情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

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熱溶解積層方式 3D プリンタを用いた表現と造形手法のデザインのためのパラメータ探索手法
高橋治輝 1,a

宮下芳明 1,b

概要：熱溶解積層方式（FDM; Fused Deposition Modeling）3D プリンタの表現力拡張を目指して，造形時の各パラメー
タを探索する手法を提案する．まず，FDM を制御するためのパラメータを整理し，これらの変化具合を波形編集のように記述可能にするシステム Gcode synthesizer を提案する．このシステムは，ノズルの移動経路，高さ，移動速度，
樹脂量という 4 つのパラメータの変化を 1 本の線状の造形物に反映して出力する．次に，こういったパラメータ変化を構造として記述可能にするシステム Structure editor を提案する．このシステムはキャンバスを持っており，構造をパスのように記述することを可能とする．パスの各頂点では，樹脂量，造形温度，停止時間のパラメータを追加することができる．本稿では，これらのシステムを用いて先行研究の分析と再現を行い，「造形手法」のデザイン例を示す．FDM 方式の 3D プリンタの制御からスタートするものづくり環境について議論するとともに，この方式が目指すべき未来と 3D プリンタを用いた表現について議論する．

FDM-specific Expression: Exploration of Parameters for Designing
Expression and 3D Printing Techniques with FDM
HARUKI TAKAHASHI1,a

HOMEI MIYASHITA1,b

Abstract: To extend the expression of a fused deposition modeling (FDM) 3D printer, we present the concept of
FDM-specific expression, a fabrication environment that exploits the uniqueness of FDM. We first summarize
parameters that control an FDM printer and present Gcode synthesizer to explore how the parameters can be
configured and combined in the process. This system comprises multiple envelopes that enable drawing the time
variation of parameters. Secondly, we analyze printing techniques with expression structure and present Structure
editor for drawing a structure that controls the printer behavior. This system provides a canvas that enables drawing
a structure composed of vertices and edges, which can have additional parameters. Using these systems, we replicate
existing printing techniques and demonstrate a new expression. We discuss the capabilities of FDM and thesignificance of the expression that distinguishes it from other 3D printing technologies.

1. はじめに
1.1 表現の道具としての 3D プリンタて考えたい．近年，3D プリンタの発展により，さまざまな立体形状を高精度に作り出すことが可能となった[26]．その造形方式のひとつである熱溶解積層方式（FDM）は，溶数多くのアーティストやデザイナが，自身の使用する道解した樹脂をノズルから押し出し，プラットフォーム上に具の可能性を探索し，その道具に特有な「表現」を追究し積層することで造形物を作る．扱いの容易さやコストの点ている．例えば，絵を描くためには絵の具やブラシ，キャで他方式よりも優れており，今日では，デスクトップ 3D プ

ンバスなどといった道具が必要であるが，画家たちはこれリンタとして代表的な地位を確立している．

ら道具とその独自性を用いてさまざまな作品を創出してきアーティストや研究者は，FDM を用いた造形手法を追究た．実際に，墨と丸筆によって可能となる表現は，絵の具している．アーティストの LIA は，彫刻作品のためにパラと平筆によって可能となる表現と明らかに異なるはずだ．

メータと樹脂の振る舞いを調査し，Filament sculptures [25]

そして画家たちは，これらをさまざまな作中で使用し，フという作品群を作り上げた．HCI や CG の分野では，表現ィードバックを得ることでその道具の独自性を学んでいく．

力豊かな造形物を作り出す手法を提供するための研究が行同様な例として，音楽制作には音作りと呼ばれる工程があわれている[21][23][32][38]．3D プリンタを制御するためのる．ミュージシャンは，シンセサイザやエフェクタのつま命令である Gcode やそのパラメータによって 3D プリンタ

みを操作し，そのパラメータと出音との関係を探索するこの振る舞いを制御するこれらの手法は，FDM の造形能力やとで，音色を探索していく．そして，作り出された音は楽表現の可能性を大きく拡張することに貢献している．

曲や演奏の中で音楽表現として使用される．

1.2 本研究の取り組みとインタラクションへの貢献

本稿では，3D プリンタをこうした表現のための道具とし
1 明治大学
Meiji University.
a) haruki@meiji.ac.jpb) homei@homei.com© 2018 Information Processing Society of Japan

我々は，溶解した樹脂をノズルから押し出すという FDMの独自性に注目する．そして，FDM 方式の 3D プリンタだからこそできることを「表現」と呼び，これを拡張するこ

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IPSJ Interaction 2018とで新しい造形物や造形工程を実現することを目指す．

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は 2D プリンタと同様に一般ユーザに普及するだろう．

本稿では，FDM が要求するパラメータを探索することにそのような未来で FDM はどのように活躍できるだろう

よって，この方式を用いて可能なことを考えるというもの

か．Wohlers report [48] によれば，2015 年の段階で FDM のづくり環境を提案する．この作業のためのシステムとして，価格競争はほぼ終結したとされており，精度や速度などのFDM のパラメータ探索を行うための Gcode synthesizer と構性能限界も知られてきた[11]．ほぼすべての 3D プリンタが造を記述するための Structure editor を提案する．これらの高精度な造形という共通の目標を目指して発展しているが，システムは，FDM を制御するために Gcode が要求する主

この潮流の中では立体形状がどの程度正確に出力されたか

要なパラメータを 2 つのグループ分けて探索を可能とする．

が評価対象であり，予期しない挙動は造形エラー[35]とみGcode synthesizer は，シンセサイザのアナロジーをもとになされる．3D プリンタに精度のみを求めるのであれば，今したタイムラインベースのシステムであり，ノズルの移動，後は前述したような他方式に置き換わっていくだろう．

