JP2016144868A - Heating device, material discharge device and molding device - Google Patents

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大智 渡邉
Hirotomo Watanabe
大智 渡邉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heating tool for three-dimensional molding, capable of sufficiently heating to high temperature while suppressing deterioration of a biodegradable resin.SOLUTION: The heating device for three-dimensional molding comprises: a holding tool 22 for holding a discharge tool which stores therein a molding material and discharges the material from a nozzle; and a heating tool 226 for heating the discharge tool held by the holding tool 22, with heat gradient in which temperature becomes higher as going to the nozzle.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、加熱装置、材料吐出装置、および造形装置に関する。   The present invention relates to a heating device, a material discharge device, and a modeling device.

複雑な構造を有する臓器や組織を再生するための技術として、積層造形法を利用した臓器・組織造形技術が注目されている。このような臓器・組織造形技術は、再生医療のための最も有望な潜在的技術の1つである。公知の臓器・組織造形技術の1つとして、例えば特許文献1に代表されるインクジェット印刷技術が挙げられる。   As a technique for regenerating an organ or tissue having a complicated structure, an organ / tissue shaping technique using a layered shaping method has attracted attention. Such organ / tissue shaping technology is one of the most promising potential technologies for regenerative medicine. As one of known organ / tissue shaping techniques, for example, an inkjet printing technique represented by Patent Document 1 can be cited.

しかしながら、インクジェット印刷技術を臓器・組織造形技術に適用した場合、低粘度のゲルを用いる必要があった。このことから、高アスペクト比構造を形成したり、栄養素や酸素の輸送を促進する多孔質構造を形成したりすることが困難であった。さらに、この材料の処理のために毒性のある溶媒が使用され得るという問題があった。   However, when the ink jet printing technique is applied to the organ / tissue shaping technique, it is necessary to use a low-viscosity gel. For this reason, it has been difficult to form a high aspect ratio structure or to form a porous structure that promotes transport of nutrients and oxygen. Furthermore, there has been the problem that toxic solvents can be used for the treatment of this material.

以上のような問題を解決する手段として、特許文献2が見出された。この統合的な臓器・組織造形法の発明により、種々の役割を有する生存細胞群が正確に配置された、高強度の立体構造物を形成する方法が確立された。   Patent Document 2 has been found as means for solving the above problems. By this invention of the integrated organ / tissue modeling method, a method of forming a high-strength three-dimensional structure in which viable cell groups having various roles are accurately arranged has been established.

高強度の立体構造物を支持するための骨格となる構造材料としては、任意の適切な生分解性樹脂や生体不活性な材料を適用することができるが、移植後に臓器・組織として完全に置き換わる必要性から、生体内で分解可能な生分解性樹脂を適用することがより好ましい。更に、毒性が発生し得る溶媒等を用いない加熱溶融積層法(Fused Deposition Modeling、以下「FDM法」と記述する)を用いて形成することがより好ましい。以上に該当する公知技術の一つとして特許文献3がある。   Any appropriate biodegradable resin or bioinert material can be applied as a structural material that serves as a skeleton for supporting a high-strength three-dimensional structure, but it is completely replaced as an organ or tissue after transplantation. In view of necessity, it is more preferable to apply a biodegradable resin that can be decomposed in vivo. Furthermore, it is more preferable to form the film by using a hot melt lamination method (Fused Deposition Modeling, hereinafter referred to as “FDM method”) that does not use a solvent that may cause toxicity. Patent Document 3 is one of known techniques corresponding to the above.

上述した加熱溶融積層法に適用可能な生分解性樹脂として、例えばPLLAやPCL、PGA等が挙げられるが、これらの樹脂の溶融吐出を可能にするためには、少なくとも100℃から300℃程度まで加熱制御することが可能な加熱装置を適用することが必要である。しかしながら、非特許文献1による研究により、加熱を継続し続けると生分解性樹脂の分子構造が分解・破壊され徐々に劣化していくことが明らかにされている。日特許文献1ではPLGAを扱っているが、他の生分解性樹脂に関しても同様の問題が発生し得ることが明らかとなっている。   Examples of biodegradable resins that can be applied to the above-described hot melt lamination method include PLLA, PCL, PGA, and the like. In order to enable melt discharge of these resins, at least from about 100 ° C. to about 300 ° C. It is necessary to apply a heating device capable of controlling the heating. However, research by Non-Patent Document 1 reveals that when heating is continued, the molecular structure of the biodegradable resin is decomposed and destroyed and gradually deteriorates. Although Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-228561 deals with PLGA, it has been clarified that similar problems may occur with other biodegradable resins.

