Carbon DLS が医療製造を変革する理由

医療業界の技術的要求は、医療工学と最新製造能力の発展を継続的に促しています。より高度な技術が、人生を変える設計をコンシューマー向け製品へと具現化するために採用されています。その一つが Carbon Digital Light Synthesis（DLS）です。これは、ステレオリソグラフィ（SLA）やデジタルライトプロセッシング（DLP）の分野で使用される材料を大きく上回る性能を持つエンジニアリングエラストマー製パーツの製造を可能にする 3Dプリント技術です。本記事では、医療業界で Carbon 3Dプリントへの切り替えがもたらすメリットを解説します。

Carbon DLS とは

Carbon DLS は CLIP プロセス（Continuous Liquid Interface Production：連続液体界面生産）を採用しています。CLIP は以下の 2 ステップで構成されます：

ステップ 1 － 造形

Carbon DLS 造形は、レジン槽と光投影システムを使用して固体パーツを造形する点で SLA 造形と似ています。しかし、類似点はそこまでです。Carbon DLS では、酸素分子を通しながら液体ポリマーを槽内に保持する透過性スクリーンを使用します。酸素はスクリーンと液体界面の間に「デッドゾーン」と呼ばれる微小な境界層を形成します。この酸素層がレジンのスクリーン直上での硬化を防ぎ、レジンがデッドゾーンに連続的に流入できるようにすることで、Carbon DLS 技術で造形されるパーツが知られる等方的特性を生み出します。

ステップ 2 － 後硬化

造形完了後、マシンから取り出した時点で、特定の先進材料で造形されたパーツは完全に硬化していません。このようなパーツは、オーブンでの熱硬化を経て初めて完全な機械的特性を獲得します。加熱によってポリマー鎖の架橋が促進され、非常に強靭でタフなパーツが得られます。

Carbon DLS 材料

医療業界における Carbon DLS 3Dプリントのメリットを理解するには、まず異方性と等方性の違いを明確にする必要があります。

異方性

異方性パーツ/材料は、測定方向によって機械的特性が異なります。3Dプリントパーツは通常、層ごとの積層造形のため異方性を持ちます。例として、Z 軸方向に層を積み上げる FDM 造形パーツを挙げます。連続する層の界面は弱点となり、Z 軸方向に荷重がかかるとクラックが発生しやすく、最終的に破壊に至ります。一方、X 軸および Y 軸方向にはこれらの弱点がなく、これらの軸方向の荷重では問題になりません。したがって、パーツは Z 軸方向で機械的に弱く、X/Y 軸方向より劣ります。医療用パーツは複雑な用途であらゆる方向から荷重を受けることが多いため、異方性は不適切です。

等方性

等方性パーツ/材料は、異方性とは異なり、あらゆる方向で同じ特性を示します。荷重方向や測定方向に関わらず特性が一定です。この振る舞いは、複雑な多方向荷重を受ける製品で極めて重要です。等方性パーツを造形できる 3Dプリントプロセスは多くありません。Carbon DLS の独自技術は、等方性パーツを造形できる数少ない 3Dプリントプロセスの一つです。

利用可能な材料

Carbon DLS は、ゴムのような強度と弾力性を持つエラストマー材料をプリントできるユニークなプロセスです。主な材料を以下に示します：

• ウレタンメタクリレート（UMA 90） － 標準 SLA レジンに近く、プリント後の熱硬化が不要。
• リジッドポリウレタン（RPU 70） － タフネス、強度、耐熱性に優れ、量産パーツに最適。
• フレキシブルポリウレタン（FPU 50） － ポリウレタン系レジンの柔軟なバリエーション。耐疲労性とタフネスを追加で提供。
• シアネートエステル（DLS CE 221） － 耐高温性に優れた剛性ポリマー。高強度と高剛性を兼ね備える。
• エポキシ（DLS EPX 82） － 優れた機械的特性を持つ剛性エポキシ。構造部品のプリントに最適。
• シリコーン（SIL 30） － 医療業界で特に求められる生体適合性を持つソフトシリコーンウレタン。耐裂性も良好。
• エラストマーポリウレタン（EPU 40） － 衝撃吸収と振動減衰用途に適する。

これらの材料は、引張強度、タフネス、耐疲労性、耐摩耗性など、幅広い望ましい特性を提供します。あらゆる用途に対して、これらのうち一つ以上が適合します。これらすべての特性は、パーツが高レベルの繰り返し荷重を受けたり、手術準備やテストガイドとして高精度が求められたりする医療用途で望まれます。

医療業界における Carbon DLS 3Dプリントの応用

応用例 1 － ガイド/ツール

Carbon DLS は、外科医がドリルやその他の手術器具を正確に位置決めするのを助けるパーツをプリントできます。このプリント手法の高速性と低コストにより、患者の MRI や 3D スキャンに基づいたカスタムガイドを作成可能です。これにより、各パーツが患者の正確な体格に合わせてカスタムメイドされ、手術精度の向上とリスク低減につながります。

応用例 2 － 手術準備

複雑な手術の準備として、外科医は MRI や CT スキャンなどの患者データを分析します。最新の Carbon 3Dプリントにより、それらのスキャンに基づいて患者の臓器を実物大で造形し、手術前に患者をより深く理解できるようになりました。

応用例 3 － 義肢

カスタムおよび汎用の義肢作成は、医療業界における Carbon 3Dプリントの最も普及した応用の一つです。従来、カスタム義肢の製造は高コストでした。一方、FDM などの層ベース技術では機械的に信頼できるパーツを作れません。しかし、Carbon DLS 技術により、高品質なエンジニアリンググレード材料から安価に義肢を製造し、性能を高めることが可能になりました。

応用例 4 － 補聴器

補聴器は、Carbon DLS の柔軟性から大きな恩恵を受ける医療技術の一つです。補聴器は患者の耳道の形状に完全にフィットする必要があります。Carbon DLS は患者の耳にフィットする高精度なプリントが可能です。また、補聴器やその他の聴覚保護デバイスを、Carbon DLS 技術でのみプリント可能な快適なソフトエラストマーで製造できます。

応用例 5 － プロトタイピング

医療工学は、製品開発のために厳格な研究開発サイクルを必要とします。設計のフィット、形状、機能を徹底的にテストするために複数のプロトタイプを作成する必要があります。Carbon DLS を使用すれば、安価な適切な材料で機能プロトタイプを迅速に製造でき、同じプロセスで最終製品も作れます。

医療業界における Carbon DLS 3Dプリントパーツの活用について詳しくはこちら。

結論

医療業界が高度なイノベーションを生み出し続ける中、これらのイノベーションを品質と機能性を損なうことなく、迅速かつ安価に市場投入するためには、同等に高度な製造設備が必要です。医療業界で Carbon DLS 3Dプリントを活用する方法について詳しく知るには、Xometry のインスタント見積もりツールを使用して、医療デバイスの正確なコスト見積もりを取得してください。