ヒト医療分野における積層造形の現状と展望
15 年前にアディティブ マニュファクチャリング (AM) 技術を会社に導入した人は非常に先見の明があります.10 年前に導入していなかったら、パイオニアに後れを取っていたでしょう.競争上の優位性を失います。 この記事では、医療技術分野の専門家の代表的な意見がこの技術の今日の能力を実証し、多くの分野でのこの技術の応用について議論します。
アディティブ マニュファクチャリング (AM) は、従来の製造業界にますます破壊的な変化をもたらしています。鋳造やフライス加工などの従来のプロセスは、より頻繁に置き換えられます。アディティブ・マニュファクチャリングは、特定の形式にとらわれない技術プロセスを備えており、幾何学的な自由度、再構成、資源保護などの利点をもたらすことができ、さらに大きな経済的利点と優れた使いやすさを備えています。しかし、最も基本的な利点は、従来のコンポーネントのコピーであるだけでなく、新しいデザインとバイオニック デザイン メソッドであることです。これにより、市場投入までの時間の短縮、短納期、アイドル時間の短縮などの利点がもたらされます。
長いサプライ チェーン (グローバル化の副作用と考えられている) についての議論に関しては、積層造形は生産を現地化するための実行可能な方法も提供します。地元
化学製品の生産は、価値の創造、製品開発、製品の製造が顧客により近くなることを意味し、物流費用の削減は気候目標の達成に役立ちます。
古典的な材料のカテゴリには、金属、セラミック、プラスチックが含まれます。金属およびレーザー切断プロセスに関する限り、ドイツの ConceptLaser の創設者の 1 人である Frank Carsten Herzog によって開発された粉末床ベースの金属レーザー溶融プロセス (市場シェアは、世界のすべての金属 AM システムの約 80% を占めます)。世界）、いつでも使用できる 認証済みの粉末原料なので、医療機器にいち早く使用できます。同様のアプローチは、セラミック ベースのソリューションにも適用できます。ポリマー材料の多様性と材料特性のために、プロセスは少し複雑です。これが、金属アプリケーションが5年から10年の先行スタートを達成した理由です。
医療業界を理解すると、股関節、関節または脊椎のインプラント、頭蓋骨または義歯など、多くの独立したタイプのアプリケーションを見ることができます。医療機器、実験機器、またはハイテク医薬品に使用されるコンポーネントもこの配列に含まれています。現在、主なアプリケーションには、蘇生用バルブや人工呼吸器などがあります。獣医でさえ、3D プリントされたインプラントの一連の適用例を知っています。
3D プリントのサプライヤーとユーザーの発展の概要
Wohlers Report 2020 によると、積層造形製品とサービスの総額は 119 億ドルと推定されており、そのうち医療市場は約 17 億ドルです。 2024 年までに、医療用添加剤製造装置、材料、ソフトウェア、およびサービスの総額は 22 億米ドルに達すると推定されています。 Waller のレポートは、このような驚くべき成長を遂げているため、開発のペースについていくのは難しいと考えています。
SmarTech Analysis は、2029 年の世界市場規模は約 550 億ドルになると予測しています。より保守的な分析機関 (3DHubs など) は、年間成長率が 18% から 27% の間であると予想しています。しかし、たとえそうであっても、これはこれまでの他の多くの産業の成長よりも顕著です。英国の市場分析会社 Context は、3D 金属プリンターとポリマー プリンターが今後数年間で 2 桁の速度で成長すると予測しています。ただし、工業化された大量生産と中規模の連続生産は、積層造形の分野で最も急速に成長しているセクターであり、これは医療技術タイプの一部に過ぎません。
世界市場レベルでは、アーンスト・アンド・ヤングの調査レポートによると、2019年にはヨーロッパに722のAM企業、アメリカに421、アジアに168のAM企業があったが、業界のAMサプライヤーは現在統合段階にある.特に、過去 10 年間の数多くのイノベーションによる驚異的な成長と価格の統合が役割を果たしています。主要なプレーヤーは強い影響力を感じているかもしれませんが、小規模な新興企業はまだこのダイナミックへの参入を加速しており、飽和状態や生存競争市場からはほど遠い状態です。
一方で、医療業界をはじめとする様々な業界のユーザーにとっては非常に良い状況に見え、AMの専門知識や製造能力を持つ多くのユーザーにとっては
多くの業界を 3D プリントの世界に導いてきた 3D プリント サービス プロバイダーにも同じことが当てはまります。 AM を使用して既存の製品を改善する可能性は、本当に魅力的です。
