JP2022541108A - 複雑曲面の空心構成の3dプリント方法 - Google Patents

複雑曲面の空心構成の3dプリント方法 Download PDF

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Abstract

複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法は、まず複雑曲面の空心構成の付着する底型を製作することであって、底型は被成形の複雑曲面に一致する形態の成形面Cを有することと、そして底型をサポートとして、底型の成形面Cにおいて複雑曲面の空心構成を成形することと、および、底型の成形と複雑曲面の空心構成の成形は、同一のワールド座標系で完成することであって、底型の成形が完成してから、載置台から底型を取り外し、被成形部材のプリントシステムに移植することが必要とせず、底型の成形面C上でその位置のまま被成形部材をプリンティングすることと、底型の成形と複雑曲面の空心構成の成形は、同一のワールド座標系にて行うことは、2つのプリントシステムにおいて1つの載置台を共通することによって実現され、底型が載置台上で成形されると、底型と複雑曲面の空心構成の成形部材とをアライメントさせ、そして底型の成形面Cで増材成形を実現し、押出式を用いて複雑曲面の空心構成を成形する場合、成形部材は押出ノズルであり、SLA成形を使用する場合、材料を硬化させる光学部材であり、DLP成形法によって底型の実体モデルを製作し、DLP成形において、底型が下、載置台が上のように位置し、載置台で底型を上昇式に成形することと、底型の成形が終了すると、底型が上、載置台が下のように位置するように、載置台を中心軸まわりに180°反転させ流こととを、および、押出ノズルと底型とをアライメントさせ、押出法による底型の実体モデルとDLP成形法による底型の実体モデルの座標系を同一させ、押出ノズルを押出法成形の始点位置にアライメントさせる。

Description

生物製造技術の発展に伴い、3 D印刷技術はすでに組織器官の修復、移植と重大な疾病の
治療、研究の重要な方法の一つとなっている。角膜、心房、腎小球、卵巣などは、複雑な
曲面を有する中空構造であり、角膜を例に説明する。
角膜移植ドナーの不足は国際的な眼盲治療分野の重大な挑戦となっている。このうち中国
では500万人を超え、毎年少なくとも10万例の新患が増加している。このうち94.7%の角膜
盲患者は移植によって回復することができる。しかし、毎年、ドナー寄付は月5000個の移
植術しか維持できない。ドナーの深刻な不足は角膜患者の増加を招いた。そのため、角膜
体外生物の製造方法の研究は突破しなければならない。従来の組織工学、脱細胞などの方
法は、正確な多層成形が困難であり、屈折度が制御不能であり、機能の相違性が広く応用
されていない。
角膜は眼球壁外層の前部透明部分である。その構造は図1に示すように、人眼の主な保護
と屈折機能(角膜屈折機能は総屈折力の70~75%)を担う。屈折機能は主に角膜の形状,曲率,
厚さなどの形態パラメータに関係している。角膜損傷は角膜盲を招き、形態制御がうまく
いかないと屈折不正、散光など多くの角膜疾患が発生しやすい。従って、屈折度制御可能
なカスタマイズ角膜代替物は、角膜の光学機能を効果的に保障することができる。角膜置
換物体の外構築は主にその構造と屈折特性に基づいて構築される。角膜は上皮細胞層、Bo
wman層、基質層、Descemet膜、内皮細胞層の5層に分けられる。上皮層は3~5層の上皮細胞
を有し、内部構造を保護する役割を果たす。基質層は角膜の総厚さの90%を占め、角膜基
質細胞及び高透明度コラーゲン層からなる。角膜の透明度、形状の完全性、厚さ、曲率半
径は、角膜の屈折能力に影響を与える重要な要素である。
従来の角膜代替物の製造方法は主に2種類に分けられる。非生物仮体機械加工法、生物膜
類細胞と組織の工学調製法である。非生体仮体機械加工法は分解不可能な非生体材料を用
いて製造される。光学鏡柱とブラケットの2つの部分に分かれている。中央光学鏡柱は光
学性能が良いことが要求される。アイライトチャネル、視覚光通路を提供する。通常は透
明プラスチック製品であり、屈折できない。ブラケットは主に光学部品を固定するために
用いられ、受容体組織と結合し、通常は金属または自己骨を採用する。仮体部分は主に機
械加工方法によって調製され、一定の光学機能を実現することができる。現在、統一パラ
メータに従って調製されており、硬質材料の採用により自己組織に深刻な摩耗が生じ、移
植手術過程は極めて複雑である。術後視野が限られ,自己組織と結合できず,外観が非常に
望ましくない。末期角膜症患者にのみ適用される。Dohlmanら学者が初めて報告したボス
トン型角膜仮体は,ポリメタクリル酸メチル(PMMA)鏡柱とチタンバックプレートブラケッ
トで結合し,鏡柱とブラケットの結合方式はナットに類似している。しかし、この方法は
通常、微小な隙間を生じ、術後感染を招きやすい。Strampelliら学者が初めて報告した骨
-角膜弁仮体は,患者自身の歯根と歯槽骨で光学円柱を支持した。手術による自己組織の採
取が必要であり,調製方法は非常に複雑である。そのため,角膜仮体は限界が大きく,普及
しにくい。
バイオフィルム系調製法は通常、天然角膜に近いバイオ材料を用いる。しかし、膜構造の
揺れる能力を制御できない。一般的な組織エンジニアリング方法には、主に次のような問
題がある。1、平面膜構造、その変曲率曲面の形態は正確には制御しにくい。一定の光透
過率を有する平面角膜のみが得られ、任意の屈折能力を提供できない。臨床に応用すると
、患者に光を提供するしかなく、明確な視覚を提供することができない。2、動物角膜脱
落細胞基質:製造過程で有毒試薬を完全に除去することが難しく、反発反応を有し、その
構造が受容体眼球と完全に一致せず、屈折問題を招く。3、製造プロセスが複雑で、周期
が長く、個人の形態の違いによってカスタマイズしにくく、快適度が悪い。
従来では、複雑曲面(complex surface)に関する3Dプリント方法は、
主として、予め成形されておいた支持枠にプリント組織を付着させ、それから3Dプリン
タの載置台に移送してプリンティングする。支持部の成形は、複雑曲面の構成の成形と無
関係である。同時に、複雑曲面の構成は成形されると、支持部と一体となる。さらに屈折
機能を有する角膜プロテーゼの製作にあたっては、支持部と光学部は2台の3Dプリンタ
により別々成形するとする場合、支持部と光学部を、正確的に融合させることが難しいこ
とから、屈折機能の達成には悪影響が与えられる。また、支持部の構成は、眼球と完全的
に貼合することが難しいことから、角膜プロテーゼの屈折機能には影響も与えられる。
角膜プロテーゼの製作を例とする。本発明の目的は、眼球と完全に貼合し得る形状の、屈
折機能を有する複雑曲面の空心構成を製作できる3Dプリント方法およびプリンタを提供
することにある。
第1態様は、上記角膜プロテーゼを製作する3Dプリント方法に関する。
複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法は、まず複雑曲面の空心構成の付着する底型を製
作することであって、底型は被成形の複雑曲面に一致する形態の成形面Cを有することと
、そして底型をサポートとして、底型の成形面Cにおいて複雑曲面の空心構成を成形する
ことと、および、底型の成形と複雑曲面の空心構成の成形は、同一のワールド座標系で完
成することであって、言い換えば、底型の成形が完成してから、載置台から底型を取り外
し、被成形部材のプリントシステムに移植することが必要とせず、底型の成形面C上でそ
の位置のまま被成形部材をプリンティングすることとを含むことを特徴とする。
該プリント方法により、まず底型を製作する。底型は複雑曲面を有する。次いでに液相バ
イオインクを底型の表面にコーティングし、バイオインクを硬化させることにより、複雑
曲面を有する空心構成を取得する。空心構成の内面と底型の外面とが一致する。空心構成
の成形においては、底型はバイオインクに対するサポートといった機能を発揮する。した
がって球状ケースは崩れ落ちることがなく、正確的な曲面形状を有し得る。
底型の成形と複雑曲面の空心構成の成形は、同一のワールド座標系にて行うことは、2つ
のプリントシステムにおいて1つの載置台を共通することによって実現されるのである。
底型が載置台上で成形されると、底型と複雑曲面の空心構成の成形部材とをアライメント
させ、そして底型の成形面Cで増材成形を実現する。押出式を用いて複雑曲面の空心構成
を成形する場合、成形部材は押出ノズルである。SLA成形を使用する場合、材料を硬化
させる光学部材である。
具体的な底型成形と複雑曲面の空心構成の成形方法は、底型のデジタルモデルを構築する
ことであって、底型の成形面Cの形状は角膜プロテーゼをインプラントする眼球の表面形
状であることと、底型のデジタルモデルの表面上で被成形部材のデジタルモデルを取得す
ることであって、被成形部材のデジタルモデルは複雑曲面の空心構成の角膜プロテーゼで
あることと、および、被成形部材のデジタルモデルに対して3Dプリンタ経路を計画し、
押出式を用いて底型の成形面Cをサポートとし、増材プリンティングをすることとを含む
。押出式プリントによって被成形部材の実体モデルを取得し、被成形部材の実体モデルの
底面と底型の成形面Cとが一致し、複雑曲面である。
角膜プロテーゼのパラメートは、角膜の曲率半径と厚度を含む。角膜パラメートはヒトの
角膜の統計データによって取得することができる。
底型の底面は平面とし、底型は実心体とする。
底型の製作および底型と被成形部材の接合実現にかかる具体的方法を説明する。DLP成
形法によって底型の実体モデルを製作する。DLP成形において、底型が下、載置台が上
のように位置し、載置台で底型をリスト的に(上昇式)成形することと、底型の成形が終
了すると、底型が上、載置台が下のように位置するように、載置台を中心軸まわりに18
0°反転させ流こととを、および、押出ノズルと底型とをアライメントさせ、押出法によ
る底型の実体モデルとDLP成形法による底型の実体モデルの座標系を同一させ、押出ノ
ズルを押出法成形の始点位置にアライメントさせる。
リフト式DLP成形法を説明する。光源は、液溝の下側に位置される。実体モデルを載ら
せる載置台は、液溝内に位置される。DLP成形過程において、載置台は、ステッピング
的に上昇し、毎回1つの層厚ずつ上昇する。DLP成形法と押出法は1つの載置台を共通
する。押出法の供給筒は、液溝の上側に位置される。底型のプリンティングが完成すると
、載置台が液溝から離れるまで上昇する。そして、載置台は押出法の供給筒に向かうよう
に180°にて反転する。載置台の自己回転前後は、載置台の中心位置が不変である。
DLP光源の中心は、載置台の中心にアライメントさせる。押出法の押出経路の中心は、
載置台の中心に重ね合わせる。
底型の製作、および底型と被成形部材の接合実現にかかる別の具体的方法を説明する。S
LA成形法によって底型の実体モデルを製作する。SLA成形において、底型が上、載置
台が下のように位置し、載置台で底型をダウン的に(下降式)成形することと、底型の成
形が終了するとSLAの光源を撤退させる。押出ノズルと底型とをアライメントさせ、押
出法による底型の実体モデルとDLP成形法による底型の実体モデルの座標系を同一させ
、押出ノズルを押出法成形の始点位置にアライメントさせる。
プロセス2において、生分解性材料をバイオインクとする。
プロセス2において、角膜のデジタルモデルの表面は、4つの部分に区画される。第1部
分は角膜視軸の正中央から半径2mm以内の円形区域であり、該区域の曲率変化範囲が0
.25Dより小さく、厚度が均一である。第2部分は中央近傍区であり、中央近傍区は角
膜視軸の正中央から半径2~4mmの環形区域であり、中央近傍区の曲率半径が内側から
外側まで段々大きくなり、中心球面からエッジ系平面へと平滑的に遷移する。第3部分は