米国特許第7051654号公報US Pat. No. 7,051,654 米国出願公開第2012/0089238号公報US Application Publication No. 2012/0089238 特許第4641047号公報Japanese Patent No. 4641047

Shim et al. Journal of BiomaterialsScience 21 (2010) 1069−1080Shim et al. Journal of Biomaterials Science 21 (2010) 1069-1080

本発明は、生分解性樹脂の劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することを目的とする。   An object of the present invention is to sufficiently heat to a high temperature while suppressing deterioration of a biodegradable resin.

本発明の加熱装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する吐出器を、そのノズルからの距離が異なる複数箇所で保持する保持器と、上記保持器に保持された吐出器を加熱する加熱器と、断熱材料を介して上記保持器を上記ノズルからの距離が異なる複数箇所で支持しするとともに、それら複数箇所の間で上記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態で、その空洞層の更に外を覆った筐体と、を備えることで高い熱遮蔽能力が得られることを特徴とする。   The heating device of the present invention includes a material for modeling, a holder for discharging the material from the nozzle at a plurality of locations at different distances from the nozzle, and a discharge held by the holder. A state in which the heater is heated, and the retainer is supported at a plurality of locations at different distances from the nozzle via a heat insulating material, and a cavity layer is formed around the discharge device between the plurality of locations. Thus, it is characterized in that a high heat shielding capability can be obtained by including a casing that covers the outside of the hollow layer.

また、本発明の加熱装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する吐出器を保持する保持器と、上記保持器に保持された吐出器を、上記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、を備えたことを特徴とする。   In addition, the heating device of the present invention has a material for modeling built therein, a holder that holds a discharger that discharges the material from the nozzle, and a discharger that is held in the holder as the temperature increases toward the nozzle. And a heater for generating and heating a thermal gradient.

このような加熱装置によれば、熱勾配による加熱のため、ノズルからの吐出直前で材料の温度を上げることができるとともに、ノズルから遠くて吐出まで時間が掛かる材料については加熱を抑えることができる。これにより、造形材料が生分解性樹脂であっても加熱による劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することができる。   According to such a heating device, the temperature of the material can be increased immediately before discharge from the nozzle because of heating by a thermal gradient, and heating can be suppressed for a material that is far from the nozzle and takes time to discharge. . Thereby, even if the modeling material is a biodegradable resin, it can be heated to a sufficiently high temperature while suppressing deterioration due to heating.

本発明の加熱装置において、上記加熱器が、上記ノズルとの距離が異なる複数の加熱素子を備え、そのノズルに近い加熱素子ほど高温で加熱することが好適である。   In the heating apparatus of the present invention, it is preferable that the heater includes a plurality of heating elements having different distances from the nozzle, and the heating element closer to the nozzle is heated at a higher temperature.

このような加熱装置によれば、複数の加熱素子それぞれを個別に制御して温度勾配を自在に形成することができる。   According to such a heating device, each of the plurality of heating elements can be individually controlled to freely form a temperature gradient.

または、本発明の加熱装置において、上記加熱器が、上記吐出器内に挿入されて上記材料を吐出前に局所的に加熱する内部加熱素子を備えたものであることも好適である。内部加熱素子による局所的な加熱で温度勾配が効率的に形成される。   Alternatively, in the heating device of the present invention, it is also preferable that the heater includes an internal heating element that is inserted into the discharger and locally heats the material before discharge. A temperature gradient is efficiently formed by local heating by the internal heating element.

または、本発明の加熱装置において、上記保持器が、上記ノズルに向かうほど熱の伝導が速い熱伝導体で上記吐出器を保持するものであり、上記加熱器が、上記熱伝導体を介して上記吐出器を加熱することで上記熱勾配を作るものであることも好適である。熱伝導体による熱伝導の相違によって熱勾配が自ずと形成される。   Alternatively, in the heating device of the present invention, the holder holds the discharger with a heat conductor that conducts heat faster toward the nozzle, and the heater passes through the heat conductor. It is also preferable that the thermal gradient is created by heating the discharger. A thermal gradient is naturally formed by the difference in heat conduction by the heat conductor.

本発明の加熱装置は、上記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態でその空洞層の更に外を覆うとともに、断熱材料を介して上記保持器を支持している筐体を備えることが更に好適である。   The heating device of the present invention further includes a casing that covers the outside of the hollow layer in a state where the hollow layer is formed around the discharger and supports the retainer via a heat insulating material. Is preferred.