人気のあるキーワードには、バイオニック デザイン、軽量構造、患者向けの個別部品、組み立て不要、組み立て部品数の大幅な削減、個別に製造して迅速に提供できる使い捨てデバイスなどがあります。
チタンの適用例：寛骨臼インプラント
西側のベビーブーマーの人口統計に基づいて、人間の筋骨格系の整形外科用インプラントはますます重要な役割を果たしています。股関節、膝関節、脊椎インプラントは、関連する新興医療技術市場であると考えられています。そのため、アイルランドのコークの Stryker は、電子ビーム溶解 (EBM) 技術を使用して、新しい 3 次元チタン寛骨臼システムを開発しました。このシステムは、2016 年に米国食品医薬品局 (FDA) によって承認されました。 Stryker は、この製品を Trident II 寛骨臼システムと名付け、これがセメントを使用しないソリューションであり、体内での寿命を大幅に延ばすことを強調しました。
3D プリント プロセスは、従来の方法では実現できない非常に複雑な幾何学的構造を生成できます。チタン製の寛骨臼システム、ボール ヘッドを含むインプラント全体、金製
金属、セラミック、ポリエチレン、またはアルミニウム セラミック複合材料を含むシェル型のインレイは、材料の適合性、荷重、ロック機構に応じて、耐久性のある運動学的および機械的特性を備えています。もちろん、B.Braun、Surgival、SurgTech、Implan-Tech、Imeco、Medacta、link、Rentec などの 3D ソリューション プロバイダーは数多くあります。
ポリアミド適用例：心肺蘇生器用ベンチュリバルブ
2020 年 3 月という早い段階で、欧州連合は新しいクラウンの流行に対応し、ヨーロッパの積層造形業界に支援の手を差し伸べました。この計画は、3D プリントやその他の戦略を使用して、N95 呼吸装置、マスク、マスク、フェイス シールド、手術用ガウンなどの医療用保護具、および医療用蘇生および呼吸装置の不足、および世界的な供給への強い依存を解決することを目指しています。鎖。ドイツ、リューベックの Draeger などの主要なサプライヤーや、さまざまな業界の工場や設備の設置業者、加工業者が、助けを求める声に応えています。これらの企業の多くは、これまで同様の製品を製造したことがありません。
蘇生および呼吸装置に使用されるベンチュリ バルブがその良い例です。難しいのは、短時間で3Dプリントする必要があること
伝統的な製法で製造された消耗部品。これはまさにイタリアのブレシア病院で起こったことです: ミラノを拠点とする FabLab は、病院にポリマー 3D プリンターを設置しました。最初に使用していたバルブをスキャンし、新しいバルブを3Dプリンターで出力することで、心肺蘇生装置が停止することはありませんでした。その後、Lonati はポリマー レーザー粉末床溶融法を使用して連続生産し、ポリアミド部品を印刷してイタリアの病院に供給しました。
これは、業界では「スペアパーツのオンデマンド製造」として知られています。これは、特定の形式のソリューションに対してパーツを提供できない場合や、調達時間が長すぎる場合に重要です。同時に、この場合、再製造も言及する価値があります。最初のタスクがスペア パーツの再設計である場合、多くの場合、複数のコンポーネントを含むパーツを、1 回限りのアセンブリを必要としない 3D プリント コンポーネントと交換します。
外来口・鼻保護マスク
新しいクラウン肺炎の発生時に、専門の医療スタッフによる保護具の使用が世界的な大きな課題となっています。第一に、緊急準備金しかありません。第二に、ほとんどの
ポイントはヨーロッパでは生産されていません。サプライチェーンと納期が長すぎる。価格は想像を絶するほど高騰しており、品質も疑わしい。医療従事者が働けなくなると、他の国と同じように危機が災害に発展する可能性があります。
この不確実な状況の中で、ドイツのバンベルク クリニックの緊急治療室は、フェイス スクリーン 3D プリントの解決策があるかどうかを尋ねました。これは1つ含む
カチューシャとアクリルガラスのとてもシンプルなデザイン。認証モデルを作成することは不可能で、フェイスシールド、防護服、マスクなどの一時的な保護具を生産するだけです。もう 1 つのポイントは非常に明確です。つまり、これは適切なネットワークでのみ機能します。3D プリントは常にソリューションの一部であり、ソリューション自体ではありません。
この例では、このネットワークは、現在開発中の次世代デジタル技術研究およびアプリケーション センター (Forschungs-und Anwendungszentrum für digitale Zukunftstechnologien、FADZ) であり、この地域の多くの企業が集まっています。ドイツ