周辺区であり、周辺区は角膜視軸の正中央から半径4~5mmの環形区域であり、周辺区
は近似扁平面である。第4部分は角膜エッジ区であり、角膜エッジ区は角膜から鞏膜へと
遷移する環形区域であり、角膜エッジ区の厚度は周辺区から鞏膜へと平滑かつ均一的に遷
移する。
具体的に増材方法により角膜プロテーゼを成形する方法を提供する。好ましい形態として
、押出ノズルは、液滴の形態で材料を押出て、押出ノズルと底型の相対運動によって、液
滴を底型の成形面にスピンコーティングする。全体面において液滴のスピンコーティング
が完了すると、全体層の材料を光硬化させることにより、被成形部材を形成する。
このような方法によって、表面光滑度と精度が高くて、連続的液滴押出によってプリンテ
ィングした角膜の連続性が良好な角膜プロテーゼを製作できる。
液滴が連続的に押出されて、底型の表面にコーティングされる。押出ノズルの移動速度が
速いほど、スピンコーティングによる膜厚が小さくなる。押出ノズルの移動速度が遅いほ
ど、スピンコーティングによる膜厚が大くなる。したがって、押出ノズルの運動速度およ
び/または押出の液滴量を制御することにより、被成形部材の厚度を制御できる。
バイオインクは、押出際において液相範囲内である。バイオインクは従来の印刷材料とす
る。
被成形部材のモデルは高度方向に沿ってスライスされる。押出ノズルは、1層厚ごとにお
ける経路が1つの完全な円を画成する。押出ノズルは、1層ごとに1つの円形軌跡だけを
描く。液滴が押出されてから、底型の表面にコーティングする。押出ノズルは1層ごとに
底型に1周のバイオインクをコーティングする。プリンティング路線の円心は底型の中心
である。
液相スピンコーティング過程は遮光印刷または赤光印刷環境である。スピンコーティング
が終了すると、底型上にコーティングされたバイオインクを光硬化させる。
押出プリント過程では、載置台の温度は、バイオインクの液相温度範囲内にあるが、押出
ノズル内のバイオインクの温度より低温とする。押出型プリントの載置台に温度制御手段
が備えられば、載置台、底型、底型上にスピンコーティングされたバイオインクへの温度
制御を実現できる。
バイオインクは、供給筒内で液相状態を保持する。液相にて底型にスピンコーティングさ
れた後、液滴の重力による下流動を回避する必要があることから、載置台の温度を押出ノ
ズルの温度よりも低温にすることにより、バイオインクの粘度を大きくする。一方、隣接
層間のバイオインクの自然的融合の保証から考えると、底型上のバイオインクを液相に保
持する必要があることから、載置台の温度は、バイオインクの液相温度範囲内であるべき
とともに、押出ノズルの温度よりも低温であるべきである。
第2具体的例として、増材方法による角膜プロテーゼの成形方法を提供する。好ましい形
態として、押出ノズルは、ナノ液滴群のインクジェットを底型表面に噴出コーティング印
刷する。ノズルの噴出範囲は固定値とする。インクジェットプリントのノズルの噴出区域
は、プリンタタスク開始前に、調節しておいて、その後不変とする。
インク噴出の方式とスピンコーティングの方式との相違を説明する。スピンコーティング
の場合、液滴スピンコーティングの速度を制御することにより塗層の厚度を制御する。1
層スピンコーティングすれば被成形部材の増材が完成する。インク噴出の方式は、1群の
ナノ液滴の形態にてバイオインクを底型の表面へ噴出コーティングする。噴出コーティン
グの範囲と厚度は一定であるので、インク噴出のプリント方式によって増材を実現するに
は、被成形部材を噴出コーティングの厚度に基づいてスライスする必要がある。1層ずつ
噴出コーティングして材料を増材する。そして各層は噴出コーティングが終わった後、硬
化させる必要がある。
具体的には、被成形部材は、厚度方向に複雑曲面を層化することによって、多層かつ同厚
度の曲面モデルを形成する。1層毎の曲面モデルの厚度はインクジェットプリント際にお
けるナノ液滴の厚度である。1層毎の曲面モデルをスライスする。スライスの厚度はナノ
液滴の覆う有効的高度である。押出ノズルの1スライス層毎における経路は1つの円であ
る。噴出コーティングに際して、噴出ノズルは順次に内側から外側へ1層毎の曲面モデル
のプリンティングを完成する。ノズルは1層毎の曲面モデルのスライス経路に従って変位
する。
液相スピンコーティングの増材とインク噴出の増材の過程は遮光印刷または赤光印刷の環
境とする。増材が終わった後、底型上のバイオインクを光硬化させる。
押出プリント過程において、載置台の温度はバイオインクの液相温度範囲内であるが、押
出ノズル内のバイオインクの温度よりも低温である。押出式プリンタの載置台に温度制御
手段が備えられれば、載置台、底型、および底型上へスピンコーティングされたバイオイ
ンクへの温度制御を実現できる。
このような複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法の核心思想は、まず複雑曲面と一致す
る成形面が形成される底型を成形し、次いでに底型の成形面上でその位置のまま複雑曲面
を備える空心構成の待プリント部材、例えば角膜プロテーゼを増材成形する。
液体のスピンコーティングとインクの噴出コーティングはともに押出式プリンティングの
形態である。
本発明の第2態様は、底型の成形を実現する、および底型上でその位置のまま複雑曲面を
備える空心構成の被成形部材を成形する3Dプリンタを提供する。
バイオ3Dプリンタは、基座と載置台を含む。基座に底型成形モジュールと被プリント部
材成形モジュールが設置される。底型成形モジュールと押出式成形モジュールは1つの載
置台を共通する。底型成形モジュールにより底型成形を完成した後、押出式成形モジュー
ルにより底型の成形面上でその位置のまま被成形部材を成形する。
底型成形モジュールと被成形部材モデルは同一の基座に位置するとともに、同一の載置台
を使用する。載置台の位置を切り換えることにより両成形モジュールの座標系の融合また
は標定を実現する。両成形モジュールは、同一のワールド座標系下に位置することにより
、底型のデータモデルと被プリント部材のデータモデルの融合を実現することができる。
具体的な底型成形モジュールと押出式成形モジュールの構成を説明する。底型成形モジュ
ールはリフト式DLP成形モジュールである。DLP成形モジュールが下、押出式成形モ
ジュールが上のように位置する。載置台と載置台駆動部材とが接続される。載置台駆動部
材は昇降機構と回転機構を含む。回転機構により、載置台の工作面をDLP成形モジュー
ルの光源に向かう方向から押出ノズルの載置台に対向する方向へ反転させる。
DLP成形モジュールは、従来のDLP成形装置の構成としてもよく、同じように液溝、
光源と載置台を昇降させる昇降機構、および制御器等を含む。押出式成形モジュールは、
従来の押出構成としてもよく、押出ノズル、保温構成と制御器等を含む。
本方案の核心は、底型の成形モジュールと被成形部材の押出式成形モジュールを集積する
ことにある。回転機構によりDLP成形モジュールから押出式成形モジュールへの切り換
えを実現する。底型成形が終了した後、底型を移動することなく、底型上でその位置のま
ま被成形部材を成形する。
DLP成形に際して、載置台が上、底型が下のように位置するとする。押出式成形に際し
て、載置台が下、底型が上のように位置するとする。したがって、底型成形が完成した後
、回転機構により載置台を180°にて反転させる必要がある。下方向に向かった底型を
上方向に向かうようにさせる。そして、底型と押出成形モジュールのアライメントを便利
に行う。反転前の載置台と反転後の載置台は中心アライメントとなる。載置台の工作面を
XOY平面とし、載置台または押出ノズルの昇降方向をZ軸とする。DLP成形と押出成
形は1つの載置台を共通する。反転前の載置台と反転後の載置台は中心アライメントとな
ると、DLP成形モジュールと押出成形モジュールとは、X軸およびY軸が一致する。両
成形モジュールのZ軸は同一線に位置する。ただZ軸方向と座標値が変化する。したがっ
て、押出プリンタの経路計画に際しては、DLP成形モジュールの3次元データ情報をそ
のまま利用でき、底型と被成形部材の2つの印刷成形を実現できる。
好ましい形態として、DLP光源と液溝支持枠は基座に固定される。液溝は液溝支持枠に
固定される。DLP光源が液溝下に設置される。液溝の底板は透明板とする。プリンタの
動作開始時に、載置台は液溝内に位置する。DLP光源と液溝との間に反射ミラーが設置
される。DLP光源は反射ミラーにアライメントし、反射ミラーの出力の光線は液溝にア
ライメントする。このようにして、反射ミラーによってDLP光源の光路を改変し、DL
P光源の高度空間の占用を減少させる。
基座に3軸方向平移機構が設けられている。3軸方向平移機構はX軸方向移動ユニットと
、Y軸方向移動ユニットと、およびZ軸方向移動ユニットとを含む。各移動ユニットはそ
れぞれ駆動モータと伝動機構を含む。押出ノズルがZ軸方向移動ユニットに設置される。
Z軸方向移動ユニットはX軸方向移動ユニットとY軸方向移動ユニットにそれぞれ接続さ
れる。
Z軸方向移動ユニットにより押出ノズルのスライス層における切り換えを実現し、X軸方
向移動ユニットとY軸方向移動ユニットは押出ノズルの当該スライス層の任意点への移動
を実現することにより、円形軌跡のプリンティングを完成する。伝動機構はネジ・ナット
機構である。駆動モータとネジとが接続され、ナットと移動ブロックとが接続される。移
動ブロックに移動ブロックの回動自由度を制限するための制限部材が設けられる。ネジが
回動すると、ナットがネジ軸方向に沿って移動するといった機構は従来構成である。
基座には、高度方向に沿う縦方向フレームと水平方向に沿う横方向フレームが設けられる
。横方向フレームが縦方向フレームの頂部に設置される。X軸方向移動ユニットが横方向
フレーム内に設置される。Y軸方向移動ユニットが縦方向フレーム内に設置される。載置
台の工作面はXOY平面に位置し、或いはXOY平面に平行する。X軸方向とY軸方向は
交換可能である。そのうちの1方向はX軸方向である場合、それに直交する軸方向はY軸
方向となる。
載置台の昇降機構は縦方向フレーム内に取り付けられる。載置台の昇降機構は、昇降モー
タと、伝動機構と、および載置台に接続する接続アームとを含む。伝動機構はネジ・ナッ
ト機構とする。ナットは回動自由度が制限され、ネジ軸方向に沿う平移だけが許される。
ナットと接続アームとが固定される。伝動機構はギヤ・ラックや、案内レール・滑りブロ
ック等、他の形態であってもよく、昇降モータの動力を載置台の昇降に転換できればよい
。載置台の接続アームは1対備えられる。接続アームは対称的に載置台の両側に設置され
る。両接続アームはそれぞれ載置台に接続される。これによって、載置台には、受力が均
一であり、位置が安定となる。
Z軸方向移動ユニットはZ軸支持枠を含む。Z軸方向移動ユニットの駆動モータと伝動機
構はそれぞれZ軸支持枠にに設置される。Z軸支持枠はX軸方向移動ユニットのナットと
Y軸方向移動ユニットのナットにそれぞれ接続される。これによって、Z軸方向移動ユニ
ットは、XOY平面における任意点への変位が実現される。
載置台の第1反転構成にかかる限定:
好ましい形態として、載置台の反転軸は載置台の中央線である。載置台の中央線を回転軸
として反転する。この場合、必要となる反転スペースが最小となる。
そのうちの1つの接続アームに回転モータが固定される。回転モータの出力軸は載置台に
固定され、且載置台の中央線にアライメントする。もう1つの接続アームと載置台の間に
回転支点が設置される。この場合、回転モータは載置台外に設置される。載置台は薄板と
してもよい。回転モータは、封止パッケージされ、防水処理される。回転モータと接続ア
ームとが固定される。回転モータの出力軸は載置台を接続アームに対して回動させるよう
に駆動することにより、載置台の反転が実現される。回転支点には軸受が備えられる。
別の例として、載置台は密閉チャンバーを備えるハウジングを含む。ハウジングの成形面
