータは、人間の肝臓を三次元スキャナでスキャニングして得ている。しかし、成形物30の三次元CADデータは、必ずしも三次元スキャナで得る必要はなく、たとえば、三次元CADを操作して得ても良い。
In the embodiment of the present invention, 3D CAD data of the human liver is obtained by scanning the human liver with a 3D scanner. However, the three-dimensional CAD data of the
本発明の実施の形態では、人間の肝臓の臓器モデルのうちで、際立たせる部分を血管52とした。しかし、臓器モデルのうちで、際立たせる部分は血管52に限らず、たとえば図5に示すように、腫瘍11cの部分とすることができる。腫瘍11cの部分は、人間の肝臓の中でも硬いため、腫瘍11cの部分を固くし、他の部分を柔らかくした人間の肝臓の臓器モデルは、よりリアルな臓器モデルとなる。また、そのような臓器モデルは、腫瘍摘出手術の練習に使うことができる。また、成形物30には、臓器等を含む生体組織を模したものを、その一部または全部埋設させても良い。この生体組織には、腫瘍、結石、歯、歯石から選ばれるいずれか1以上を含むものとする。ここで、生体組織は、3Dプリンタを用いて造形してもよいし、成形型を用いて成形したものでもよい。
In the embodiment of the present invention, the
前記生体組織としては、人体または動物の体の一部または全部を模したものであり、例えば人の場合、大脳、小脳、脳幹、心臓、肺、気管支、咽頭、舌、耳、眼、胃、小腸、大腸、胆のう、肝臓、腎臓、膵臓、食道、十二指腸、副腎、精巣、膀胱、子宮、乳房、筋肉、動脈、静脈、リンパ、脊髄、骨、爪、皮膚から選ばれるいずれか1以上を模しても良い。さらに正常細胞のみならず腫瘍などの異常細胞を成形、造形しても良い。 The biological tissue may be a part or the whole of the human body or animal body. Any one or more selected from small intestine, large intestine, gall bladder, liver, kidney, pancreas, esophagus, duodenum, adrenal gland, testis, bladder, uterus, breast, muscle, artery, vein, lymph, spinal cord, bone, nail, and skin. You can Furthermore, not only normal cells but also abnormal cells such as tumors may be formed and modeled.
また、「生体組織を模したもの」には、現実の生体組織の形状または質感とは、あえて異ならせたものを含む。たとえば、血管52と、本発明の実施の形態では説明しなかった肝臓中の静脈があるとすると、その動脈52aと静脈の硬さは、医師が注射針等の医療処置器具を当てたときに、動脈52aに当てたのか静脈に当てたとかが、感触としてわかるように異なるものであっても良い。この、医療処置器具が当たったときの感触が異なる「生体組織を模したもの」は、研修医が手術等の練習をするときに、非常に有益である。このような、硬さ等の異なる「生体組織を模したもの」の造形には、本実施形態で用いた3Dプリンタが適している。
In addition, the term “simulation of living tissue” includes those that are intentionally different from the actual shape or texture of living tissue. For example, if there is a
前記生体組織以外の成形物30とは異なる生体組織を模したもの、または手術材料としては、インプラントのような手術材料(たとえばチタンプレートまたはチタンネジのような、金属プレートまたは金属ネジ、人工弁、人工骨、カルシウムまたはカルシウム化合物、点滴針、樹脂製のチューブ、等の意図的に体内に残す人工物)がある。また、手術材料としては、摘出手術の摘出の対象となる、意図しないで体内に残ることがある人工物(ガーゼ、銃弾、注射針等)もある。
The
本発明の形態に係る血管52は、樹脂材料製で、3Dプリンタで造形したものとした。しかし、血管52は、樹脂材料製以外のたとえば、ガラス製等としても良いし、3Dプリンタ以外の手法、たとえば、射出成形、圧縮成形、または押し出し成形して得ても良い。また、血管52は、造形物または第2成形物の部分を有し、造形物または第2成形物の部分の一部または全部を成形の際に、成形型の中に配置して、成形物30と共に成形し、成形物30に埋設しても良い。ここで、「造形物または第2成形物」は、成形物30と柔らかさが同等、または成形物30よりも柔らかいものであっても良い。「造形物または第2成形物」のうち造形物は、たとえば3次元プリンタ等で造形したものであり、第2成形物は、たとえば成形型によって成形されたものである。また、血管52等の生体組織は、中空のゴム製の、マシュマロまたは耳たぶ程度に柔らかいものを3Dプリンタで造形できるため、本物の血管そっくりの触感のものを作ることができる。また、そのような中空のゴム製の足などを模した造形物の、中空の中に成形物30のような柔らかいゲルを入れることで、足に膿(ゲルで作った)を持っている状態に近いものをつくることができ、その治療の練習等をすることができる。また、血管52等の造形物等を不要とした成形物30とすることもできる。
The
成形型1a,1bは、一部または全部が透明樹脂材料で構成されることとしても良い。透明樹脂材料を用いることで、臓器モデル、が成形される様子の可視化が可能となる。また、成形型1a,1bは、その製造過程で、たとえば紫外線硬化樹脂材料の流動速度、熱伝導率による材料の硬化速度を変えることが出来るため、成形型1a,1bの硬さを変えることができる。さらに、成形物30の材料、すなわちゲル材料との密着性を調整することもできる。
血管52等の硬い部分は、3Dプリンタ以外で造形または成形しても良いが、3Dプリンタを使う利点が大きい。たとえば、3Dプリンタの造形材料となる紫外線硬化樹脂材料とインクジェット方式の3Dプリンタの組み合わせにより、物性の違う材料を1回で造形できることができる。たとえば、一つの造形物であっても、部位によって色、硬さまたは、表面の摩擦係数を変えることができる。なお、色については、50万色以上の設定ができる。さらに、血管52等の硬い部分の中空形状化が実現できる。
A hard portion such as the