Innocept of Neuses は、新しいタイプのマスクを開発しました。再利用可能で、着け心地がよく、2 つの柔らかいポリマー ハーフ シェルで構成され、異なるフィルターを挿入できます (図 4)。メリットは、マスクの呼吸フィルターが顔に直接付くことがなく、マスクを一時的に使用する場合と比べて呼吸がスムーズになることです。さらに、マスクの大量生産により、メーカーはより有利な価格を提供することができ、マスク全体を廃棄する必要がないため、より環境に優しくなります。
開発プロセスをスピードアップするために、ドイツのリヒテンフェルスにある Hofmann–Ihr Möglichmacher で HP MultiJet Fusion テクノロジを使用して 5 つのプロトタイプが一晩で印刷されました。 2週間半後、製品は成熟します。
イノセプトは特許を出願しました。このデジタル処理技術には、もう 1 つの重要な利点があります。STL 印刷ファイルは、製造元に関係なく、多くのプリンターで使用できます。
頭蓋骨インプラントの最新の開発 人工知能、デジタル化、自動化は、インダストリー 4.0 戦略の柱です。彼らはまた、積層造形にインスピレーションをもたらし、3D プリントの未来を形作ると同時に、イノベーションを加速させ、AM のより広範な普及を促進します。患者さんに合わせて解決策を決定する必要がある場合
本件の医療技術としてはさほど重要ではないが、デジタル製品の開発余地はまだまだ大きい。たとえば、外科医は、X 線画像と変換された STL ファイルに基づいて、完璧な頭蓋骨インプラントをカスタマイズできます。
必要に応じて作成された多孔質の表面により、インプラントが人間の組織構造に理想的に適合することが保証されます。しかし、経験豊富な医師を本当に驚かせているのは、インプラントと頭蓋骨の間の関節のデザインです。この設計により、コンポーネントをより迅速に体内に埋め込むことができ、手術のリスクを減らすことができます。より早い治癒は患者にとって有益であり、生活の質も改善します。この 2 つの側面が、医療 AM 技術の主なタスクです。
ソフトウェアとハードウェアのコラボレーション
AM プラントおよび装置は、設計、デジタル プロセス チェーン、およびソフトウェアとハードウェアのコラボレーションの可能性を最大限に活用します。ハードウェア面では、これまで設置スペースと施工スピード（組立スピード）が大きく関わってきました。現在、パウダーベッドメタルプリンターの設置に必要なスペースは約800cm3です。マルチレーザーシステムを使用する場合、標準の設置スペースは 187 cm3 または 125 cm3 です。
これらの設置スペースのサイズは、今日の医療用途には絶対に十分です。マルチレーザーシステムの使用により、組み立て速度も大幅に向上しています。現在、1000W のレーザーを数個使用すると、パーツの印刷速度は 50 cm3/h に達する可能性があります。
将来的には、接着剤噴射技術により、この率が高まると予想されます。マサチューセッツ工科大学 (MIT) によって開発されたこの技術は、特定の特定の作業条件下での単純なアプリケーションにますます適しています。バインダー ジェット 3D プリント、または「パウダー ベッドとインクジェット」3D プリントでは、パーツがレイヤーごとに積み重ねられて「グリーン エンティティ」になります。 3 次元データは、各セクションまたはレイヤーの幾何学的パラメーターを計算するために使用されます。 3D プリント プロセスでは、高さ調節可能なテーブル トップに粉末または顆粒の層を広げ、接着剤の層を追加して、パーツを構成するパーツにパーツを接着します。
過去 10 年間の開発により、量も大幅に増加しました。品質保証と自動化はますます重要になっています。品質保証はソフトウェアの主要な責任であるが、唯一の責任ではない
サービス。このソフトウェアは、3D プリント パーツの構造を制御するために使用されます。部品のデータ準備や設計関連のタスクを管理し、部品の表面または密度に関する推奨事項だけでなく、明らかにする戦略とパラメータの選択を提案します。このソフトウェアは、設置スペース内のコンポーネントの向きと必要なサポート構造を最適化することもできます。
品質保証の目的で、このソフトウェアは、成形品の密度または強度に基づく熱シミュレーション (熱シミュレーション) および反りシミュレーション (機械シミュレーション) も容易にします。
最後に、ソフトウェアが「デジタル ツイン」を提供することが非常に重要であり、記録された最適化された部品のプロセス パラメータを 1 つずつ保存できます。これは、デジタルコンポーネントでのみ提供できる最高の再現性を意味します。
全体的な製造戦略としての積層造形
