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成果報告書詳細
管理番号20190000000414
タイトル平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)革新的設計生産技術/イノベーションソサエティを活用した中部発革新的機器製造技術の研究開発
公開日2019/5/31
報告書年度2014 - 2018
委託先名一般社団法人日本機械学会 国立大学法人名古屋大学 国立大学法人福井大学
プロジェクト番号P14030
部署名IoT推進部
和文要約 本研究開発では,マルチスケール,マルチ材料の複合化のためのブレークスルー技術の実現を目指し,超リアル手術シミュレータ実体モデルの製造技術を実現した.具体的には,以下の要素技術を開発した.
1)フェムト秒レーザ還元直接描画法による金属‐ポリマーリアルマルチ材料積層造形技術
 CuOナノ粒子,ポリビニルピロリドンおよび還元剤を含むCuOナノ粒子溶液膜をガラス基板上に塗布し,集光したフェムト秒レーザパルスによって選択的に熱還元することにより,金属‐ポリマー複合構造体の積層造形を実現した.大気中で,曲面など立体表面上に,基板材料を選ばず金属とポリマーの立体構造を製作できる技術は世界初であり,本研究開発では,ピッチ20 μm以下,造形領域2×2×0.3 mm3以上を実現した.これにより,後述の手術シミュレータ実体モデルの絶対温度センサ,迷走電流再現配線を実現した.
2)機能化ポリマーによる異種ポリマー材料のマルチスケール・マルチ材料積層造形技術
 機械的特性や機能の異なる異種ポリマー材料の造形技術を開発し,造形範囲50 mm立方,造形精度50 μmを実現した.また,弾性率範囲20 kPa―1 GPaを実現した.本技術を用いて作製した手術シミュレータ実体モデル用の臓器モデルとして,ポリジメチルシロキサンに不可逆性の感温性顔料を混合し色情報で最大到達温度を計測可能な腎動脈モデル(温度範囲:60―100℃,温度計測精度-1.6℃/+2.4℃),および水系ポリウレタンに水溶性の不可逆性感温性色素を導入し55℃以上に加熱された範囲を色情報で計測可能な(温度計測精度±0.18℃ at 56℃)心臓のパーツモデルを実現した.
3)摩擦攪拌インクリメンタルフォーミングおよび局所摩擦加熱インクリメンタルフォーミングによる金型フリーハイブリッド板材成形技術
チタンから従来困難であったアクリル板までのマルチ材料,サブメートルからミリメートルオーダのマルチスケールで,従来の2倍以上の成形可能板厚(純Ti板およびTi合金板0.5mm,Al合金板3mm,Mg合金板0.8mm,アクリル板3 mm),従来の10倍の精度で成形を可能とした.これにより手術シミュレータ実体モデルのX線不透過マーカ,心臓モデルベース,EVE2筐体等を実現した.
 以上の要素技術の集大成として手術シミュレータ実体モデル(EVE2)の精密心臓モデル(温度測定機能,迷走電流再現機能等)や血管モデルを製作した.医師,医療機器メーカ技術者などのユーザによる評価フィードバックを経て,市販用プロトタイプを実現した.
 また,多数のプレーヤの協働によるイノベーション創出の場としてのイノベーションソサエティを,日本機械学会を中心として構築し,以下のシステムを実現,実装した.
1)機械学会をハブとしたWeb会議・情報交換システムであるイノベーションフォーラムを実現し,日本機械学会のHPに実装し,広く会員に一般公開した.
2)ワンストップ講演会開催システムであるイノベーションカンファレンスシステムを実現した.このシステムを用い,各界の第一人者による招待講演,Web会議システムによるバーチャルセッション,ショットガンプレゼンテーションなど,実験的・挑戦的な新しいスタイルの講演会であるiJSMEを4回開催した.
3)サイバー拠点の基本システムとしての技術マッチングシステムであるデライトものづくりAIネットワークプラットフォーム(PLANET AIDeA)を実現し,一般公開を実現した.
英文要約Title:SIP (Cross-Ministerial Strategic Innovation Promotion Program) / Innovative Design/Manufacturing Technologies Development of Manufacturing Technology for Innovative Apparatus and Innovation Society from Central Japan (FY2014-FY2018) Final Report

Aiming at the realization of breakthrough fabrication technology for multi-scale and multi-material parts, we realized the manufacturing of super real substantial model (EVE2) for surgery simulator. The following component technologies were developed.

(1) 3D Printing of Metal-Polymer Composite Materials by direct femtosecond laser pattering
Cu-polymer composite microstructures were fabricated by using femtosecond laser reductive sintering of CuO nanoparticle solutions containing CuO nanoparticles, polyvinylpyrrolidone, and a reductant agent, which were formed by laminating layer by layer. The fabrication technique of 3D microstructures on arbitral materials of nonplanar surfaces in ambient atmosphere is the world’s first one. The minimum pitch was <20 μm and size of the structures was >2×2×0.3 mm3. This fabrication technique achieved the fabrication of absolute temperatures and electrodes for simulating stray currents for EVE2.

(2) Multi-scale and multi-material layering technology of different polymer materials by functional polymers. Fabrication method of different polymers which have different mechanical properties and functions was developed. Fabrication size and accuracy were 50 mm cubic and 50 μm. Young's modulus of the fabricated structures was from 20 kPa to 1 GPa by silicone elastomer and hydrophilic photo-crosslinkable resin. Organ models such as renal artery model containing irreversible temperature-sensitive pigment (Range: 60 to 100 °C, Accuracy: -1.6 °C / +2.4 °C) and hydrogel heart containing irreversible temperature-sensitive dye for measuring the area heated over 55 °C (Accuracy ± 0.18 °C at 56 °C) were developed.

(3) Die free hybrid sheet forming technology
Die free hybrid forming methods for multi-materials, from titanium alloy sheets, the hard to form materials, to PMMA sheets in multi-scale ranging from mm to m orders were developed. The formable sheet thicknesses were 0.5 mm for commercial pure titanium and titanium alloy sheets, and 3 mm for aluminum alloy sheets, 0.8 mm for magnesium alloy sheets, and 3 mm for PMMA sheets. Those are twice thickness of the conventional ones. The forming accuracy was 10 times precise than the conventional one. X-ray impermeable markers and base plate for a heart model for EVE2, and a housing of it were produced by employing the developed forming method.

In addition, we constructed “the innovation society” as a place of innovation creation by collaboration of many players in centering on the JSME (Japan Society of Mechanical Engineers) and realized and implemented the following systems.
1) "Innovation Forum" which is a Web conference system, implemented it on the JSME HP was realized.
2) "Innovation Conference System" which is a one-stop lecture system was realized. Using this system, new style conference (iJSME) was held four times.
3) "PLANET AIDeA (PLAtform of NETwork by Artificial Intelligence for Delight Art)", which is a technology matching system, was realized and released.
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