JP6401801B2 - ３次元造形物の製造方法、３次元造形物の製造装置及び３次元造形物 - Google Patents

Description

本発明は、３Ｄプリンタによる造形法の一種である粉体積層法により形成された３次元造形物、その製造方法及びその製造装置に関するものである。

３Ｄプリンタによる造形法の一種である粉体積層法は、平坦に配置された造形材料に対して接着剤の機能を有する造形液を吐出して固化することで３次元造形物の１つの層を形成し、この層を積層することによって３次元造形物を形成する手法である。

従来の粉体積層法による技術として、例えば下記の特許文献１には、造形材料の主材料として石膏粉末を用いる技術が記載されている。

特開２０１４−１８８８８８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、造形材料の主材料として石膏粉末を用いるため、完成品である３次元造形物がとても脆い（強度が低い）物となる。即ち、従来の技術では、粉体積層法による３次元造形物の形成において、強度が高く、更には、柔らかく、超音波診断装置による画像撮影が可能な３次元造形物を形成することが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、粉体積層法による３次元造形物の形成において、強度が高く、更には、柔らかく、超音波診断装置による画像撮影が可能な３次元造形物を形成できるようにすることを目的とする。

本発明の３次元造形物の製造方法は、石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料を用いて、粉体積層法により３次元造形物を形成する工程と、前記３次元造形物に対してウレタン樹脂を含浸させる工程とを有する。
本発明の３次元造形物の製造方法における他の態様は、前記ウレタン樹脂を含浸させる工程が終了した後、前記３次元造形物を水性媒体に浸漬する工程を更に有する。
また、本発明の３次元造形物の製造方法におけるその他の態様は、前記水性媒体には、防腐・防カビ剤が溶解されている。
また、本発明の３次元造形物の製造方法におけるその他の態様は、前記ウレタン樹脂を含浸させる工程が終了した後であって前記水性媒体に浸漬する工程の前に、前記３次元造形物の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する工程を更に有する。
また、本発明の３次元造形物の製造方法におけるその他の態様は、石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料を用いて、粉体積層法により３次元造形物を形成する工程と、前記３次元造形物の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する工程とを有する。
また、本発明の３次元造形物の製造方法におけるその他の態様は、前記軟質樹脂は、ウレタン樹脂を主材料として形成されている。
また、本発明の３次元造形物の製造方法におけるその他の態様は、前記軟質樹脂は、前記主材料に加えて、超音波撮影において前記中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるための超音波散乱材料を含み形成されている。
また、本発明の３次元造形物の製造方法におけるその他の態様は、前記ウレタン樹脂粉末は、前記造形材料の総重量に対する重量比率が５％〜６０％である。
また、本発明は、上述した３次元造形物の製造方法を実行する３次元造形物の製造装置、及び、上述した３次元造形物の製造方法により製造された３次元造形物を含む。

本発明によれば、粉体積層法による３次元造形物の形成において、強度が高い３次元造形物を形成することができる。さらに、本発明によれば、柔らかい３次元造形物を形成することもできる。加えて、本発明によれば、超音波診断装置による画像撮影が可能な３次元造形物を形成することもできる。例えば本発明の技術を医療分野に適用すれば、個々の患者の臓器をより実物に近い形で再現した３次元造形物を形成することができるため、例えばその３次元造形物を一般の手術トレーニングや超音波診断装置を利用した手術トレーニング等に用いることができ、医療の質の向上を図ることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置により実行される３次元造形物の製造方法における処理手順の一例を示すフローチャートである。 図３は、図１に示す３次元造形物形成装置の具体的な動作の一例を示す模式図である。 図４は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す造形材料の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率（％）を変化させて製造した３次元造形物（水性媒体浸漬後）の引張強度試験の結果を示す特性図である。 図５は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す造形材料の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率（％）を変化させて製造した３次元造形物（ウレタン樹脂含浸前）、３次元造形物（ウレタン樹脂含浸後）、及び、３次元造形物（水性媒体浸漬後）のゴム硬度試験の結果を示す特性図である。 図６は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す造形材料の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率（％）を変化させて製造した３次元造形物の水中保管における形状保持の可否を示す図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形物の製造装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形物の製造装置により実行される３次元造形物の製造方法における処理手順の一例を示すフローチャートである。 図９Ａは、超音波撮影を行った３次元造形物を示す図である。 図９Ｂは、比較例を示し、中空領域を形成せずに（即ち軟質樹脂を形成せずに軟質樹脂の部分も全て粉末を混合させた造形材料で）製造した３次元造形物の外観図である。 図９Ｃは、比較例を示し、中空領域を形成せずに（即ち軟質樹脂を形成せずに軟質樹脂の部分も全て粉末を混合させた造形材料で）製造した図９Ｂの３次元造形物を超音波撮影した結果を示す図である。 図９Ｄは、本発明の第２の実施形態を示し、中空領域に軟質樹脂を形成した図９Ａの３次元造形物を超音波撮影した結果を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置の概略構成について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置１００の概略構成の一例を示すブロック図である。

本実施形態に係る３次元造形物の製造装置１００は、図１に示すように、情報入力装置１１０、情報処理・制御装置１２０、３次元造形物形成装置１３０、第１の熱処理装置１４０、ウレタン樹脂含浸装置１５０、第２の熱処理装置１６０、及び、水性媒体浸漬装置１７０を有して構成されている。

情報入力装置１１０は、各種のデータを含む各種の情報を情報処理・制御装置１２０に対して入力する装置である。この情報入力装置１１０は、例えば、パーソナルコンピュータにおけるキーボード及びマウスから構成されていても、また、コンピュータネットワークに接続するための通信インターフェイスであってもよい。

