沖縄県立教育センター ＜総合生産システム＞ 研修報告集録 第 31 集(2-2) 221−230 2002 年 3 月 光造形機の効果的な活用 − 科目「課題研究」，「製図」における教材作成 − 県立沖縄工業高等学校教諭 石 嶺 真 睦 「実習」，「課題研究」に活用され、活性化につなが Ⅰ テーマ設定の理由 っているが，さらに複雑な形状の加工や，より正確 近年の技術革新はとどまるところを知らず，情 な部品製作には苦慮することがある。 特に，相撲ロボットなどの限られた重量や規定 報機器や先端技術も著しく発展しており，産業界に 寸法におさめる作業が必要な場合には，複数の加工 おいても大きな変化が起こっている。 生産現場では，顧客ニーズの多様化，商品ライ 段階を経て製作するわずらわしさもある。 また，「製図」等の授業時に図面を作図させても， フサイクル短縮，製品競争力向上などの諸要求から 製造メーカーの開発部門では，商品開発プロセスの 短縮が最重要課題となっている。 CAD(Computer Aided Design) / CAM(Computer 実際に立体を認識させるのが困難な場合もある。 このような「製図」，ロボット製作での課題を解 決するため，CAD/CAM による設計・製作図面実習と Aided Manufacturing) ，CAE(Computer Aided 関連させて光造形機にてその作品を得ることができ Engineering)等に代表されるこれらコンピュータ れば，立体認識の一助となり得ることが期待でき， システムの導入で，精度，品質，開発時間の大幅な 改善が達成されつつあるが，試作モデルは依然とし かつ正確で，単一加工行程の部品が製作可能である。 以上の点から，本研修を機に CAD/CAM による設 て手作業や機械加工に頼らざるを得ないのが現状で 計・製作図面作成，ならびに光造形機を活用した作 ある。 品製作を行い，学校現場での「実習」や「課題研 このような現状の中で，1981 年に小玉氏により 液状感光性樹脂を用いた３次元光造形法が発表され， 究」，「製図」の教材作成，ロボット製作へと反映す るため本テーマを設定した。 その後アメリカで大きな発展をみた。 Ⅱ 研究内容 ３次元光造形法とは，３次元 CAD データを 0.05 mm∼0.5 mm のピッチで水平にスライスして得られ る断面形状データに基づき，紫外線レーザ光で感光 １ 光造形機の概要 性樹脂面に描画し樹脂を硬化させ，硬化樹脂を逐次 積層させることで立体形状を得る手法である。 (1) 光造形機とは 3 次元 CAD ，もしくは 3 次元スキャナーからの物 この光造形法により，従来のような熟練者によ 体の 3 次元データをもとに，紫外線レーザ光を感 る手作業や高価な金型を用意することなく，複雑な 光性樹脂に照射して樹脂を硬化させ，必要とする物 形状の高精度な３次元モデルの作成が可能となり， 体の複製や試作品を作成することが可能な装 置であ 製品開発が大幅に短縮されることとなった。 り，ラピッドプロトタイピング（RP ） シ ス テ ム と 現在，同手法は自動車、家電，OA 機器に代表さ 呼ばれる高速で試作品を作成する方式の一種である。 れる工業分野の設計・試作等の用途で幅広く普及し ている。 また，医療分野でも外部から直接見るこ (2) 光造形機の特徴 とのできない生体の骨格や臓器・血管等の実態モデ ルとして研究や実際の症例に利用され，注目を集め この造形法は，切削工具を用いた従来の機械加工 の製作法と比較すると，以下の様な利点がある。 ている。 ① 通常の切削加工が困難な自由曲面や，複雑な ところで，本校の電子機械科においてもコンピ ュータシステムにて制御された CNC(Computerized 構造（アンダーカット部など）を有する立体形状を 簡単に製作することができる。 Numerical Control) 旋 盤 ， マ シ ニ ン グ セ ン タ (Machining Center) ， 産 業 用 ロ ボ ッ ト ， レ ー ザ 加 工機（炭酸ガスレーザ）等がすでに導入されており， ② 完全自動化されたプロセスであり，装置を操 作するための特別な知識，熟練が不要である。 ③ 短時間でかつ経済的に所望のモデル製作が可 −221− 能である。 