自動化とデジタル サプライ チェーンは、積層造形の開発を推進しています。自動化とは、できるだけ多くの干渉値を排除し、保護ガス環境で製造プロセスを安全にし、その設計を迅速かつ自動化することを意味します。その範囲は、コンテナ内の準備、3Dプリンターの実際の設定、サポート構造の除去、熱後処理または表面処理などの自動後処理までをカバーしています。最大限の自動化は、粉末から最終製品までのプロセス全体で手動操作を必要としないことを意味します。
当初から、デジタル プロセス チェーンは課題であるだけでなく、工場や機械設置業者が AM の可能性を十分に活用するための必要条件でもありましたが、現在ではさらに発展しています。これで、スキャナーを使用してファイルを直接キャプチャできます。これはベッドサイドで行うことも、現在 AM を使用して製造されている従来の部品に使用することもできます。しかし、デジタル プロセス チェーンはまだ別の次元で進行中です。ここでのキーワードは、生産とプロセス制御のための継続的なデジタル プロセス チェーンを備えた最新の AM 工場です (図 6)。この最新の方法では、材料の準備、材料の準備、部品の生産、後処理、工場の内部物流、さらには自動輸送システム (無人搬送車システム、AGV) など、さまざまなリンクでデータが流れる必要があります。
バイラルホットスポットではなく、デジタルホットスポットの必要性
この段階での積層造形技術の開発は、10 ～ 20 年前に比べて少し緩やかではありますが、徐々に有用で効率的になります。新しいバイオニック製品、新しいデザイン、新しい素材、より持続可能な製品、そしてより幅広い用途が確実に見られるでしょう。
人間は今、テクノロジーをデザインの重要な要素として使い始めています。多くの企業がパイオニアになりましたが、主流の環境は依然として慎重です。2019年には、
企業の 71% が、専門知識の欠如が 3D プリントの代替生産方法を選択する際の最大の障害であると述べています。逆説的ですが、79% の企業が、今後 3 ～ 5 年で、3D プリント技術で製造される部品の数が少なくとも 2 倍になると述べています (出典: Jabil の調査 2019)。
実際、この矛盾は、3D プリントがどのように実現されるかを私たちは知らないかもしれないことを意味しますが、それがますます重要になってきていることは確かです。
多くの企業は、何かが起こっていることを認識していますが、まだ行動を起こすことに消極的です。トランスフォーメーションをより具体的に進めるためには、将来的に「デジタル化」がそのトランスフォーメーションをより具体的に形にするアドバンテージになるでしょう。 「3Dプリンティング時代」の開拓・発展が今後の鍵となります。 AMは製品を現地で開発および製造するための重要な方法であるため、トレーニングと開発により、世界中の誰もがオンサイトで優位に立つことができます。これには、人々が議論してきた中国への長いサプライチェーンも含まれます。 AM により、需要に近い状態で現地で生産することができます。長い輸送ルートや輸送に頼る必要はありません。世界中のデジタル積層造形プラントのコスト構造は比較的似ています。したがって、AM センターのローカライズされた「デジタル ホット スポット」が必要です。この目標を達成するためには、3Dプリンティングを理解し、使用できる開発者、製図者、デザイナー、およびオペレーターにこの技術を提供する必要があります。これが、従来の製造戦略を 3D プリントの新しい可能性に変え、将来のイノベーションの機会を最大限に活用できる唯一の方法です。
道。 3D プリントは、多くの企業や業界にとって競争の要因になるでしょう。
最終的な考え
AM の将来のビジョンの最後に、3D コンシューマー市場について言及しなければなりません。他のハードウェアと同様に、産業用および民生用の 3D プリンターの市場は常に存在します。英国の市場分析会社 Context は、2 つの市場容量の比率は 70:30 であると述べています。市場は確かに大きな飛躍を遂げました。現在、最先端の民間 3D プリンターの価格は約 1,000 ユーロです。あえて言うなら、約15年前、同等の品質の部品を備えた産業用3Dプリンターの価格は10万～20万ユーロでした。これは、3D プリントが現在、垂直ではなく水平に拡大していることを意味します。
家庭用 3D プリンター (現在最も普及している HP マルチジェット フュージョン テクノロジー) は、オフィスのレーザー プリンターと同じように、将来の主流になるでしょう。だからできる
グラフィック ライセンスに基づく多くの実用的な製品は、「私たちのような人」によって自宅で作成できると考えられています。新しい王冠のようなパンデミックの間、外出せずに自分のフェイスシールドやマスクを印刷したいと思う可能性はそれほど悪くはないと思います.インターネット上にあるデータを使用できます。