情報処理・制御装置１２０は、情報入力装置１１０から入力された各種の情報を処理し、また、３次元造形物の製造装置１００における動作を統括的に制御する装置である。例えば、情報処理・制御装置１２０は、情報入力装置１１０から入力された各種の情報に基づいて、３次元造形物の製造装置１００における各装置（１３０〜１７０）を制御する。

３次元造形物形成装置１３０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料２００を用いて、粉体積層法により３次元造形物３００−１を形成する装置である。なお、本実施形態においては、造形材料２００には、石膏粉末にウレタン樹脂粉末に加えて更に防腐・防カビ剤が混合されている。

ここで、造形材料２００について詳しく説明する。
本実施形態における造形材料２００は、上述したように、石膏粉末にウレタン樹脂粉末及び防腐・防カビ剤が混合されている。具体的に、本実施形態では、造形材料２００に含まれる防腐・防カビ剤として、銀含有非晶質ガラス粉末を用いる。

以下に、造形材料２００に含まれる各粉末の重量比率について記載する。
造形材料２００に含まれるウレタン樹脂粉末は、造形材料２００の総重量に対する重量比率が５％〜６０％の範囲であることが好適である。これは、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が５％未満になると、石膏が支配的になって完成品である３次元造形物３００が強度不足で脆くなるという不具合が生じ、また、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が６０％を超えると、完成品である３次元造形物３００を保管（水性媒体中の保管）する際にその３次元造形物３００の形状が保てず崩れてしまうという不具合が生じるためである。さらに、完成品である３次元造形物３００の強度を高くするという観点からは、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が２０％〜４０％の範囲であることが最適である。また、造形材料２００に含まれる防腐・防カビ剤は、造形材料２００の総重量に対する重量比率が０．１％〜５％の範囲であることが好適である。これは、造形材料２００の総重量に対する防腐・防カビ剤の重量比率が０．１％未満になると、完成品である３次元造形物３００の防腐・防カビ機能が不十分になるという不具合が生じるためである。また、造形材料２００に含まれる石膏粉末は、造形材料２００の総重量に対する重量比率が３５％〜９４．９％の範囲であることが好適である。

第１の熱処理装置１４０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、３次元造形物形成装置１３０で形成された３次元造形物３００−１を所定の温度で熱処理（第１の熱処理）する装置である。本実施形態においては、第１の熱処理装置１４０は、３次元造形物３００−１に対して、最初に、温度５０℃程度で３０分〜１時間の熱処理を行い、次いで、温度８０℃程度で３０分〜１時間の熱処理を行う。本例では、この第１の熱処理装置１４０による第１の熱処理により、３次元造形物３００−１の全体の水分をとばして石膏粒子間を固着させる。

ウレタン樹脂含浸装置１５０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、第１の熱処理装置１４０で熱処理された３次元造形物３００−２に対してウレタン樹脂を含浸させる装置である。ここで、ウレタン樹脂含浸装置１５０による含浸方法としては、例えば、刷毛を用いてウレタン樹脂を含浸させる形態や、ウレタン樹脂をスプレーで吹き付けて含浸させる形態、或いは、ウレタン樹脂で満たされた容器に３次元造形物３００−２を浸漬して含浸させる形態等を採ることが可能である。また、本実施形態においては、ウレタン樹脂含浸装置１５０で用いるウレタン樹脂としては、液状のウレタン樹脂で硬化可能であれば特に限定されないが、１液湿気硬化型ウレタン樹脂を用いることにより作業の簡素化を図ることができ好ましい。また、本実施形態においては、ウレタン樹脂含浸装置１５０で用いるウレタン樹脂の材料として、ポリオールとポリイソシアネートの混合物を酢酸ブチルや酢酸エチルなどで希釈したウレタン樹脂を用いる。

第２の熱処理装置１６０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、ウレタン樹脂含浸装置１５０でウレタン樹脂含浸処理がなされた３次元造形物３００−３を所定の温度で熱処理（第２の熱処理）する装置である。本実施形態においては、第２の熱処理装置１６０は、３次元造形物３００−３に対して、最初に、温度１５℃以上の温度で１２時間〜２４時間の熱処理を行い、次いで、温度８０℃程度で２時間程度の熱処理を行う。本例では、この第２の熱処理装置１６０による第２の熱処理により、ウレタン樹脂含浸装置１５０で含浸させたウレタン樹脂を硬化させる。

水性媒体浸漬装置１７０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、第２の熱処理装置１６０で熱処理された３次元造形物３００−４を水性媒体に浸漬する装置である。ここで、水性媒体とは、３次元造形物３００の強度と柔らかさを損なうことがなければ特に限定されないが、水、生理食塩水、緩衝液、グリセリンやエチレングリコール等の水性有機溶媒、または、これらの混合物等を挙げることができ、それらに水溶性の物質を溶解させることもできる。また、１つの態様として、上述した水性媒体に防腐・防カビ剤を添加することができる。防腐・防カビ剤は、３次元造形物３００−４及び水性媒体の防腐・防カビ機能を有し、３次元造形物３００の強度と柔らかさに影響を及ぼすことがない、水溶性の防腐・防カビ剤であれば特に限定されないが、取扱いや手術トレーニング等を行うことを考慮すれば、刺激性の低いものが好ましく、過酸化水素、次亜塩素酸、次亜塩素酸ナトリウム、フェノキシエタノール、安息香酸ナトリウム、パラオキシ安息香酸エステルまたはその塩等を挙げることができ、それぞれ防腐・防カビ機能を発揮する適切な濃度で使用できる。本実施形態においては、水性媒体浸漬装置１７０は、例えば、３次元造形物３００−４を、温度８０℃〜９５℃の水性媒体に１時間程度浸漬させることが好適である。そして、例えば手術トレーニング等を行う際には、３次元造形物の製造装置１００は、水性媒体浸漬装置１７０から３次元造形物３００−５を取り出す処理を行う。

