鳥取県産業技術センター研究報告 No.20 (2017)

３Ｄスキャナと３Ｄプリンタの連携によるクローズドループエンジニアリングの実証
Demonstration of Closed-loop Engineering Through Cooperation with a 3D Scanner and 3D Printer.

木村勝典・吉田裕亮・新見浩司・佐々木郁哉
Katsunori Kimura, Yuusuke Yoshida, Kouji Niimi and Ikuya Sasaki
近年、製品の設計・製造・検査などの一連の工程においてデジタルデータを使って効率化する試みがデジタルエンジニアリングとして取り組まれている。更に、デジタルデータを活用してものづくり工程のPDCA を効果的に回す事による生産性の向上や 3D ものづくりにおける設計・試作・評価を行うことで製品開発の高度化と高付加価値化を進めることのできるクローズドループエンジニアリングに対する期待が高まっている。本研究ではクローズドループエンジニアリングを回す際に用いるツールの 3D スキャナと 3Dプリンタの検証を行い、その有用性や効果的な利活用方法に繋がるノウハウを蓄積することができた。

 はじめにを把握し、更に求めた補正値を設計データに反映す

当センターでは平成 23 年度に非接触三次元デジることでより高精度な造形を行う方法を検討する 4

タイザーを導入し、測定データと CAD データとのつの地域に分かれて 2 地域ごとに行う「地域課題 2

比較検証や寸法測定評価の支援を積極的に開始し４）た。また、測定精度の向上と測定データの取得率向ャナと 3D プリンタの特性把握だけでなく、その有上のため前処理として反射防止スプレーを塗布し用性や優位性および効果的な利活用方法に繋がるているが、この前処理が測定値に与える影響度も明ノウハウを蓄積することができた。

」について取り組んでいる。その結果、3D スキらかにしてきた。3 次元造形については、平成 26年度に 2 台の 3D プリンタを導入し、3 次元データ

 全体課題

活用のノウハウの蓄積とあわせて試作支援の強化

造形精度の検証

を進めてきたところである

3D プリンタで造形した器物の造形精度について

１）２）。

今回、平成 27 年度から国立研究開発法人産業技検証を行った。3D スキャナによる測定結果と CAD術総合研究所の地域連携戦略予算プロジェクトにデータとの比較を行い、その偏差についてカラーマ参画し、3D スキャナと 3D プリンタによるクローズップ表示した。

ドループエンジニアリングの実証を行っている。このプロジェクトに参加することで、当センターで所 造形装置および器物有している装置とは異なる機種での測定精度や造造形装置については、図 1 および表 1 に示す機種形精度の情報収集とともに 3 次元データの新たな活を用いて、図 2 に示すレイアウト①及び②の設定で用方法の手法についても知見を深め、今後のデジタ造形（器物サイズ 100mm 角）を実施した。造形直ルエンジニアリングにおける支援強化に繋がる取後と後処理後の器物の写真を図 3 に示す。

組を進めている。



プロジェクトで提案された立体的な器物を 3D プリンタで造形し、各測定機による測定結果と CADデータとの比較や経時変化の把握を行う全参加機
関が行う「全体課題３）」と、同じくプロジェクトで提案された 2 次元的な器物を画像測定機を用いて測$*,/,67$定することで、造型機の倍率誤差および直角度誤差

3UR-HW;図  造形装置外観

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鳥取県産業技術センター研究報告 No.20 (2017)非接触測定方法

表１ 造形装置の仕様
蔵置
造形エリア
造形ピッチ
造形樹脂

$*,/,67$
×210×200mm
PP
半透明アクリル

3UR-HW;
×381×300mm
PP$%6 ライクアクリル

非接触測定については、図 4 および表 3 に示す測定機（COMET5 11M）にレンズは C150 を用いて行った。器物は金属ブロック上に載せて回転テーブル

にて測定した。全周測定する必要があるため、器物造形については，2 つのレイアウトの器物を同時のセット方法を変えトータル 50 ショット以上のデに造形した。それぞれの器物での造形時間等を表 2ータを取得、ソフトで貼り合わせた。2 機種、2 レに示す。

