各患者に特化した人工装具 ソリューションを良心的な 価格で実現するSLS 3Dプリント

Partial Hand Solutions社は先進技術を使って、手足を切断した全世代の患者をサポートする取り組みを続けています。Partial Hand Solutions社は、2007年の創設以来、手足の一部を切断せざるを得なくなった多くの現役軍人や個人、そして高度な人工装具の助けが必要な児童たちに有効な機能補助ソリューションを提供してきました。

創設者のマシュー・ミコスは長年、各患者に特化した人工装具を製作してきましたが、最近になるまで根本的な課題を解決する難しさに悩まされていました。その課題とは、いかに耐久性のある人工装具の特注品を良心的な価格で提供できるようにするか、ということでした。

この二年間、マシューは指を切断した老若の患者たちの手の動きや機能を補う義指の製作を外部の射出成形業者に委託していました。問題は、各患者のニーズがそれぞれ違うにも関わらず、外注するパーツは、5種類の寸法でしか製作されず、しかも出来上がるまでに最長2週間も待たされてしまうこともありました。

創設者のマシュー・ミコスは常に、各患者のニーズに的確に対応できるソリューションを提供したいと思っていました。しかしその当時、各患者に寄り添ったソリューションを外注するのは、法外な製作費が掛かるため、現実的ではありませんでした。マシューは、彼の念願を叶える可能性を探るために時間を掛けて、射出成形機から光造形法（SLA）や熱溶解積層法（FDM）の3Dプリンタに至るまで、さまざまな技術や設備について調べ上げました。その中で彼がいつも注目していたのは、SLS方式で3Dプリントするナイロン製のパーツでした。その時はまだ粉末焼結積層造形法（SLS）の3Dプリントは高額だったため、自社の要件に合致する試作品を作って検証する資金的な余裕はありませんでした。

マシューはつい最近、Formlabsが発売したFuse 1という新しいSLSプリンタとそれに付随するFuse Siftという後処理ステーションの実機に触れる機会が訪れました。この実機体験を通じて、彼はこのシステムであれば、特注の人工装具を非常に安い製造単価で製作できることを知り、可能性が大きく広がることを実感できました。

マシューは、作業効率を重んじる多くのデザイナと同じように、オフィスのスペースを最大店に有効活用できるように、非常に計算されたレイアウトにしています。効率の良いワークフローは、無駄な時間を減らし、フラストレーションが溜まらないようにする上で非常に重要です。彼がその中でも最も重視しているのは、設計作業にできるだけ多くの時間を費やせるようにし、散らかったパーツの後始末に負われる時間を極力減らすことです。

Fuse 1とFuse Siftは連動するように開発されています。Formlabsは、工業グレードの高品質3Dプリントをどのような規模の事業者でも実現できるコスト効率の良い積層造形ワークフローを考案するメーカーとして知られています。Fuse 1とFuse Siftを組み合わせた統合ソリューションの開発は、市場で最もシンプルで効率性の高いSLSワークフローを実現するために同社が長年繰り返してきた設計と製品の試行錯誤の中から生まれてきた結果です。

Mフィンガーと名付けられた小児用の人工装具を製作するに当たり、マシューは下記の手順を踏みました：

1. PreForm内でファイルを準備するマシューは、パーツのプロトタイピング用の装置としてForm 2 デスクトップ型SLAプリンタを2台所有しています。FORMLABS：各患者に特化した人工装具ソリューションを手頃な価格で実現するSLS 3Dプリント 6また、Formlabsのプリンタに付随しているプリント準備用ソフトウェアのPreFormを数多くのプロジェクトで使用してきた豊富な経験があります。マシューがForm 2を購入したての時に同社のプリンタにスムーズに移行して、慣れ親しむまでそれほど時間が掛からなかったのは、PreFormが使いやすさを追求したソフトウェアであったことも大いに関係しています。「Formlabsのプリンタを一度も使ったことがない人でも、PreFormを使ってすぐにセットアップできます。このソフトはプリント用ファイルの準備作業をとても簡単に完了できるようにしてくれます。」