上記特許文献2のように、細胞等の生体成分が入ったシリンジが近接して設けられる場合、小型の加熱装置が求められるが、例えば300℃もの高温に加熱した場合、従来の吐出装置に用いられている断熱材にて被覆するだけでは、隣接するシリンジまで熱が伝わって細胞などへ熱ダメージを与えてしまいかねない。これに対し、上記筐体によって形成される加熱装置は熱の遮断能力に優れ、小型の加熱装置が実現できる。   When a syringe containing a biological component such as a cell is provided close as in Patent Document 2, a small heating device is required. For example, when heated to a high temperature of 300 ° C., it is used for a conventional discharge device. If it is only covered with the heat insulating material, heat may be transmitted to the adjacent syringe, which may cause heat damage to cells and the like. On the other hand, the heating device formed by the casing is excellent in heat blocking capability, and a small heating device can be realized.

本発明の材料吐出装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する吐出器と、上記吐出器を加熱する加熱装置とを備え、上記加熱装置が、上記吐出器を保持する保持器と、上記保持器に保持された吐出器を、上記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、を備えたものであることを特徴とする。   The material discharge device of the present invention includes a material for modeling, and includes a discharge device that discharges the material from a nozzle and a heating device that heats the discharge device, and the heating device holds the discharge device. It is characterized by comprising a cage and a heater that heats the discharge device held by the cage by creating a thermal gradient that increases in temperature toward the nozzle.

また、本発明の造形装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する材料吐出器と、細胞を内蔵し、その細胞をノズルから吐出する細胞吐出器と、上記材料吐出器を加熱する加熱装置と、上記材料吐出器および上記細胞吐出器の位置を移動させる移動装置とを備え、上記加熱装置が、上記材料吐出器を保持する保持器と、上記保持器に保持された材料吐出器を、上記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、を備えたものであることを特徴とする。   The modeling apparatus of the present invention includes a material for modeling, a material ejector that ejects the material from the nozzle, a cell ejector that incorporates cells and ejects the cells from the nozzle, and the material ejector. And a moving device for moving the position of the material discharger and the cell discharger. The heating device is held by the holder and the holder. The material discharger is provided with a heater that heats the material discharger by creating a thermal gradient that increases in temperature toward the nozzle.

このような材料吐出装置および造形装置によれば、熱勾配による加熱のため、造形材料が生分解性樹脂であっても加熱による劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することができる。   According to such a material discharging apparatus and modeling apparatus, even if the modeling material is a biodegradable resin, it can be heated to a sufficiently high temperature while suppressing deterioration due to heating because of heating by a thermal gradient.

本発明によれば、生分解性樹脂の劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することができる。   According to the present invention, it is possible to heat to a sufficiently high temperature while suppressing deterioration of the biodegradable resin.

本発明の造形装置の一実施形態に相当する臓器造形システムを示す概略構成図である。It is a schematic structure figure showing an organ modeling system equivalent to one embodiment of a modeling device of the present invention. アームに保持された複数のシリンジを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the several syringe hold | maintained at the arm. ヒータユニットの正面図である。It is a front view of a heater unit. ヒータユニットの上面図である。It is a top view of a heater unit. ヒータユニットの縦断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the longitudinal cross-section of a heater unit. ヒータユニットの横断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of a heater unit. ヒータの制御例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of control of a heater. ヒータユニットの断熱能力を表したグラフである。It is a graph showing the heat insulation capability of a heater unit. 本発明の加熱装置における第2の加熱構造の例を表す図である。It is a figure showing the example of the 2nd heating structure in the heating apparatus of this invention. 本発明の加熱装置における第3の加熱構造の例を表す図である。It is a figure showing the example of the 3rd heating structure in the heating apparatus of this invention.

本発明の実施形態を、以下図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の造形装置の一実施形態に相当する臓器造形システムを示す概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an organ modeling system corresponding to an embodiment of a modeling apparatus of the present invention.

図1に示す臓器造形システム1は、臓器造形システム1の全体を制御する制御器として動作するパーソナルコンピュータ10と、複数のシリンジ21,24を3軸ステージで移動させながら造形材料や細胞を吐出する吐出機20と、パーソナルコンピュータ10の指示に従って吐出機20の3軸ステージ(X,Y,Zステージ)の駆動を制御する3軸ステージコントローラ30と、吐出機20の各シリンジ21,24に対して気体注入と吸引とを行うために気体圧力を制御する圧力コントローラ60とを備えている。吐出機20は本発明の吐出装置の一実施形態に相当する。   An organ modeling system 1 shown in FIG. 1 discharges modeling materials and cells while moving a plurality of syringes 21 and 24 on a three-axis stage and a personal computer 10 that operates as a controller that controls the entire organ modeling system 1. For the discharger 20, the three-axis stage controller 30 that controls the drive of the three-axis stage (X, Y, Z stage) of the discharger 20 according to the instructions of the personal computer 10, and the syringes 21, 24 of the discharger 20 A pressure controller 60 for controlling the gas pressure is provided to perform gas injection and suction. The discharger 20 corresponds to an embodiment of the discharge device of the present invention.