は工作面である。チャンバー内に回転モータが固定される。載置台に回転軸が設置される
。回転軸は載置台の中心軸線上に位置する。回転モータは回転伝動機構によって回転軸に
接続される。回転軸の両端はそれぞれ接続アームに固定される。回転モータと載置台とが
固定され、回転軸と接続アームとが固定される。回転モータからトルクを出力すると、回
転軸が固定されながら、回転モータに連動して載置台が回転軸まわりに回動することによ
り、載置台の反転が実現される。載置台の温度制御モジュールを該密封のチャンバー中に
設置することもできる。回転モータは載置台内部にパッケージされる。回転軸が不動とな
り、載置台の防水パッケージが容易に実現される。ただし、回転モータから出力するトル
クは、回転モータが載置台外に位置する場合よりも大きくなる。
載置台の第2反転方式は、載置台が支持アーム上の1点まわりに反転する。載置台の第2反
転構成にかかる限定:
接続アームと載置台昇降装置のナットとの間に回転モータが設置される。回転モータのモ
ータベースとナットとが固定される。回転モータの出力軸と接続アームとが固定される。
このように構成されると、載置台の正反方向の反転を実現することができるが、必要とな
る反転空間は、反転軸が中央線に位置する例より大きい。載置台を底型が液溝より高い位
置まで上昇させないと、反転させてはいけない。
別の例として、載置台の正面は工作面である。載置台の裏面に回転モータが設けられる。
載置台の両側に接続側板が設けられる。各接続側板は1つの接続アームに対応する。回転
モータが接続側板と接続アームの間に設置される。回転モータのモータベースと接続アー
ムとが固定されると、出力軸と載置台とが固定されてなる。回転モータのモータベースと
接続側板とが固定されると、出力軸と接続アームとが固定される。接続側板の延伸方向は
裏面方向に向かって延伸する。このような構成によると、回転モータを液溝の液面よりも
高い位置に設置することができるため、回転モータが液溝内に浸入することがなく、載置
台は接続側板を半径として回転させるような構成では、接続アームを半径として回転する
例と比べると、載置台の反転に必要な空間を減少させる。
接続アームには、回転モータのモータベースと遊隙嵌合する貫通穴が設けられ、モータベ
ースが貫通穴内に位置し、貫通穴内に旋回軸受が設置されている。このように設置される
と、回転モータのモータベースによって載置台および接続アームの重量を支持し得るとな
り、回転モータの出力軸には回動モーメントだけが受力され、重力方向のせん断モーメン
トが受力されないとなる。
具体的には、底型成形モジュールと押出式成形モジュールの構成を説明する。底型成形モ
ジュールはダウン式SLA成形モジュールである。SLA成形モジュールと押出式成形モ
ジュールは載置台を共通する。載置台と載置台駆動部材とが接続される。SLAプリント
過程際に置いて、光源が固定されながら、載置台がステッピング的に下降する。底型成形
が完成すると、載置台が押出式プリンタに必要な高度まで上昇してきて、押出式成形モジ
ュールへ切り換えて工作する。押出式プリント過程では、載置台が固定されながら、押出
ノズルが変位する。
SLA成形モジュールは、従来のSLA成形装置の構成としてもよく、同じように液溝、
光源、載置台を昇降させる昇降機構、および制御器等を含む。押出式成形モジュールは、
従来の押出構成としてもよく、押出ノズル、保温構成と制御器等を含む。
本方案の核心は、底型の成形モジュールと被成形部材の押出式成形モジュールを集積する
ことにある。底型の成形が完成すると、単に載置台を押出式成形モジュールに必要な工作
高度まで上昇或いは下降させることによって、押出式成形モジュールと底型をアライメン
トさせれば、実現从底型成形から被成形部材の成形への切り換えを実現できる。底型を移
動することなく、底型上でその位置のまま被成形部材を成形する。
SLA成形の方式は、光源が上、載置台が下のように位置し、載置台がステッピング的に
下降する光硬化3Dプリントモートである。載置台は液溝内へ浸入するのである。載置台
上の液体厚度は1つの成形層の厚さとなる。SLA成形モジュールと押出成形モジュール
は1つの載置台を共通する。両成形モジュールのXOY平面は共通される。SLA光源の
Z軸と押出ノズルのZ軸とが平行する。両プリント方式の切り換えは、1回のアライメン
トだけで充分である。SLA光源のZ軸と押出ノズルのZ軸とを重ね合わせれば、両プリ
ントモートの座標系を統一させることができる。
SLA光源は点光源とする。押出ノズルは点光源の照射区域外にある。したがって、SL
Aプリントモートでは、光源は、押出ノズル内の液体材料を硬化させることがない。
基座に3軸方向平移機構が設けられている。3軸方向平移機構は、X軸方向移動ユニット
と、Y軸方向移動ユニットと、およびZ軸方向移動ユニットとを含む。各移動ユニットは
それぞれ駆動モータと伝動機構を含む。Z軸方向移動ユニットはX軸方向移動ユニットと
Y軸方向移動ユニットにそれぞれ接続される。SLA光源と押出ノズルはいずれもZ軸方
向移動ユニットに取り付けられる。SLA光源と押出ノズルは相対的に固定される。言い
換えば、SLA光源のZ軸と押出ノズルのZ軸との間の距離は既知であり、微調整をすれ
ば2種のプリンタ方式の座標系の統一を実現することができる。
載置台の昇降機構は縦方向フレーム内に取り付けられる。載置台の昇降機構は、昇降モー
タと、伝動機構と、および載置台に接続する接続アームとを含む。伝動機構はネジ・ナッ
ト機構である。ナットは回動自由度が制限され、ネジ軸方向に沿う平移だけが許される。
ナットと接続アームとが固定される。伝動機構はギヤ・ラックや、案内レール・滑りブロ
ック等、他の形態であってもよく、昇降モータの動力を載置台の昇降に転換できればよい
載置台の接続アームは1対が備えられる。接続アームが対称的に載置台の両側に設置され
る。そのうちの1つの接続アーム1に昇降モータが設置され、もう1つの接続アームが従
動のものとする。両接続アームはともに載置台に接続するので、載置台には、受力が均一
で、位置が安定的になる。別の例として、載置台は1つの接続アームのみを備え、接続ア
ームは載置台側に固定され、接続アームと載置台の間に補強リブが備えられる。接続アー
ムと載置台の接続剛性、載置台自身の剛性が十分であれば、載置台の安定昇降を実現し、
3Dプリンタに必要な載置台の変位精度に達成することもできる。
Z軸方向移動ユニットはZ軸支持枠を備える。Z軸方向移動ユニットの駆動モータと伝動
機構はそれぞれZ軸支持枠に設置される。Z軸支持枠はX軸方向移動ユニットのナットと
Y軸方向移動ユニットのナットにそれぞれ接続される。伝動機構はネジが回動・ナットが
平移のネジ・ナット機構とする。押出ノズルとSLA光源はZ軸方向移動ユニットのナッ
トに固定される。これによって、Z軸方向移動ユニットはXOY平面における任意点位置
への変位が可能である。
SLA載置台のダウン式プリントモートと押出式プリントモートの組み合わせを利用する
。光源と押出ノズルはいずれも載置台の上に位置する。Z軸の位置を調整すれば、2種の
プリントモートの融合を実現できる。アライメントが簡単化され、載置台2および載置台
昇降機構の構成も簡単化される。
本発明の利点は以下のとおりである。
1)2種のプリントモートの組合せによって、まず複雑曲面を備える底型を成形する。底
型は実心部材であるので、曲率等の表面パラメートを正確的に制御できる。そして、底型
を基底とし、底型の複雑曲面上で複雑曲面に貼合う被プリント部材を成形する。底型をサ
ポートとし、液相のバイオインクを底型Bの複雑曲面にコーティングする形態によって、
被成形部材の増材を実現する。バイオインクの液相流動と融合の特性によって、且つ液面
テンションによって各スライス層または厚度層のバイオインクの自然融合を実現する。表
面の滑らかさが高く、屈折度が正確的に、且つコントロール可能な、また安定な複雑曲面
を備える空心構成を快速に、製作することができる。
2)底型を被成形部材のサポート部材とする。したがって被成形部材をプリントする時は
、別途にサポート部材を加える必要がない。
角膜の模式図である。 DLP成形と押出成形モデルの組合せ第1の3Dプリンタの模式図である。 DLP成形の光源と液溝の位置模式図である。 第1の3Dプリンタの押出ノズルと載置台の間の位置模式図である。 載置台の構成模式図である。 3軸方向平移機構の模式図である。 SLA成形と押出成形モデルの組合せの第2の3Dプリンタの模式図である。 SLA成形の光源と液溝の位置模式図である。 SLA光源と押出ノズルの間の位置模式図である。 スライス層の模式図である。
以下、本発明に係る構造又はこれらに用いられる技術用語についてさらに説明する。特に
明記されていなければ、本分野の一般的な意味に従って理解と解釈を行う。
DLP成形
DLPはDigital Light Processing(デジタル・ライト・プロ
セッシング)の略語である。即ちデジタル光学処理である。このような技術は、影響要因
となる信号をデジタル処理し、そして光をプロジェクトする。図3に示すように、本明細
書に記載のDLP成形とは、DLPプロジェクターによって感光材料に光線を照射して、
感光材料を収納した液溝3内に載置台2が浸入し、毎回で一全体層のパターンを成形また
は重合するプリント方式を意味する。3Dプリンタ時の増材を実現するために、本明細書
のDLP成形モデルは、載置台2リフト式(上昇式)ステッピングとする。DLP光源4
が載置台2の上に設置される場合、載置台2ダウン式により載置台2のステッピングを駆
動してもよい。
SLA成形
SLAはStereo lithography(ステレオリソグラフィ)の略語である
。レーザを快速移動の反射ミラー5の検出器により転向させて、適当な点へ照射すること
により、確定した点で感光材料を誘導して重合させる。その成形方式は、点より全体面ま
で成形して1層の特定の形状とパターンを構築してから、図8に示すように、載置台2は
さらに1層厚ステッピングして、次の1スライス層の硬化を実現する。本書で詳しく記載
されたSLA成形モデルは、SLA光源4が上方位置し、載置台2はダウン式ステッピン
グするとする。もちろん、本明細書の方案は、SLA光源4が下のように位置、載置台2
は上昇式ステッピングするとしてもよく、SLA光源4の位置を改変すればよい。
押出式成形
押出成形は、被成形部材の異なる層厚の横断面情報を読み取って、液体状の材料を使用し
てこれら横断面に遂層に増材させることにより、遂層プリンティングを実現する。各層断
面積層の方式で1つの実体を製作する。本明細書における押出式成形は、液滴の形態にて
感光材料を押出し、各スライス層の増材を実現する。
インクジェットプリント成形
インクジェットプリント際において、液体の感光材料をノズルを介してナノ微粒またはナ
ノ粒子に変化させてキャリア上(本明細書では底型)に噴出コーティングする。ノズルの
噴出コーティング範囲と噴出コーティング厚度は限られた試験により取得可能である。
バイオインク
本発明にかかるバイオインクまたは感光材料とは、プリンタによる被加工の材料または混
合物を意味する。本発明の3Dプリンタを用いて加工を行う場合、従来のある種類のバイ
オ材料は、プリンティングに適用されてもよい。例えば、数多くの材料には、天然重合物
であるラーゲン、シルク繊維、ゼラチン、アルギン酸塩や、合成重合物であるポリエチレ
ングリコール(PEG)、またはそれらの任意の組合せが含まれるが、本発明のプリント
に用いられて加工を行ってもよい。これらバイオ3Dプリントとする材料は、「バイオイ
ンク」とも称される。材料そのものは従来の材料であるが、本発明のプリント設備や方法
に用いられてプリンティングしてもよい。
複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法
バイオ3Dプリントの分野において、多くのバイオ構成は複雑曲面を備える空心構成であ
る。例えば、角膜A、心房、腎小球、卵巣等は、皆、複雑曲面を備える空心構成である。