2. Fuse 1を準備するFuse 1にパウダーを充填して、清潔な光学カセットをプリンタ本体に装着します。Fuse 1には、プリント前の準備作業の確認に使えるチェックリストが内蔵されており、プリンタのタッチスクリーンには、手順をステップごと説明する書面と画像が表示されるようになっている。「作業工程を数回繰り返すと、すべての手順を、タッチスクリーンに表示される書面と視覚的な指示を見なくても踏めるようになりました。プリントを数回完成させた頃には、プリンタの使い方をほぼ習得していました。」

3. プリント後のパーツをふるいに掛けるFuse Siftは使用済みパウダーと未使用の新しいパウダーを混ぜ合わせ、その新旧混合パウダーをFuse 1に供給する作業も自動に行います。そのため、廃棄する使用済みパウダーは最小限に抑えられ、ユーザが補給用として備蓄している新しいパウダーの消費量も適切に管理できるようになっています。プリント素材をNylon 12 Powderにすれば、リフレッシュ率30％で頑丈なフル機能を発揮するパーツをプリントできます。これは、最大70％の再生パウダーでプリントできることを意味します。「Fuse 1とFuse Sift は非常にうまく連動するように設計されています。Fuse 1でプリントしたパーツを本体から取り出したら、後は2フィート先に設置しているFuse Siftがパーツに付着している余分なパウダーを取り払ってくれます。この流れるような連係プレーは見事です。」

4. パーツを染め、組み立てるパーツにスプレー塗装したり、ラッカーを塗ったり、電気メッキを施したり、違う色にコーティングしたりできます。このように様々な方法で表面仕上げや物理特性を（例えば、水密性を高めるコーティングや伝導率を高める電気メッキなどで）向上させることができます。マシューは、Fuse 1とFuse SiftできれいにプリントされたMフィンガーのパーツを、プロ仕様な染料を溶かした熱湯に10分間浸し、その中でパーツを撹拌します。この染色工程でパーツの表面は美しい黒色に仕上がります。

マシューは、小児用の人工装具Mフィンガー（高強度に成形した制御可能なカスタムメイドの義指）の製作を、単一のプリンタを使って彼一人で行い、ほんの数日で高品質のエンドユーズ用の人工装具を完成させます。それが可能なのは、ソフトウェアを使ったプリントジョブの準備から、実際のプリント、完了後の後処理に至るまでのプロセスをすべてプリンタ一台で完結できるからです。

SLS方式のプリントを行う小規模事業者にとって、パウダーのリサイクル機能はとても重要です。Fuse 1は、製造単価を最低限に抑えながらスループットを最大化できるように、綿密に計算されたプリンタで、ビルドプラットフォームに並べるモデルの数をできるだけ増やして密度を上げることによって、一回のプリントの生産性を最大限に高められるように設計されています。

このようにFuse 1とFuse Siftを最大限に有効活用できるように設定してプリントさえ開始しておけば、あっという間に次のバッチに進めるようになります。

マシューは、外部の射出成形業者に製作を委託していたプロジェクトを、Fuse 1 3Dプリンタ1台ですべて内製化できるようになりました。この切り替えに踏み切れたのも、品質の高いパーツを効率よく製作できる機能がすべてFuse 1に備わっていたからに他なりません。

マシューによると、Fuse 1を使って製作するナイロン製のパーツには主に4つの利点があるそうです。

1. 材料費の安さナイロン自体が手頃な価格で入手できる素材であることに加え、Fuse 1は、再生パウダーをなるべく再利用してプリントできるように最適化されているため、材料費の無駄を最小限に抑えることができます。「最初は、ナイロンのパウダーは高価な素材に見えましたが、1回のプリントで製作できるフィンガーの数をベースに1パーツ当たりの製造単価を計算してみると、当初の予想以上に採算性が高いことが分かりました。」