高さ，移動速度，樹脂量という 4 つのパラメータの変化をしかし，FDM は活躍の場を異なる領域に広げることでそ

1 本の線状の造形物という単純な形状に反映して出力する．

の存在感を示している．Mobile fabrication [33]では，3D プ

Structure editor は，造形パスとなる Gcode をレイヤーベー

リンタを携帯するというコンセプトのもと，ユーザのニースで直接記述するためのシステムである．パス記述用のキズを調査し，プロトタイプシステムを示した．ここで使用ャンバスを持っており，パスの各頂点では樹脂量，造形温されたのは FDM 方式の小型 3D プリンタとこの方式と同度，停止時間のパラメータを追加することができる．また，様な仕組みを持った 3D ペン[1]である．こういった取り組

各辺には Gcode synthesizer で作成したパラメータ変化を与みは，この方式の小型化・大型化などの改良が容易である

えることができる．本稿では，これらを用いた探索例を示

こと，振動や装置全体が傾きに強いこと，安全面なども関すとともに，具体的な造形手法のデザイン例を示す．

連する．扱いやすさを活かして，造形工程に人間を介入さ

インタラクションの分野では，さまざまなデバイスやソフトウェアなどの道具に対して，どのように人間と関わらせるというものづくり環境にも利用されている[6][8]．
2.2 FDM の仕組みとパラメータ探索の重要性せるべきか，その結果として何が生み出せるか，どうすれ現在，多くの FDM 方式 3D プリンタの制御には，CNC

ば人間を豊かにできるか，という議論がなされてきた[30]．

機器向け制御命令のひとつである Gcode が用いられている．

そのためには，対象となる道具を理解し，効果的に扱うこ

そして，Gcode の各命令は移動先の座標や樹脂量，移動速とを可能とするシステムが必要となる．さらには，その道度などの数値をパラメータとして要求する．

具の可能性を実践することで理解したり，試行錯誤的に探

これまでの工程では，高精度な造形を目指すためにユー索したりするためのインタラクティブシステムなども重要

ザを詳細な設定から遠ざける傾向があった．一般的に，スな貢献である．本研究では，FDM 方式の 3D プリンタのパ

ライサと呼ばれるソフトウェアが 3D モデルを処理してラメータを探索するためのシステムを提案し，この方式のGcode を作り出すが，ユーザは処理内容に関して無知で良新たな活用方法や表現力の拡張を目指す．提案システムは，

く，「高品質」「普通」などの項目を精度に合わせて選ぶだ

FDM 方式の 3D プリンタを新しい表現のために用いたいユけで済む．より詳細な設定を可能とするスライサもあるが，ーザに向けたシステムであるとともに，この方式の挙動や出力される形状が 3D モデルとスライサによって規定され仕組みを理解したい人や性能を把握して環境に合わせたキておりユーザが関与していないという点では変わりない．

ャリブレーションに役立てたい人にも貢献できるものであ

クリス・アンダーソンは自身の著書のなかで，「3D プリると考えている．3D モデルとして与えられた形状を出力す

ンタがものを作るのに必要な情報はすべて，CAD デザイン

るだけであった 3D プリンタの可能性を突き詰め，この方の中にある」と，3D プリンタを用いたものづくり環境を賞

式の独自性を駆使したものづくり環境の実現に取り組む．

賛した[50]．確かに，共通形式は普及のために重要であり，

2. FDM の独自性

デザインの共有やリミックス文化を加速させるものであっ

2.1 他方式と比較した FDM

を CAD デザインで可能なことを忠実に物質化する，といオープンソース化や低価格化を背景として普及した

た．しかし，同時に，3D プリンタという機器とその表現力うレベルに制限してしまったともいえる．

FDM であるが，造形精度や造形速度の点では高価な方式に本稿で考える FDM を表現の道具として用いるものづく

劣る．他方式の代表として，光硬化性樹脂を用いる光造形

り環境では，FDM がどのような表現が可能かを表現者自身

方式（SLA）や，粉末材料を焼き固めるレーザ焼結方式（SLS）

が探索することからはじめる．そして，その振る舞いを利がある．材料や環境の安全面の問題や導入コスト，機器の用するとなにが作れるか，と発展させていく．これは，FDM

大きさなどの課題があったものの，近年これらの方式の低の独自性を駆使したものづくり環境であり，前述した FDM

価格化や小型化が進んでおり，資金調達に成功した話題が頻繁に見られる 2．今後，これらの方式が発展し，ゆくゆく© 2018 Information Processing Society of Japan

2 例えば，SparkMaker 社の SLA (http://www.sparkmaker3d.com/)や，
Sintratec 社の SLS (http://sintratec.com/) など．

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2018/3/2の利用方法のひとつとなる．こういった 3D プリンタの利的に，0.1～0.3 mm 程度の範囲から，品質や時間に合わせて用方法を実現するためには，Gcode とそのパラメータとい選択できる仕組みが多い．高さを意図的に高く設定して，う，より低レイヤの情報にどう向き合うかが重要である．

樹脂を不安定に落とすことで，ざらつきを持った構造やら

3D モデルが持っている情報は，基本的に形状だけであり，せん構造が生まれる[38]．また，積層方向に生まれる跡はGcode へのスライス処理を経ることで造形可能な安定した

