３Ｄゲルプリンティングでやわらかものづくり革命を！
古川 英光 [山形大学 教授, 理博(東工大96)]
Twitter: @gelmitsu

ソフト＆ウェットマター工学研究室
研究室代表(2009〜)

やまがたメイカーズネットワーク
設立発起人・理事（2014〜）

OPERAソフトマターロボティスクスコンソーシアム

山形大学 ライフ・3Dプリンタ創成センター
センター長(2013〜)

米沢駅2F 駅ファブ
運営責任者
(2014〜)

株式会社ディライトマター
共同創業者・特別技術顧問(2016〜)

COIファブ地球社会創造拠点

高分子未来塾
塾長（2015〜）

やわらか3D共創コンソーシアム
代表発起人・会長（2018〜）

デジタルマテリアル&システムグループ リーダー

（2013〜）

代表（2016〜）

古川のミッション：ソフトマター（高分子ゲル・食品）やハイブリッド材料の3Dデジタル製造を強化する研究、3Dプリンターを教育 1に活かす研究、先端技術を社会実装する研究で、高付加価値の創造を地方からグローバルに展開します。

世界初! 3Dゲルプリンター

3D-CADデータ

先進的ゲル材料の自由造形が可能な
世界初の3Dプリンタ

高強度ゲル3Dゲルプリンター
革新的ブレークスルー技術！ UV照射部分のみゲル化！

•造形モデルは3D-CADソフトで作製
化学×機械•型では作れない複雑・中空構造を迅速造形•山形大学で開発された先進的ゲル材料の3D自由造形が可能
R. Hidema, K. Sugita, H. Furukwa, Trans. J. Soc. Mech. Eng. (A), 77, 1002-1006 (2011)
H. Muroi, J. Gong, H. Furukawa, J. Solid Mech. Mater. Eng., 2013.

2

高強度ゲルの原料

水中で膨らむと硬くて脆くなる吸水性ゲルの乾燥粉末

3Dデジタルデータから造形された高強度ゲル
UV光で溶液中に反応を起こす
3Dゲルプリンター内部の反応槽「バスタブ」

水溶性アクリルモノマー、架橋剤、UV重合開始剤の入った水溶液。この水溶液にUV照射すると延性に富むゲルができる。

3D-CADで描いた、3Dデジタルデータ

3Dゲルプリンター

3生体組織は、骨格（骨、歯等）を除いて、すべて軟組織から構成されている

軟組織の例：
血管、筋肉軟骨、腱、靭帯
生体軟組織は、水分を50〜80%も含んでいる

ゲル・・・つまりヒューマンフレンドリーデバイスとして、ゲルは必須
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“3Dプリンタブルな柔らかくて強い滑るゲル”の“市場”と”価値”

水晶体・角膜ソフトロボティクス

・酸素透過性 〇・フィット感 〇・省エネ〇・メンテフリー 〇ゲル眼内レンズ

ゲル摺動シール

関節軟骨

血管・衝撃吸収性・潤滑性〇〇

低摩擦係数 ～0.001⇒滑らかな運動の確保

静音・低摩擦・
環境に優しい・物質透過性 〇・潤滑性〇⇒血管内外との物質のやり取り
5

革新的設計生産技術
デザイナブルゲルの革新的3Dプリンティングシステムによる新分野の進展支援と新市場創出
発表者：古川 英光 （山形大学）
研究テーマ責任者：川上 勝 （山形大学）
参画機関：山形大学，JSR株式会社，
サンアロー株式会社，株式会社ディライトマター
6研究開発成果：デザイナブルゲル ツール群

