「もはや単なる流行語ではありません」：3D プリント金属造形製造技術の医療分野への貢献
積層造形製造技術 (Additive Manufacturing) はもはや流行語ではなく、標準的な生産プロセスです。医療分野における 3D プリント金属造形製造技術の推進要因を知る。10 年足らずの間に、積層造形製造 (AM) は医療業界の会議でのホットな話題から、実際の生産プロセスへと移行しました。主要な整形外科機器メーカーは現在、3D プリント金属積層造形製造を採用して年間数十万個の人工股関節を製造しており、これまでは作成不可能だった複雑な形状も現実化しています。
重度の事故傷害や骨がん患者のためにオーダーメイドの人工骨を製造している企業もあります。実際の製造に従来の生産プロセスを適用している製造企業でさえ、新製品開発を加速するために積層造形製造技術 (AM) を採用しています。
「10年前にすでにこのことについて話し合っていましたし、5年前には試していたのですが、今では大量生産に適用しています」と、アイルランドの医療業界の主要サプライヤーである、Seco の子会社の Premier Machine Tools のマネージングディレクターの Ciaran Dillane は語っています。
「これはもう流行語ではなく、標準生産プロセスだと思います。」
医療業界で 3D 金属積層造形製造に使用されている主要な技術は、レーザー パウダー ベッド フュージョン (LPBF) であり、これは、数マイクロメートルの厚さの金属粉末の層をベッド上の成長コンポーネントの上にブラシで塗り、レーザーを使用して積層融合させるものです。
3D 金属積層造形技術は、従来の鍛造やミリング加工では製造不可能な複雑なスポンジ構造や格子構造の形状形成を可能にできるため、股関節、膝関節、肩関節などの交換可能な医療製品や、頭蓋骨の損傷を補うメッシュを製造する整形外科業界の標準的な製造プロセスになりつつあります。
格子構造はチタン材が骨と接する部分に配置され、骨は格子構造を通り抜け、硬い表面層に達すると成長が止まります。この革新的「骨の成長」技術は、以前の「骨の成長」技術よりも骨とコンポーネント間の結合を強化し、骨セメントの必要性を排除して感染症の発生リスクを軽減します。
多くの「整形外科用機器メーカーは、この積層造形製造技術 (AM) の独自のバージョンを採用しており、過去5年間で大幅に需要が拡大しました」と Dillane は語っています。
ほとんどの場合、骨に類似した弾力性を持ち、クロム基や鉄基を含む合金とは異なり、完全に生体適合性で問題のないチタン粉末が使用されています。Seco の親会社である Sandvik では2,000種類以上の金属粉末を供給しており、そのうち積層造形製造用の粉末の種類は増加しており、現在は約50種類となっています。
積層造形製造技術 (AM) は脊椎インプラントにも使用され始めており、3D 金属積層造形製造されたチタンの脊椎ケージ用のポリマーに置き代わってきています。特定の患者用や手術用途に合わせてカスタマイズされた特殊な外科用医療器具を製造ためにも使用されています。
「歯科医療分野では変化がはるかに速く、歯科医療の部品が小さく、許容公差基準がそれほど厳密ではないからです」と、Seco の医療部門グローバル事業開発マネージャーの Andrew Fielding は説明します。「今後数年の内には (市場需要の) 50～60％に達するだろう。」
Seco の積層造形部門の研究開発マネージャーである Ingemar Bite によると、これらすべてにおいて、正確な最終形状に到達し、適切な製品面仕上げ品質を維持するために、製品をプリント積層造形 (AM) した後に機械加工する必要があるとのことです。
「積層処理直後は、積層表面に天然の多孔性があるため、高い引張応力を受ける表面や、形状公差や表面仕上げ品質の要件がある接合面はすべて機械加工する必要があります」と彼は説明しました。
つまり、コンピュータ支援設計の段階において、製品の形状は機械加工を考慮して設計する必要があり、その点において製造メーカーは Seco がサポートする専門技術スタッフの支援を受けることが可能です。
Sweden の Stockholm から北西に175kmの距離に位置する Fagersta にある Seco の製造開発施設では、Bite の開発チームが、Seco が2018年に最初のレーザー パウダー ベッド フュージョン (LPBF) 設備を導入して以来、積層造形製造エンジニアリングの研究開発を行ってきました。