複数のシリンジ21,24のうち、第1のシリンジ21は構造材料を内包しており、構造材料を加熱するヒータユニット22内に収納されて3軸ステージのアームに保持されている。ヒータユニット22は加熱コントローラ23によって制御されている。ヒータユニット22は本発明の加熱装置の一実施形態に相当する。   Of the plurality of syringes 21 and 24, the first syringe 21 contains a structural material, is housed in a heater unit 22 that heats the structural material, and is held by an arm of a three-axis stage. The heater unit 22 is controlled by a heating controller 23. The heater unit 22 corresponds to an embodiment of the heating device of the present invention.

複数のシリンジ21,24のうち、複数の第2のシリンジ24は各々が細胞や培養液などを含む溶媒を内包しており、3軸ステージのアームに保持されている。   Among the plurality of syringes 21 and 24, each of the plurality of second syringes 24 contains a solvent containing cells, a culture solution, and the like, and is held by an arm of a triaxial stage.

圧力コントローラ60には、外部空圧設備50から供給される高圧気体の圧力を増加させる増圧部61と、シリンジ21,24から気体を吸引する吸引部62と、複数のシリンジ21,24に対して増圧部61および吸引部62を接続し遮断する開閉弁群64と、それら増圧部61、吸引部62、および開閉弁群64の動作を制御する制御回路63が備えられている。   The pressure controller 60 includes a pressure increasing unit 61 that increases the pressure of the high-pressure gas supplied from the external pneumatic equipment 50, a suction unit 62 that sucks gas from the syringes 21 and 24, and a plurality of syringes 21 and 24. And a control circuit 63 for controlling the operation of the pressure increasing portion 61, the suction portion 62, and the opening / closing valve group 64.

パーソナルコンピュータ10は、3軸ステージコントローラ30から位置情報を入手するとともに、圧力コントローラ60の制御回路63から増圧部61および吸引部62の稼働情報を入手する。そしてパーソナルコンピュータ10は、造形する立体物(臓器や組織)の形状に基づいて、3軸ステージコントローラ30を介して吐出機20に位置移動を指示するとともに、圧力コントローラ60に吐出の開始や停止を指示し、更に、シリンジ21,24の選択指示も行う。これにより、シリンジ21,24の位置とシリンジ21,24からの材料や細胞の吐出が連携して所望の立体形状が造形されることとなる。なお、臓器造形システム1の制御器の一例として本実施形態ではパーソナルコンピュータ10が採用されているが、制御器としてはPLC(Programmable Logic Controller)を採用してもよい。   The personal computer 10 obtains position information from the three-axis stage controller 30 and obtains operation information of the pressure increasing unit 61 and the suction unit 62 from the control circuit 63 of the pressure controller 60. The personal computer 10 instructs the ejector 20 to move the position via the three-axis stage controller 30 based on the shape of the three-dimensional object (organ or tissue) to be modeled, and starts or stops the discharge to the pressure controller 60. In addition, instructions for selecting the syringes 21 and 24 are also given. Thereby, the position of the syringes 21 and 24 and the discharge of materials and cells from the syringes 21 and 24 cooperate to form a desired three-dimensional shape. In addition, although the personal computer 10 is employ | adopted as an example of the controller of the organ shaping system 1 in this embodiment, you may employ | adopt PLC (Programmable Logic Controller) as a controller.

吐出機20の第1のシリンジ21は、本発明の造形装置にいう材料吐出器の一例に相当し、吐出機20の第2のシリンジ24は、本発明の造形装置にいう細胞吐出器の一例に相当する。   The first syringe 21 of the discharger 20 corresponds to an example of a material discharger referred to in the modeling apparatus of the present invention, and the second syringe 24 of the discharger 20 is an example of a cell discharger referred to in the modeling apparatus of the present invention. It corresponds to.

吐出機20のアームに保持された複数のシリンジ21,24は、互いに近接して保持されている。   The plurality of syringes 21 and 24 held by the arm of the discharger 20 are held close to each other.

図2は、アームに保持された複数のシリンジを示す斜視図である。   FIG. 2 is a perspective view showing a plurality of syringes held by an arm.