Staircase effect [9]と呼ばれており，これを模様として活用

パスへと変換されてしまう．また，FDM の挙動というレベすることも可能である．

ルで見れば，そもそも 3D モデルとして記述しておくこと

樹脂量

移動距離や高さ設定から計算されるパラメーが不可能な造形手法もある．すなわち，この環境で重要なタであり，スライサはこれを算出するための関係式を持っことは 3D モデリングシステムや高精度な 3D モデルの提ている．また，樹脂を押し出すだけでなく，引き戻すこと

供ではなく，FDM の振る舞いを司るパラメータをどれだけも可能で，これによって移動中の樹脂溢れを防ぐことがで効果的に探索できるかである．

きる．高さ位置と組み合わせて造形時の太さを制御する手

3. FDM の独自性を用いたものづくり環境法[38]のほか，意図的に樹脂量を増減させることで造形物

FDM の独自性を用いた環境を，造形手法に用いられるパラメータ，構造の記述という見方で考える．ここでは，これらの探索を実現するシステムを提案し，そのシステム組の表面に凹凸を作り出す手法[19]がある．Solid vibration[15]では 3D プリンタのプラットフォームを揺らすことで，樹脂量を間接的に制御し，造形物の表面の模様を作り出した．
速度

移動や樹脂押し出しのため，速度パラメータの設み合わせたパラメータの探索例・造形例を示す．

定が必要である．一般的に，安定した造形が行える速度の3.1 造形手法のためのパラメータの探索

目安があり，造形箇所や温度に応じて速度が調整される．

FDM 方式の 3D プリンタは，Gcode とそのパラメータに極端に高速な場合は，樹脂の押し出しを担当するステッピ

よって制御される．Agarwala らは FDM に関わる変数を，ングモータが脱調を起こすなどのトラブルの原因となる．

制御，機器，材料，ジオメトリの 4 種類に整理しており[2]，

速度変化を用いた造形手法として，Velocity painting [46] が

本稿での「パラメータ」はこの分類における制御のためのある．造形速度が一定以上速くなると，樹脂の押し出しが変数に当たる．まずは，これらのパラメータと 3D プリン

追いつかず局所的に細い構造が生まれる．これを逆手に取タの挙動との関係を整理する．

って，造形物の透明度を制御する手法として活用した．

3.1.1 3D プリンタの振る舞いとパラメータ

造形温度

樹脂を押し出すノズルと樹脂を受けるプラ

FDM の造形手法について考える際は，各パラメータのはットフォームのそれぞれに温度設定があり，使用する樹脂

たらきと 3D プリンタの挙動との関係を理解することが重ごとに推奨温度が定められている．指定した温度に達する

要である．ここでは，これらのパラメータについて一般的までの加熱や冷却の時間が必要なため，造形前の段階で温な扱われ方と，造形手法としての扱われ方について分析す

めておく機能などもある．温度パラメータの変更は即時にる．なお，本稿では Gcode のやり取りが容易な RepRap ベ

反映されないため，造形中の制御は難しいが，温度によるースの 3D プリンタを想定し，造形中に使用される Gcode

樹脂の変色を色調表現に用いた手法[7]が実践されている．

およびパラメータにのみ注目している．Gcode の詳細については RepRap プロジェクトの情報 4 を参照されたい．
移動

一時停止

停止命令を挿入しておくことで，造形を一定

時間だけ止めることが可能である．一般的な造形で使用さノズルの移動命令は，造形工程の中でやり取りされることはほとんどなく，特殊な工程でものづくりを行いれる命令のほとんどを占めている．移動は Gcode の「G1」たい場合に活用される．例えば，一時停止を用いることで命令によって制御され，移動先の座標や後述する速度，樹造形工程に人間を介入させて，造形対象を編集させること

脂量などのパラメータを取る．一般的には，XY 平面に 1 層が可能となる[6][8]．また，一時停止をすることでその場所分の造形を行って高さ（Z 軸）方向に移動して次の層を造に樹脂を溢れさせて模様や文字を描く手法もある[51]．

形する，という工程を繰り返す．WirePrint [27]では，この3.1.2 パラメータ探索のためのシステムデザイン

移動制御によってワイヤフレーム造形を実現し，Laput ら

こうしたパラメータの組み合わせをどのように探索しは，樹脂を引っ張るように移動させることで毛の造形[23]ていくかが問題である．造形精度に関する調査を行う研究を可能とした．さらに，造形パスにモジュレーションをかでは，注目したいパラメータ以外は定数として扱うことがけることで造形物の表面の見え具合を制御する手法[32]が一般的である．作るべき形状はすでに確定しており（例えある．3 次元空間中の移動を駆使した椅子の造形[18][22]にば，ベンチマークのための 3D モデル），評価基準も表面品

おいてもノズルの移動が重要である．

質や寸法精度などと明確に決まっていたためである．本稿

高さ

広義の積層ピッチであり，前述の移動命令中のパで提案する環境の場合は，複数のパラメータを広範囲に調ラメータ Z によって決まるノズルの高さ位置である．一般

査できること，それらの組み合わせが調査できることが必4 http://reprap.org/wiki/G-code© 2018 Information Processing Society of Japan要である．そのため，この探索の段階では，積層や複雑な137

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トファイルとして書き出されると同時に，クリップボードにも書き込む仕組みとした．Gcode エディタを搭載しているホストアプリケーションであれば，そこへ貼り付けるだけ で 即 座 に 造 形 を 行う こ とが 可 能 で あ る ． 出 力さ れ る
Gcode には開始時にノズル状態を揃える処理や終了時にヘッドを移動させる処理が追加されている．
提案システムを用いると幅広いパラメータ空間を探索することができるが，極端なパラメータ設定は 3D プリン
タ自体を破損させるようなエラーを引き起こす．こうした
図 1．Gcode synthesizer．