人工骨用マスターモデル，義歯用の頸骨モデルとし ④ 工具摩耗，騒音，振動，切削屑の発生がない。 て利用されている。その他にも，補装具，教育訓練 (3) 光造形技術の応用 用モデルなどが上げられる。 ① 意匠設計によるデザイン評価 ⑥ 土木・建築分野 工業分野ではデザインモデル，ワーキングモデ ル，木型，樹脂型，靴型，真空中型マスター，少量 立 体 地 図 や 建 物 の モ デ ル を 作 成 し， 景 観 の 確 認 ， ビル風などのシュミレーションを可能とする 部品等に利用されている。これらの造形モデルを作 成することによって，開発者は設計した製品のデザ ２ 光造形システム インが期待したものであるかどうかを実際に手にと って検討可能であり，さらに設計にフィードバック (1) 光造形システムの原理 光造形とは，液状の感光性樹脂を物体の３次元デ することが可能である。従来の貼り合わせや，機械 ータに基づき，光エネルギー（紫外線レーザ光）に 加工と異なり，複雑な形状でも簡単に造形可能なた よって層状に，硬化させ所望の形状の立体物を精度 め，確実に形状を確認することができ，設計修正も 良く製作する技術である。その原理は次の工程を経 容易となる。従って，より的確な製品設計が可能と る。 なる。 ① コンピュータ上の３次元 CAD と呼ばれる立体 ② 機能評価 デザインシステムにより，造形したい品物の立体形 設計の確認を行うための部品の組付けや，穴位 状を設計する。（図１）もしくは，物体の３次元デ 置合わせのチェックへの利用，機構や風洞実験など ータを，３次元スキャナーから取り込むことも可能 の機能的な検討を行うことにより，設計ミスを防ぐ である。 などの，より適切な設計が可能である。 ② CAD デ ー タ を 、 造 形 用 の デ ー タ 作 成 の た め ③ 実部品製造の試み STL フォーマットに変換する。 （図２） RP システムはもともと３次元 CAD のプリンタ的 ③ モデルの造形装置内での配置や積層方向（モ 発想から生まれた。そのために，形状確認モデルが デルの置き方：立法，倒立，横転など）を決定し， 主な目的であった。最近，R P システムの樹脂があ る目的を持って開発されるようになってきた。この コンピュータ上で，当該物体データを所定の等間隔 にスライスしてその断面のデータを作る。その後， 意向をさらに押し進め,RP システムでなければでき サポートを配置し，レーザ操作速度，出力，コーテ ないような複雑なモデルを造形し，実用的な部品と ィング回数，オフセット量，収縮率などの各種パラ して用いる試みも始まっている。RP システムによ メータを設定する。 （図３） り CAD データから直接得られるモデルを実際の製 ④ 断面データに基づいて液状の光硬化性樹脂の 品にしようとするものである。 表面をレーザ光で走査（スキャン）する。被照射部 ④ 鋳造用真空注型のマスターモデルでの利用 分の樹脂が薄く固まって断面データに対応する樹脂 鋳造のためのオス型として利用されている。 硬化層が形成される。この工程を繰り返して樹脂硬 ⑤ 医療分野 化層を次々と積層する事により，所望の物体形状が CT スキャンから得られた人体の輪切りのデータ 形成される。 （図４，５，６） をもとに，患部の手術シュミレーションモデルや， CAD のプロセス 光造形のプロセス Sｎ ｄ 図 1 CAD 又はスキャナーで 図 2 CAD で STL 入力された形状データ S1 S2 S1 図 3 N 層にスライス フォーマットへ変換 されたデータ S2 レーザ Sｎ ｄ テーブル 図 4 第１層の硬化 S2 S1 図 5 第２層の硬化 −222− S1 図 6 最終層の硬化 (2) 産業教育センターの造形装置の概要 ③ 造形機用のデータ編集 ① ３次元スキャナー装置 造形の為に，物体の造形データ（拡大・縮小） ヘリウムネオンレーザ光を照射し，その反射光 の他に，造形機における配置データが必要となる。 の遅延を測定，演算して物体表面データを得る。 ス キ ャ ン 可 能 な 物 体 の 寸 法 は ， 通 常 各 辺 300mm の立方体である。 （1000 ㎜の立方体まで設定可能） 図 9 造形配置データ編集画面 ④ 光造形機 (SOLIFORM-250B 帝人製機) プラットホームと呼ばれる造形板上に，角辺 写真 1 ３次元スキャナー装置 250mm の立方体までが造形可能である。 図８ ３次元スキャナーからの画像データ編集 写真 2 光造形機外観 図 7 ３次元スキャナーのデータ編集画面 ⑤ ポストキュア装置（２次硬化促進） ② ３次元 CAD ソフト(Solid Edge) 造形後の２次硬化促進の為，再度紫外線を照射 突 き だ し ， 切 り 抜 き ， 回 転 等 の 操 作 の 組 合 せ で ， する。 立体を設計・製図することが可能である。 写真 3 ポストキュア装置での２次硬化作業 図 8 ３次元 CAD による立体図面設計 −223− ⑥ 実際の造形例（３次元スキャンデータ使用） の基礎・導入部の練習問題・課題を教材として利用 するため，造形を行った。 （写真 6） 立体認識の調査結果（１／３） （立体図より３角法の図面を選択する問題） 写真 4 1/2 縮尺の造形（左）と被スキャン物体（右） 正答率／難易度（生徒回答） 正答率／難易度 （％） ⑦ 実際の造形例（３次元 CAD データ使用） 150 100 正答率 難易度 50 0 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ 設問番号 図 10 立体認識の調査結果 立体認識の調査結果（２／３） 写真 5 遠心吸引ファンとホイールの試作 （３角法の図面より立体図を選択する問題） ３ 光造形機の効果的な活用 (1) 教材製作 科目「製図」の教材製作のため，沖縄工業高校電 子機械科 3 年生へ，製図課題の立体認識に対する 以下の調査・研究を行った。 ① 立体図より３角法図面を選択する問題(図 10) ② ３角法図面より立体図を選択する問題(図 11) ③ 立体図より３角法図面を描く問題(図 12) 結果について，総じて言えることは，３軸 （X,Y,Z）の方向とある角度で交差する面の切り取 上が実物模型，または CAD の有用性を認めている ことがわかった。尚，製図の教科が入ってくる同校 2 年生についても同様の調査を実施したが，ほぼ同 じ状況であった。 （図 13） これらの結果をふまえ， 作 品 モ デ ル が 授 業 の 一 正答率／難易度 （％） りのある図形、およびかくれ線で表される図形の輪 郭認識が苦手である。また，回答した生徒の８割以 正答率／難易度（生徒回答） 150 100 正答率 難易度 50 0 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 設問番号 助と成り得ることを確認できたことから，「製図」 図 11 立体認識の調査結果 −224− 立体認識の調査結果（３／３） （立体図より３角法の図面を描く問題） 正答率／難易度 （％） 正答率／難易度（生徒回答） 写真 6 科目「製図」の課題造形 150 (２) 光造形機の活用 100 正答率 ① 科目「課題研究」にての作品モデル製作 50 難易度 沖縄工業高校の生徒の課題研究にて，物体形状 データをスキャナーから読込み，造形データへの編 0 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 集，さらに造形へと一連の作業を行った。 設問番号 作業を終えての生徒の感想から，「コピー感覚で のデータ作成が可能だが，造形データへの編集作業 図 12 立体認識の調査結果 は手間がかかり大変である」との声があった。しか し，物体の表面データを細かい３角形（ポリゴン） 立体認識の調査結果まとめ 沖縄工業高校電子機械科３年 で近似していく作業は興味を持ったようである。ま た，「産業界での最先端の技術に触れることができ て良かった」との感想が得られた。 実物模型／CADがあればわかりやすいか？ いいえ 5% （図 14, 写真 7） わからない 9% はい 86% 図 13 立体認識の調査結果 図 14 科目「課題研究」にてのデータ編集 −225− ③ CG(Computer Graphics)デザインからの造形 産業技術教育センターでの商業科の生徒実習に おける，CG による生徒作品（商業デザイン）の データを，編集・処理して造形を行った。 