図2に示す例では、吐出機20のアーム25に、1つの第1のシリンジ21と、5つの第2のシリンジ24が保持されていて、第1のシリンジ21はヒータユニット22内に収納されている。本実施例において、ヒータユニット22の横幅を50mm程度、ヒータユニット22に一番近い第2のシリンジ24との距離を50mm程度としているが、この場合、断熱材のみの構成では、ヒータユニット22の設定温度を300℃にした場合に、第2のシリンジ24近傍の温度が100℃近くになってしまうため、シリンジ24内の細胞に対して著しい悪影響を与えてしまう。このため、第2のシリンジ24に収容された細胞を熱から保護するだけでなく、第2のシリンジ24の着脱に際して使用者の手などがヒータユニット22の表面に接触する可能性なども考慮して、ヒータユニット22には高い断熱能力が求められる。   In the example shown in FIG. 2, one first syringe 21 and five second syringes 24 are held on the arm 25 of the discharger 20, and the first syringe 21 is stored in the heater unit 22. ing. In this embodiment, the lateral width of the heater unit 22 is about 50 mm, and the distance to the second syringe 24 closest to the heater unit 22 is about 50 mm. When the set temperature is set to 300 ° C., the temperature in the vicinity of the second syringe 24 becomes close to 100 ° C., so that the cells in the syringe 24 are significantly adversely affected. For this reason, not only the cells stored in the second syringe 24 are protected from heat, but also the possibility that a user's hand contacts the surface of the heater unit 22 when the second syringe 24 is attached or detached is considered. Thus, the heater unit 22 is required to have a high heat insulation capability.

以下、ヒータユニット22の構造について詳細に説明する。まず、ヒータユニット22の外観構成について説明する。   Hereinafter, the structure of the heater unit 22 will be described in detail. First, the external configuration of the heater unit 22 will be described.

図3は、ヒータユニットの正面図であり、図4は、ヒータユニットの上面図である。   FIG. 3 is a front view of the heater unit, and FIG. 4 is a top view of the heater unit.

ヒータユニット22は、SUS板を組み合わせた筐体221を有し、シリンジ21が上面から挿抜自在に挿入される。シリンジ21のノズル211はヒータユニット22の下面から突き出している。   The heater unit 22 has a housing 221 combined with a SUS plate, and the syringe 21 is inserted from the upper surface so as to be freely inserted and removed. The nozzle 211 of the syringe 21 protrudes from the lower surface of the heater unit 22.

ヒータユニット22の正面には4本の止めネジ222の頭部が出ていて、これらの止めネジ222はヒータユニット22の背面まで延びている。そして、図2に示すアーム25に直接ねじ止めされている。   Heads of four set screws 222 protrude from the front surface of the heater unit 22, and these set screws 222 extend to the back surface of the heater unit 22. It is directly screwed to the arm 25 shown in FIG.

ヒータユニット22の正面からヒータの配線223が伸び出し、ヒータユニット22の側面には熱電対の配線224が伸び出している。これらの配線223,224が図1に示す加熱コントローラ23に接続されてヒータが制御される。   A heater wire 223 extends from the front surface of the heater unit 22, and a thermocouple wire 224 extends from the side surface of the heater unit 22. These wirings 223 and 224 are connected to the heating controller 23 shown in FIG. 1 to control the heater.

次に、ヒータユニット22の内部構造について説明する。   Next, the internal structure of the heater unit 22 will be described.

図5は、ヒータユニットの縦断面を示す断面図であり、図6は、ヒータユニットの横断面を示す断面図である。   FIG. 5 is a sectional view showing a longitudinal section of the heater unit, and FIG. 6 is a sectional view showing a transverse section of the heater unit.

ヒータユニット22の中央には、シリンジを保持する円筒状のホルダ225が備えられている。そして、そのホルダ225の回りを周回するようにヒータ226が敷設されている。本実施形態ではヒータ226は3段に分かれていて、各段のヒータ226は、シリンジのノズルから異なる距離の各箇所を加熱する。ホルダ225は本発明にいう保持器の一例に相当し、ヒータ226は本発明にいう加熱器の一例に相当する。   A cylindrical holder 225 that holds a syringe is provided at the center of the heater unit 22. A heater 226 is laid so as to go around the holder 225. In this embodiment, the heater 226 is divided into three stages, and each stage of the heater 226 heats each location at a different distance from the nozzle of the syringe. The holder 225 corresponds to an example of a cage according to the present invention, and the heater 226 corresponds to an example of a heater according to the present invention.

ホルダ225は上下2カ所で断熱材227を介して筐体221に支持されており、筐体221は、支持箇所以外の箇所ではホルダ225やヒータ226から距離を開けてそれらホルダ225やヒータ226を覆っている。これにより、ホルダ225やヒータ226の周囲には空洞層228が形成されている。   The holder 225 is supported by the housing 221 at two upper and lower positions via a heat insulating material 227, and the housing 221 is spaced apart from the holder 225 and the heater 226 at locations other than the support location so that the holder 225 and the heater 226 are separated. Covering. As a result, a cavity layer 228 is formed around the holder 225 and the heater 226.

