情報処理学会 インタラクション 2016
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WeightPrint:
造形物の重さが設定できる 3D プリント手法の基礎検討小林 颯†1	  	  山岡 潤一†2	  	  筧 康明†1
概要：3D プリンタで出力した造形物は，形状は意図通りに出力されるが，そのモデルの重さに関しては考慮されることが少ない．本研究では，形状に加えて重さを指定した 3D モデリングおよび造形手法 WeightPrint を提案する．ユーザはソフトウェア上でモデルをインポートし，重さを指定することで，自動的に錘が入る空洞を生成し，指定した重さの造形物を出力することができる．本稿ではソフトウェアの設計および実装と，本システムを用いて実際に出力し，展示を行った際の反応および今後の展望について述べる．

WeightPrint: A Basic Study on a 3D Printing Method to Create
Weight-Controlled Objects
HAYATE KOBAYASHI†1	  JUNICHI YAMAOKA†2YASUAKI KAKEHI†1	  	 Abstract: While 3D printers can create objects with desired size and shapes, weight of the printed objects is seldom considered inthat materializing process. However, weight of mockups is also one of important elements for prototyping. In our research, we
propose a method that users can set weight of printed objects by installing additional weights and making cavities inside of themodel to adjust its total weight. By using this system, we have created multiple examples including cubes with simulated weightof different materials, and models of fruits with actual size and weight. Additionally, we reported reactions and comments ofpeople who grabbed the weight-controlled objects.

1. はじめにかった．例えば，発売予定のプロダクトの持ち心地や着ける心地をイメージするために，その形状を有したモデルを	  昨今，3D プリンタやレーザーカッターといったデジタル3D プリンタで出力してみるということはしばしば行われ工作機械によって，簡単に実体のあるオブジェクトを設る．しかし，その造形物の重さは実際のプロダクトとは異計・制作できる環境が整備されてきた．Neil Gershenfeld は，なるため，現状では手に持った際の印象をイメージ・共有

デジタル・ファブリケーションがより身近になり，今後よすることは難しい．フィラメントの材質に関わらず形状とり多くの人々がパーソナルファブリケーションに興じるよ

重さを独立して設計できるようにするために，今回筆者らうになると論じている[1]．また，製品開発のプロセスにおは，錘を用いて所望の重さに合わせることが可能な 3D プ

いてもラピッドプロトタイピングの重要性が指摘されていリント手法 WeightPrint を提案する（図 1）．そして，同手る[2]．

法を用いて，出力したい重さに応じて造形物のモデリング	  Dan Saffer は著書にて「元祖 Palm Pilot のデザイナーであデータを生成し，3D プリンタで出力後，展示を行った．

るジェフ・ホーキンズは，製品にふさわしい大きさ，形，	  以下，本稿では関連研究について改めてまとめた後に，重さが決まるまで，様々な小さい木片を持ち歩いたことで有名である」と述べている [3]．この言葉が示すように，モックアップを製作する際には，大きさや形だけではなく，重さなど，それを手にした時の印象も重要な要素となる．	  このような背景の中で，従来の 3D プリント手法を考えると，ユーザは CAD を用いて形状およびサイズを指定し，さらに必要があれば強度や弾力性を指定することができる[4][5]．しかし，プロトタイピングにおいて印象を形成する重要な要素である重さに関しては，形状に対応するフィラメントの量や材質に依存しており積極的に考慮されてこな†1 慶應義塾大学環境情報学部	  	 Faculty of Environment and Information Studies, Keio University†2 慶應義塾大学 SFC 研究所 / 日本学術振興会
Keio Research Institute at SFC / the Japan Society for the Promotion ofScience© 2016 Information Processing Society of Japan

図 1	  WeightPrint
Figure 1 WeightPrint.

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WeightPrint の概要，実装および展示を行った際のフィードソフトウェアを用いてモデルの形状を設計する．その後，バックについて報告する．

ソフトウェア上のアルゴリズムにより，造形に使用するフィラメントの密度を考慮した上で，造形物の内部に空洞お2. 関連研究よび錘を入れるための空間が生成される．生成されたモデルを 3D プリンタで出力した後にユーザが，システムの指	  近年では，3D プリンタのためのフィラメントの選択肢も定する重さの錘を造形物の内部に組み込むことで，造形物増え，フィラメントの材質・色のみならず，強度や密度のと錘の重さの合計がユーザの予め指定した重さに合うとい選択肢も増えてきている．デジタル工作機械およびマテリう仕組みである．

アルの進化に加えて，ソフトウェアの制御を通して，モデ	  将来的には自動でモデルが生成される環境を目指すが，ルの内部構造を変えることで，弾力性や強度などの特性を今回は基本的な検討として，ユーザの手動での作業とシス調整する取り組みも行われている．