成形型1a,1bは、紫外線硬化樹脂材料等の光硬化性樹脂材料を一層ずつ形成し、その都度紫外線を照射して樹脂材料を硬化させる操作を繰り返すことで樹脂材料層を形成し、徐々に3次元形状を印刷、つまり造形していく。しかし、成形型1a,1bは、このような樹脂材料製のものに限らず、たとえば金属粉を含む樹脂材料を造形材料に用いて3Dプリンタで造形し、一旦樹脂材料製の成形型を作り、その後樹脂材料分の焼成および金属粉の焼結を経て、金属製の成形型を作り、用いることができる。
本発明の実施形態では、3Dプリンタを用いて造形した成形型1a,1bの、物性の違う複数の樹脂材料を組み合わせて、熱伝導率、表面の粗さ、硬度、または弾力性から選ばれる1以上を、部位毎に調節した。しかし、その他に、色,表面の粗さ,吸水性,表面温度,耐衝撃性,粘度,密着性から選ばれる1以上を調節しても良い。
In the embodiment of the present invention, a plurality of resin materials with different physical properties are combined for
また、本発明の実施形態では、ゲルの流動性、硬化速度、または表面の粗さから選ばれる1以上を、部位によって調整した。しかし、その他に、含水量等を調整しても良い。 In addition, in the embodiment of the present invention, one or more selected from gel fluidity, curing speed, and surface roughness are adjusted depending on the site. However, in addition to this, the water content and the like may be adjusted.
本実施形態では、成形型1a,1bの樹脂材料の配置に際し、各部位が立体的形状で仕切られた複数の区画を設定している(S5)、また、血管52の立体的形状で仕切られた複数の区画を設定している(S22)。しかし、造形物への、複数種の樹脂材料の配置に際し、立体的形状で仕切られた複数の区画を設定する以外の方法があれば、その方法を採用しても良い。 In this embodiment, when arranging the resin material of the molding dies 1a and 1b, a plurality of compartments are set in which each part is partitioned by a three-dimensional shape (S5). A plurality of partitions are set (S22). However, when arranging a plurality of types of resin materials on a modeled object, if there is a method other than setting a plurality of sections partitioned by a three-dimensional shape, that method may be adopted.
本実施形態では、たとえば臓器モデルのうち、メス等で切ってはいけない箇所と、切っても良い箇所の硬さを変えることができる。これは、本実施形態で使用する3Dプリンタは、硬さを含む物性の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有するものだからである。たとえば、手術の最中、静脈は、絶対に切ってはいけない場合に、その静脈だけの硬さを他の部位より固くした臓器モデルを作製する。すると、執刀の最中に、メス等が静脈に当たると、「硬い」という感触がメス等を通じて執刀者に伝わるため、手術の練習に適した臓器モデルとなる。 In this embodiment, for example, it is possible to change the hardness of a portion of an organ model that should not be cut with a scalpel or the like and that of a portion that may be cut. This is because the 3D printer used in the present embodiment has a function of arranging a plurality of resin materials having different physical properties including hardness at predetermined positions. For example, if a vein should never be cut during an operation, an organ model is created in which only the vein is stiffer than other parts. Then, when the scalpel or the like hits the vein during the operation, the surgeon feels a "hardness" through the scalpel or the like, making the organ model suitable for surgical practice.
図10は、本実施形態の変形例であり、肝臓の臓器モデルの血管52を示したものであり、そのうち、細い血管部分52b等をメス等で切ってしまった場合に、血液色の断面55が露出するようにしたものである。従来の臓器モデルには、このような仕掛けを作ることは困難だったが、本実施形態に係る3Dプリンタには、色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有するため、このような仕掛けを容易に作ることができる。このような仕掛けによって、メス等で誤って細い血管部分52bを切ってしまったときに、そのことを執刀者に気づかせることができる。なお、このような、血液色の断面55が露出する仕掛けは、血管52の太い幹52a部分に施しても良い。
FIG. 10 is a modification of this embodiment, showing a
1a,1b 成形型
1a, 1b mold
Claims (2)
前記区画毎に前記樹脂材料を配置する、請求項1記載の成形型の製造法。
The molding die is set with a plurality of compartments in which each part is divided by a three-dimensional shape,
2. The method of manufacturing a mold according to claim 1, wherein said resin material is arranged for each of said sections.
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