「これまで、カスタマーと Seco の両方で評価とフィールドテストを実施しながら開発が進められてきました。現在では、製造プロセスが非常に安定しており、この技術をカスタマーに適用するための十分な知識実績が得られたと感じています」と Bite は語っています。
Seco は以前にも 積層造形製造 (AM) に携わっていましたが、最初の A積層造形製品であるクーラントクランプについては Sandviken の Additive Manufacturing Centre と共同で開発しました。– クーラントクランプ。
2017 年からカスタマーに供給されているこのクーラントクランプは、従来の機械加工ツールでは不可能な湾曲したクーラント供給機構を通経由して、切削切れ刃の適正な部分にクーラントを的確に供給することが可能になりました。
Seco は今年初めに、積層造形製造 (AM) 生産と研究開発の両方を、マーケットニーズに合わせて再建された製造施設に移転しました。
「これは私たちにとって大きな利点だと思います。積層造形製造 (AM) についてはまだ学ぶことや評価検証することがたくさんあり、R&D と製造部門の両方が同じ屋根の下で密接に連携することで多くの利点を得ることが可能です。」Bite は語っています。「これにより、製造機器の柔軟性が向上し、製造プロセスをより適切に制御できるようになりました。」
Seco は、特にこの製造プロセスでのみ実現できるより優れたソリューションをカスタマーが求めている場合に、積層造形製造 (AM) を使用して従来の機械加工用のカスタムツールを製造することを目指しています。
Seco はまた、独自のインサートポケット、切削機能、またはクーラント吐出口を備えたツールの先端形状側を、従来の機械加工された工作機械接続側に直接 3D プリント積層造形するハイブリッドツール (複合製造プロセスツール) も製造開発しています。
これにより、Seco は非常に困難なアプリケーションでインサートやその他のツールを最適条件で使用でき、加工形状に適正に接近したり、そうでなければ非常に困難な被削材を加工したりできるようになりました。
積層造形工具の優位点。ほとんどの場合、ツール機能の性能に影響を与えることなく、ツール総重量の 20 パーセントほどを軽減できます。従来の機械加工された工作機械接続側に 3D プリント積層造形すると、生産時間を大幅に短縮できます。
ツール重量が軽減されると、ツールオーバーハングが長い場合に加工性能が向上し、軽量ツールによってホルダへの受動的な動的減衰効果を著しく高めることが可能になります。
一部の医療機器メーカーでは量産にこのオーダーメード技術を使用していますが、患者固有の解剖学的データに基づいて設計されたインプラント、補綴物、手術ガイドなど、カスタマイズが必要な場合に真価を発揮します。
Dillane は、これが重大事故被害者や骨がん患者向けの医療機器を製造するための標準的なプロセスになると期待している。「病院でCTスキャン造影を実施し、骨の状態を把握し、それをスキャンの形で整形外科医療機器メーカーに送付します。製造企業では一晩のうちに技術解析し、それを3D プリンタ積層造形製造機器によって 24 時間以内に造形製造します。おそらく患者は、36～48 時間以内には退院することができるでしょう。」患者が歯科インプラントを受ける際には、この同様な迅速な処理時間により、患者が病院で義歯を待つ時間が大幅に短縮されるはずです。
他の産業界では、短い納期が製品開発の大幅なスピードアップにつながります。Seco では最近、世界的な整形外科用機器メーカーが初期設計から大腿骨医療機器の完全機械加工までをわずか 6 週間で完了できるよう支援しました。最終的に製品は従来の機械加工で鍛造およびミリング加工されますが、積層造形製造を適用してプロトタイプを製造することで、開発検討時間が半分以上短縮されます。
今後の 10 年間で、積層造形製造技術は整形外科や歯科医療の分野で従来の技術を追い越すことは確実と思われ、個々の患者に最適な特注機器が一般的になり、処置開始から完了までの時間がこれまで以上に短縮されるでしょう。この積層造形技術により、身体的成長に合わせて変形できる小児用脊椎ケージや人工膝関節などの複雑部位での最新医療機器の開発も可能になるほか、集積機器の埋め込みも容易になる可能性があります。最後に、現在では積層造形プロセスと従来のミリング加工プロセスを交互に行うことができる新しい機械設備が開発されています。
「機械加工の話はしません。コンポーネントの形状成形について話しています」とDillane は説明します。「私達にとって、積層造形製造技術と切削加工製造技術は密接に結びついているからです」。
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