テムによる空洞のサイズ・位置の算出を組み合わせた方法	  3D モデルの弾力性を制御する例として，Schumacher らで上記の造形プロセスを実現した．以下に，本システムには，3D モデルにおける微細構造を設計することにより，出おいて，ユーザが指定した重さに応じて，錘と同じサイズ力後，造形物の弾力を局所的に変化させる手法を提案したの空洞を生成し，残り必要な空洞の体積とサイズを表示す[4]．また，Peng らの A Layered Fabric 3D Printer for Softるソフトウェア，3D モデルを出力するためのハードウェア，

Interactive Objects [5]では，3D モデルを階層化し，階層ご及びそれらを統合した実装について述べる．とにレーザーカットした布を貼り合わせ，柔らかさを持っ3.2 ソフトウェア設計たオブジェクトの出力を実現した．Bächer らの Spin-It [6]	  まず，ユーザは造形に用いる 3D モデルを CAD 上で上は，造形物をコマのように回転して自立するように，オブ部・下部に二分割し，それぞれ stl 形式のファイルとして書ジェクトの重心を計算して出力するソフトウェアである．

き出す．また，使用するフィラメントマテリアルの密度をこのように，3D オブジェクトの内部構造の設計により，造算出するために，一辺 2cm の立方体を出力し，秤でその重形物の物質特性を制御するというアプローチが多く行われさを測定してマテリアルの密度(g/mm³)を求める．ているが，造形物の重さを考慮した取り組みは多くない．	  Grasshopper 上のソフトウェア（図 2）に，この stl ファ	  別に関連する分野として，VR (Virtual Reality) 等の分野

イルと密度の値を入力すると，後に詳述するアルゴリズム

では重さの変化するインタフェースの研究が行われている．

によって，錘を入れるための空洞を生成し，その左右・手Niiyama らの Weight/Volume Changing UI は，箱に取り付け前・奥に重さを調整するための空洞が生成される．なお，られたチューブを通じて，液体金属を箱内部へと流し込み，今回は簡単のために，出力するオブジェクトの元のモデル

液量によって，インタラクティブに重量を変化させる装置には内部にマテリアルの詰まった十分な空間があることをを提案した [7]．機構を通じて，マツ材，水，アルミニウ前提とする．

ムの重量を動的に再現することができる．また，應和らの	  今回は，モデルの内部に格納するために，1g・2g・5g・INVISIBLE -影を追う者- [8]では，背中のタンクと手元の掃10g・20g・50g・100g・200g・500g の計 9 種類の円柱型の除機型デバイスの間で水を流すことで，掃除機でバーチャ錘を用意した．ユーザは stl ファイルを開き，密度の値を入ルにキャラクターを吸い取った際の重みを提示する．南澤

力した後で，格納可能な錘のサイズを確認する．これは，らの Gravity Grabber [9]は，箱などの物を持った状態で，指ユーザがソフトウェア上で錘の種類を選択すると，3D モデ

先に装着したデバイスのベルトを巻き取ることにより，指ルと共に錘の形状のモデルが画面に表示され，ユーザは，にバーチャルなオブジェクトの質量を感じさせるという触覚デバイスである．これらはオブジェクトあるいは指に特殊な電気的・機械的なデバイスをケーブル等を介して接続する必要がある．これに対し，本研究ではラピッドプロトタイピングという観点から，造形物に重量を付与する 3Dプリント手法を提案する．

3. システム
3.1 システム概要	  筆者らが提案するシステムでは，ユーザは 3D プリンタを用いてモデルを出力する際に，所望の重さを指定できる環境の構築を目的とする．具体的に，今回提案する手法は以下のような手続きを踏む．まずユーザは，一般的な CAD© 2016 Information Processing Society of Japan

図 2	 

WeightPrint のプログラムを起動した様子Figure 2 A Program of WeightPrint.

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錘がはみ出さないかなど格納の状態を確認することができ重心の位置を保つなどの工夫も可能である．

る．さらに，システムはその錘を格納した際の出力可能な	 最大の重さ(g)を画面に表示する．この最大の重さとは，利用する錘の重さと錘以外の部分をフィラメントマテリアルで埋めた際の重さの合計で算出される．現在の実装では，錘は分割されたオブジェクトの断面の中央に配置されるようになっているが，将来的にはユーザがインタラクティブに錘の位置を調整できるようにしたいと考えている．	  ユーザが最終的に用いる錘と最終的に目指す造形物の重量を決定すると，モデルにその錘を格納するための空洞が空けられる．さらに，上述のとおり今回ユーザが選べる錘
	 の重さは離散的なため，最終的な重さはモデルにさらなる空洞を作ることによって調整する．空洞の位置は，図 3 に

図 4	  ソフトウェアを通じて生成された 3D モデル示す．この図において，青色の箇所が左右の空洞，赤色のFigure 4 3D-Model generated using software.