常規のプリント方法の場合、正確的にこれら空心構成を成形することができない。しかも
、プリント過程では、組織の崩れ落ちといった不都合も発生することがある。したがって
、複雑曲面を備える空心構成のバイオ組織を、効率的かつカスタマイズ的にプリンティン
グでき、複雑曲面の曲率が調節可能な3Dプリントリング方法が希望されている。
複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法は、下記のプロセスを含む。
プロセス1:底型のデジタルモデルを構築し、底型の実体モデルを製作すること。
プロセス2:底型のデジタルモデルの表面上で、被成形部材のデジタルモデルを取得する
こと。
プロセス3:被成形部材のデジタルモデルに対して3Dプリント経路を計画し、押出式を
用いて底型の成形面Cをサポートとし、増材プリンティングを行うこと。
ある実施例では、プロセス1において、底型は患者の眼球とし、患者の眼球データを取得
し、患者の眼球モデルを再建し、該眼球モデルは角膜Aと貼合う面を有し、眼球モデルを
底型のデジタルモデルとする。
プロセス2において、被成形部材は角膜Aであり、角膜Aのパラメートは角膜Aの曲率半
径と厚度を含み、角膜Aのパラメートはヒトの角膜Aの統計データによって取得したもの
であってもよい。
図1に示すように、底型Bは半球形とし、底型Bの底面が平面とし、角膜Aと貼合う面が
底型Bの頂部に位置する。
プロセス1において、DLP成形法を用いて底型Bの実体モデルを製作する。プロセス2
において、押出法を用いて被成形部材を成形する。底型Bの実体モデルの製作が完成下後
、押出法による押出ノズル7と底型Bの実体モデルは順次にアライメントする。押出法に
よる底型B実体モデルとDLP成形法における底型B実体モデルの座標系が統一され、ノ
ズル筒が押出法成形の始点位置にアライメントさせる。
DLP成形法はリフト式を採用する。図3に示すように、光源4は、液溝3の下側に位置
される。実体モデルを載らせる載置台2は、液溝3内に位置される。DLP成形過程にお
いて、載置台2は、ステッピング的に上昇し、毎回1つの層厚ずつ上昇する。DLP成形
法と押出法は1つの載置台2を共通する。押出法の供給筒は、液溝3の上側に位置される
。底型Bのプリンティングが完成すると、載置台2が液溝3から離れるまで上昇する。、
そして、載置台2は押出法の供給筒に向かうように180°にて反転する。載置台2の自
己回転前後は、載置台2の中心位置が不変である。
DLP光源4の中心は、載置台2の中心にアライメントさせる。押出法の押出経路の中心
は、載置台2の中心に重ね合わせる。
プロセス2において、生分解性材料をバイオインクとする。
プロセス2において、角膜Aのデジタルモデルの表面は、4つの部分に区画される。第1
部分は角膜視軸の正中央から半径2mm以内の円形区域であり、該区域の曲率変化範囲が
0.25Dより小さく、厚度が均一である。第2部分は中央近傍区であり、中央近傍区は
角膜視軸の正中央から半径2~4mmの環形区域であり、中央近傍区の曲率半径が内側か
ら外側まで段々大きくなり、中心球面からエッジ系平面へと平滑的に遷移する。第3部分
は周辺区であり、周辺区は角膜視軸の正中央から半径4~5mmの環形区域であり、周辺
区は近似扁平面である。第4部分は角膜エッジ区であり、角膜エッジ区は角膜から鞏膜へ
と遷移する環形区域であり、角膜エッジ区の厚度は周辺区から鞏膜へと平滑かつ均一的に
遷移する。
スピンコーティング法による押出プリント
本案は、底型Bは固定的であるが、図4と図9に示すように、押出ノズル7は底型Bに対
して可動的である形態を採用することにより、押出された液滴と、底型Bとの相対位置変
化が可能となり、液滴スピンコーティングが実現される。これによって、液滴が連続的に
押出され、底型Bの表面にコーティングされるようにできる。押出ノズル7の移動速度が
速いほど、スピンコーティングによる膜厚が小さくなるが、押出ノズル7の移動速度が遅
いほど、スピンコーティングによる膜厚が大くなる。したがって、押出ノズル7の移動速
度および/または押出の液滴量を制御することにより、被成形部材の厚度を制御すること
ができる。
ある実施例では、液相スピンコーティング法を採用して液体バイオインクを底型Bの表面
にコーティングする。バイオインクは、押出時に液相範囲内である。バイオインクは、従
来のプリント材料とされる。
被成形部材のモデルは高度方向に沿ってスライスされる。図4と図9に示すように、1層
厚ごとにおける押出ノズル7の経路は、完全な一円形である。押出ノズル7は、ちょうど
1層ごとに一の円形軌跡を描く。液滴が押出されて底型Bの表面にコーティングするよう
に、押出ノズル7は1層ごとに底型Bに一周まわりのバイオインクをコーティングする。
さらに、プリント路線の円心は底型Bの中心である。
液相スピンコーティング過程は、遮光印刷または赤光印刷環境である。スピンコーティン
グが終了すると、底型B上にコーティングされたバイオインクを光硬化させる。
押出プリント過程は、図5に示すように、載置台2の温度は、バイオインクの液相温度範
囲内でありながら、押出ノズル7内のバイオインクの温度より低温である。押出型プリン
トの載置台2に温度制御手段が備えられると、載置台2、底型B、また底型B上にコーテ
ィングされたバイオインクへの温度制御が、実現されるようになる。
バイオインクは、供給筒内では、液相状態を保持する。液相にて底型Bにスピンコーティ
ングされた後は、液滴重力による下流動が、回避する必要がある。このため、載置台2の
温度を押出ノズル7の温度よりも低温にさせることによって、バイオインクの粘度を大き
くさせる。一方、隣接層間のバイオインクの自然的融合を保証できるように、底型B上の
バイオインクは、液相に保持される必要がある。そのため、載置台2の温度は、バイオイ
ンクの液相温度範囲内であるべきとともに、押出ノズル7の温度よりも低温であるべきで
ある。
3Dプリンタ
上記プリント方法を実現するために、3Dプリンタが必要がある。このような3Dプリン
タは、2つのプリンタモジュールを有する。その1つのモジュールは、底型Bを成形する
ために用いられる。もう1つのモジュールは、底型B上で空心構成を備える被成形部材を
成形するために用いられる。
3Dプリンタは、基座1を含む。基座1には、底型Bの成形モジュールと被プリント部材
の成形モジュールとが設置されている。底型Bの成形モジュールと押出式の成形モジュー
ルは1つの載置台2を共通する。底型Bの成形モジュールと押出式の成形モジュールは、
載置台2の工作面を底型Bの成形モジュールから押出式の成形モジュールへ切り換える切
り換え機構を有する。
図8に示すように、底型Bの成形モジュールは、液溝3型の光硬化3Dプリントであって
、液溝3が下のように、液溝3が下、光源4が上のように位置するSLA成形モジュール
としてもよい。図3に示すように、別の例として、液溝3が上に、光源4が下のように位
置するDLP成形モジュールとしてもよく、或いは押出式のプリントモジュールとしても
よい。
底型Bの成形モジュールと被成形部材モデルは同一の基座1に位置するとともに、同一の
載置台2を使用する。載置台2の位置を切り換えることによって、2つの成形モジュール
の座標系の融合または標定を実現し得、2つの成形モジュールを同一のワールド座標系下
に位置させるようにできる。底型Bのデータモデルと被プリント部材のデータモデルの融
合を実現する。
DLP成形と押出式成形の組合せの3Dプリンタ
DLP光硬化成形形態を用いて底型Bの成形を実現し、押出プリンタ形態を用いて被プリ
ント部材の底型B上における成形を実現することにより、複雑曲面を備える空心構成の快
速成形の3Dプリンタを実現する。
図2に示すように、バイオ3Dプリンタは、基座1を含む。基座1にリフトDLP成形モ
ジュールが設けられる。押出式成形モジュールは載置台2と載置台2駆動部材を含む。D
LP成形モジュールが下、押出式成形モジュールが上のように位置する。DLP成形モジ
ュールは光源4と液溝3を含む。押出式成形モジュールは押出ノズル7と押出制御機構を
含む。DLP成形モジュールは押出式成形モジュールは載置台2を共通する。載置台2駆
動部材は載置台2昇降機構と、載置台2の工作面をDLP成形モジュールの光源4に向か
う方向から押出ノズル7に対向する方向へ反転させる載置台2回転機構とを含む。載置台
2回転機構によりDLP成形モジュールから押出式成形モジュールへの切り換えを実現す
る。
反転前の載置台と反転後の載置台2は中心アライメントとなる。図6に示すように、載置
台2の工作面をXOY平面とし、載置台2または押出ノズル7の昇降方向をZ軸17とす
る。DLP成形と押出成形は1つの載置台2を共通する。反転前の載置台2と反転後の載
置台2は中心アライメントとなると、DLP成形モジュールと押出成形モジュールとは、
X軸15およびY軸16が一致する。両成形モジュールのZ軸17は同一線に位置する。
ただZ軸17方向と座標値が変化する。したがって、押出プリンタの経路計画に際しては
、DLP成形モジュールの3次元データ情報をそのまま利用でき、底型Bと被成形部材の
2つの印刷成形を実現できる。
載置台2のリフト式DLP成形モジュールは、図5に示すように、光源4は液溝3の下方
に位置し、載置台2の工作面は下方に向かうとする。DLP方式を使用して底型Bプリン
タティングを完成し、そして載置台2に連動して底型Bを上方に向かうように反転させ、
底型Bを押出ノズル7に向かうようにさせる。押出ノズルは1回のアライメントを行えば
、押出プリンティングを実現できる。
ある実施例では、図3に示すように、DLP光源4と液溝支持枠6は基座1に固定される
。液溝33は液溝支持枠6に固定される。DLP光源4が液溝3下に設置される。液溝3
の底板は透明板とする。プリンタの動作開始時に、載置台2は液溝3内に位置する。図3
に示すように、DLP光源4と液溝3との間に反射ミラー5が設置される。DLP光源4
は反射ミラー5にアライメントし、反射ミラー5の出力の光線は液溝3にアライメントす
る。このようにして、反射ミラー5によってDLP光源4の光路を改変し、DLP光源4
の高度空間の占用を減少させる。
基座1に3軸方向平移機構が設けられている。図6に示すように、3軸方向平移機構はX
軸15方向移動ユニットと、Y軸16方向移動ユニットと、およびZ軸17方向移動ユニ
ットとを含む。各移動ユニットはそれぞれ駆動モータ9と伝動機構を含む。押出ノズル7
がZ軸17方向移動ユニットに設置される。Z軸17方向移動ユニットはX軸15方向移
動ユニットとY軸16方向移動ユニットにそれぞれ接続される。
図6に示すように、Z軸17方向移動ユニットにより押出ノズル7のスライス層における
切り換えを実現し、X軸15方向移動ユニットとY軸16方向移動ユニットは押出ノズル
7の当該スライス層の任意点への移動を実現することにより、円形軌跡のプリンティング
を完成する。伝動機構はネジ10・ナット機構である。駆動モータ9とネジ10とが接続
され、ナットと移動ブロック12とが接続される。移動ブロック12に移動ブロック12
の回動自由度を制限するための制限部材が設けられる。ネジ10が回動すると、ナットが
ネジ10軸方向に沿って移動するといった機構は従来構成である。
基座1には、高度方向に沿う縦方向フレームと水平方向に沿う横方向フレームが設けられ
る。横方向フレームが縦方向フレームの頂部に設置される。X軸15方向移動ユニットが
横方向フレーム内に設置される。Y軸16方向移動ユニットが縦方向フレーム内に設置さ
れる。載置台2の工作面はXOY平面に位置し、或いはXOY平面に平行する。X軸15
方向とY軸16方向は交換可能である。そのうちの1方向はX軸15方向である場合、そ
れに直交する軸方向はY軸16方向となる。
図6に示すように、載置台2の昇降機構は縦方向フレーム内に取り付けられる。載置台2
の昇降機構は、昇降モータと、伝動機構と、および載置台2に接続する接続アーム11と
を含む。伝動機構はネジ10・ナット機構とする。ナットは回動自由度が制限され、ネジ