2. 設計の自由度プリント中は、パウダーがプリントを支えますので、サポート材を付ける必要はありません。SLSプリントは、オーバーハングがある形状や入り組んだ特徴があるモデル、連動するパーツ、内部に
溝を設ける必要があるモデルやその他の複雑な設計にも容易に対応できます。「Fuse 1を導入したことで、今後の設計作業の可能性が大きく広がりました。今では、どのようにすれば設計内容を更に向上させ、これまで以上に患者さんに優しいソリューションを提供できるかを考える余裕ができました。」

3. 高い生産性とスループットSLSプリントは、積層造形技術の中では、機能性と耐久性が求められるプロトタイプやエンドユーズ用の部品を最も高速に造形できます。数多くのパーツを密接に並べてプリントするように調整すれば、ビルドスペースを最大限に有効活用できます。「今では、2日間待てば、ビルドプラットフォームにいっぱい詰まったモデルのプリントがすべて完了します。射出成形したパーツが委託業者から届くのを何週間も待っていた頃とは雲泥の差です。」

4. エンドユーズ用素材としての実績Fuse 1でプリントするナイロン製のパーツは、射出成形やハイエンドのSLS機で採用されている従来の製造法で製作されたパーツに匹敵する機械的特性を持つ高品質の熱可塑性プラスチックで出来ています。「以前はHPのSLSプリンタを使っていました。」Fuse 1がプリントするパーツを、HPのマシンがプリントするパーツと比較しても、出来栄えは同じぐらいか、それ以上に見えます。」

Partial Hand Solutions社の主力製品であるMフィンガーは元々、アフガンから帰還した軍人用に開発された製品です。

マシューはFuse 1を使い始めてから、可動部品間の最小間隔に基づいてプリントするようにした指の機能性接合部に施す後処理を、最小限に抑えることができるようになりました。マシューは、このプリント結果を見て、次のように考えるようになったと言います。「最低限の遊びしか設けていなかったのに、可動部品がどれも望み通りにスムーズに動くことが確認できました。それを見て、今後はパーツの組み立てに使っていた時間を節約することができると思いました。」Fuse 1が機能性接合部までプリントできることを知り、感心しました。もうこれで、こうした部品の製作を外注する必要性はまったくなくなりました。」

機能性接合部のような準備組立品をそのままプリントできるのも、SLSプリントのユニークな特長です。この機能のお陰でマシューは、以前外部に委託していた業者が取っていたワークフローに含まれていた個別パーツを組み立てる後処理工程のステップを丸々省くことができるようになりました。Fuse 1は、設置する作業台のスペースをそれほど取りません。マシューはそのコンパクトなサイズを初めて見た時、彼が製作する必要があった相当数のパーツをこのプリンタ1台に賄い切れるのか不安になったそうです。しかし、ビルドチェンバーにパーツを詰め始めると、Fuse 1のコンパクトな外観から受けた第一印象が間違っていたことに気付きました。「最初、Fuse 1のビルド容積は、私の製作要件には小さ過ぎると思っていました。でも、実際は、思っていた以上に多くのパーツをビルドチェンバー内に敷き詰めることができました。結局のところ、2日間で義指160本分のパーツをプリントすることができました。この生産性の高さには感心させられました。」

マシューは常に、新しい義指のデザインを考案して、Mフィンガーの品質や性能を更に高めたいと思っています。SLS 3Dプリントを内製化できるようになったことで、新しい設計技術を身に着け、将来の患者さんを夢中にさせるようなこれまで以上に素晴らしい人工装具の開発を推し進める新たな方向性が見えてきたとマシューは確信しています。

上記の図には、患者の身体に繋がっている3D プリントしたソケットに接続されているチタン製 の義指が映っています。義指と同じように、この ソケットには、例えば、物を掴む動きを補助する ツールなど、他の種類の人工装具も装着できま す。マシューは、このソケットをこれまでカーボン ファイバを使って製作していました。しかし、カー ボンファイバは高価な素材であり、ソケットを完 成させるためには、労働集約的な工程を経る 必要がありました。