なお、図１に示す例では、第１の熱処理装置１４０と第２の熱処理装置１６０との２つの熱処理装置を設ける態様を示しているが、本実施形態においては、この態様に限定されるものではなく、例えば１つの熱処理装置を設けて、この１つの熱処理装置において第１の熱処理装置１４０による第１の熱処理と第２の熱処理装置１６０による第２の熱処理の両方を行う態様も、本実施形態に適用可能である。また、３次元造形物３００を長時間かけて自然乾燥させる場合等には、第１の熱処理装置１４０及び第２の熱処理装置１６０のうちのいずれか一方或いは両方を設けない態様も、本実施形態に適用可能である。

次に、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置１００により実行される３次元造形物の製造方法の処理手順について説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置１００により実行される３次元造形物の製造方法における処理手順の一例を示すフローチャートである。以下に、この図２に示すフローチャートの処理を、図１を参照しながら説明する。

まず、図２のステップＳ１において、図１の情報入力装置１１０は、情報処理・制御装置１２０に対して、３次元造形データを入力する処理を行う。そして、情報処理・制御装置１２０は、例えば、情報入力装置１１０から入力された３次元造形データを情報処理して積層数Ｎのスライスデータとする。また、情報処理・制御装置１２０は、積層数Ｎの設定を行う。その後、情報処理・制御装置１２０は、３次元造形物形成装置１３０に対して、３次元造形データの各層のスライスデータに係る情報と３次元造形データの積層数Ｎに係る情報等を送信する。そして、情報処理・制御装置１２０から３次元造形データの各層のスライスデータに係る情報と３次元造形データの積層数Ｎに係る情報等を受信した３次元造形物形成装置１３０は、図２において破線枠で囲んだ以下のステップＳ２〜ステップＳ６の処理を行う。

図２のステップＳ２において、図１の３次元造形物形成装置１３０は、形成対象の層を示す積層番号ｎに１を設定する。

続いて、図２のステップＳ３において、図１の３次元造形物形成装置１３０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、造形領域部に、ｎ層目の造形材料２００の供給を行う。

続いて、図２のステップＳ４において、図１の３次元造形物形成装置１３０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、３次元造形データのｎ層目のスライスデータに基づいて、ｎ層目の造形材料２００の所定位置に、接着剤の機能を有する造形液を塗布する。

続いて、図２のステップＳ５において、図１の３次元造形物形成装置１３０は、現在設定されている積層番号ｎが、ステップＳ１で設定された積層数Ｎより小さいか否かを判断する。

ステップＳ５の判断の結果、現在設定されている積層番号ｎが、ステップＳ１で設定された積層数Ｎより小さい場合には（Ｓ５／ＹＥＳ）、全ての層のスライスデータにおける処理は未だ完了していないと判断し、図２のステップＳ６に進む。

図２のステップＳ６に進むと、図１の３次元造形物形成装置１３０は、形成対象の層を示す積層番号ｎに１を加算して、形成対象の層を示す積層番号ｎを変更する。その後、ステップＳ３に戻り、変更した積層番号ｎに基づく処理を行う。即ち、図２に示すフローチャートの処理では、ステップＳ３〜ステップＳ６の処理は、ステップＳ１で設定された積層数Ｎの数だけ繰り返し行われることになる。

また、ステップＳ５の判断の結果、現在設定されている積層番号ｎが、ステップＳ１で設定された積層数Ｎより小さくない場合には（Ｓ５／ＮＯ）、全ての層のスライスデータにおける処理が完了したと判断し、図２のステップＳ７に進む。

ここで、図２のステップＳ７の説明を行う前に、上述したステップＳ２〜ステップＳ６における３次元造形物形成装置１３０の具体的な動作について説明する。

図３は、図１に示す３次元造形物形成装置１３０の具体的な動作の一例を示す模式図である。具体的に、図３は、粉体積層法により３次元造形物３００−１を形成する際の３次元造形物形成装置１３０の具体的な動作の一例を示すものである。

３次元造形物形成装置１３０は、図３のプロセスＰ１に示すように、ローラー１３１、プリンタヘッド１３２、造形材料貯蔵部１３３、ピストン１３４、造形領域部１３５、ピストン１３６、及び、造形材料排出部１３７を有して構成されている。

ローラー１３１は、造形領域部１３５に１層ごとの造形材料２００を供給するための動作を行うものである。

プリンタヘッド１３２は、３次元造形データの各層のスライスデータに基づいて、造形領域部１３５に供給された当該各層の造形材料２００の所定位置に、接着剤の機能を有する造形液を塗布する。ここで、図３に示す例では、プリンタヘッド１３２は、ローラー１３１と一体となって動作するものとする。

造形材料貯蔵部１３３は、粉体積層法により３次元造形物３００−１を形成する際に用いる造形材料２００を貯蔵するものである。

ピストン１３４は、造形材料貯蔵部１３３に貯蔵されている造形材料２００を造形領域部１３５に供給する際に動作するものである。

造形領域部１３５は、３次元造形物３００−１を形成する領域部である。

ピストン１３６は、３次元造形物３００−１を形成する際に動作するものである。

造形材料排出部１３７は、造形領域部１３５に供給された造形材料２００のうち、余分な造形材料２００を排出するためのものである。

まず、図３のプロセスＰ１では、ローラー１３１とプリンタヘッド１３２は、造形材料貯蔵部１３３の左側に位置している。そして、図３のプロセスＰ１において、ローラー１３１は、回転を行いながら、プリンタヘッド１３２とともに紙面右側に移動する。