エラーを防ぐために，提案システムは簡単な入力の支援機
能を実装した．設定した値が基準値から大幅に外れる場合，形状を造形できることよりも，パラメータ調整と造形の繰り返しによって FDM 方式の３D プリンタの可能性を追究していくことができるような環境が重要であると考える．

エンベロープの色や太さを変えることでその状況を通知す
る．これには，3D プリンタのキャリブレーションガイドラ
イン 5 として提供されている，「造形時の高さはノズル口径

また，調査結果は実際に出力されるまでわからないため，の 80％以下になるように設定することが望ましい」，「造形

探索と造形を高速に行えると良い．

時の太さはノズルの口径よりも僅かに太くなる」などの情

そこで，本稿では音楽制作における「音作り」にならい，報を参考にした．また，樹脂量はシステムに入力された高波形編集でシンセサイザの音色を作り上げるかのごとく，さや移動量から計算することができるため，自動的に最適パラメータを探索可能なシステムを提案する．タイムライ

値を設定する機能を搭載した．これを基準として，最適か

ンベースのシステムであり，ノズルの移動，高さ，移動速ら僅かに外れた値などを設定することも可能である．

度，樹脂量というパラメータの変化を 1 本の線状の造形物に反映して出力する．この 1 本の線の造形は，シンセサイ
ザで単音を鳴らしているような状況である．その中で複数内部処理として，パラメータの変化を記述するため，システムは 1 本の Gcode を細かく分割し，それぞれの微小な移動を制御する命令にパラメータ設定を割り当てている．

のパラメータが互いに影響し合い，記述された変化によっ

ここでは，X 軸方向に直線移動したときに，1 つの命令にて構造を作り変えていく．

つきおよそ 0.2 mm の長さになるように分割した．システ

3.1.3 Gcode synthesizer
パラメータ空間の探索のためのシステムを図 1 に示す．
実装には Processing 3 を使用した．提案システムは，1 本のム側の設定を変更することで粒度を変えることができる．
3.2 構造の記述
FDM のための造形手法では，前述のパラメータ制御が造線状の構造を X 軸方向に造形している際のパラメータ変化

形の中に構造として組み込まれている．ここでは，パラメを記述し，その結果作り出される構造を探索するためのもータ制御にのみ注目して手法を分析するために，Z 軸方向のである．システムは，奥行き（Y 軸）方向の移動，高さへの積層を考えずにひとつの層だけを考える．スライサや（Z 軸），移動速度，樹脂量に対応した 4 つのエンベロープを持っている．エンベロープの最大値と最小値，横軸となる X 軸方向の移動量がそれぞれ設定可能である．
ユーザは GUI として実装されているボタンとノブを操設定によって詳細な構造は異なるが，Gcode 中のひとつの層は概ね図 2 のようになっている．ここに造形手法のための構造が付加されている，あるいは置き換えられている，という考え方を試みる．この構造は，その造形物の形状に作して，波形を扱うようにパラメータを記述する．各ノブ

装飾を加えたり，質感を変更したりする役割を果たすもの

はパラメータの変化パターンの周波数，変化量，位相に対だとすれば，FDM の造形手法をデザインすることは，前述応している．エンベロープ上にマウスカーソルを乗せると，その位置でのパラメータの数値が表示される．また，エンベロープは手描き入力することも可能で，これによって，より複雑な変化をさせることも可能である（手描き入力の際にはノブの設定は無視される）．また，提案システムにエンベロープの保存，読込機能を実装しており，これによって，自分が作ったパラメータの管理，他人が作ったパラメ
ータ探索の結果を活用することが可能となる．
記述されたパラメータは 1 本の線状の Gcode としてまとめられて書き出されるため，これを実際に造形することでパラメータ変化による影響を確認する．Gcode は，テキス© 2018 Information Processing Society of Japan図 2．先行研究[23][32][38][46]と構造の分析．
5 http://reprap.org/wiki/Triffid_Hunter's_Calibration_Guide138