箇所が手前・奥の空洞，黄色の箇所が突起・突起を填める穴である（図 3）．

3.3 造形物の出力方法	  ソフトウェア上で，以下のアルゴリズムに基づき，左右3D プリンタ（Stratasys 社製 uPrint SE）専用ソフトウェアの空洞のサイズが自動で算出される．

（Stratasys 社製 catalyst EX）を用いる．積層ピッチを 0.0100	  まず，最終的に出力したい重さを W0(g)とする．次に，に，モデル部の中埋め方法をソリッドに，サポート部の中ユーザが指定した錘の種類に応じて，錘を格納するための埋め方法を最小限度に，STL 単位をミリメートルに設定し，空洞を作ったモデルの体積から，そのモデルを出力した際パックを追加する．モデルの中埋め方法をソリッドにしての想定の重さ W1(g)を算出する．W1(g)に錘の重さ W2(g)設定を行うと，密（100%充填されている状態）の 3D モデを加えた重量から W0(g)を引いた重量分（W1+W2-W0）(g)

ルデータが生成されるため，ソフトウェア上で計算した重だけ，空洞を空ける必要がある．また，この重量とフィラ量と合致する造形物が出力できる（図 5）．

メントの密度から最終的に空洞に必要な体積 V(mm³)を求めることができる．	  今回の実装では，以降の流れはすべてユーザが手動で行う．まず，ユーザはモデルの中に空洞を表す直方体を配置し，Number Slider コンポーネントを用いて，モデルからはみ出さない位置，サイズ（幅，奥行き，高さ）に調整する．
この際，3D プリントの簡単のために空洞用の直方体の一部はモデルの分割面に交わっている必要がある．さらに，その直方体の体積だけでは必要な空洞の体積 V に満たない場
合には，新たに別の直方体を配置して空洞部分を追加することができる．必要な個数・サイズの空洞に対応する直方

図 5	  3D プリンタを通じて出力された造形物

体をモデル内に配置した後，3D モデルから生成した直方体

Figure 5 3D-printed Object.

部分を減算することで，中心部の錘格納部分と，その周りの空洞を含む 3D モデルが出来上がる（図 4）．この際手動ながら，複数の空洞部分の位置や大きさを揃えるなどして，4. 実装と展示の様子
4.1 実装と出力結果	  今回実装した WeightPrint は，コンピュータ（MicrosoftWindows 8.1 Pro），ソフトウェア（Rhinoceros，Grasshopper），
3D プリンタ（Stratasys 社製 uPrint SE）、3D プリンタ用フィラメント（uPrint SE 専用プラスチック製モデル・サポート材）、錘（東京硝子機械社製 上皿天びん用分銅セット）から構成される．

図 3	  空洞が生成された 3D モデル	  出力のサンプルとして，2 種類の果物，異なる素材の比

Figure 3 3D-Model with cavities.

重でシミュレーションした重量が反映された 3 種類の立方© 2016 Information Processing Society of Japan897

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体を出力した．具体的に，出力した造形物の内容は，りんピングツールとしての応用に加えて，これらのアイディアご(340g)，みかん(M サイズ・120g)，ヒノキの比重を再現しも具現化してみたい．

た 立 方 体 (51g)， プ ラ ス チ ッ ク の 比 重 を 再 現 し た 立 方 体(162g)，コンクリートの比重を再現した立方体(287g)である．
立方体は出力可能な重量の範囲を考慮し，サイズは全て 5

5. まとめと今後の展望㎝³とした．	  本稿では 3D モデル内部に錘サイズの空洞と左右・手前・	  実際の出力オブジェクトの重量とシステムに指定した重奥に空洞を生成し，任意の重さの造形物が出力できるツー量の誤差は次の通りであった．りんごは+12g，みかんは+1g，

ル WeightPrint について述べた．本システムを用いて，実際ヒノキの比重を再現した立方体は 0g，プラスチックの比重に重さを考慮した造形物を出力したところ，多少の誤差がを再現した立方体は+4g，コンクリートの比重を再現した生じたが，ほぼ設定した重さに近い重さの造形物が出力で立方体は 0g であった．幾つかの造形物の重量に誤差が生じきた．この誤差を減らすことは今後の課題である．また展た原因として，現用する 3D プリンタ上で機能するフィラ示を行った結果，多くの今後の応用性に関するフィードバ

