JP2020203418A - 成形型の製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】高機能化を実現できる成形型の製造法を提供する。【解決手段】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データを得て、物体の形状を転写した一組の成形型の三次元ＣＡＤデータを作成する。このデータから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、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、部位毎に調節した成形型を作製する工程を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、成形型の製造法に関する。

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。

特開２０１６−０２８８７６号公報

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。

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。

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、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、部位毎に調節した成形型を作製する工程を有する。

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。

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。

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。 本発明の実施の形態で使用する成形型の斜視図である。 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２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態に係る肝臓の臓器モデルの外観図である。 本発明の実施の形態に係る血管の外観図である。 本発明の実施の形態に係る血管の製造フロー図である。 本発明の実施の形態に係る成形型の転写凹部に成形物が入った状態を示す断面模式図である。 ゲルを成形型に入れる前の、血管の成形型への配置状態を示す斜視図である。 本実施形態の変形例を示す、血管の斜視図である。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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）。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

１ａ，１ｂ 成形型

Claims (2)

1. 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、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、部位毎に調節した成形型を作製する工程を有する、成形型の製造法。
2. 前記成形型は、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、
   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。