数十秒で出力でき、再利用も可能な3次元物体造形装置を開発

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試作やデザインの高速化、および3次元実体ディスプレイへの応用に期待

2018/10/11  東京大学

1. 発表者:

  • 筧 康明   (東京大学 大学院情報学環 准教授)
  • 川原 圭博(東京大学 大学院情報理工学系研究科 電子情報学専攻 准教授、科学技術振興機構(JST)ERATO川原万有情報網プロジェクト 研究総括)
  • 鈴木 遼   (東京大学 大学院情報理工学系研究科 電子情報学専攻 技術補佐員、コロラド大学ボルダー校 大学院 コンピュータサイエンス専攻 博士課程2年生)
  • 山岡 潤一(東京大学 大学院情報学環 特任助教)

2.発表のポイント:

  • 磁石が埋め込まれた9ミリメートルサイズのブロック約3,000個を使い、任意の3次元形状を数秒から数十秒で出力できる3次元物体造形装置「Dynablock(ダイナブロック)」を開発しました。
  • 積み重ねられたブロックを、リニアアクチュエーターアレイ(注1)で下から押し出し磁石の力で結合させることで、高速で、かつ再利用可能な3次元形状を造形できます。(図1)
  • ものづくりやデザインにおけるプロトタイプ(試作)作製の高速化、また長期的には3次元実体ディスプレイ(注2)への応用が期待されます。

3. 発表概要:
近年、3Dプリンター(注3)を中心としたデジタルファブリケーション技術(注4)は、新たなものづくりの方法として大きな注目を集めています。しかし立体を出力する際に数十分から数時間と時間がかかる点、一度造形したものを粘土のように素材として再利用できない点が大きな制約となっていました。
これらの問題を解決する手法として、東京大学の筧康明准教授および川原圭博准教授らの研究グループは、磁石が埋め込まれた9ミリメートルサイズのブロック(図2)を組み立てることで任意の3次元形状を素早く造形することができる3次元物体造形装置「Dynablock(ダイナブロック)」を開発しました。本研究では、8層にわたり積み重ねられた約3,000個のブロックを、リニアアクチュエーターアレイにより、下から押し出し結合させることで、数秒から数十秒と高速かつ再利用可能な3次元物体造形装置の機構を提案しました。
ダイナブロックの特徴を活かし、ものづくりにおけるプロトタイプ作製やデザインの高速化への応用が期待されます。また、今後は、造形時間のさらなる高速化による3次元実体ディスプレイへの応用を目指します。
なお、本研究の詳細は、2018年10月14日(日)~17日(水)にドイツ連邦共和国ベルリン市にて開催される「ACM Symposium on User Interfaces Software and Technology (UIST) 2018」にて発表されます。


4.発表内容:
近年、3Dプリンターをはじめとするデジタルファブリケーション技術は、製造業におけるプロトタイプ作製ツールという枠を超え、デザインや教育、福祉など多くの分野にその技術が応用され始めています。
しかし、特に3次元物体を出力する際には、造形に時間がかかる点、また、一度造形してしまうと、粘土のように即興的に作り直すことや素材を再利用することができない点が課題となっていました。そこで、本研究では、瞬時に立体を造形でき、かつ素材が再利用可能な
「ダイナミック 3Dプリンティング(動的な3次元立体造形)」を提案しました。この方法では、小さなブロック状の材料を縦横に組み立てることで、任意の3次元形状を瞬時に造形することができます(例:縦、横、高さがそれぞれ10センチメートル程度の大きさの3次元物体を数秒から数十秒で造形可能です)。
これまで、小さなブロック状の部品を組み合わせて動的な3次元形状を造形する手法としては、ロボットアームなどで積み木を組むようにブロックを重ねる手法が提案されていますが、1つのロボットでは、組み立てにかかる時間がブロックの個数に比例して増えるという制約があります。またブロック自体が動的に動き、全体として形状を変えるような自己組織構成型の小型ロボット(注5)による手法も提案されてきましたが、各ブロックが数センチメートル以上と大きくなってしまう点や、組み立てに時間がかかる点、また個々のブロックのコストが高くなるという制約がありました。
今回のダイナミック3Dプリンティングでは、装置内に積み重ねられたブロックを、2次元状に並べられたリニアアクチュエーターアレイを使い上向きに押し出し、ブロック同士を自動結合させることで高速な組み立てを実現します。出力される3次元物体の断面を1層ずつ一度に押し上げて造形でき、1層あたりの出力時間は1秒未満となるため、数層程度の3次元物体を数秒から数十秒で造形することができます。また、必要がなくなった物体は、押し下げることでブロック同士の結合が離れるので、素材の再利用が可能になります(図3)。
本研究では、この提案手法のプロトタイプとして、9ミリメートルサイズのブロック約3,000個を使い、任意の3次元形状を数秒から数十秒で出力できる3次元物体造形装置Dynablock(ダイナブロック)を開発しました。個々のブロックには磁石が埋め込まれており、ブロック同士は水平方向および垂直方向に結合できます。ブロックは8層にわたり積み重ねられており、24×16個のアクチュエーターで下から押し出されます(図4 写真右)。リニアアクチュエーターの周囲に取り付けた仕切り板により、装置内では水平方向のブロック同士は結合されませんが、アクチュエーターによりブロックがステージの上に押し出されることで、仕切り版を離れ隣同士のブロックが磁力により結合されます(図5 写真下)。垂直方向には水平方向よりも弱い磁石を埋め込むことで、図5のようにブロックが押し下げられた際に、結合が切れる仕組みになっています。こうした仕組みにより、机や椅子といったもの(図6)から、飛行機のような形状(図4)の3次元立体を10~20秒で出力できます。また、今回提案する手法では、より小さな磁石を使うことで、個々のブロックを現在のデザインのままで3ミリメートルまで小さくすることが可能です。
ダイナブロックの特徴を活かし、ものづくりにおけるプロトタイプ作製やデザインの高速化への応用が期待されます。今後は、個々のブロックの内部にセンサーやLED、ICチップなどを組み込むことで、周りの状況に応じて色や質感や形が動的に変わるような 機能性をもつ物体の造形や、造形時間のさらなる高速化による、3次元実体ディスプレイへの応用を目指します。