10軸方向に沿う平移のみが可能である。ナットと接続アーム11とが固定される。伝動
機構はギヤ・ラックや、案内レール・滑りブロック等、他の形態であってもよく、昇降モ
ータの動力を載置台2の昇降に転換できればよい。載置台2の接続アーム11は1対備え
られる。接続アーム11は対称的に載置台2の両側に設置される。両接続アーム11はそ
れぞれ載置台2に接続される。これによって、載置台2には、受力が均一であり、位置が
安定となる。
Z軸17方向移動ユニットはZ軸17支持枠を含む。Z軸17方向移動ユニットの駆動モ
ータ9と伝動機構はそれぞれZ軸17支持枠にに設置される。Z軸17支持枠はX軸15
方向移動ユニットのナットとY軸16方向移動ユニットのナットにそれぞれ接続される。
これによって、Z軸17方向移動ユニットは、XOY平面における任意点への変位が実現
される。
載置台2の第1反転構成にかかる限定:
好ましい形態として、図5に示すように、載置台2の反転軸は載置台2の中央線である。
載置台2の中央線を回転軸として反転する。この場合、必要となる反転スペースが最小と
なる。
図5に示すように、そのうちの1つの接続アーム11に回転モータ8が固定される。回転
モータ8の出力軸は載置台2に固定され、且載置台2の中央線にアライメントする。もう
1つの接続アームと載置台2の間に回転支点が設置される。この場合、回転モータ8は載
置台2外に設置される。載置台2は薄板としてもよい。回転モータ8は、封止パッケージ
され、防水処理される。回転モータ8と接続アーム11とが固定される。回転モータ8の
出力軸は載置台2を接続アーム11に対して回動させるように駆動することにより、載置
台2の反転が実現される。回転支点には軸受が備えられる。
別の例として、図5に示すように、載置台2は密閉チャンバーを備えるハウジングを含む
。ハウジングの成形面は工作面である。チャンバー内に回転モータ8が固定される。載置
台2に回転軸が設置される。回転軸2は載置台の中心軸線上に位置する。回転モータ8は
回転伝動機構によって回転軸に接続される。回転軸の両端はそれぞれ接続アーム11に固
定される。回転モータ8と載置台2とが固定され、回転軸と接続アーム11とが固定され
る。回転モータ8からトルクを出力すると、回転軸が固定去れながら、回転モータ8に連
動して載置台2が回転軸まわりに回動することにより、載置台2の反転が実現される。載
置台2の温度制御モジュールを該密封チャンバー中に設置することもできる。回転モータ
8は載置台2内部にパッケージされる。回転軸が不動となり、載置台2の防水パッケージ
が容易に実現される。ただし、回転モータ8から出力するトルクは、回転モータ8が載置
台2外に位置する場合よりも大きくなる。
載置台の第2反転方式は、載置台2が支持アーム上の1点まわりに反転する。載置台2の
第2反転構成にかかる限定:
ある実施例では、接続アーム11と載置台2昇降装置のナットとの間に回転モータ8が設
置される。回転モータ8のモータベースとナットとが固定される。回転モータ8の出力軸
と接続アーム11とが固定される。このように構成されると、載置台2の正反方向の反転
を実現することができるが、必要となる反転空間は、反転軸が中央線に位置する例より大
きい。載置台2を底型Bが液溝3より高い位置まで上昇させないと、反転させてはいけな
い。
ある実施例では、図5に示すように、載置台2の正面は工作面である。載置台2の裏面に
回転モータ8が設けられる。載置台8の両側に接続側板13が設けられる。各接続側板1
3は1つの接続アーム11に対応する。回転モータ8が接続側板13と接続アーム11の
間に設置される。回転モータ8のモータベースと接続アーム11とが固定されると、出力
軸と載置台2とが固定されてなる。回転モータ8のモータベースと接続側板13とが固定
されると、出力軸と接続アーム11とが固定される。接続側板13の延伸方向は裏面方向
に向かって延伸する。このような構成によると、回転モータ8を液溝3の液面よりも高い
位置に設置することができ流ため、回転モータ8が液溝3内に浸入することがなく、載置
台2は接続側板13を半径として回転させるようにして、接続アームを半径として回転す
る方案と比べると、載置台2の反転に必要な空間を減少させる。
図5に示すように、接続アーム11に回転モータ8のモータベースと遊隙嵌合する貫通穴
が設けられる。モータベースは貫通穴内に位置する。貫通穴内に旋回軸受14が設置され
る。このように設置されると、回転モータ8のモータベースによって載置台2と接続アー
ム11の重量を支持することができ、回転モータ8の出力軸に回動モーメントだけが受力
され、重力方向のせん断モーメントが受力されないとなる。
SLA成形と押出式成形の組合せのプリント
SLA光硬化成形形態を用いて底型Bの成形を実現し、押出プリンタ形態を用いて被プリ
ント部材の底型B上における成形を実現することにより、複雑曲面を備える空心構成の快
速成形の3Dプリンタを実現する。
ある実施例では、バイオ3Dプリンタは、図7に示すように、基座1を含む。基座1にダ
ウン式SLA成形モジュールと、押出式成形モジュールとが設けられている。SLA成形
モジュールと押出式成形モジュールは載置台2を共通する。載置台2と載置台2の駆動部
材とが接続される。SLA成形モジュールは光源4と液溝3を含む。載置台2の駆動部材
は昇降モータと接続アーム11を含む。接続部と載置台2とが固定される。押出式成形モ
ジュールは押出ノズル7と押出制御装置を含む。SLA成形モジュールのプリントタスク
が終了すると、押出式成形モジュールが起動する。SLAプリント過程では、光源4が固
定されながら、載置台2がステッピング的に下降する。押出式プリント過程では、載置台
2が固定されながら、押出ノズル7が移動する。
図8に示すように、SLA成形の方式は、光源4が上位置し、載置台2が下のように位置
し、載置台2がステッピング的に下降する光硬化3Dプリントモートである。載置台2は
液溝3内へ浸入するだけであり、載置台2上の液体厚度は1つの成形層の厚さである。S
LA成形モジュールと押出成形モジュールは1つの載置台2を共通する。両成形モジュー
ルのXOY平面は共通され、SLA光源のZ軸17と押出ノズルのZ軸17とが平行する
。両プリント方式の切り換えは、1回のアライメントだけで充分である。SLA光源のZ
軸17と押出ノズルのZ軸17とを重ね合わせれば両プリントモートの座標系を統一する
ことができる。
図9に示すように、SLA光源4は点光源とする。押出ノズル7は点光源4の照射区域外
にある。したがって、SLAプリントモートでは、光源4は、押出ノズル7内の液体材料
を硬化させることがない。
図6に示すように、基座1に3軸方向平移機構が設けられている。3軸方向平移機構は、
X軸15方向移動ユニットと、Y軸16方向移動ユニットと、およびZ軸17方向移動ユ
ニットとを含む。各移動ユニットはそれぞれ駆動モータ9と伝動機構を含む。Z軸17方
向移動ユニットはX軸15方向移動ユニットとY軸16方向移動ユニットにそれぞれ接続
される。SLA光源4と押出ノズル7はいずれもZ軸17方向移動ユニットに取り付けら
れる。SLA光源4と押出ノズル7は相対的に固定される。言い換えば、SLA光源4の
Z軸17と押出ノズル7のZ軸17との間の距離は既知であり、微調整をすれば2種のプ
リンタ方式の座標系の統一を実現することができる。
図8に示すように、載置台2の昇降機構は縦方向フレーム内に取り付けられる。載置台2
の昇降機構は、昇降モータと、伝動機構と、および載置台2に接続する接続アーム11と
を含む。伝動機構はネジ10・ナット機構である。ナットは回動自由度が制限され、ネジ
10軸方向に沿う平移だけが許される。ナットと接続アーム11とが固定される。伝動機
構はギヤ・ラックや、案内レール・滑りブロック等、他の形態であってもよく、昇降モー
タの動力を載置台2の昇降に転換できればよい。
ある実施例では、載置台2の接続アームは1対が備えられる。接続アーム11が対称的に
載置台2の両側に設置される。そのうちの1つの接続アーム11に昇降モータが設置され
、もう1つの接続アーム11が従動のものとする。両接続アーム11はともに載置台に接
続するので、載置台2には、受力が均一で、位置が安定的になる。
またある実施例では、図8に示すように、載置台2は1つの接続アーム11のみを備え、
接続アーム11は載置台2側に固定され、接続アーム11と載置台2の間に補強リブが備
えられる。接続アーム11と載置台2の接続剛性、載置台2自身の剛性が十分であれば、
載置台2の安定昇降を実現し、3Dプリンタに必要な載置台2の変位精度に達成すること
もできる。
Z軸17方向移動ユニットはZ軸17支持枠を備える。Z軸17方向移動ユニットの駆動
モータ9と伝動機構はそれぞれZ軸17支持枠に設置される。Z軸17支持枠はX軸15
方向移動ユニットのナットとY軸16方向移動ユニットのナットにそれぞれ接続される。
伝動機構はネジ10が回動・ナットが平移のネジ10・ナット機構とする。押出ノズル7
とSLA光源4はZ軸17方向移動ユニットのナットに固定される。これによって、Z軸
17方向移動ユニットはXOY平面における任意点位置への変位が可能である。
図9に示すように、SLA載置台2のダウン式プリントモートと押出式プリントモートの
組み合わせを利用する。光源4と押出ノズル7はいずれも載置台2の上に位置する。Z軸
17の位置を調整すれば、2種のプリントモートの融合を実現できる。アライメントが簡
単化され、載置台2および載置台2昇降機構の構成も簡単化される。
押出式成形に代わって、インク噴出型成形のインク噴出プリント方法を説明する。
複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法は、下記のプロセスを含む。
プロセス1:底型Bのデジタルモデルを構築し、底型Bの実体モデルを製作すること。
プロセス2:底型Bのデジタルモデルに加えて、インク噴出成形の形態により、被成形部
材のデジタルモデルを取得すること。
プロセス3:被成形部材のデジタルモデルに対して3Dプリンタ経路を計画し、液体のバ
イオインクをプリンタ経路に従って底型Bの成形面C上にコーティングすること。
インクジェットプリント方式は、表面光滑度と精度が高くて、プリンティングした角膜A
の連続性が良好な押出式角膜Aのプリント方法である。
ある実施例では、インクジェットプリントによって液体バイオインクを底型B表面に噴出
コーティングする。インクジェットプリントのノズルから底型Bへナノ液滴を噴出コーテ
ィングする。ノズルのインク噴出範囲は固定値とする。インクジェットプリントのノズル
の噴出区域は、プリンタタスク開始前に調節しておいたもので、それから不変とする。
ある実施例では、プロセス1において、底型は患者の眼球とし、患者の眼球データを取得
し、患者の眼球モデルを再建し、該眼球モデルは角膜Aと貼合う面を有し、眼球モデルを
底型のデジタルモデルとする。
プロセス2において、被成形部材は角膜Aであり、角膜Aのパラメートは角膜Aの曲率半
径と厚度を含み、角膜Aのパラメートはヒトの角膜Aの統計データによって取得したもの
であってもよい。
図1に示すように、底型Bは半球形とし、底型Bの底面が平面とし、角膜Aと貼合う面が
底型Bの頂部に位置する。
プロセス1において、DLP成形法を用いて底型Bの実体モデルを製作する。プロセス2
において、押出法を用いて被成形部材を成形する。底型Bの実体モデルの製作が完成下後
、押出法による押出ノズル7と底型Bの実体モデルは順次にアライメントする。押出法に
よる底型B実体モデルとDLP成形法における底型B実体モデルの座標系が統一され、ノ
ズル筒が押出法成形の始点位置にアライメントさせる。
被成形部材は、厚度方向に複雑曲面を層化することによって、多層かつ同厚度の曲面モデ
ルを形成する。1層毎の曲面モデルの厚度はインクジェットプリント際におけるナノ液滴
の厚度である。1層毎の曲面モデルをスライスする。スライスの厚度はナノ液滴の覆う有
効的高度である。押出ノズルの1スライス層毎における経路は1つの円である。噴出コー