今では、幅広い種類のソケットの製作をより安 価な素材を使って内製化できるようになってい ます。その中には、特殊な患者のニーズに応え らえるように微調整したソケットや特定の患者 専用にカスタマイズしたソケットも含まれてい ます。Fuse 1でソケットを製作するようになって 得られた一番大きなメリットは、使用する素材をカーボンファイバからチタンに切り替えても、ソケット の品質と機能性は以前と同じレベルに維持でき、しかもFuse 1でプリントしたソケットをそのまま患者 に支給できるエンドユーズ用のパーツとして完成できるようになったことです。マシューによると、

「Fuse 1でプリントしたパーツには、レイヤ間の線がまったく見当たりま せん。」推奨されている公差に設定してプリントしたのですが、プリントが 完了したパーツを見てビックリしました。これほど表面仕上げが見事なソ ケットをこれまで見たことがありません。プリントしたパーツの全体的な品 質の高さには本当に驚いていますし、とても嬉しいです。プリンタから取り 出して、そのまますぐに使えるパーツに仕上がっていました。

人工装具を必要としている小児科の患者は、大 人用に製作されたパーツを使わざるを得ない ことが多々あります。大人用のパーツは、標準サ イズの人工装具を装着できる年齢にまだ達して いない子供たちにはとても重く感じます。

マシューはこの人工肘と人工肩を10歳の男の 子用として設計しました。Fuse 1でプリントした ナイロン製のパーツで組み立てられたこのアセ ンブリには、スライドする動きを司る部品や歯止 め装置として機能する部品が含まれています。 大型のプリントではあったものの、人工肩として プリントされたパーツの品質は期待どおり、 Fuse 1でプリントするナイロン製のパーツなら ではの品質の高さを誇っていました。マシューは、 人工肩としてプリントされたパーツのサイズが 大きかったことが逆に小さな隙間やプリント後 に付着する余分なパウダーの量を減らし、Fuse Siftでのクリーニングが義指の時よりも容易で あったことを発見しました。人工肘のプリント時 間は、小型のパーツよりも長く掛かりましたが、マシューはその点については次のように語っています： 「このように大きなパーツなので、プリントの所要時間は、そのサイズから 考えると十分納得できる適切な長さだと思いました。」

Formlabsは、外注費用を削減し、あらゆる規模の事業体の納期を短縮できるFuse 1 SLS 3Dプリンタ とFuse Siftパウダー回収ステーションを発売できたことを大変嬉しく思っています。 この最新システム のユーザは、最初に考案したコンセプトデザインの試作品を製作し、検証と改良を加えながら設計内 容を確定し、Nylon 12 Powderですぐに使用できる生体適合性の減菌可能な最終製品の製造に移る までの製品開発工程全般にわたってコントロールできるようになります。Fuse 1は、設置面積の省ス ペース化とワークフローの簡素化を良心的な価格で実現させた高性能SLS 3Dプリンタです。

プリントするのが患者の症状に合わせた特化した人工装具、医療機器のプロトタイプまたは外科手術 用のツールであろうと、医療用の高性能3Dプリント機能を備えたFuse 1であれば、各患者に寄り添っ た最適な特注製品を容易に製作できます。Fuse 1から得られる多くのメリットについて、マシューは最 後に、彼が当初、発注したFuse 1が手元に届いた時に期待していた以上の恩恵を享受していると語っ てくれました： 「私はこのマシンが大好きです。Fuse 1 とFuse Siftについては、すべての点 で納得が行きます。私がFuse 1を総合的に採点するとしたら、5点満点の5 点を入れますね！」

SLS 3Dプリントの内製化を検討するためにFuse 1プリンタの威力を自分の目で確認したいと思われ る方は、ぜひFormlabsに連絡して、Nylon 12 Powderを使ってこのプリンタで製作した無料のサンプ ルパーツのリクエストを出してください。