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2018/3/2のパラメータ探索によって得られた知見をもとに構造を考える作業であるとみなせる．
3.2.1 造形手法とその構造
毛の造形を行った先行研究[23]は，図 2 左に示した赤線のように，樹脂を引き伸ばすことで毛を作り出す構造を付加したものである．ここで重要な動きは，造形物の外壁から外側に向かう移動である．どの位置からどの方向に向かうか，どの程度の樹脂を押し出すかなどのパラメータがこの構造の中で変化することになる．外壁にモジュレーショ
ンをかける手法[32]は，造形物の外周でのノズルの動きに変調をかけることで，最外壁として見える箇所を制御している．この構造を樹脂の色を変えながら積層していくという手法であるが，基本的な構造はサイン波のように波打った移動であり，この波打ち具合と位相が構造の中で制御される．動物の毛並みのような質感を造形可能とした手法[38]では，造形物の外周（あるいはすべての構造）を置き換えている．この構造の中で制御されているのはノズルの高さと樹脂量であり，各パラメータの関係によって作られる構造の特徴が変化する．Velocity painting[46] では，ノズルの移動速度の変化によって生じる樹脂量の差で造形物の透明度を制御している．壁の構造を部分的に置き換えて，異なる速度を割り当てたと考えることができるだろう．また，壁面の変化を際だたせるために，内部構造を取り除いて花瓶のような形状にすると透明度の差がより明確になる．一時停止命令によってその場所に樹脂を溢れさせる手法[51]は，この速度変化の極端な例であるといえるだろう．
3.2.2 構造の記述のためのシステムデザイン
パラメータの探索に引き続き，こうした構造とパラメー
タの変化との関係をどう探索するか，どう記述するかが課題となる．同様な作業を実現するシステムとして，Gcode を直接記述可能なエディタがある．また，Tanaka らは，Adobe
Illustrator で描かれたパスを Gcode に変換するプラグイン
Fabrix [39]を公開している．Silkworm [16] は，Rhinoceros とGrasshopper のためのプラグインであり，これらも構造を記述することで Gcode を直接作り出すことを可能にしている．
しかし，こういったシステムは安定した造形を想定しており記述できる内容や制御パラメータに限度があった．さらに，このようなシステムを用いても，パラメータの変化具合を記述することは困難である．例えば，緩やかに速度を変化させたり，樹脂量を変えたりするような設定は無数の命令を逐一書き込んでいくという作業が必要であった．
そこで，本稿ではこうした構造を頂点と辺として記述可
能なシステムを提案する．基本的には，ペイントソフトのようなキャンバスを搭載したシステムであるが，頂点と辺ごとに詳細な情報を持てるように設計しており，辺にパラメータ変化を埋め込んだり，頂点で追加の命令を実行した
りすることが可能である．Gcode synthesizer で扱っていな
かったパラメータである造形温度，一時停止はこちらのシ© 2018 Information Processing Society of Japan

図 3．Structure editor．
ステムが担当する．これらは時間や動きに合わせて変化する命令ではなく，ある地点で指定された状態に変化するという考え方のほうが扱いやすいと考えたためである．
3.2.3 Structure editor
構造を記述して FDM の振る舞いを探索するためのシス
テムを図 3 に示す．なお，実装には Processing 3 を使用した．提案システムは，ひとつの XY 平面における FDM の造形パスを頂点と辺をレイヤーベースで記述可能とするものである．システムは構造を記述するためのキャンバスと頂点・辺のプロパティを設定するためのインスペクタの 2
つのウィンドウを持っている．インスペクタには，現在選択されている頂点・辺の情報やそれらを操作する GUI が表示されており，選択されたものに合わせて切り替わる．
辺の情報として，両端の頂点の座標とその辺を造形する
際の速度，樹脂量が表示される．キャンバス上の辺の描画
は，この樹脂量の設定値に基づいており最適値よりも多い
場合は赤く，少ない場合は青く，押し出しを行わない場合は点線で描画される．また，GUI のボタンが表示されており，これらには最適な樹脂量の自動計算，その辺を一定間隔で分割などの入力支援を割り当てた．Gcode synthesizer で作成したパラメータ変化の読み込みもここから行い，1 本の線状の構造をその辺に割り当てることができる（このとき速度と樹脂量などの辺の設定は無視される）．頂点の情報として，自身の座標，その位置を固定するかどうかのトグ
ルスイッチ，追加パラメータ欄が表示される．追加パラメ
ータには，その頂点に到達した際の FDM の振る舞いを記述することができ，現在は，樹脂の追加押し出し，一時停止，造形温度の 3 種類の組み合わせを任意の順序で 5 つまで追加できる仕組みになっている．それぞれ対応した値が要求されるので，樹脂押出量[mm]，停止時間[ms]，温度[deg]を入力する．頂点も辺も選択されていない（キャンバス上のなにもないところをクリックした）場合，インスペクタには樹脂量や頂点番号の表示，グリッドにスナップ，移動時に常に樹脂量を自動計算，などの設定項目が表示される．
また，すべての辺に対する一括処理も用意されており，樹139

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脂量や造形速度をまとめて設定できる．
キャンバス上でダブルクリックをすることで頂点を追加することができる．Gcode の仕様上，最終的な造形パスは一筆書きとなるため，キャンバスのなにもないところをダ
ブルクリックしたときは，新しい頂点を追加して現在の造形パスの最後の頂点と連結する．もし，辺の上をダブルクリックした場合は，その辺を分割するように頂点を追加し，もとの辺の両端の頂点と繋ぎ直す．なお，複数の頂点を範囲選択する機能，ある頂点や辺の情報をコピーして別のものに貼り付けたりなどの入力支援も実装した．