ティングに際して、噴出ノズル7は順次に内側から外側へ1層毎の曲面モデルのプリンテ
ィングを完成する。ノズルは1層毎の曲面モデルのスライス経路に従って変位する。
液相スピンコーティング過程は、遮光印刷や赤光印刷環境である。インク噴出が終了する
と、底型B上のバイオインクを光硬化させる。
押出プリント過程において、載置台2の温度はバイオインクの液相温度範囲内であるが、
押出ノズル7内のバイオインクの温度よりも低温である。押出式プリンタの載置台2に温
度制御手段が備えられれば、載置台2、底型B、および底型B上へスピンコーティングさ
れたバイオインクへの温度制御を実現できる。
本発明の利点は下記のとおりである。2種のプリントモートの組合せによって、まず複雑
曲面を備える底型Bを成形する。底型Bは実心部材であるので、曲率等の表面パラメート
を正確的に制御できる。そして、底型Bを基底とし、底型Bの複雑曲面上で複雑曲面に貼
合う被プリント部材を成形する。底型Bをサポートとし、液相のバイオインクを底型Bの
複雑曲面にコーティングする形態によって、被成形部材の増材を実現する。バイオインク
の液相流動と融合の特性によって、且つ液面テンションによって各スライス層または厚度
層のバイオインクの自然融合を実現する。表面の滑らかさが高く、屈折度が正確的に、且
つコントロール可能な、また安定な複雑曲面を備える空心構成を快速に、製作することが
できる。
複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法を提供する。該プリント方法は、複雑曲面の空心
構成の付着する底型を製作することであって、底型は被成形の複雑曲面に一致する形態の
成形面Cを有することと、底型をサポートとして、底型の成形面Cにおいて複雑曲面の空
心構成を成形することと、および、底型の成形と複雑曲面の空心構成の成形は、同一のワ
ールド座標系で完成することであって、言い換えば、底型の成形が完成すると、載置台か
ら底型を取り外し、被成形部材のプリントシステムに移植することが必要とせず、底型の
成形面C上でその位置のまま被成形部材をプリンティングすることとを含む。
該プリント方法によりまず底型を製作する。底型は複雑曲面を有する。次いでに液相バイ
オインクを底型の表面にコーティングし、バイオインクを硬化させることにより、複雑曲
面を有する空心構成を取得する。空心構成の内面と底型の外面とが一致する。空心構成の
成形においては、底型はバイオインクに対するサポートといった機能を発揮する。したが
って球状ケースは崩れ落ちることがなく、正確的な曲面形状を有し得る。
底型の成形と複雑曲面の空心構成の成形は、同一のワールド座標系下で行うことは、2つ
のプリントシステムにおいて1つの載置台を共通することによって実現されるとのである
。底型が載置台2上で成形されると、底型と複雑曲面の空心構成の成形部材とをアライメ
ントさせ、そして底型の成形面Cで増材成形を実現する。押出式を用いて複雑曲面の空心
構成を成形する場合、成形部材は押出ノズル7となる。
3Dプリント方法は、底型のデジタルモデルを構築することであって、底型の成形面Cの
形状は角膜プロテーゼをインプラントする眼球の表面形状であることと、底型のデジタル
モデルの表面上で被成形部材のデジタルモデルを取得することであって、被成形部材のデ
ジタルモデルは複雑曲面の空心構成の角膜プロテーゼであることと、および、被成形部材
のデジタルモデルに対して3Dプリンタ経路を計画し、押出式を用いて底型の成形面Cを
サポートとし、増材プリンティングをすることとを含む。押出式プリントによって被成形
部材の実体モデルを取得し、被成形部材の実体モデルの底面と底型の成形面Cとが一致し
、複雑曲面である。
図1に示すように、角膜プロテーゼのパラメートは、角膜の曲率半径と厚度を含む。角膜
パラメートはヒトの角膜の統計データによって取得することができる。底型の底面は平面
とし、底型は実心体とする。
DLP成形法を用いて底型の実体モデルを製作する。DLP成形において、底型が下、載
置台2が上のように位置する。載置台2上で底型をリフト的に成形する。底型の成形が終
了すると、底型が上、載置台2が下のように位置するとなるように、載置台2を中心軸ま
わりに180°反転させる。押出ノズル7と底型とをアライメントさせ、押出法による底
型の実体モデルとDLP成形法による底型の実体モデルの座標系を統一させ、押出ノズル
を押出法成形の始点位置にアライメントさせる。
リフト式DLP成形法を説明する。図3に示すように、光源4は、液溝3の下に位置され
る。実体モデルを載らせる載置台2は、液溝3内に位置される。DLP成形過程において
、載置台2は、ステッピング的に上昇し、毎回で1層厚ずつ上昇する。DLP成形法と押
出法は1つの載置台2を共通する。押出法の供給筒は、液溝3の上に位置される。底型の
プリンティングが完成すると、液溝3から離れるまで載置台2が上昇する。そして、載置
台2は押出法の供給筒に向かうように180°にて反転する。載置台2の自己回転前後は
、載置台2の中心位置が不変である。DLP光源4の中心は、載置台2の中心にアライメ
ントさせる。押出法の押出経路の中心は、載置台2の中心に重ね合わせる。
本実施例は、実施例1との相違点は、下記のことにある。SLA成形において、底型が上
、載置台が下のように位置し、載置台2上で底型をダウン的に成形する。底型の成形が終
了するとSLAの光源4を撤退させ、押出ノズル7と底型とをアライメントさせ、押出法
による底型の実体モデルとDLP成形法による底型の実体モデルの座標系を統一させ、押
出ノズル7を押出法成形の始点位置にアライメントさせる。別のプロセスは、実施例1と
同様である。
本実施例は、実施例1との相違点は、押出ノズル7は、液滴の形態で材料を押出て、押出
ノズル7と底型の相対運動によって、液滴を底型の成形面Cにスピンコーティングする。
全体面において液滴のスピンコーティングが完了すると、全体層の材料を光硬化させるこ
とにより、被成形部材を形成する。別のプロセスは、実施例1と同様である。
このような方法によって、表面光滑度と精度が高くて、連続的液滴押出によってプリンテ
ィングした角膜の連続性が良好な角膜プロテーゼを製作できる。
液滴が連続的に押出されて、底型の表面にコーティングされる。押出ノズル7の移動速度
が速いほど、スピンコーティングによる膜厚が小さくなる。押出ノズル7の移動速度が遅
いほど、スピンコーティングによる膜厚が大くなる。したがって、押出ノズル7の運動速
度および/または押出の液滴量を制御することにより、被成形部材の厚度を制御できる。
本実施例では、バイオインクは、押出時に液相範囲内である。バイオインクは、従来のプ
リント材料とされる。
被成形部材のモデルは高度方向に沿ってスライスされる。図4と図9に示すように、押出
ノズル7は、1層厚ごとにおける経路が1つの完全な円を画成する。押出ノズル7は、1
層ごとに1つの円形軌跡だけを描く。液滴が押出されてから、底型の表面にコーティング
する。押出ノズル7は1層ごとに底型に1周のバイオインクをコーティングする。プリン
ティング路線の円心は底型の中心である。底型の被成形面Cは遂層にバイオインクをスピ
ンコーティングした後、底型上のバイオインクを硬化させる。
液相スピンコーティング過程は遮光印刷または赤光印刷環境である。スピンコーティング
が終了すると、底型上にコーティングされたバイオインクを光硬化させる。
押出プリント過程では、載置台2の温度は、バイオインクの液相温度範囲内にあるが、押
出ノズル7内のバイオインクの温度より低温とする。押出型プリントの載置台2に温度制
御手段が備えられば、載置台2、底型、底型上にスピンコーティングされたバイオインク
への温度制御を実現できる。
バイオインクは、供給筒内では、液相状態を保持する。液相にて底型にスピンコーティン
グされた後は、液滴重力による下流動が、回避する必要がある。このため、載置台2の温
度を押出ノズル7の温度よりも低温にさせることによって、バイオインクの粘度を大きく
させる。一方、隣接層間のバイオインクの自然的融合を保証できるように、底型上のバイ
オインクは、液相に保持される必要がある。そのため、載置台2の温度は、バイオインク
の液相温度範囲内であるべきとともに、押出ノズル7の温度よりも低温であるべきである
本実施例は、実施例1との相違点は、下記のことにある。押出ノズル7は、ナノ液滴群の
インクジェットプリントによって底型表面に噴出コーティングする。ノズルの噴出範囲は
固定値とする。インクジェットプリントのノズルの噴出区域は、プリンタタスク開始前に
、調節しておいて、その後不変とする。別のプロセスは、実施例1と同様である。
具体的には、被成形部材は、厚度方向に複雑曲面を層化することによって、多層かつ同厚
度の曲面モデルを形成する。1層毎の曲面モデルの厚度はインクジェットプリント際にお
けるナノ液滴の厚度となる。1層毎の曲面モデルをスライスする。スライスの厚度はナノ
液滴の覆う有効的高度である。押出ノズルの1スライス層毎における経路は1つの円であ
る。噴出コーティングに際して、噴出ノズルは順次に内側から外側へ1層毎の曲面モデル
のプリンティングを完成する。ノズルは1層毎の曲面モデルのスライス経路に従って変位
する。
本実施例のスライス層は、被成形部材の曲面厚度によって、成形曲面に対してスライス区
画を行うのである。図10に示すように、被成形部材Aは、m層を分けてもよい。第1~
n層はいずれも底型Bの成形面Cと形状が同じスライス層である。第n+1層~第m層は
成形面Cの態様によってスライスを行う。成形面Cには、被成形部材より突出した部分が
ある。突出部分には増材成形をせず、被成形部材モデル範囲内にある部分をスライス層と
する。
インク噴出増材過程は、遮光印刷または赤光印刷環境である。増材が終了すると、底型上
のバイオインクを光硬化させる。
押出プリント過程において、載置台2の温度はバイオインクの液相温度範囲内であるが、
押出ノズル7内のバイオインクの温度よりも低温である。押出式プリンタの載置台2に温
度制御手段が備えられれば、載置台2、底型、および底型上へスピンコーティングされた
バイオインクへの温度制御を実現できる。
図2に示すように、バイオ3Dプリンタは、基座1と載置台を含む。基座1に底型成形モ
ジュールと被プリント部材成形モジュールが設置される。底型成形モジュールと押出式成
形モジュールは1つの載置台2を共通する。底型成形モジュールにより底型成形を完成し
た後、押出式成形モジュールにより底型の成形面上でその位置のまま被成形部材を成形す
る。
底型成形モジュールと被成形部材モデルは同一の基座1に位置するとともに、同一の載置
台2を使用する。載置台2の位置を切り換えることにより両成形モジュールの座標系の融
合または標定を実現する。両成形モジュールは、同一のワールド座標系下に位置すること
により、底型のデータモデルと被プリント部材のデータモデルの融合を実現することがで
きる。
底型の成形モジュールは上昇式DLP成形モジュールである。DLP成形モジュールが下
、押出式成形モジュールが上のように位置する。載置台2と載置台2駆動部材とが接続す
る。載置台2駆動部材は昇降機構と回転機構を含む。回転機構により、載置台2の工作面
をDLP成形モジュールの光源4に向かう方向から押出ノズル7の載置台2に対向する方
向へ反転させる
DLP成形モジュールは、従来のDLP成形装置の構成としてもよく、同じように液溝3
、光源4、載置台2を昇降させる昇降機構、および制御器等を含む。押出式成形モジュー
ルは、従来の押出構成としてもよく、押出ノズル7、保温構成と制御器等を含む。
DLP成形に際して、載置台2が上、底型が下のように位置するとする。押出式成形に際
して、載置台2が下、底型が上のように位置するとする。したがって、底型成形が完成す
ると、回転機構により載置台2を180°にて反転させる必要がある。下方向に向かった
底型を上方向に向かうようにさせる。そして、底型と押出成形モジュールのアライメント