図7は、ヒータの制御例を示すグラフである。   FIG. 7 is a graph showing an example of heater control.

図7のグラフの横軸は時間を示し、縦軸は温度を示している。   The horizontal axis of the graph in FIG. 7 indicates time, and the vertical axis indicates temperature.

図7にはヒータ1からヒータ3までの3段のヒータそれぞれの温度制御を表したグラフが示されている。ヒータ3がシリンダのノズルに最も近いヒータであり、ヒータ1がシリンダのノズルから最も遠いヒータである。   FIG. 7 shows a graph representing the temperature control of each of the three stages of heaters 1 to 3. The heater 3 is the heater closest to the nozzle of the cylinder, and the heater 1 is the heater farthest from the nozzle of the cylinder.

加熱が開始されると、まずヒータ3がオンとなり、PID制御によって設定温度Tまで直線的に温度が上昇する。そして、設定温度Tに到達するとその温度Tが保たれるようにヒータ3が制御される。   When heating is started, the heater 3 is first turned on, and the temperature rises linearly to the set temperature T by PID control. When the set temperature T is reached, the heater 3 is controlled so that the temperature T is maintained.

ヒータ2の箇所では、ヒータ3の温度上昇に伴って温度が上昇するが、ヒータ3の箇所よりも温度上昇は緩やかである。そして、ヒータ3が設定温度Tに到達するとヒータ2がオンとなり、PID制御によって設定温度T2まで直線的に温度が上昇する。この設定温度T2は、ヒータ3における設定温度Tよりも低い温度となっている。設定温度T2に到達するとその温度T2が保たれるようにヒータ3が制御される。 At the location of the heater 2, the temperature rises as the temperature of the heater 3 rises, but the temperature rise is more gradual than at the location of the heater 3. When the heater 3 reaches the set temperature T, the heater 2 is turned on, and the temperature rises linearly to the set temperature T 2 by PID control. This set temperature T 2 is lower than the set temperature T in the heater 3. When the set temperature T 2 is reached, the heater 3 is controlled so that the temperature T 2 is maintained.

ヒータ1の箇所では、ヒータ3およびヒータ2の温度上昇に伴って温度が上昇するが、ヒータ3およびヒータ2の箇所よりも温度上昇は緩やかである。そして、ヒータ2が設定温度T2に到達するとヒータ1がオンとなり、PID制御によって設定温度T1まで直線的に温度が上昇する。この設定温度T1は、ヒータ2における設定温度T2よりも更に低い温度となっている。設定温度T1に到達するとその温度T1が保たれるようにヒータ1が制御される。 At the location of the heater 1, the temperature rises as the temperature of the heater 3 and the heater 2 rises, but the temperature rise is more gradual than at the location of the heater 3 and the heater 2. When the heater 2 reaches the set temperature T 2 , the heater 1 is turned on, and the temperature rises linearly to the set temperature T 1 by PID control. This set temperature T 1 is lower than the set temperature T 2 in the heater 2. When the set temperature T 1 is reached, the heater 1 is controlled so that the temperature T 1 is maintained.

このようなヒータ制御によって、シリンダのノズルに近いほど高温な温度勾配が形成される。このため、シリンダからの吐出直前の材料は充分に加熱されて溶融されているが、ノズルから離れた箇所の材料は加熱が抑えられ、造形材料として生分解性樹脂が用いられても劣化が抑制されることとなる。   By such heater control, a temperature gradient that is higher as it is closer to the nozzle of the cylinder is formed. For this reason, the material immediately before the discharge from the cylinder is sufficiently heated and melted, but the material at the location away from the nozzle is suppressed from heating, and the deterioration is suppressed even when a biodegradable resin is used as a modeling material. Will be.

次に、ヒータユニット22の断熱能力について説明する。   Next, the heat insulation capability of the heater unit 22 will be described.

図8は、ヒータユニットの断熱能力を表したグラフである。   FIG. 8 is a graph showing the heat insulation capability of the heater unit.

