世界保健機関の統計によると、世界中で何千万人もの人々が義足を必要としています。この人口は 2050 年までに倍増すると予想されています。国や年齢層にもよりますが、義足を必要とする人の 70% が下肢に関係しています。現在、高品質の繊維強化複合義足は、複雑な手作りの製造プロセスに伴うコストが高いため、ほとんどの下肢切断患者には入手できません。ほとんどの炭素繊維強化ポリマー (CFRP) 義足は、複数の層を重ねて手作業で作られています。プリプレグ型に流し込み、ホットプレスタンクで硬化させ、その後トリミングとフライス加工を行うという、非常に高価な手作業の手順です。
技術の進歩に伴い、複合材料の自動製造装置の導入により大幅なコスト削減が期待されています。重要な複合材製造プロセスであるファイバーワインディング技術は、高性能複合補綴物の製造方法を変え、より効率的かつ経済的なものにしています。
ファイバーラップ技術とは何ですか?
繊維巻き付けは、連続繊維を回転するダイまたはマンドレルに巻き付けるプロセスです。これらの繊維は、プリプレグあらかじめ含浸されている樹脂または妊娠させられる樹脂巻き取り工程中。設計に必要な変形と強度の条件を満たすために、繊維は特定の経路と角度で巻き付けられます。最終的に、巻かれた構造は硬化されて、軽量で高強度の複合部品が形成されます。
補綴物製造におけるファイバーラップ技術の応用
(1) 効率的な生産：ファイバー巻き取り技術により自動化と精密な制御を実現し、プロテーゼの生産を大幅に高速化します。従来の手作業による生産と比較して、ファイバー巻き取りでは高品質の補綴物を短時間で大量に生産できます。
(2) コスト削減：ファイバー巻き取り技術により、生産効率と材料利用率の向上により、プロテーゼの製造コストを大幅に削減できます。この技術の導入により、補綴物のコストを約50％削減できると報告されています。
(3) 性能の向上: ファイバー巻き付け技術により、ファイバーの整列と方向を正確に制御し、プロテーゼの機械的特性を最適化できます。炭素繊維強化複合材料（CFRP）で作られた義足は、軽量であるだけでなく、非常に高い強度と耐久性を備えています。
(4) 持続可能性: 効率的な生産プロセスと材料利用により、繊維巻き取り技術はより環境に優しいものになります。さらに、複合プロテーゼの耐久性と軽量性は、ユーザーによる資源の無駄とエネルギー消費の削減に役立ちます。
ファイバー巻き取り技術の継続的な進歩により、プロテーゼ製造への応用がより有望になっています。将来的には、よりスマートな生産システム、より多様な材料の選択、よりパーソナライズされた補綴物の設計が期待できます。ファイバー巻き取り技術は今後もプロテーゼ製造業界の発展を促進し、プロテーゼを必要とする世界中の何百万人もの人々に利益をもたらすでしょう。
海外研究の進捗状況
大手義肢製造会社である Steptics は、1 日に数百個の部品を生産できる CFRP 義肢の生産を工業化することで、義肢の入手しやすさを劇的に高めました。同社は、ファイバー巻き取り技術を利用して生産性を向上させるだけでなく、製造コストを削減し、必要とするより多くの人々に高性能の補綴物を手頃な価格で提供できるようにしています。
Steptics の炭素繊維複合補綴物の製造プロセスは次のとおりです。
(1) まず、繊維に東レ製炭素繊維「T700」を使用し、下図のような繊維巻き加工により大型のフォーミングチューブを作成します。
(2) チューブが硬化して形成された後、チューブは複数のセグメントに切断され (左下)、各セグメントが再度半分に切断され (右下)、半完成品が得られます。
(3) 後処理では、半完成部品が個別に機械加工され、その過程で AI を活用したカスタマイズ技術が導入され、形状や剛性などの特性を切断者個人に合わせて調整されます。
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投稿日時: 2024 年 6 月 24 日