そうすると、図３のプロセスＰ２に示すように、造形材料貯蔵部１３３に貯蔵されている所定量の造形材料２００が造形領域部１３５に供給される。

そして、ローラー１３１がプリンタヘッド１３２とともに造形領域部１３５を通過すると、図３のプロセスＰ３に示すように、造形領域部１３５に供給された造形材料２００が引き伸ばされて平坦となり、造形領域部１３５に１層目の造形材料２００が敷かれる。さらに、図３のプロセスＰ３に示すように、ローラー１３１で造形材料２００を引き伸ばした際に生じた余分な造形材料２００は、造形材料排出部１３７に排出される。図３のプロセスＰ３では、ローラー１３１とプリンタヘッド１３２が造形材料排出部１３７の右側に移動した様子を示している。

この図３のプロセスＰ１〜図３のプロセスＰ３に示す工程は、図２のステップＳ３に相当する。

次いで、図３のプロセスＰ４に示すように、プリンタヘッド１３２がローラー１３１とともに紙面左側に移動して造形領域部１３５に到着すると、プリンタヘッド１３２は、３次元造形データの１層目のスライスデータに基づいて、１層目の造形材料２００の所定位置に、接着剤の機能を有する造形液２０１を塗布する。この際、プリンタヘッド１３２から塗布する造形液２０１には、各種の色を付けることができるため、例えば患者の臓器に係る３次元造形物３００−１を形成する場合にはより実物に近い形で３次元造形物を形成することができ、更に患部（病変部）等を把握することも可能となる。

この図３のプロセスＰ４に示す工程は、図２のステップＳ４に相当する。そして、図３のプロセスＰ１〜図３のプロセスＰ４に示す工程により、３次元造形データの１層目のスライスデータに基づく造形が終了する。

プリンタヘッド１３２による造形液２０１の塗布が終了すると、図３のプロセスＰ５に示すように、プリンタヘッド１３２とローラー１３１は、造形材料貯蔵部１３３の左側の位置に移動する。次いで、２層目の造形に備えて、ピストン１３４が所定量上昇して造形材料貯蔵部１３３に貯蔵されている造形材料２００を押し上げ、また、ピストン１３６が所定量下降して造形領域部１３５に２層目の造形材料２００を敷くスペースを作る。その後、図３のプロセスＰ１に示す工程に移行し、２層目以降の造形が行われる。

図２に示すように積層数Ｎのスライスデータが存在する場合には、図３のプロセスＰ１〜図３のプロセスＰ５の工程が、積層数Ｎの数だけ繰り返し行われることになる。

ここで、再び、図２の説明に戻る。
全ての層のスライスデータにおける処理が完了すると、図２のステップＳ７に進む。
図２のステップＳ７に進むと、図１の第１の熱処理装置１４０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、３次元造形物形成装置１３０で形成された３次元造形物３００−１を所定の温度で熱処理（第１の熱処理）を行う。本実施形態においては、第１の熱処理装置１４０は、３次元造形物３００−１に対して、最初に、温度５０℃程度で３０分〜１時間の熱処理を行い、次いで、温度８０℃程度で３０分〜１時間の熱処理を行う。

続いて、図２のステップＳ８において、図１のウレタン樹脂含浸装置１５０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、ステップＳ７で第１の熱処理がされた３次元造形物３００−２に対してウレタン樹脂を含浸させる処理を行う。ここで、ウレタン樹脂含浸装置１５０による含浸方法としては、例えば、刷毛を用いてウレタン樹脂を含浸させる形態や、ウレタン樹脂をスプレーで吹き付けて含浸させる形態、或いは、ウレタン樹脂で満たされた容器に３次元造形物３００−２を浸漬して含浸させる形態等を採ることが可能である。また、本実施形態においては、ウレタン樹脂含浸装置１５０で用いるウレタン樹脂としては、液状のウレタン樹脂で硬化可能であれば特に限定されないが、１液湿気硬化型ウレタン樹脂を用いることにより作業の簡素化を図ることができ好ましい。また、本実施形態においては、ウレタン樹脂含浸装置１５０で用いるウレタン樹脂の材料として、ポリオールとポリイソシアネートの混合物を酢酸ブチルや酢酸エチルなどで希釈したウレタン樹脂を用いる。

続いて、図２のステップＳ９において、図１の第２の熱処理装置１６０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、ステップＳ８でウレタン樹脂含浸処理がなされた３次元造形物３００−３を所定の温度で熱処理（第２の熱処理）を行う。本実施形態においては、第２の熱処理装置１６０は、３次元造形物３００−３に対して、最初に、温度１５℃以上の温度で１２時間〜２４時間の熱処理を行い、次いで、温度８０℃程度で２時間程度の熱処理を行う。

続いて、図２のステップＳ１０において、図１の水性媒体浸漬装置１７０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、ステップＳ９で第２の熱処理がされた３次元造形物３００−４を水性媒体に浸漬する処理を行う。そして、例えば手術トレーニング等を行う際には、３次元造形物の製造装置１００は、水性媒体浸漬装置１７０から３次元造形物３００−５を取り出す処理を行う。

なお、３次元造形物３００を長時間かけて自然乾燥させる場合等には、必要に応じて、図２のステップＳ７における第１の熱処理及び図２のステップＳ９における第２の熱処理のうちのいずれか一方或いは両方を省略する態様も、本実施形態に適用可能である。