図 4．Gcode synthesizer を用いたパラメータ探索例．

こうした操作で構造を作り出したあと，積層のピッチや積層枚数を設定することで，同じ構造を積層した Gcode として出力することができる．また，高さ方向に一定枚数だ
け読み飛ばしてから積層するなどの出力を可能にしており，これらを組み合わせることで，簡易的な積層造形を行うことが可能となる．これらは，インスペクタに表示される設定項目のひとつとして変更することが可能である．
3.3 パラメータの探索例
これまで，Gcode synthesizer と Structure editor という 2 つのシステムを紹介した．図 4 には Gcode synthesizer を用いたパラメータ探索例を，図 5 には 2 つのシステムを組み合わせてパラメータ制御を行った例を示す．なお，造形にはFDM 方式の 3D プリンタ Ninjabot NJB-2006 を使用し，樹脂はすべて Polymaker PolyMax PLA Black を使用した．造形はホストアプリケーションである Repetier-Host7 を使用し，造形温度は PLA 樹脂の標準的な設定である 210 度，プラットフォームにはマスキングテープを貼り付けて造形を行った．
図 4a は毛構造の造形を再現した例である．ここでは，ノズルの高さ，移動速度，樹脂量のパラメータを制御することで細い構造の造形を実現した．先行研究[23]で紹介されていた Gcode を再現したもので，押し出した樹脂をノズルの先端で引きずる，という挙動が記述されている．手法の再現だけでなくパラメータの関係性の検証のために有用であり，例えば，ノズル高さを一定値以上にしないと樹脂がプラットフォームと接触して途切れてしまう，なだらかに加速させないと造形の開始地点だけが極端に細くなってしまう，などの現象を確認し，該当箇所を手描きで補正することで，これらを調整することができた．図 4 b は，ノズ
ルの Y 軸方向の移動，移動速度，樹脂量を制御した構造である．交互に樹脂が広がっており，ミシンのステッチのように模様を描くことができている．このデザインは，ノズ
ルを三角波の形状で動かしながら，折り返し頂点で樹脂を押し出すという挙動を記述することから始まった．そして，各地点で樹脂を広げるための減速と次の地点への素早い移動を取り入れた．樹脂を押し出したノズルを素早く引き戻す動きが特徴である．図 4 c は，太さ制御の先行研究[38]を
6 http://ninjabot.jp/
7 https://www.repetier.com/© 2018 Information Processing Society of Japan図 5．探索したパラメータを積層した例．
再現した例であり，ノズルの高さと樹脂量を周期的に変化させることで，波打った形状を造形可能としている．各パ
ラメータは，サイン波のパターンで変化しており，振幅を調整することで太さを制御している．また，パラメータ間の位相をずらして波打ち方の形状を変更したり，周波数を変えることで凹凸感を変えたりすることが可能である．図
4 d は，同様に先行研究[38]で調査されたパラメータ変化を再現したものである．樹脂量を多めの設定にし，ノズルの高さを徐々に上昇させると，先行研究と同様に太い構造，
ざらついた構造，らせん構造が観察された．
システムを組み合わせて使用することで，ユーザはさま
ざまな造形手法のためのパラメータ探索，FDM の振る舞い調査を行うことができる．例えば，図 5 に示したのは Gcode
synthesizer で探索したパラメータを Structure editor で構造として記述し，層ごとに位相差を与えて造形を試みた例である．拡大図に示すように，いずれの造形物も特徴的なテクスチャを持っていることがわかる．これらを 3D モデリ
ングで作ることは容易ではなく，仮に作り出せたとしても，データ容量が膨大となり扱いづらい形式になってしまうだ
ろう．また，従来の工程で造形した場合，結局 FDM の積層痕（縞模様）のほうが目立つなどの結果になりかねない．
ユーザはこうしたシステムにより得られた知見をもとに，
FDM の独自性を活用した造形手法を構築する．しかし，造140

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図 6．高密度な毛構造の造形手法．
形される構造は直下の構造に影響されたり，使用する樹脂や 3D プリンタによって結果が異なったりなど，単に積み上げていくだけでは不十分な場合がほとんどである．パラメータ探索によって明らかにした挙動や造形結果などの特図 7．高密度な毛構造の造形手法をデザインシステム

徴を観察し，具体的に調整可能にすべきパラメータを見極として実装．さまざまな形状に応用した例．

め，それぞれの造形手法としてふさわしいデザインシステ
ムが構築できることが理想的である．次章では，具体的な造形手法のデザイン過程を示し，各システムがどのように使用されたかを紹介する．

4. 造形手法のデザイン例
4.1 高密度な毛構造の造形手法
毛構造を造形する先行研究[23]では，高温に熱されたノる．このシステムを用いることで，この造形手法がさまざ
まな大きさや樹脂，形状で応用可能であることを確認した（図 7）．また，先行研究と同様にドライヤーなどを用いた後処理が可能であることも確認した．これだけでも多様な表現が可能であるが，3D モデルの周囲に壁面を作って毛を生やすようなシステムなどへ発展させることも期待される．
4.2 樹脂を壁面に衝突させる造形手法

ズルと既造形部分との接触を防ぐ必要があるため，高密度提案システムを用いて新しい造形手法を創出してみる．

な造形が困難であると述べられていた．ここでは，この制樹脂溢れ（Oozing）は造形中に樹脂が溢れてしまう現象で約にパラメータ探索と構造の調整で挑み，SLA プリンタであり，造形エラーの原因のひとつである．特に，造形物の実現された Cilllia[28]に匹敵する密度で造形を可能とする．

壁面にその溢れた樹脂が付着すると，表面にざらつきが生

まず，Gcode synthesizer を用いて毛構造を作り出すパラ

まれてしまう．これを防ぐためには「樹脂の引き戻し」を

メータを探索した．この 1 本をどのような構造で，どう配設定して，移動前にノズル内の圧力を下げて樹脂溢れを防置するかによってノズルとの接触が決まる．ここでは，橋止する必要がある．ここでは，この樹脂の付着を制御するのような構造を作って両端を安定させ，造形後に切り離すことで，壁面のデザインを試みる（図 8）．

というアイディアを採用し，この構造を Structure editor でこの手法で重要になるのは，樹脂が溢れ出すという現象記述した（図 6）．ここで調査すべきは，縦横のそれぞれのであり，これをどういった構造で記述するかである．こう方向の密度をどこまであげられるかである．これを数本のいった挙動は Structure editor のみで記述することができる．