を便利に行う。反転前の載置台2と反転後の載置台2は中心アライメントとなる。図6に
示すように、載置台2の工作面をXOY平面とし、載置台2または押出ノズル7の昇降方
向をZ軸17とする。DLP成形と押出成形は1つの載置台を共通する。反転前の載置台
2と反転後の載置台2は中心アライメントとなると、DLP成形モジュールと押出成形モ
ジュールとは、X軸15およびY軸16が一致する。両成形モジュールのZ軸17は同一
線に位置する。ただZ軸17方向と座標値が変化する。したがって、押出プリンタの経路
計画に際しては、DLP成形モジュールの3次元データ情報をそのまま利用することがで
き、底型と被成形部材の2つの印刷成形を実現できる。
図3に示すように、DLP光源4と液溝支持枠6は基座1に固定される。液溝3は液溝支
持枠6に固定される。DLP光源4が液溝3下に設置される。液溝3の底板は透明板とす
る。プリンタの動作開始時に、載置台2は液溝3内に位置する。図3に示すように、DL
P光源4と液溝3との間に反射ミラー5が設置される。DLP光源4は反射ミラー5にア
ライメントし、反射ミラー5の出力の光線は液溝3にアライメントする。このようにして
、反射ミラー5によってDLP光源4の光路を改変し、DLP光源4の高度空間の占用を
減少させる。
基座1に3軸方向平移機構が設けられている。図6に示すように、3軸方向平移機構はX
軸15方向移動ユニットと、Y軸16方向移動ユニットと、およびZ軸17方向移動ユニ
ットとを含む。各移動ユニットはそれぞれ駆動モータ9と伝動機構を含む。押出ノズル7
がZ軸17方向移動ユニットに設置される。Z軸17方向移動ユニットはX軸15方向移
動ユニットとY軸16方向移動ユニットにそれぞれ接続される。
図6に示すように、Z軸17方向移動ユニットにより押出ノズル7のスライス層における
切り換えを実現し、X軸15方向移動ユニットとY軸16方向移動ユニットは押出ノズル
7の当該スライス層の任意点への移動を実現することにより、円形軌跡のプリンティング
を完成する。伝動機構はネジ10・ナット機構である。駆動モータ9とネジ10とが接続
され、ナットと移動ブロック12とが接続される。移動ブロック12に移動ブロック12
の回動自由度を制限するための制限部材が設けられる。ネジ19が回動すると、ナットが
ネジ軸方向に沿って移動するといった機構は従来構成である。
基座1には、高度方向に沿う縦方向フレームと水平方向に沿う横方向フレームが設けられ
る。横方向フレームが縦方向フレームの頂部に設置される。X軸15方向移動ユニットが
横方向フレーム内に設置される。Y軸16方向移動ユニットが縦方向フレーム内に設置さ
れる。載置台2の工作面はXOY平面に位置し、或いはXOY平面に平行する。X軸15
方向とY軸16方向は交換可能である。そのうちの1方向はX軸15方向である場合、そ
れに直交する軸方向はY軸16方向となる。
図6に示すように、載置台2の昇降機構は縦方向フレーム内に取り付けられる。載置台2
の昇降機構は、昇降モータと、伝動機構と、および載置台2に接続する接続アーム11と
を含む。伝動機構はネジ10・ナット機構とする。ナットは回動自由度が制限され、ネジ
10軸方向に沿う平移だけが許される。ナットと接続アーム11とが固定される。伝動機
構はギヤ・ラックや、案内レール・滑りブロック等、他の形態であってもよく、昇降モー
タの動力を載置台2の昇降に転換できればよい。載置台2の接続アームは1対が備えられ
る。接続アーム11は対称的に載置台2の両側に設置される。両接続アーム11はそれぞ
れ載置台2に接続される。これによって、載置台2には、受力が均一であり、位置が安定
となる。
Z軸17方向移動ユニットはZ軸17支持枠を含む。Z軸17方向移動ユニットの駆動モ
ータ9と伝動機構はそれぞれZ軸17支持枠にに設置される。Z軸17支持枠はX軸15
方向移動ユニットのナットとY軸16方向移動ユニットのナットにそれぞれ接続される。
これによって、Z軸17方向移動ユニットは、XOY平面における任意点への変位が実現
される。
好ましい形態において、図5に示すように、載置台2の反転軸は載置台の中央線である。
載置台2の中央線を回転軸として反転する。この場合、必要となる反転スペースが最小と
なる。
図5に示すように、そのうちの1つの接続アーム11に回転モータ8が固定される。回転
モータ8の出力軸は載置台2に固定され、且つ載置台2の中央線にアライメントする。も
う1つの接続アーム11と載置台2の間に回転支点が設置される。この場合、回転モータ
8は載置台2外に設置される。載置台2は薄板としてもよい。回転モータ8は、封止パッ
ケージされ、防水処理されるとする。回転モータ8と接続アーム11とが固定される。回
転モータ8の出力軸に連動して載置台2が接続アームに対して回動することにより、載置
台2の反転が実現される。回転支点には軸受が備えられる。
別の例として、図5に示すように、載置台2は密閉チャンバーを備えるハウジングを含む
。ハウジングの成形面Cは工作面である。チャンバー内に回転モータ8が固定される。載
置台2に回転軸が設置される。回転軸は載置台2の中心軸線上に位置する。回転モータ8
は回転伝動機構によって回転軸に接続される。回転軸の両端はそれぞれ接続アーム11に
固定される。回転モータ8と載置台2とが固定され、回転軸と接続アーム11とが固定さ
れる。回転モータ8からトルクを出力すると、回転軸が固定去れながら、回転モータ8に
連動して載置台2が回転軸まわりに回動することにより、載置台2の反転が実現される。
載置台2の温度制御モジュールを該密封のチャンバー中に設置することもできる。回転モ
ータ8は載置台2内部にパッケージされる。回転軸が不動となり、載置台2の防水パッケ
ージが容易に実現される。ただし、回転モータ8から出力するトルクは、回転モータ8が
載置台2外に位置する場合よりも大きくなる。
本実施例は、実施例5との相違点は、下記のことにある。載置台2は支持アーム上の1点
まわりに反転する。具体的には、接続アーム11と載置台2昇降装置のナットとの間に回
転モータ8が設置される。回転モータ8のモータベースとナットとが固定される。回転モ
ータ8の出力軸と接続アーム11とが固定される。このように構成されると、載置台2の
正反方向の反転を実現することができるが、必要となる反転空間は、反転軸が中央線に位
置する例に比べて大きくなる。載置台2は、底型Bが液溝3より高い位置まで上昇させな
いと、反転させてはいけない。
ある実施例では、図5に示すように、載置台2の正面は工作面である。載置台2の裏面に
回転モータ8が設けられる。載置台2の両側に接続側板13が設けられる。各接続側板1
3は1つの接続アーム11に対応する。回転モータ8が接続側板13と接続アーム11の
間に設置される。回転モータ8のモータベースと接続アーム11とが固定されると、出力
軸と載置台2とが固定される。回転モータ8のモータベースと接続側板13とが固定され
ると、出力軸と接続アーム11とが固定される。接続側板13の延伸方向は裏面方向に向
かって延伸する。このような構成によると、回転モータ8を液溝3の液面よりも高い位置
に設置することができるので、回転モータ8が液溝3内に浸入することがなく、載置台2
は接続側板13を半径として回転するような構成となり、接続アームを半径として回転す
る例と比べて、載置台2の反転に必要な空間を減少させる。
図5に示すように、接続アーム11に回転モータ8のモータベースと遊隙嵌合する貫通穴
が設けられる。モータベースは貫通穴内に位置する。貫通穴内に旋回軸受14が設置され
る。このように設置されると、回転モータ8のモータベースによって載置台2と接続アー
ム11の重量を支持することができる。回転モータ8の出力軸に回動モーメントだけが受
力され、重力方向のせん断モーメントが受力されないとなる。別の構成は、実施例5と同
様である。
本実施例は、実施例5との相違点は、下記のことにある。図7に示すように、底型成形モ
ジュールはダウン式SLA成形モジュールである。SLA成形モジュールと押出式成形モ
ジュールは載置台2を共通する。載置台2と載置台駆動部材とが接続される。SLAプリ
ント過程では、光源4が固定されながら、載置台2がステッピング的に下降する。底型の
成形が終了すると、載置台2が、押出式プリントに必要な高度まで上昇してきて、押出式
成形モジュールへ切り換えてから動作をする。押出式プリント過程では、載置台2が固定
されながら、押出ノズル7が変位する。別の構成は、実施例5と同様である。
SLA成形モジュールは、従来のSLA成形装置の構成としてもよく、同じように液溝3
、光源4、載置台2を昇降させる昇降機構、および制御器等を含む。押出式成形モジュー
ルも従来の押出構成としてもよく、押出ノズル7、保温構成と制御器等を含む。
本方案の核心は、底型の成形モジュールと被成形部材の押出式成形モジュールを集積する
。底型の成形が完成すると、単に、載置台2を押出式成形モジュールに必要な工作高度ま
で上昇または下降させることによって、押出式成形モジュールと底型とをアライメントさ
せれば、底型成形から被成形部材成形への切換えが実現される。そうしたら、底型を移動
することなく、底型上でその位置のまま被成形部材を成形する。
SLA成形の方式は、光源4が上、載置台2が下のように位置し、載置台2がステッピン
グ的に下降する光硬化3Dプリントモートである。載置台2は液溝3内へ浸入するのであ
る。載置台2上の液体の厚さは1成形層の厚さとなる。SLA成形モジュールと押出成形
モジュールは1つの載置台2を共通する。両成形モジュールのXOY平面は共通される。
SLA光源のZ軸17と押出ノズルのZ軸17とが平行する。両プリントモート同士の切
換えは、1回のアライメントだけで充分である。SLA光源のZ軸17と押出ノズルのZ
軸17とを重ね合わせれば、両プリントモートの座標系を統一させることができる。
SLA光源4は点光源4である。押出ノズル7は点光源4の照射区域外に位置する。した
がって、SLAプリントモートでは、光源4によって押出ノズル7内の液体材料を硬化さ
せることがない。
図6に示すように、基座1に3軸方向平移機構が設けられている。3軸方向平移機構は、
X軸15方向移動ユニットと、Y軸16方向移動ユニットと、およびZ軸17方向移動ユ
ニットとを含む。各移動ユニットはそれぞれ駆動モータ9と伝動機構を含む。Z軸17方
向移動ユニットはX軸15方向移動ユニットとY軸16方向移動ユニットにそれぞれ接続
される。SLA光源4と押出ノズル7はともにZ軸17方向移動ユニットに取り付けられ
る。SLA光源4と押出ノズル7とが固定される。言い換えば、SLA光源4のZ軸17
と押出ノズル7のZ軸17との間の距離は既知であり、微調整を行えば2種のプリンタ方
式の座標系の統一を実現することができる。
載置台2の昇降機構は縦方向フレーム内に取り付けられる。載置台2の昇降機構は、昇降
モータと、伝動機構と、載置台2に接続する接続アーム11とを含む。伝動機構はネジ1
0・ナット機構である。ナットは、回動自由度が制限され、ネジ10軸方向に沿う平移だ
けが許される。ナットと接続アーム11とが固定される。伝動機構はギヤ・ラックや、案
内レール・滑りブロック等、他の形態であってもよく、昇降モータの動力を載置台2の昇
降に転換できればよい。
載置台2の接続アーム11は一対が備えられる。接続アーム11が対称的に載置台2の両
側に設置される。そのうちの1つの接続アーム11に昇降モータが設置され、もう1つの
接続アーム11が従動のものとする。両接続アーム11はともに載置台2に接続されるの
で、載置台2には、受力が均一で、位置が安定的になる。別の例として、載置台2は1つ
の接続アーム11のみを備え、接続アーム11は載置台2側に固定され、接続アーム11
と載置台2の間に補強リブが備えられる。接続アーム11と載置台2の接続剛性、および
載置台2自身の剛性が十分であれば、載置台2の安定的昇降が可能となり、3Dプリンタ
に必要な載置台2の変位精度に達することができる。
Z軸17方向移動ユニットはZ軸17支持枠を備える。Z軸17方向移動ユニットの駆動