ERATO 川原万有情報網について
本成果は、以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。

科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業
研究プロジェクト:ERATO川原万有情報網プロジェクト
研究総括:川原 圭博(東京大学 大学院情報理工学系研究科 准教授)
研究期間:平成27年10月~平成33年3月

上記研究プロジェクトでは、センサーネットワークやIoT機器がより自律的で能動的な人工物として作用し、自然物と共生して新しい価値を生むための万有情報網の構築を目指します。センサーやロボットを低コストで迅速に作ることを可能とするファブリケーション技術の研究開発のほか、IoT機器のサステイナブルな動作の実現のためのエネルギーハーベスティング(環境発電)や無線給電技術の開発に取り組みます。


5.発表学会:

本研究の詳細は、ドイツ連邦共和国ベルリン市で開催されるユーザーインターフェースソフトウェアに関する下記の国際会議にて現地時間2018年10月15日(月)14:00頃/日本時間2018年10月15日(月)21:00頃に発表します。

学 会 名 : ACM Symposium on User Interface Software and Technology (UIST) 2018
発表テーマ : Dynablock: Dynamic 3D Printing for Instant and Reconstructable Shape Formation
発 表 者 : Ryo Suzuki*, Junichi Yamaoka, Daniel Leithinger, Tom Yeh, Mark D. Gross, Yoshihiro Kawahara, Yasuaki Kakehi

なお、実験動画を下記URLにて公開します。
https://youtu.be/7nPlr3O9xu8

また、写真素材は下記URLにて公開します。
https://drive.google.com/drive/folders/1_u0XpyGGeA45AzQFehUPr907vPQrX2Dx?usp=sharing


6.用語解説: 
(注1)リニアアクチュエーターアレイ : モーターの回転運動を直進運動に変換することで、上下に動作させることが可能な装置であるリニアアクチュエーターを縦横方向に並べたもの。
(注2)3次元実体ディスプレイ: コンピュータースクリーンやホログラムなどのように、画像によって情報表示をするのではなく、実際に触れる物理的な立体を動的に表示する装置。
(注3)3Dプリンター : 3次元の立体形状を作るための装置。熱でプラスチックを溶かして固めることで層を作る熱溶解積層法や、光で固める光造形法などがある。
(注4)デジタルファブリケーション技術 : コンピューターによって制御される工作機械およびそれを制御するための技術の総称。工作物を加工する位置や送り速度などを電子的に指令・制御することで、デジタルデータから、正確な物理形状を作成することができる。
(注5) 自己組織構成型の小型ロボット : 数センチメートル程度のブロック型のロボットが、自ら動いて他のロボットと結合していくことで、全体として形状を構成する手法およびそれを構成するロボット。


7.添付資料: 

図1: 3次元物体造形装置「Dynablock(ダイナブロック)」によって造形された3次元物体の一例

図2: ダイナブロックで使われた9ミリメートルサイズのブロック。
ブロックには、水平方向に直径3ミリメートルの球型磁石、垂直方向には厚さ0.5ミリメートルのディスク型磁石が埋め込まれている。

図3: ダイナミック3Dプリンティング(動的な3次元立体造形)の仕組み。
小さなブロック状のマテリアルをリニアアクチュエーターアレイによって組み立てることで、任意の3次元形状を瞬時に造形する。また、押し下げることでブロック同士の結合が離れ、素材の再利用が可能。

図4: 今回のプロトタイプでは、24×16個のリニアアクチュエーターのアレイを使用した。
8層からなる3,000個のブロックを押し出すことで、左図にある飛行機のような3次元物体も生成可能。

図5: ダイナブロックの横からの断面図。
装置に固定された白い仕切り板により、水平方向のブロック同士は結合されないが、アクチュエーターによりブロックがステージの上に押し出されることで仕切り板を離れ隣同士のブロックが磁力により結合される。また、垂直方向には水平方向よりも弱い磁石を埋め込むことで、ブロックが押された際に、結合が切れる仕組みになっている。

図6: ダイナブロックで出力された机と椅子のミニチュアモデル。
これらの3次元物体は10秒〜20秒程度で出力される。

図7: ソフトウエアでリニアアクチュエーターをコンピューター制御することで、
任意の3次元物体を出力可能。ここでは、スタンフォードバニーを生成する際のシミュレーション。

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