図２のステップＳ１０の処理が終了すると、図２に示すフローチャートの処理が終了する。図２に示すフローチャートの処理により、粉体積層法により石膏とウレタン樹脂とを含み（更には防腐・防カビ剤を含み）形成されて成る３次元造形物３００が製造される。

次に、本発明者が行った試験の結果について説明する。

図４は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率（％）を変化させて製造した３次元造形物３００−５（水性媒体浸漬後）の引張強度試験の結果を示す特性図である。具体的に、図４は、図１の水性媒体浸漬装置１７０において、１週間〜２週間、水性媒体に浸漬させた各３次元造形物３００−５（後述する図５の３次元造形物３００−５（水性媒体浸漬後））の引張強度試験の結果を示す特性図である。また、図４では、各３次元造形物３００−５が破断するまでの引張強度試験の結果を示している。即ち、図４に示す各グラフの終端（右上端）は、その荷重で各試験片が破断したことを示している。また、図４は、各試験片の標線間距離を５０ｍｍとして引張強度試験を行った結果である。また、図４は、島津製作所社製の「ＡｕｔｏＧｒａｐｈ ＡＧ−ＩＳ ５０ｋＮ」の引張強度試験装置を用いて得られた結果である。

図４に示す引張強度試験の結果から、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が１０％，２０％，３０％及び４０％の３次元造形物３００−５は、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が０％（即ち造形材料２００としてウレタン樹脂粉末を混合させない）の３次元造形物よりも、引張強度が高くなることが分かった。上述したように、本実施形態では、造形材料２００に含まれるウレタン樹脂粉末は、造形材料２００の総重量に対する重量比率が５％〜６０％の範囲であることが好適であるとしている。この点、図４には、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が５％の場合の引張強度試験の結果が示されていないが、本発明者は、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が５％の３次元造形物３００−５は、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が０％（即ち造形材料２００としてウレタン樹脂粉末を混合させない）の３次元造形物よりも、引張強度が高くなるという知見を得ている。

また、上述したように、本実施形態では、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が２０％〜４０％の範囲であることが最適であるとしている。この点、図４に示す引張強度試験の結果から、完成品である３次元造形物３００の強度を高くするという観点からは妥当であると言える。

図５は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率（％）を変化させて製造した３次元造形物３００−２（ウレタン樹脂含浸前）、３次元造形物３００−３（ウレタン樹脂含浸後）、及び、３次元造形物３００−５（水性媒体浸漬後）のゴム硬度試験の結果を示す特性図である。具体的に、図５の３次元造形物３００−５（水性媒体浸漬後）は、図１の水性媒体浸漬装置１７０において、１週間〜２週間、水性媒体に浸漬させたものである。また、図５は、デュロメーター・タイプＡのゴム硬度試験装置を用いて得られた結果である。

図５に示すゴム硬度試験の結果から、３次元造形物３００−５（水性媒体浸漬後）は、水性媒体に浸漬させることにより、それぞれ、水性媒体に浸漬させる前の３次元造形物３００−２（ウレタン樹脂含浸前）や３次元造形物３００−３（ウレタン樹脂含浸後）よりも、著しく柔らかくなることが分かった。さらに、図５に示すゴム硬度試験の結果から、各３次元造形物３００−５（水性媒体浸漬後）は、いずれも、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が０％の３次元造形物３００−２（ウレタン樹脂含浸前）よりも、柔らかくなることが分かった。また、図５に示すゴム硬度試験の結果から、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が５％，２０％及び３０％の３次元造形物３００−３（ウレタン樹脂含浸後）は、ウレタン樹脂を含浸させることにより、それぞれ、ウレタン樹脂を含浸させる前の３次元造形物３００−２（ウレタン樹脂含浸前）よりも、若干ではあるが柔らかくなることが分かった。

図６は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率（％）を変化させて製造した３次元造形物３００−５の水中保管における形状保持の可否を示す図である。図６では、水中保管において形状を保持できた３次元造形物３００−５を「○」で示し、水中保管において形状を保持できなかった３次元造形物３００−５を「×」で示している。

図６に示すように、図１に示す造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が６０％までの３次元造形物３００−５は、水性媒体中の保管の際にその３次元造形物３００−５の形状を保持することができるのに対し、図１に示す造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率が８０％の３次元造形物は、水性媒体中の保管の際にその３次元造形物の形状が保てず崩れてしまうという結果が得られた。上述したように、本実施形態では、造形材料２００に含まれるウレタン樹脂粉末は、造形材料２００の総重量に対する重量比率が５％〜６０％の範囲であることが好適であるとしている。この点、造形材料２００の総重量に対するウレタン樹脂粉末の重量比率の上限を６０％とすることは、図６に示す結果から、水性媒体中に保管する際に完成品である３次元造形物３００の形状を保持するという観点からは妥当であると言える。

本発明の第１の実施形態によれば、石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料を用いて粉体積層法により３次元造形物３００を形成し、当該３次元造形物３００に対してウレタン樹脂を含浸させるようにしたので、図４を用いて説明したように、石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させない（０％）造形材料を用いて形成した３次元造形物よりも、強度が高い３次元造形物を形成することができる。また、図５を用いて説明したように、ウレタン樹脂を含浸させることにより、ウレタン樹脂を含浸させる前の３次元造形物３００よりも、若干ではあるが柔らかくすることもできる。さらに、本発明の第１の実施形態によれば、ウレタン樹脂を含浸させた後、３次元造形物３００を水性媒体に浸漬するようにしたので、図５を用いて説明したように、より柔らかい３次元造形物を形成することができる。例えば本実施形態の技術を医療分野に適用すれば、個々の患者の臓器をより実物に近い形で再現した３次元造形物を形成することができるため、例えばその３次元造形物を手術トレーニング等に用いることができ、医療の質の向上を図ることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形物の製造装置の概略構成について説明する。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形物の製造装置４００の概略構成の一例を示すブロック図である。この図７において、図１に示す第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置１００の概略構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る３次元造形物の製造装置４００は、図７に示すように、情報入力装置１１０、情報処理・制御装置１２０、３次元造形物形成装置１３０、第１の熱処理装置１４０、ウレタン樹脂含浸装置１５０、第２の熱処理装置１６０、軟質樹脂形成装置４１０、第３の熱処理装置４２０、及び、水性媒体浸漬装置４３０を有して構成されている。