モータ9と伝動機構はそれぞれZ軸17支持枠に設置される。Z軸17支持枠はX軸15
方向移動ユニットのナットとY軸16方向移動ユニットのナットにそれぞれ接続される。
伝動機構はネジ10回動・ナット平移のネジ10・ナット機構である。押出ノズル7とS
LA光源4はZ軸17方向移動ユニットのナットに固定される。これによって、Z軸17
方向移動ユニットはXOY平面における任意点の位置への変位が可能である。
SLAによる載置台2ダウン式のプリントモートと押出式プリントモートの組み合わせと
する。光源4と押出ノズル7はともに載置台2上に位置される。単にZ軸17の位置を調
整すれば、2種のプリンタモートの融合が実現される。アライメントが簡単となり、載置
台2および載置台昇降機構の構成も簡単化される。
角膜はヒトの目の70%の屈折能力を担っており、従来の屈折不正手術の治療法は最も早
いPRK、LASIKから、現在主流の「スリー・ビッグ」レーザー手術であるフェムト
秒LASIK手術、全エキシマーTPRK手術および小切口フェムト秒レーザーマトリッ
クスレンズ切除術(SMILE)であり、いずれも従来の角膜を切削除去し、角膜屈折能
力を変える目的を達成している。しかし、角膜が薄すぎたり、光アレルギーなどの角膜条
件が悪いため、レーザー手術で治療できない患者が多い。本来の角膜の切削は、角膜が薄
くなったり、眼内圧が変化したりするため、力学的性質が弱まったりして、光に敏感にな
り、弱い光で視物がぼやけたり、円錐角膜などの病気を引き起こす可能性がある。一部の
術式では、例えば半フェムト秒手術では、負圧が眼球を引き付ける過程があり、この過程
はガラス体に一定の圧力を生じ、さらにガラス体の濁りや飛蚊症などの問題を引き起こす
。米政府の食品医薬品部門のデータによると、レーザー手術の6カ月以内に角膜自体の組
織が欠けているため、28%の人が眼の幹の症状があり、16%の人が視力がぼやけ、1
8%の人が夜に車を運転できない。
本来の角膜を切削するほか、角膜プラスチックレンズを用いて屈折不正を治療する方法も
ある。角膜プラスチックレンズは未成年児童にのみ適用され、毎晩手動で装着する必要が
あり、操作の不適切、装着者の依従性の違いなどによって感染、角膜上皮層およびまぶた
の摩耗などの問題を引き起こす可能性がある。角膜プラスチックレンズが酸素を奪うと、
ドライアイなどの問題を引き起こす。角膜を人為的に薄くすると、角膜の散乱やテーパ型
体の問題も発生します。角膜プラスチックレンズは根本的に近視を治療することができず
、装着を停止した後に視力が反発する現象も現れる。コストが比較的高く、使い捨て型コ
ンタクトレンズであり、生産規格によって定期的に交換する必要がある。
さらに、ICL手術を用いる場合、屈折度のある人工結晶を移植することによって屈折不
正問題を治療することができる。ICL手術はレーザー手術や角膜プラスチックレンズと
比較して角膜に影響を及ぼさないが、手術過程では角膜をインサート操作する必要があり
、内眼手術に属するので、一定のリスクと合併症があり、前房感染などの問題を引き起こ
す恐れがある。また、この手術は前房の深さに大きな要求がある。前房が浅すぎる患者に
とって、人工結晶移植術に適しない。さらに、該手術は角膜内皮の摩耗を引き起こしやす
く、角膜内皮が再生できないか、不可逆的な結果をもたらすことがある。ICL移植中の
手術損傷に関して、ICL結晶と自然結晶の術後接触が白内障を引き起こす可能性がある
ため、自己角膜組織を切除する方法を避けて眼屈折能力を変える方法が要望されている。
角膜プロテーゼの移植方法は、屈折機能を有する複雑曲面の空心構成の角膜プロテーゼを
取得するプロセスを含む。角膜プロテーゼは患者の眼球と貼合う機能面を有する。手術過
程では、受術者の角膜では開口を角膜上に位置させるバルーンを製作する。角膜プロテー
ゼをバルーンに植入して、平らに敷き,平衡液で洗浄した。
レーザー手術において、角膜組織を除去することにより屈折率を変化させる方法に代えて
、角膜に角膜仮体を添加して屈折率を変化させる方法とした。角膜自体の組織欠損による
一連の術後問題を回避した。同時に、カプセル移植方式を採用し、縫合手続きを免除し、
リスクによる組織摩耗、漏れ、感染などの問題を回避した。
角膜プロテーゼは、上記実施例1~4のいずれか1つの方法により取得することができる
が、実施例5~7のいずれか1つのプリンタにより取得することもできる。
好ましい手術方案としては、バルーンの開口長度は3~5mmとする。さらにバルーンの
開口は角膜上方に位置する。
角膜プロテーゼが凸レンズである場合、本案は近視眼の治療に用いられる。角膜プロテー
ゼが凹レンズである場合、本案は遠視眼の治療に用いられる。
本発明の明細書に記載されているすべての特許および出版物は、これらが当業者の開示技
術であることを示しており、本発明は使用することができる。ここで引用されるすべての
特許および出版物は、それぞれの出版物が具体的に単独で参照されるのと同様に、参照文
献に同様に列挙される。本明細書に記載の本発明は、任意の要素または複数の要素、1つ
の制限または複数の制限が欠けている場合に実施することができ、ここでは特に説明しな
い。例えば、ここで、各例において、用語「含む」、「実質的に・・・からなる」、およ
び「からなる」は、両者のうちの1つは、残りの2つの用語で置き換えることができる。こ
こで用いられる用語および表現は、それらに限定されるものではなく、明細書で記述され
たこれらの用語および解釈を示す意図もなく、いかなる同等の特徴も排除されることを意
図しない。しかし、本発明および請求項の範囲内で任意の適切な変更または修正が可能で
あることが分かる。本発明に記載された実施例は、いずれもいくつかの好ましい実施例お
よび特徴であることが理解される。任意の当業者は、本発明の説明の真髄に従っていくつ
かの変更および変更を行うことができ、これらの変更および変更は、本発明の範囲および
請求項の範囲、および従属請求項の範囲によって制限される範囲内に属する。

Claims (7)

  1. 複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法であって、
    まず複雑曲面の空心構成の付着する底型を製作することであって、底型は被成形の複雑曲
    面に一致する形態の成形面Cを有することと、そして底型をサポートとして、底型の成形
    面Cにおいて複雑曲面の空心構成を成形することと、および、底型の成形と複雑曲面の空
    心構成の成形は、同一のワールド座標系で完成することであって、底型の成形が完成して
    から、載置台から底型を取り外し、被成形部材のプリントシステムに移植することが必要
    とせず、底型の成形面C上でその位置のまま被成形部材をプリンティングすることと、を
    含み、
    底型の成形と複雑曲面の空心構成の成形は、同一のワールド座標系にて行うことは、2つ
    のプリントシステムにおいて1つの載置台を共通することによって実現され、底型が載置
    台上で成形されると、底型と複雑曲面の空心構成の成形部材とをアライメントさせ、そし
    て底型の成形面Cで増材成形を実現し、押出式を用いて複雑曲面の空心構成を成形する場
    合、成形部材は押出ノズルであり、SLA成形を使用する場合、材料を硬化させる光学部
    材であり、
    DLP成形法によって底型の実体モデルを製作し、DLP成形において、底型が下、載置
    台が上のように位置し、載置台で底型を上昇式に成形することと、底型の成形が終了する
    と、底型が上、載置台が下のように位置するように、載置台を中心軸まわりに180°反
    転させ、および、押出ノズルと底型とをアライメントさせ、押出法による底型の実体モデ
    ルとDLP成形法による底型の実体モデルの座標系を同一させ、押出ノズルを押出法成形
    の始点位置にアライメントさせる、
    ことを特徴とする複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法。
  2. 底型成形と複雑曲面の空心構成の成形方法は、底型のデジタルモデルを構築することであ
    って、底型の成形面Cの形状は角膜プロテーゼをインプラントする眼球の表面形状である
    ことと、底型のデジタルモデルの表面上で被成形部材のデジタルモデルを取得することで
    あって、被成形部材のデジタルモデルは複雑曲面の空心構成の角膜プロテーゼであること
    と、および、被成形部材のデジタルモデルに対して3Dプリンタ経路を計画し、押出式を
    用いて底型の成形面Cをサポートとし、増材プリンティングをすることとを含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載の複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法。
  3. DLP/SLA光源の中心は載置台の中心にアライメントさせ、押出法の押出経路の中心
    は載置台の中心に重ね合わせる、
    ことを特徴とする請求項1に記載の複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法。
  4. SLA成形法を用いてDLP成形法の代わりに底型を成形し、SLA成形法を用いて底型
    を制作する実体モデルのときに、SLA成形において、底型が上、載置台が下のように位
    置し、載置台2上で底型をダウン的に成形し、底型の成形が終了するとSLAの光源4を
    撤退させ、押出ノズル7と底型とをアライメントさせ、押出法による底型の実体モデルと
    DLP成形法による底型の実体モデルの座標系を統一させ、押出ノズル7を押出法成形の
    始点位置にアライメントさせる、
    ことを特徴とする請求項1に記載の複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法。
  5. 角膜のデジタルモデルの表面は、4つの部分に区画され、第1部分は角膜視軸の正中央か
    ら半径2mm以内の円形区域であり、該区域の曲率変化範囲が0.25Dより小さく、厚
    度が均一であり、第2部分は中央近傍区であり、中央近傍区は角膜視軸の正中央から半径
    2~4mmの環形区域であり、中央近傍区の曲率半径が内側から外側まで段々大きくなり
    、中心球面からエッジ系平面へと平滑的に遷移し、第3部分は周辺区であり、周辺区は角
    膜視軸の正中央から半径4~5mmの環形区域であり、周辺区は近似扁平面であり、第4
    部分は角膜エッジ区であり、角膜エッジ区は角膜から鞏膜へと遷移する環形区域であり、
    角膜エッジ区の厚度は周辺区から鞏膜へと平滑かつ均一的に遷移する、
    ことを特徴とする請求項1又は4に記載の複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法。
  6. 増材方法により角膜プロテーゼを成形する方法を提供し、押出ノズルは、液滴の形態で材
    料を押出て、押出ノズルと底型の相対運動によって、液滴を底型の成形面にスピンコーテ
    ィングし、全体面において液滴のスピンコーティングが完了すると、全体層の材料を光硬
    化させることにより、被成形部材を形成する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法。
  7. 被成形部材のモデルは高度方向に沿ってスライスされ、押出ノズルは、1層厚ごとにおけ
    る経路が1つの完全な円を画成し、押出ノズルは、1層ごとに1つの円形軌跡だけを描き
    、液滴が押出されてから、底型の表面にコーティングし、押出ノズルは1層ごとに底型に
    1周のバイオインクをコーティングする、
    ことを特徴とする請求項6に記載の複雑曲面の空心構成の3Dプリント方法。
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