メントの密度(g/mm³)を算出時の誤差が挙げられる．

ックを得ることができた．	 	  また今回の実装では，複雑な形状のオブジェクトを扱う

4.2 展示の様子

場合に，内部に錘を格納するのに十分な空間が確保できな	  本研究は，慶應義塾大学 SFC Open Research Forum 2015

いケースがあった．今後は，錘がはみ出したとしても，最（2015 年 11 月 20-21 日，東京ミッドタウンホール）にて終的な重さの正確さを重要視したいなどのニーズがある場システムおよび造形物のデモ展示を行った（図 6）．10 代か合には，対応する方法を検討したい．また，オブジェクトら 50 代までの体験者がブースに訪れ，造形物を自由に把持の分割位置，錘の位置，調整用空洞の位置・サイズを自動できる状態で体験した．体験者は，造形物に対して，「本物的に最適化するための手法や，重りをプリンティング中にっぽい」「りんごって，こんな重かった（軽かった）っけ？」

自動的に格納するハードウェアについても検討する．さらなどと述べており，重さを考慮した造形物がリアリティをに，マルチマテリアル対応の 3D プリンタを用いて，金属もたらし，また物の重さを意識するきっかけになったと考製のフィラメントや他のマテリアルを用いることで出力でえられることもできる．また，重さだけでなく，重心の位きる重さの範囲を拡張したい．また先述のように，モデル置も合うとよりリアリティが向上するのではないかというの重心位置の制御も検討課題である．

意見もあった．これに関しては今後，錘を入れる位置，空	  また，現在は重さの設定はソフトウェア上で数値入力し洞を作る位置を考慮することで実現したい．ているが，実際の物の重さを設定値として取り入れる方法も考えられる．例えば台座にユーザが出力したい物を載せ，3D スキャナを通して形状をスキャンする際に，台座に仕込まれた重量センサによって重さを測ることで，形状と重さ両方のコピー＆ペーストできる環境が実現できる．	  さらに，出力後に造形物の重さを変えられる機能の開発も方向性の一つである．本来は 120g であった M サイズのみかんを再現した造形物に対して，あえて錘を軽いものに入れ替えることで，約 80g の S サイズのみかんの重さを表現できる．このように，錘の入れ替えが可能な機構を作ることで，プロトタイピング中での試行錯誤を可能にするシステム設計も考えていきたい．

図 6	  展示の様子
Figure 6 Exhibiting WeightPrint.	  謝辞本研究は一部，科学技術復興機構戦略的創造研究支援事業 CREST の支援を受けて行った．	  応用の見通しとして，体験者からは，重さの神経衰弱ゲーム，本物の重さを当てるゲームなど，重さとサイズを利用したエデュテインメントツールとしての可能性の提案があった．また，建築関係の仕事に従事する体験者からは，風圧に対する建築模型の耐久シミュレーションに有用との意見を得た．上述した新しい製品開発のためのプロトタイ© 2016 Information Processing Society of Japan

参考文献
1) Neil Gershenfeld，田中 浩也，糸川 洋: Fab	 ―	 パーソナルコンピュータからパーソナルファブリケーションへ,	 オライリージ
ャパン(2012)
2) 	  奥出 直人: デザイン思考の道具箱 ―	 イノベーションを生898

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む会社のつくり方,	 早川書房(2007)3) 	  Dan Saffer, 吉岡 いずみ: インタラクションデザインの教科
書, 毎日コミュニケーションズ(2008)
4) Christian Schumacher, Bernd Bickel, Jan Rys, Steve Marschner,
Chiara Daraio, Markus Gross: Microstructures to Control Elasticity in
3D Printing, ACM SIGGRAPH 2015, (2015).
5) Huaishu Peng, Jennifer Mankoff, Scott E. Hudson, Jim McCann: A
Layered Fabric 3D Printer for Soft Interactive Objects, ACM
Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI) 2015,(2015)6) 	  Moritz Bächer, Emily Whiting, Bernd Bickel, and OlgaSorkine-Hornung. 2014. Spin-it: optimizing moment of inertia forspinnable objects. ACM Trans. Graph. 33, 4, Article 96 (July 2014)
7) Ryuma Niiyama, Lining Yao, Hiroshi Ishii: Weight and Volume
Changing Device with Liquid Metal Transfer, TEI 2014, (2014)8) 	  應和 春香, 佐賀野 正行, 吉村 康弘, 小村 仁美, 山崎 仁之,渡邊 大輔, 仲野 嘉信, 白澤 卓, 辻村 壮史, 川嶋 賢二, 福嶋 昌子, 井村 誠孝, 千原 國宏: INVISIBLE –影を追う者-, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌 コンテンツ論文 Vol.15, No.3, 2010,(2010)9) 	  Kouta Minamizawa, Hiroyuki Kajimoto, Naoki Kawakami,
Susumu Tachi: "Wearable Haptic Display to Present Gravity Sensation Preliminary Observations and Device Design", in Proc. 2nd Joint
Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for
Virtual Environment and Teleoperator Systems (WorldHaptics 2007), pp.
133-138, Tsukuba, Japan (2007.3), 10 Pages© 2016 Information Processing Society of Japan899