図７において、情報入力装置１１０、情報処理・制御装置１２０、３次元造形物形成装置１３０、第１の熱処理装置１４０、ウレタン樹脂含浸装置１５０及び第２の熱処理装置１６０は、図１に示す第１の実施形態に係る３次元造形物の製造装置１００における各構成と同様であるため、その説明は省略する。但し、情報処理・制御装置１２０は、情報入力装置１１０から入力された各種の情報に基づいて、３次元造形物の製造装置４００における各装置（１３０〜１６０，４１０〜４３０）を制御する。

軟質樹脂形成装置４１０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、３次元造形物３００−４の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する装置である。

ここで、軟質樹脂形成装置４１０で用いる軟質樹脂５００について説明する。
本実施形態における軟質樹脂５００は、ポリオール化合物にポリイソシアネート化合物などを混合したウレタン樹脂を主材料として形成されている。具体的に、本実施形態における軟質樹脂５００は、ポリオール化合物の主剤と、ポリイソシアネート化合物などの硬化剤等（例えば、ポリイソシアネート、ジイソノニールフタレート（ＤＩＮＰ）及びヘキサメチレンジイソシアネートを含む硬化剤等）との２液混合のウレタン樹脂を主材料として含み形成されている。この際、上述した硬化剤等において、ポリイソシアネートは当該硬化剤等の総重量に対する重量比率が１０％〜２０％の範囲であることが好適であり、ジイソノニールフタレートは当該硬化剤等の総重量に対する重量比率が８０％〜９０％の範囲であることが好適であり、ヘキサメチレンジイソシアネートは当該硬化剤等の総重量に対する重量比率が０．１５％以下であることが好適である。さらに、本実施形態においては、軟質樹脂５００は、上述した主材料に加えて、超音波撮影において３次元造形物３００の中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるための超音波散乱材料を含み形成されているものとする。この際、本実施形態においては、超音波散乱材料として、ウレタン樹脂粉末を用いるものとするが、本発明においてはこれに限定されるものではなく、例えば、カーボン粉末や石膏粉末を用いるようにしてもよい。さらに、本実施形態における軟質樹脂５００に顔料を混ぜて、３次元造形物３００に形成される軟質樹脂に各種の色を付けることができるようにしてもよい。

以下に、軟質樹脂５００に含まれる超音波散乱材料の重量比率について記載する。軟質樹脂５００に含まれる超音波散乱材料は、超音波撮影において３次元造形物３００の中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるという観点から、軟質樹脂５００に含まれる２液混合のウレタン樹脂の総重量に対する重量比率が１０％〜２５％の範囲であることが好適である。これは、軟質樹脂５００に含まれる２液混合のウレタン樹脂の総重量に対する超音波散乱材料の重量比率が、１０％未満になる場合及び２５％を超える場合には、超音波撮影において３次元造形物３００の中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させることが困難になるという不具合が生じるためである。

第３の熱処理装置４２０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、軟質樹脂形成装置４１０において軟質樹脂ｓｒが形成された３次元造形物３００−６を所定の温度で熱処理（第３の熱処理）する装置である。本実施形態においては、第３の熱処理装置４２０は、３次元造形物３００−６に対して、温度６０℃程度で３時間程度の熱処理を行う。本例では、この第３の熱処理装置４２０による第３の熱処理により、３次元造形物３００−６における軟質樹脂ｓｒを硬化させる。

水性媒体浸漬装置４３０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、第３の熱処理装置４２０で熱処理された３次元造形物３００−７を水性媒体に浸漬する装置である。ここで、水性媒体とは、３次元造形物３００の強度と柔らかさを損なうことがなければ特に限定されないが、水、生理食塩水、緩衝液、グリセリンやエチレングリコール等の水性有機溶媒、または、これらの混合物等を挙げることができ、それらに水溶性の物質を溶解させることもできる。また、１つの態様として、上述した水性媒体に防腐・防カビ剤を添加することができる。防腐・防カビ剤は、３次元造形物３００−７及び水性媒体の防腐・防カビ機能を有し、３次元造形物３００の強度と柔らかさに影響を及ぼすことがない、水溶性の防腐・防カビ剤であれば特に限定されないが、取扱いや手術トレーニング等を行うことを考慮すれば、刺激性の低いものが好ましく、過酸化水素、次亜塩素酸、次亜塩素酸ナトリウム、フェノキシエタノール、安息香酸ナトリウム、パラオキシ安息香酸エステルまたはその塩等を挙げることができ、それぞれ防腐・防カビ機能を発揮する適切な濃度で使用できる。本実施形態においては、水性媒体浸漬装置４３０は、例えば、３次元造形物３００−７を、温度８０℃〜９５℃の水性媒体に１時間程度浸漬させることが好適である。そして、例えば手術トレーニング等を行う際には、３次元造形物の製造装置４００は、水性媒体浸漬装置４３０から３次元造形物３００−８を取り出す処理を行う。