状態から試していき，最終的に縦横ともに 0.4 mm ピッチ

そこで，システムを用いてノズルを造形物の壁面に衝突さ程度までの密度で造形が可能であることがわかった（樹脂せるような構造を記述した．この構造では，まず単純な壁によっては 0.6 mm ピッチ程度にするとより安定する）．ま面を造形した後に，ノズルを壁面の外部に移動させ，そのた，橋を渡すような構造を作るため，1 本の構造の両端で場で樹脂を僅かに押し出して，ノズルの動きで壁面に衝突

0.2mm 程度，追加の樹脂の押し出し命令を挿入した．また，させる．この方法で造形された壁面には，樹脂の衝突によ

造形後にはノズルが造形物の付近や直上を通らないように迂回させるようにした．これらを数十層重ねた状態で出力し，造形可能性を調査した．造形後，片側を切り離すことで極めて高密度な毛構造を作り出すことができた．
提案システムを用いたパラメータ探索によって，この造形手法の実現可能性を調査することができた．そこで，この造形手法に特化したデザインシステムを別途実装した．
デザインシステムは，毛構造の大きさや形状（線状か円状），
各パラメータを調整可能な変数として置き換えたものであ© 2018 Information Processing Society of Japan図 8．樹脂を衝突させる造形手法．

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め，既存の 3D モデルに合わせてモーフィングできる仕組
みを作り上げることで，広く応用可能であると考えている．
従来の工程では，3D モデルやスライサを調整することが主流で，「3D プリンタの挙動」というものはほとんどユー
ザの前に現れなかった．一方で，Gcode には 3D プリンタ
図 9．樹脂衝突の造形手法をデザインシステムとして実の挙動を制御するためのあらゆる命令が含まれている．

装．画像を用いて衝突位置を制御した例．

Gcode の直接制御することは確かに容易ではないが，それって細かい粒のような形状が無数に張り付いたテクスチャが作り出された．ここで，壁面までの距離，溢れさせる樹脂量，接触時の速度などが探索すべきパラメータである．
探索を繰り返したところ，樹脂を 0.02 mm だけ押し出して，
1500 mm/min 程度の速度で，0.2 mm だけ離れた位置から接触させることで一様な模様を描くことが可能であった．毛構造と同様にピッチを調べていくと縦横ともに 0.3 mm 程

故にまだまだ探索の余地がある．何より 3D プリンタの挙動に直接注目させることで，人間との距離をより近づける
ようなものづくり環境が構築できるのではないだろうか．
また，FDM で表現される構造は，この方式に特有のものであるだけでなく，その 3D プリンタに特有なものとなるかもしれない．FDM 方式 3D プリンタの種類は多様であり，造形手法が提案されるたびに，その汎用性について議論されてきた．ヴァルター・ベンヤミンは写真という複製技術度が限度であった．また，意図的にピッチを広げたり溢れに関して「芸術作品は，それが存在する場所に．一回限りる量や衝突距離を変更したりすることで，ざらついた表面

存在するものなのだけど，この特性．いま．ここに在るとや細かい粒立ちを目立たせることも可能である．この形状いう特性が、複製には欠けているのだ」と述べている[52]．

は独特な触り心地を提供できるだけでなく，FDM で作ら

3D プリンタも例に漏れず複製技術であり，3D プリンタでれた造形物の積層痕を目立たなくする効果もある．

出力されたものには「いま，ここにある」という特性は一

これをひとつの造形手法とみなして，前述のパラメータ

切ないといえるだろう．むしろ，誰でも同じものを手に入を調整可能なデザインシステムを実装した．溢れさせる樹れることができるようになっている．このような状況下で脂量や衝突速度などを個別に設定できるほか，衝突位置を「私のプリンタが私の作り出した造形手法を用いて作った」

2 値画像で決定する仕様とした．樹脂の溢れ具合は，そのときの造形温度や樹脂ごと軟化点によってことなるが，調整によってウッドライク樹脂，フレキシブル樹脂などの材という価値観は，作られたもの自体の価値，さらには 3D プ
リンタ自体の新たな価値を生むのではないだろうか．
現在の 3D プリンタや樹脂には性能差があり，ユーザは料でも利用可能であることを確認した．これらを適切に設

これらに応じて造形パラメータを調整する必要があるとい定することで，樹脂の衝突を用いて壁面に模様やイラスト

う理解が必要である．これらは，Agarwala が整理した機器を書き出すことを可能とした（図 9）．3D モデルを処理でと材料に関する変数[2]であり，最適化手法で解決することきるようにすることで，壁面に限らず，さまざまな形状にが難しく，パラメータ設定と造形という試行錯誤を繰り返応用可能ではあるが，一方で造形物の底面と上面には衝突すことで身につくものである．提案システムはこうした状が難しいと考えられる．これはこの造形手法の制約である．

況におけるパラメータ探索にも役立てられると考えている．

5. 議論
提案システムは，パラメータ空間の探索と FDM の振る舞いという低レイヤの情報の調査に限定した．しかし，こういったパラメータ制御によって作られる構造が重要である．例えば，毛構造を造形可能とした先行研究[23]は，FDMが細い構造を造形できることを明らかにし，それを髪の毛という構造に落とし込んだ．現在では，Hairy 3D models と呼ばれる多くの類似作品が作られている 8．FDM の振る舞
いやその結果を追究することで，この方式の表現力や造形能力を飛躍的に上昇させることにつながる．また，ユーザ
もこういった表現が可能であることを知っていれば，デザ