ディスペンサ式
３Ｄゲルプリンタ
テストユース機デザイナブルゲル
造形用ソフトウェアの開発

ゲル積層シミュレーション（粒子法）

3Dゲルプリンタ
専用ゲルインク

バスタブ式
３Ｄゲルプリンタ
プロトタイプ機

３Ｄゲルスキャナ
技術実証機
SPH法：Smoothed Particle Hydrodynamics(平滑化粒子流体力学)7

研究開発成果：ゲル積層シミュレーション
入力パラメータ
初期配置

モデル形状
解析時間

境界条件
解析領域

ソフトウェア特徴 3Dビューアーを持ったUI
 長さの単位選択可能
 境界条件付与のためのGUIによる任意の境界面選択
 結果のアニメーション表示、動画作成

出力パラメータ
粒子位置
流速
圧力

せん断速度
温度

滞留時間
粘度
密度8

先進的ゲル材料で開発した3D造形物

高精細なゲルの３D造形物

骨入り指モデル3Dゲル眼内レンズ

高透明で柔軟なゲルの３次元自由造形
200 um

直径200μｍ・高さ200μｍの円柱パターン

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研究開発成果：ゲル眼内レンズの3Dプリント
3D Printed Inter Ocular Lens (IOL)
HapticsOptics

One layer

Optics [mm] Haptics [mm]One layer

6.00.5Multi layer

6.00.6※Measured with calipers

Multi layer(Left: UV absorber, Right: No UV absorber)・Suppress spread of gelation
・Transparent

UV absorber suppress both scattering lightand white turbidity

Kumagai, H., Sakai, K., Kawakami, M. et al.
Microsyst Technol (2017). doi:10.1007/s00542-017-3386-910

背景： 広がる3Dゲルの適用範囲
ヘルスケア産業への貢献
3Dゲルプリンターにより，三次元細胞培養のための足場を造形．
田勢他，日本機械学会論文集，(2017) より.

人工臓器作製へ貢献→再生医療分野に貢献

先端産業（自動車等）への貢献
スプーン形状形状変形フォーク
形状

ゲル材料のロボッ
トハンドへの応用（滋賀県立大学山野准教授らと共同研究）

箸形状

ロボット開発分野に貢献

3D食品プリンター
により，見た目にも楽しい嚥下食を．
Kodama et al., “Future Foods”,Chap. 9 (2017) より.

介護・看護分野に貢献

マイクロ流路の3Dプリント
Takamatsu et al., 232nd
ECS meeting. M01 No.
2113 (2017) より.

MEMS分野に貢献
11デザイナブルゲル ロードマップ
2000
1cm

2017

20122022

Diameter : 22.5 mm
Thickness: 2.0 mm

RepRap方式
高強度ゲルの開発
2001

2002

2003

環動ゲル

ナノ コンポジッ ト ゲル

ダブルネッ ト ワークゲル(SIP外でオープンソースPJを並行実施中)

3D data

対象製品分野：一般ユーザー(教育，ホビーなど)
造形精度よりも低コスト化が要求される10mm

O k u m u ra a n d Ito

1mm

H a ra g u ch i

K u ro k a w a , G o n g , et a l.

2010

2011

2012

テト ラPEGゲル

アクアマテリ アル

相互架橋ゲル

透明形状記憶ゲル(山形大学)(山形大学)

対象製品分野：ヘルスケア、医食
必要造形精度：〜1mm

ゲ
高強度ゲル研究は日本が世界を 圧倒的にリ ードル
造 100μm
形
精度
10μm

A id a , et a l.

T a k a d a , Fu ru k a w a , et a l.

10mm

ディスペンサ方式（2015年開発完了→ベンチャーへ）2008

S a k a i, et a l.

2027

Y o k o o , Fu ru k a w a , et a l.