なお、図７に示す例では、第１の熱処理装置１４０と第２の熱処理装置１６０と第３の熱処理装置４２０との３つの熱処理装置を設ける態様を示しているが、本実施形態においては、この態様に限定されるものではなく、例えば１つの熱処理装置を設けて、この１つの熱処理装置において第１の熱処理装置１４０による第１の熱処理と第２の熱処理装置１６０による第２の熱処理と第３の熱処理装置４２０による第３の熱処理とを行う態様も、本実施形態に適用可能である。また、３次元造形物３００を長時間かけて自然乾燥させる場合等には、第１の熱処理装置１４０、第２の熱処理装置１６０及び第３の熱処理装置４２０のうちの少なくともいずれか１つ或いはその全てを設けない態様も、本実施形態に適用可能である。例えば、第３の熱処理装置４２０を設けずに、３次元造形物３００−６における軟質樹脂ｓｒを長時間かけて反応させる場合等には、室温で２４時間程度の反応を要する。

次に、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形物の製造装置４００により実行される３次元造形物の製造方法の処理手順について説明する。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形物の製造装置４００により実行される３次元造形物の製造方法における処理手順の一例を示すフローチャートである。以下に、この図８に示すフローチャートの処理を、図７を参照しながら説明する。また、図８に示すフローチャートの処理において、図２に示す第１の実施形態におけるフローチャートの処理と同様の処理ステップについては同じステップ番号を付しており、その詳細な説明は省略する。

図８に示すフローチャートの処理においては、まず、図２に示す第１の実施形態におけるフローチャートのステップＳ１〜Ｓ９の処理を行う。これにより、図７に示す３次元造形物３００−４が得られる。

続いて、図８のステップＳ２１において、図７の軟質樹脂形成装置４１０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、３次元造形物３００−４の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する処理を行う。ここで、軟質樹脂形成装置４１０で用いる軟質樹脂５００は、上述したように、ポリオール化合物の主剤とポリイソシアネート化合物などの硬化剤等との２液混合のウレタン樹脂を主材料として含むとともに、この主材料に加えて、超音波撮影において３次元造形物３００の中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるための超音波散乱材料を含み形成されているものとする。

続いて、図８のステップＳ２２において、図７の第３の熱処理装置４２０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、軟質樹脂形成装置４１０において軟質樹脂ｓｒが形成された３次元造形物３００−６を所定の温度で熱処理（第３の熱処理）を行う。本実施形態においては、第３の熱処理装置４２０は、３次元造形物３００−６に対して、温度６０℃程度で３時間程度の熱処理を行う。

続いて、図８のステップＳ２３において、図７の水性媒体浸漬装置４３０は、情報処理・制御装置１２０の制御に従って、第３の熱処理装置４２０で熱処理された３次元造形物３００−７を水性媒体に浸漬する処理を行う。そして、例えば手術トレーニング等を行う際には、３次元造形物の製造装置４００は、水性媒体浸漬装置４３０から３次元造形物３００−８を取り出す処理を行う。

なお、３次元造形物３００を長時間かけて自然乾燥させる場合等には、必要に応じて、図８のステップＳ７における第１の熱処理、図８のステップＳ９における第２の熱処理及び図８のステップＳ２２における第３の熱処理のうちの少なくともいずれか１つ或いはその全てを省略する態様も、本実施形態に適用可能である。例えば、図８のステップＳ２２における第３の熱処理を行わずに、３次元造形物３００−６における軟質樹脂ｓｒを長時間かけて反応させる場合等には、室温で２４時間程度の反応を要する。

図８のステップＳ２３の処理が終了すると、図８に示すフローチャートの処理が終了する。図８に示すフローチャートの処理により、粉体積層法により石膏とウレタン樹脂とを含み（更には防腐・防カビ剤を含み）、且つ、軟質樹脂ｓｒが形成されて成る３次元造形物３００が製造される。

次に、本発明者が行った超音波撮影の結果について説明する。具体的に、以下に説明する超音波撮影は、ＧＥヘルスケア社製の「ＬｏｇｉＱ−Ｓ８」の超音波診断装置を用いて、撮影時の周波数Ｆｑを８ＭＨｚ、フレームレートＦＲを３６として行われたものである。

図９Ａは、超音波撮影を行った３次元造形物３００を示す図である。具体的に、図９Ａには、超音波撮影を行った３次元造形物３００を２つに分割した３次元造形物分割片３００ａ及び３００ｂが示されている。
また、図９Ｂは、比較例を示し、中空領域を形成せずに（即ち軟質樹脂を形成せずに軟質樹脂の部分も全て粉末を混合させた造形材料で）製造した３次元造形物３００の外観図である。

図９Ｃは、比較例を示し、中空領域を形成せずに（即ち軟質樹脂を形成せずに軟質樹脂の部分も全て粉末を混合させた造形材料で）製造した図９Ｂの３次元造形物３００を超音波撮影した結果を示す図である。

図９Ｃに示す結果から、３次元造形物３００の内部は超音波撮影において映出できていないことが分かる。これは、図９Ｃに示す結果を得た３次元造形物３００の内部は、中空領域を形成せずに（即ち軟質樹脂を形成せずに軟質樹脂の部分も全て粉末を混合させた造形材料で）製造されたため、超音波が３次元造形物３００の表面近傍で吸収されてしまい、内部に伝播していかないために輪郭しか映出されていないためである。