図8のグラフの横軸は中心温度を示し、縦軸は外部温度を表している。グラフ中に描かれている白丸印のついた曲線L1は、ヒータユニット22の中央部の表面温度の測定値を表しており、黒丸印のついた曲線L2は、ヒータユニット22の下部の表面温度の測定値を表している。また、細かい点線で示された曲線L3は、ヒータユニット22と同じ外形の断熱材の塊における中心温度と表面温度との関係を表しており、粗い点線で示された曲線L4は、ヒータユニット22と同じ外形の空気塊(対流無し)における中心温度と表面温度との関係を表している。   The horizontal axis of the graph in FIG. 8 indicates the center temperature, and the vertical axis indicates the external temperature. A curved line L1 with a white circle drawn in the graph represents a measured value of the surface temperature of the central portion of the heater unit 22, and a curved line L2 with a black circle shows the surface temperature of the lower portion of the heater unit 22. Represents the measured value. A curved line L3 indicated by a fine dotted line represents the relationship between the center temperature and the surface temperature in a mass of heat insulating material having the same outer shape as the heater unit 22, and a curved line L4 indicated by a rough dotted line represents the heater unit 22. Represents the relationship between the center temperature and the surface temperature of an air mass (without convection) having the same outer shape.

空気は対流の影響が生じない限り理想に近い断熱材であるが、ヒータユニット22が実際に有している断熱能力は、曲線L1,L2が表しているように、断熱材の塊の断熱能力よりも空気塊の断熱能力に近い。このような断熱能力は、ヒータユニット22の筐体221が、空洞層228を形成するようにホルダ225やヒータ226を覆っていることで得られたものである。   Air is an ideal heat insulating material as long as no influence of convection occurs, but the heat insulating capacity that the heater unit 22 actually has is the heat insulating capacity of the mass of the heat insulating material as indicated by the curves L1 and L2. It is closer to the insulation capacity of the air mass. Such heat insulation capability is obtained by the case 221 of the heater unit 22 covering the holder 225 and the heater 226 so as to form the cavity layer 228.

図8の条件において、シリンジ24内の細胞に加わると想定される熱は、外気温18℃程度を想定した場合において、ヒータユニット22の設定温度が300℃であっても30℃に満たない。また、使用者がヒータユニット22の表面に瞬間的に触れることがあったとしても100℃余りであれば火傷などの危険性は著しく低減される。   Under the conditions of FIG. 8, the heat assumed to be applied to the cells in the syringe 24 is less than 30 ° C. even when the set temperature of the heater unit 22 is 300 ° C., assuming an outside air temperature of about 18 ° C. Further, even if the user touches the surface of the heater unit 22 momentarily, the risk of burns and the like is significantly reduced if it is more than 100 ° C.

次に、上述した3段構造のヒータによる加熱構造に代えて使用可能な別の加熱構造について説明する。   Next, another heating structure that can be used instead of the heating structure using the three-stage heater described above will be described.

図9は、本発明の加熱装置における第2の加熱構造の例を表す図である。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a second heating structure in the heating apparatus of the present invention.

この実施例の加熱構造では、シリンジ21を保持するホルダ225が、シリンジ21の先端ほど熱の伝導が速い構造となっている。ここに示す例では、ホルダ225を形成している部材の厚さがシリンジ21の先端ほど薄くなっていることで熱の伝導が速くなっているが、ホルダ225を形成している部材の材質を、シリンジ21の先端ほど高伝導率の材質にした構造もあり得る。このように熱の伝導の速さが場所によって異なるホルダ225を介してヒータ226でシリンジ21を加熱することにより、ヒータ226の発熱が均一であってもシリンジ21には自ずと熱勾配が生じる。従ってヒータ226の制御が容易である。   In the heating structure of this embodiment, the holder 225 that holds the syringe 21 has a structure that conducts heat faster toward the tip of the syringe 21. In the example shown here, the thickness of the member forming the holder 225 is reduced as the tip of the syringe 21 is reduced in heat conduction, but the material of the member forming the holder 225 is changed. There may be a structure in which the tip of the syringe 21 is made of a material having higher conductivity. In this way, by heating the syringe 21 with the heater 226 via the holder 225 having different heat conduction speeds depending on the location, a thermal gradient is naturally generated in the syringe 21 even if the heat generated by the heater 226 is uniform. Therefore, control of the heater 226 is easy.

図10は、本発明の加熱装置における第3の加熱構造の例を表す図である。   FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a third heating structure in the heating apparatus of the present invention.

この実施例の加熱構造では、ホルダ225を介してシリンジ21を加熱するヒータ226の他に、シリンジ21内に挿入されて内部から加熱するヒータ226_2が備えられている。このヒータ226_2は、断熱材226_1に覆われており、シリンジ21の先端付近で断熱材226_1から露出してシリンジ21の先端付近を局所的に加熱する。このようなヒータ226_2によってシリンジ21の先端付近が効率よく加熱されることとなるので、シリンジ21全体に対する加熱を抑えることができ、造形材料としてシリンジ21に内包されている生分解性樹脂の劣化が抑制される。   In the heating structure of this embodiment, in addition to the heater 226 that heats the syringe 21 via the holder 225, a heater 226_2 that is inserted into the syringe 21 and heated from the inside is provided. The heater 226_2 is covered with the heat insulating material 226_1, and is exposed from the heat insulating material 226_1 in the vicinity of the distal end of the syringe 21 to locally heat the vicinity of the distal end of the syringe 21. Since the vicinity of the distal end of the syringe 21 is efficiently heated by such a heater 226_2, heating of the entire syringe 21 can be suppressed, and deterioration of the biodegradable resin contained in the syringe 21 as a modeling material can be prevented. It is suppressed.