バスタブ・レーザー方式（2016年技術実証完了）

対象製品分野：ロボット・アクチュエータ
必要造形精度：〜100μm

マイクロ光造形バスタブ方式（2017年より開発着手）
200 um対象製品分野：ポリマーMEMS，DDS
必要造形精度：〜10μm

ナノ光造形バスタブ方式（次期ターゲット）

1μm

対象製品分野：再生医療，分子デバイス
必要造形精度：〜100nm

12社会実装に向けて：ベンチャー活用

SIP発ベンチャー
2017年11月1日 設立

1313やわらか3D共創コンソーシアム
キックオフシンポジウム（4月6日東京）

SIP終了後に向けた戦略、推進体制（案）
やわらか3D共創コンソーシアム概念(案)Soft 3D Co-creation Consortium
連携大学：

山形県

人

山形県産業技術振興機構

oooo

Application

量産化

ものづくり

山形県工業技術センター

材料
多数の材料メーカー

・米沢栄養大学

連携企業：
3Dプリンター関連の企業

製品 IoT

技術支援

食品

アメリカ ジョンズ・ホプキンズ大学 (JHU)
カナダ ブリティッシュコロンビア工科大学 (BCIT)
カナダ サイモンフレーザー大学 (SFU)
会津大学 (UoA)
その他にも連携し独自の学会的組織を構築する

X
デザイナブルゲル
3Dソフトマター技術＜古川研究室＞

企業(地元)

機械
多数の3Dプリンター
メーカー

医療

ゲル

モビリティ

(接着)

(ｺﾞﾑ､ｴﾗｽﾄﾏｰ)(金属・複合材料)

・山大医学部

80社程・ディライトマター社 ・山大グリーン材料研・堀場製作所、etc.

ロボット
・早稲田大学・滋賀県立大学

企業が3Dゲル造形技術を活用できるオープンな場を構築・標準化
15材料30年

ものづくり
材料
新しい材料

使い道は？

材料創製
材料系
研究開発

機械

新材料

実用化開発
導入検討

本当に欲しい？
本当に使える？
本当に売れる？

加工・造形

販売

事業成否

製品試作量産？

作り方は？ 自由な形を扱い方は？ 作り出す技術

製品
コンセプト

最終製品メーカー
テストユーザー

機械系
新技術
技術開発

分業によって開発・情報が分断され、実用化に多大な時間・コストを要する
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材料30年から材料3ヵ月へ(ﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ構築)
デジタルファブリケーション

コンソーシアムでの共創材料系メーカー

機械・装置系メーカー

ものづくり
材料

×

古川研究室

機械

シームレス

最終製品メーカー
テストユーザーオープンイノベーション／共創

デザイナブルゲル／3Dプリンター
新材料ラピッドプロトタイピング

材料創製
材料系
研究開発新材料

製品
コンセプト

加工・造形
製品試作

機械系
新技術
技術開発

テストユーザーインタビュー

検証販売
マスプロダクション＆マスカスタマイゼーション

顧客開発モデル

設計データ、試作データ、評価検証データ、顧客データなどを蓄積・連携・活用することで、加速度的・相乗的に製品を革新できる

SIP H30年度実施データベース化（専用DBの開発）が大活躍する未来！

17ものづくりをおもしろく

面白工場
機械系ファブレスメーカーを顧客とする3Dプリン
ター・ロボット・AI活用の製品組み立て実験工場

第一次産業革命（蒸気機関車・手作業の機械化）
第二次産業革命（大量生産技術）
第三次産業革命（電子システムとコンピュータ技術による生産自動化）

第四次産業革命（何も指示を与えなくても自分で作業する）
キーワード：IoT、Industry4.0

目的

名称

主体者

対象となる分野

将来的な効果サービス業のロボット革命

例）変なホテル

H.I.S.

旅行、テーマパーク、ホテル、ロボット、エネルギー、植物工場

・人件費の削減
・生産性の向上
・データの蓄積、分析による改善
・競争力の強化

ものづくり産業のロボット
革命

面白工場(FanFab“ファンファブ”)

山形大学事業創出セン
ター × やわらか3D共創コンソーシアム連携) 、国、山形県、米沢市、山形県
工業技術センター

モビリティやエレクトロニクス最終製品の組立、設計や開発および生産（製造）、ロボット、3Dプリンター、組み立てライン、実験場、IoT、ビッグデータ、AI・工場の生産性を高める。ロボットによる自動化
・在庫を減らす。3Dプリンターで在庫不要に・製造とサプライチェーンのコストを削減
・自立的に動作するインテリジェントな生産システムの構築に寄与。AI活用で匠の技を継承
・収益の増加18