これまでは，パソコン画面上での CG 作成のみ にとどまり，実物化には至っておらず，今回，光 造形により実物を得ることができた。当センター では初めての試みである。(図 16, 写真 9) 当初は，ビジネスシステム研究室からの依頼を 受けて，試作的に造形する目的であったのだが， 特に支障なく造形が完了した。これを受けて，商 業分野から工業分野への関連付けが可能な実習を 確立できる可能性があり，当センター施設のさら 写真 7 科目「課題研究」にての 1/2 縮尺モデル製作 なる有効利用にも繋がるものであると助言を頂い ている。 ② 自走ロボットホイール製作 よって，今後の有効な活用の為，商業高校の生 産業技術教育センターの長研講座「メカトロ技 術」にて，自走ロボットのホイールを設計・造形を 徒実習においての CG データの編集・処理から造形 行った。設計から造形までの期間が余りなく，急ご までの一連の流れをまとめ，手順書を作成した。 しらえではあったが，今後利用可能な手段であるこ (図 17∼図 20 に概要と手順書の抜粋を示す) とがわかった。(図 15，写真 8) 図 16 CG による生徒作品（商業デザイン） 図 15 自走ロボットホイール設計 写真 9 CG からの造形（商業デザイン） 写真 8 自走ロボットホイール造形 −226− データの 読み込み 造 形 条 件 大きさの設定 図 19 造形条件設定（大きさなど) 図 17 商業 CG データの読み込み 商業 CG データの読み込み データのエラーチェック 図 18 図 17 造形機での処理へ（造形） 造形条件設定（大きさなど） 図 19 図 20 商業 CG データ造形概要 ④ 相撲ロボット車体，ホイールの製作 テーマ設定の理由でも述べたように，相撲ロボ ットなどの構成部品は，複数の加工段階を経て製 デ ー タ の エ ラ ー チェック 作する必要もある。よって，光造形機を用いての 部 品 設 計 ， な ら び に 造 形 を 行 え ば複雑な形状の部 品でも CAD 図面から，容易に造形が可能となる。 このため，構成部品数の多い車体部分を，一体 形で造形することと，製作が困難なホイールの設 計・造形を行った。(図 21∼22，写真 10∼11) 結論から言えば，光造形機での部品製作の可能性 は十二分にあるものの，その光硬化性の樹脂部材の 強度，造形時に必要となるサポート部分（下の層か ら造形を行う為，宙に浮く部分は土台からの支え， すなわちサポートが必要となる）の生成の向きを考 え，造形データ作成の必要性があることがわかった。 このことから，引き続きこれらの部品製作の可能 性について調査・研究し，生徒実習や課題研究に活 図 18 データのエラーチェック 用していきたい。 −227− 太い実線部分は，サポートが 多く生成された部位である 図 21 相撲ロボット車体の一体造形（ CAD 図面） 写真 11 相撲ロボット車体の一体造形 (３) 手引き書の見直し（３次元スキャナー） 産業技術教育センターの光造形システムは，平成 10 年に導入され現在に至るが，その間に３次元ス キャナー画像編集ソフト（Polyworks ）が更新され ていることが判明した。このため，今回の研修を機 に，これらの手引き書の見直しを行った。 (図 23∼図 27 に概要と手順書の抜粋を示す) なお，更新された Polyworks ver.5.1 は，これ までの ver.4.0 に比べて以下の点で優れているこ とがわかっている。 ① 被スキャン物体の垂直軸周りの画像と，水平 図 22 相撲ロボットのホイール（ CAD 図面） 軸周りの画像との合成時に於いて，作業がスムース であり，エラーが少ない。また，これまでは多点指 太い実線部分は，サポートが 示の合成方法のみであったが，１点指示でも画像デ 多く生成された部位である ータの合成が可能である。 ② 画像データの編集の各段階にて，処理時間が 若干ではあるが，短縮された。 ③ 画像データの編集画面にて，必要により表示 される画像データ表面の配色を自由に変更できる為， 視覚的に作業がしやすくなる。 