本稿で対象とした造形手法は，3D プリンタを制御するパラメータを調整することで実現できるものにとどまっている．例えば，構造を XY 平面での挙動として考えたため，
3 次元空間中の自由な移動を記述することは困難であり，
WirePrint [27]や VoxelChair [18]などの手法をすべて再現す
ることは困難である．また，環境データなどをデザインに用いた事例や，立体形状の内部を精密にデザインすること
で造形物全体を用いた表現を行う事例など，本稿の提案システムでは実現困難な造形手法も数多く実践されている．
こういった先行事例を踏まえつつ，FDM が実現可能な表現
手法とそのために必要なシステムを追究していく．

イン段階での戦略も変わるだろう．現状，提案システムに

6. 関連研究よって作られる構造は，Gcode としてまとめられているた

6.1 3D プリンタを用いた新しい表現

8 Ten 3D Printable Things: Very Hairy 3D Models
https://3dprint.com/183974/10-3dp-very-hairy-models/© 2018 Information Processing Society of Japan

3D プリンタで新しい表現を実現する手法の多くは，事前に 3D モデルを最適化することで実現されており，そのた142情報処理学会 インタラクション 2018
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めのコンピューテーショナルな手法が提案されている．例

造形工程とモデリングの工程を統合したインタラクティブ

えば，3D モデルの重心を制御することで，出力したキャラ

なものづくり環境[29][47]なども提案されている．また，クタを安定して直立させることができる[31]．同様な内部

3Doodler に代表される手持ち式のデバイスは，FDM の樹脂の最適化によって，コマのように回転させる[4]，水に安定押出機構をそのまま応用したものである．

して浮かせる[45]なども可能である．内部の密度を制御す

6.3 FDM に関する調査ることで，出力したキャラクタを変形可能にする手法[36]，高性能かつ高速な造形を可能とするために，FDM とそのルービックキューブとして成立するように分割[37]したり，パラメータの調査が行われている．例えば，積層ピッチが箱型に変形可能な 3D モデルに変換[49]したりする手法も造形物の表面の品質に影響を与える[3]ことや，造形速度と実現されている．さらに，内部構造の最適化と壁面への音

造形パスの形状がレイヤとそれらの接着具合に影響するこ孔作成で自由な形状の楽器を作ることも可能になっているとが知られている[13]．また，造形工程の一部は数式でモデ[24][44]．さらには動きの造形[12]など，3D プリンタを用いル化されている[43]．Bellini はこのプロセスのモデル化にて新しい表現を追い求める研究は枚挙にいとまがない．

取り組み，FDM の構成に関する現象のモデルを提示した[5]．

MetaMorphe [42]は Web プログラミングをベースとしたモ

また，造形パスを最適化することで，多色印刷の品質を改デリングシステムであり，パーソナルなデータや音声，気善する取り組みも行われている[14]．

候，地理の情報を 3D モデリングに活用することが可能で

7. おわりにある．HapticPrint [41]では，造形物の外部と内部のそれぞれをデザインし，手触り感を表現するシステムが提案された．

本稿では，FDM の独自性に注目し，この方式だからこそ

このようなさまざまな表現が実現されている中で，本稿実現できる「表現」を追究するために，パラメータ探索のでは FDM の独自性を活用した造形手法に注目した．つまためのシステムと構造を記述するためのシステムを構築しり，3D モデリングのためのシステムや 3D モデルの最適化た．これらを用いて既存の造形手法を再現するとともに，手法ではなく，3D プリンタ自体の振る舞いを活用した造形

新たな造形手法のデザインに取り組んだ．今後は，提案シ手法である．先行研究として，ノズルの先端で樹脂を引きステムを洗練させるとともに，造形例と造形手法を充実さずることで髪の毛のように細い構造を作り出す手法[23]，3

せ，FDM の独自性を中心とした新たな造形工程の確立へと

次元空間中の移動を駆使してワイヤフレーム造形を実現す

発展させる．

る手法[27]，ノズルの位置と樹脂量を制御することで樹脂の振る舞いを造形に活用する手法[38]，押し出した樹脂のねじれを活用したガラス 3D プリンタ[20]，変調され波打った壁面による色調表現[32]，ハッチングを造形物表面に応用した色調表現[21]があげられる．

謝辞

参考文献
[1]
[2]

6.2 FDM の優位性
他方式と比較して，FDM にはいくつかの優位性がある．
まず，利用可能な樹脂の種類である．PLA 樹脂や ABS 樹[3]

脂などの熱可塑性樹脂に加えて、柔らかい造形物が出力可
能なフレキシブル樹脂や導電性のある樹脂などが利用可能である．HCI の分野では，導電性樹脂を用いたタンジブル[4]

ユーザインタフェースの提案[34]や，フレシキブル樹脂を用いたメタマテリアル[17]の出力などで利用されている．

[5]

また，FDM は機器自体が単純な構造をしているため，比較的容易に 3D プリンタ自体を改造することが可能である．
そのため，3D プリンタの携帯というコンセプトを実証する[6]

ためのプロトタイプ[33]，ミリングマシンを搭載して切削と造形を組み合わせたマシン[40]，回転するプラットフォームを搭載した 3D プリンタ[10]など，新しい造形工程を示[7]す際にも利用されている．
さらに，FDM の扱いの容易さは，人間を造形作業に介入させるシステムの構築のためにも役立っている．一時停止
させることで，造形中のものに別のものを組み合わせたり，内部に挿入したりする手法[6][8]が提案されている．また，© 2018 Information Processing Society of Japan

本研究は，JST，COI の支援を受けたものである．

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