1 臓器造形システム
20 吐出機
21,24 シリンジ
22 ヒータユニット
23 加熱コントローラ
30 3軸ステージコントローラ
60 圧力コントローラ
221 筐体
225 ホルダ
226 ヒータ
228 空洞層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Organ shaping system 20 Discharge machine 21,24 Syringe 22 Heater unit 23 Heating controller 30 3-axis stage controller 60 Pressure controller 221 Case 225 Holder 226 Heater 228 Cavity layer

Claims (8)

造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された吐出器を、前記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、
を備えたことを特徴とする加熱装置。
A holder that contains a material for modeling and holds a discharger that discharges the material from the nozzle;
A heater that heats the discharger held in the holder by creating a thermal gradient that becomes hotter toward the nozzle;
A heating apparatus comprising:
前記加熱器が、前記ノズルとの距離が異なる複数の加熱素子を備え、該ノズルに近い加熱素子ほど高温で加熱することを特徴とする請求項1記載の加熱装置。   The heating apparatus according to claim 1, wherein the heater includes a plurality of heating elements having different distances from the nozzle, and the heating element closer to the nozzle is heated at a higher temperature. 前記加熱器が、前記吐出器内に挿入されて前記材料を吐出前に局所的に加熱する内部加熱素子を備えたものであることを特徴とする請求項1記載の加熱装置。   The heating apparatus according to claim 1, wherein the heater includes an internal heating element that is inserted into the discharger and locally heats the material before discharge. 前記保持器が、前記ノズルに向かうほど熱の伝導が速い熱伝導体で前記吐出器を保持するものであり、
前記加熱器が、前記熱伝導体を介して前記吐出器を加熱することで前記熱勾配を作るものであることを特徴とする請求項1記載の加熱装置。
The holder holds the discharger with a heat conductor that conducts heat faster toward the nozzle,
The heating apparatus according to claim 1, wherein the heater creates the thermal gradient by heating the discharger via the thermal conductor.
前記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態でその空洞層の更に外を覆うとともに、断熱材料を介して前記保持器を支持している筐体を備えたことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の加熱装置。   2. A casing that covers the outside of the cavity layer in a state where a cavity layer is formed around the discharger and supports the retainer via a heat insulating material. The heating device according to any one of 4. 造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する吐出器と、
前記吐出器を加熱する加熱装置とを備え、
前記加熱装置が、
前記吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された吐出器を、前記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、
を備えたものであることを特徴とする材料吐出装置。
A discharger that contains a material for modeling and discharges the material from a nozzle;
A heating device for heating the discharger,
The heating device is
A holder for holding the discharger;
A heater that heats the discharger held in the holder by creating a thermal gradient that becomes hotter toward the nozzle;
A material discharge apparatus comprising:
造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する材料吐出器と、
細胞を内蔵し、該細胞をノズルから吐出する細胞吐出器と、
前記材料吐出器を加熱する加熱装置と、
前記材料吐出器および前記細胞吐出器の位置を移動させる移動装置とを備え、
前記加熱装置が、
前記材料吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された材料吐出器を、前記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、
を備えたものであることを特徴とする造形装置。
A material discharger that contains a material for modeling and discharges the material from a nozzle;
A cell discharger that contains cells and discharges the cells from a nozzle;
A heating device for heating the material dispenser;
A moving device that moves the position of the material discharger and the cell discharger,
The heating device is
A holder for holding the material discharger;
A heater that heats the material discharger held in the holder by creating a thermal gradient that increases in temperature toward the nozzle;
A modeling apparatus characterized by comprising:
造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された吐出器を加熱する加熱器と、
断熱材料を介して前記保持器を前記ノズルからの距離が異なる複数箇所で支持しするとともに、該複数箇所の間で前記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態で、その空洞層の更に外を覆った筐体と、
を備えたことを特徴とする加熱装置。
A holder that contains a material for modeling and holds a discharger that discharges the material from the nozzle;
A heater for heating the discharger held in the holder;
The retainer is supported at a plurality of locations at different distances from the nozzle via a heat insulating material, and a cavity layer is formed around the discharge device between the plurality of locations. A housing that covers
A heating apparatus comprising:
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