図９Ｄは、本発明の第２の実施形態を示し、中空領域に軟質樹脂ｓｒを形成した図９Ａの３次元造形物３００を超音波撮影した結果を示す図である。

図９Ｄに示す結果から、３次元造形物３００において軟質樹脂ｓｒを形成した領域は超音波撮影において映出できていることが分かる。これは、軟質樹脂５００に、上述した超音波散乱材料を含ませている結果得られたものと考えられる。また、図９Ｃの超音波撮影結果をもたらした３次元造形物は粉末を混合させた造形材料のみで製造され、内部まで超音波が伝播していなかったのに対し、図９Ｄの超音波撮影結果をもたらした３次元造形物は内部に中空領域を設けたので、粉末を混合させた造形材料で製造された表面部分の厚みが薄く、超音波が中空領域に形成された軟質樹脂ｓｒに到達して伝播し、また軟質樹脂５００に上述した超音波散乱材料を含ませている結果、適度に超音波が散乱されて得られたものと考えられる。なお、図９Ｄの中央付近の縦の黒い帯状の領域は、この黒い帯の上部に相当し粉末を混合させた造形材料で製造された中空領域の外殻部分と、その下側の中空領域に形成された軟質樹脂との間に、この超音波撮影の際に空気が入ってしまい軟質樹脂に超音波が伝播しなかったため、超音波散乱材料を含ませた軟質樹脂が映出できずに黒い帯状の領域となったものである。空気が入らなければ軟質樹脂に超音波が伝播して黒い帯状の領域の左右と同じように超音波が散乱した部分が白く映出されるため、この黒い帯状の領域は発明の効果の説明には影響しないものである。

本発明の第２の実施形態によれば、３次元造形物３００の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂ｓｒを形成するようにしたので、第１の実施形態における効果に加えて、柔らかさの異なる部分を有する３次元造形物３００を形成することができる。さらに、本発明の第２の実施形態によれば、軟質樹脂に、超音波撮影において３次元造形物３００の中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるための超音波散乱材料を含み形成するようにしたので、超音波診断装置による画像撮影が可能な３次元造形物３００を形成することもできる。例えば本実施形態の技術を医療分野に適用すれば、例えば病変部分を軟質樹脂ｓｒで再現することにより、個々の患者の臓器をより実物に近い形で再現した３次元造形物を形成することができるため、例えばその３次元造形物を一般の手術トレーニングや超音波診断装置を利用した手術トレーニング等に用いることができ、医療の質の向上を図ることが可能となる。

なお、上述した本発明の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

Claims (19)

1. 石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料を用いて、粉体積層法により３次元造形物を形成する工程と、
   前記３次元造形物に対してウレタン樹脂を含浸させる工程と
   を有することを特徴とする３次元造形物の製造方法。
2. 前記ウレタン樹脂を含浸させる工程が終了した後、前記３次元造形物を水性媒体に浸漬する工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
3. 前記水性媒体には、防腐・防カビ剤が溶解されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元造形物の製造方法。
4. 前記ウレタン樹脂を含浸させる工程が終了した後であって前記水性媒体に浸漬する工程の前に、前記３次元造形物の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項２または３に記載の３次元造形物の製造方法。
5. 石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料を用いて、粉体積層法により３次元造形物を形成する工程と、
   前記３次元造形物の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する工程と
   を有することを特徴とする３次元造形物の製造方法。
6. 前記軟質樹脂は、ウレタン樹脂を主材料として形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の３次元造形物の製造方法。
7. 前記軟質樹脂は、前記主材料に加えて、超音波撮影において前記中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるための超音波散乱材料を含み形成されていることを特徴とする請求項６に記載の３次元造形物の製造方法。
8. 前記ウレタン樹脂粉末は、前記造形材料の総重量に対する重量比率が５％〜６０％であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法。
9. 石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料を用いて、粉体積層法により３次元造形物を形成する３次元造形物形成手段と、
   前記３次元造形物に対してウレタン樹脂を含浸させるウレタン樹脂含浸手段と
   を有することを特徴とする３次元造形物の製造装置。
10. 前記ウレタン樹脂含浸手段による前記ウレタン樹脂の含浸が終了した後、前記３次元造形物を水性媒体に浸漬する水性媒体浸漬手段を更に有することを特徴とする請求項９に記載の３次元造形物の製造装置。
11. 前記水性媒体には、防腐・防カビ剤が溶解されていることを特徴とする請求項１０に記載の３次元造形物の製造装置。
12. 前記ウレタン樹脂含浸手段による前記ウレタン樹脂の含浸が終了した後であって前記水性媒体浸漬手段による前記水性媒体に浸漬する前に、前記３次元造形物の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する軟質樹脂形成手段を更に有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の３次元造形物の製造装置。
13. 石膏粉末にウレタン樹脂粉末を混合させた造形材料を用いて、粉体積層法により３次元造形物を形成する３次元造形物形成手段と、
    前記３次元造形物の中空領域に当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂を形成する軟質樹脂形成手段と
    を有することを特徴とする３次元造形物の製造装置。
14. 前記軟質樹脂は、ウレタン樹脂を主材料として形成されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の３次元造形物の製造装置。
15. 前記軟質樹脂は、前記主材料に加えて、超音波撮影において前記中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるための超音波散乱材料を含み形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の３次元造形物の製造装置。
16. 前記ウレタン樹脂粉末は、前記造形材料の総重量に対する重量比率が５％〜６０％であることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造装置。
17. 石膏とウレタン樹脂とを含む層が積層されて形成された３次元造形物と、
    前記３次元造形物の中空領域に形成され、当該３次元造形物よりも柔らかい軟質樹脂と
    を有することを特徴とする３次元造形物。
18. 前記軟質樹脂は、ウレタン樹脂を主材料として形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の３次元造形物。
19. 前記軟質樹脂は、前記主材料に加えて、超音波撮影において前記中空領域に形成された当該軟質樹脂を映出させるための超音波散乱材料を含み形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の３次元造形物。