スキャンデータ取り込み 写真 10 相撲ロボット車体の一体造形（左）と 従来より使用しているアルミ製の部品（右） ゴミデータの削除 図 24 画像データの合成 図 25 画像データの各設定 図 26 画像データの編集 図 27 造形機用データ作成 図 23 スキャンデータ編集概要 −228− スキャンの際に，スキャンモデルを支える粘土等 画像データ表面の細かい編集 の部分も，スキャンデータ （ゴミデータ）として残っ （修正）の為，ビュー（表示）の ているので，ゴミデータの削除を行います。 設定等を行います。 図 24 ゴミデータの削除 図 26 画像データの各設定 被スキャン物体の垂直軸周りの画像と， 水平軸周りの画像との合成を行います。 画像データ表面の細かい編集 （穴埋め，重複した画像データ ２つの画像データの合成は多点指示， の削除等）を行います。 および１点指示でも可能である。 （図は４点指示を示す） 図 27 画像データの編集（穴埋め等） 図 25 画像データの合成 −229− Ⅲ まとめと今後の課題 (1) まとめ (2) 今後の課題 光造形機の学校現場における効果的な活用をめざ 今後の課題としては，以下の事項があげられる。 し，研修に取り組んできた結果，以下の事項が実践 できたものと考える。 ① 沖縄県内には，工業試験場と産業技術教育セ ンターの研究機関のみ に光造形機が設置されている。 ① 製図課題の立体認識について，生徒（沖縄工 一概に他府県での企業での利用状況とは比較で 業高校電子機械科 3 年生）を対象に調査・研究を きないが，精密な光学機械で，かつ未だ技術革新を 実施し，その結果を得た。それにより，当初研修テ ーマ設定時に 期待した通り，作品モデルが授業の一 遂げている最先端の機器であるため，装置の不具合 や諸調整に手間取った。この為，予定した造形を行 助と成り得ることを確認できた。これを受け，工業 えなかったこともあり，今後，また機会があれば， 科目「製図」における，基礎・導入部の練習問題・ 残ったモデルの造形について試みたい。 課題を光造形機で造形し，教材を製作した。 ② 光造形技術は、産業界をはじめ医療・教育分 ② 当センターの施設を利用して，産業界での先 野など、幅広く技術革新をもたらすシステムであり、 端技術に触れることができ，これらの知識・技術・ 当センターにても，工業分野のみの利用にとどまら 経験は，今後の教育実践に非常に役立つものとなっ ず、商業・農業分野などとの関連づけができるよう た。 な研究・実習が行えれば望ましいと考える。 ③ 当センターにて，初めての試みである，商業 分野から工業分野へと関連付けができる造形（商業 (3) 研修を終えての感想 デザイン CG からの造形）が，試行的ではあるが確 この１年間，研修テーマである光造形システムに 立できた。これは，産業教育課の目標である『農， ついての知識・技術の習得を行ってきたが，その他 工，商の各高校生徒実習学科間乗り入れ』の可能性 にも長研講座等により，マルチメディア，通信制御 を持ち私自身にとっても，非常に意義のある経験と 機器の研修などを受講することができ，パソコン関 なった。 ④ 相撲ロボット製作における部品造形の可能性に 連機器の操作・編集方法の習得など，非常に有用な 研修であった。 ついて，調査・研究を行った結果，造形の為の細か また，工業以外の専門学科（商業，農業，工 い設定（造形方向や，部材の板厚など）を行えば， 芸）の先生方とも交流を持つことができ，工業のみ 単一加工行程の部品が製作可能であると確信が持て ならず各分野に関連性のある研究・実習などの可能 た。今後，機会があれば調査・研究を続け，部品製 性について情報や意見を交えることができた。 作等に活用していきたい。 これらの経験は，今後の教育実践に非常に役立 つものと考えている。 来年度から学校現場に戻ることにはなるが，機 会を見つけ，研修等に積極的に参加し，光造型機に よる教材作成を継続していきたい。 ＜参考文献＞ 宮澤信子 斎藤美佳 2000 『Solid Edge ではじめる 3D CAD 入門』 文部省検定教科書 2000 『新版 機械製図』 文部省検定教科書 1998 『機械製図』 綜文館 実教出版 萩原恒夫 『ラピッドプロトタイピングの現状』 萩原恒夫 『樹脂から見た造形』 帝人製機資料 帝人製機資料 −230− 株式会社秀和システム
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