2015 Fiscal Year Annual Research Report
３Dマルチマテリアル・ブロックプリンティング技術の開発と応用
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15H03944
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
丸尾 昭二 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00314047)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前田 雄介 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50313036)
前川 卓 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70361863)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 高速プロトタイピング / 光造形 / 形状モデリング / 精密マニピュレーション / バイオセラミックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、マイクロ光造形・鋳型技術を用いて多彩なセラミックスブロック群を作製し、これらを3D 形状モデリングとロボット工学を駆使して最適構造に組み立てることで、3次元機能デバイスを作製する「3D マルチマテリアル・ブロックプリンティング技術」の開発を目指している。具体的には、マイクロ光造形・鋳型技術によって、β－リン酸三カルシウムなどのバイオセラミックからなるブロック群を作製する。また、形状モデリング技術によって、３Dモデルを表現するためのブロック群の最適配置を決定するソフトウエアを開発する。さらに、導出したブロックの最適配置に応じてブロック群を精密に組立てる３Dブロック組立システムの開発に取り組む。本年度は、上記の目的を達成するために、以下の研究項目を実施した。
バイオセラミックス製ブロックの作製では、シリコーン樹脂型を用いてブロックの量産を実証した。作製したブロックの機械的強度を計測し、皮質骨よりも高い強度であることを確認した。さらに、焼結時のブロックの収縮を補正し、組立て可能なブロックの作製に成功した。
ブロック配置を決定するソフトウエアの開発では、組立時に自立が可能なモデルを構築するために、組立てたブロック群の重心位置を調整し、安定して自立できるモデルを導出するアルゴリズムを構築した。また、組立てたブロック形状の空孔率と機械的強度を両立させるために、最適計算における重み関数を調整し、所望の機械的強度を得るためのパラメータを調査した。
ブロック組立システムの開発では、基礎実験として、市販ブロックのピックアンドプレースを可能とするシステムを試作した。さらに、本システムを用いてブロックを安定に組立てるために、ブロック組立時に接触するブロックの安定性を評価し、ブリッジモデルのようなオーバーハング形状でも安定して組立て可能なブロック形状と組立手順を決定した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的である、多彩なセラミックス材料を用いて作製したブロック群を用いて、マルチマテリアルからなる3次元機能デバイスを高速作製する「3D マルチマテリアル・ブロックプリンティング技術」の開発に向けて、（１）ブロックの作製プロセスの確立、（２）３Dモデルを再現するためのブロック最適配置を決定するソフトウエアの開発、（３）ブロック配置に応じてブロックを自動的に組立てる組立システムの開発、それぞれの研究において、着実に成果をあげている。さらに、相互の連携も緊密に行っている。例えば、研究（１）で作製した微小なブロックを、研究（３）で開発中の組立システムに適用するために複数のブロックを作製・提供して、予備実験を開始している。また、研究（２）で開発したソフトウエアの暫定版を、研究（３）の組立て実験に適用し、組立時に生じる不具合を修正しながら、ブロック配置決定のアルゴリズムの改良を行っている。また、ブロック作製やブロック組立てに関しては、日本機械学会や日本ロボット学会などで研究成果発表を行っている。また、ブロック配置決定ソフトウエアの開発に関しては、国内学会発表に加えて、すでに学術論文を発表している。以上のことから、順調に研究が進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
バイオセラミックスを用いてブロックを作製するプロセスが構築できたため、今後は密度や強度の異なるさまざまなブロックの試作を行う。また、現在試作しているブロックの生体適合性評価を行うために、H２８年度から新たに横浜市立大学の廣田准教授に研究分担者に加わっていただき、生体適合性の評価実験について検討し、細胞培養実験を行う予定である。
また、３Dモデルから最適なブロック配置を生成するプログラムおよびブロック組立システムの改良を行い、これらの統合によるブロックの組立システムの完成を目指す。
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