イアウトで造形した計 4 つの器物について同様に測定を行った。AGILISTA で造形した器物は半透明であるため、反射防止スプレーを塗布後に測定を行った。


レイアウト①      レイアウト②

図  造形レイアウト図  測定機と器物セット状態表  測定機の仕様

測定範囲（;<=）
測定点間平均距離
焦点距離
測定点数

図  器物の造形直後と後処理後の状態

155×105×70mm
PPPP
約  万画素

表  造形時間と使用樹脂量
装置$*,/,67$
3UR-HW

ﾚｲｱｳﾄ
①
②
①
②

造形時間
KP
KP
KP
KP

モデル材
J
J
J
J

サポート材
JJJJ結果と考察測定したデータと CAD データを面形状位置合わせにて解析し、分割範囲を±0.7mm としたカラーマ

ップを図 5 に示す。反射防止スプレーを塗布したそれぞれの造形装置での後処理については、AGILISTA 造形器物の方がデータ欠損部は少なかっ

AGILISTA 造形器物はへらでベースプレートから外た。また、造形機種および造形レイアウトにより器し周辺に付着しているモデル材とサポート材を手物の歪みや伸縮方向に違いがあることが確認出来で取り除いた後、40℃程度の温水で超音波洗浄を行た。いずれの場合も器物の形状に対して造形方向がい自然乾燥させた。ProJet 造形器物は，-20℃の冷凍平行となるレイアウト①の方が傾けて造形したレ庫に 30 分保持後、手でベースプレートから外して、イアウト②よりも CAD データからの偏差は小さか60℃の恒温槽で丸 1 日保持して周辺のサポート材をった。器物の形状により、造形方向を決定する必要溶かして落とした後、60℃程度の温水で超音波洗浄があることがわかった。

を行い自然乾燥させた。後処理後は 20℃に保持された測定室で保管した。

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鳥取県産業技術センター研究報告 No.20 (2017)

平面・円筒の測定が困難となった。そのため、データ取得の範囲が第 1 回目の測定データよりも少なくなってしまった。
経時変化による偏差結果を図 7 に示す。
AGILISTA 造型器物については 2 つのレイアウト共に偏差分布が±0.05mm 以下に大部分が収まっていることから、経時変化の影響は小さいと思われる。
ProJet についてはこの偏差分布が±0.1mm レベルとなっていることから AGILISTA よりも経時変化の影響が大きいことがわかった。今回は 20～22℃の恒温室にて保管しており、温湿度の影響が小さかった

図  67/ データの状態とカラーマップ

こともそれほど大きな変形をしなかった理由と考経時変化検証

えられる。

造形精度を検証するために造形した器物について一定期間（約 11 ヶ月）保管した後、再度測定を行い、変形量を把握した。非接触測定方法は造形精度を検証した方法と同様な方法で測定を行った。造形時期および測定時期について表 4 に示す。3D プリンタにより造形した器物が時間の経過と共に変形するのかしないのか、また、変形する場合はどの程度であるのかの検証を行った。

表  造形時期および測定時期

造形時期
第  回測定時期
第  回測定時期

 年  月  日 年  月 ～ 日 年 月 ～ 日

図  カラーマップ（分割範囲±PP）

 地域課題２

保管方法

  次元的な器物による ;< 面内における誤差評価

図 6 に示す通り、室温 20℃

 3D プリンタを用いて造形した2 次元的な器物を用いの測定室に保管した。ただして XY 面内における誤差評価を、画像測定機を用いて7 月～10 月の間は ECO 活動

造形器物に配置した穴位置精度について定量的に実施のため、22℃とした。      

把握した。その値を元に設計図面を修正することで造形誤差を低減し高精度な 2 次元的な器物造形（穴図  保管状況

位置精度目標 20μm 以内）を図る試みを行った。

結果と考察
AGILISTA 造型器物については前回と同等程度の造形装置および器物

データ取得が行えたが、ProJet 造型器物については表面にサポート材の原料であるワックスが滲み出 造形は造形精度の検証で用いた 2 つの 3D プリンタてきた影響から、反射防止スプレー無しの状態ではにより行った。造型器物の外観と穴断面図を図 8 に示す。φ2mm の穴を XY 方向 15mm ピッチで配置した。
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鳥取県産業技術センター研究報告 No.20 (2017)
また造形した器物を図 9 に示す。各 3 個造形した。

ントについて、金属ブロックを測定機テーブル手前に置き、その端面が機械座標系のＸ軸に対してずれ量が 0.01mm/100mm 以内になるようにセットした。
そして左側にストッパーとなる小型の金属ブロックを両面テープで固定し，それらに突き当てるようにして器物には負荷がかからない状態としてセットした。測定時のセット状態を図 11 に示す。

図   次元的な造型器物の外観と穴断面形状
図  器物（左$*,/,67$ 右3UR-HW）

図  器物アライメントとセット状態

次に測定する際の光量設定では，エッジ検出にお造形後の処理方法

いて光量値のプロファイルを確認し、図 12 に示す

器物は造形後のサポート除去時や洗浄時に熱がようにハレーションを起こさない最大光量値に設加わることから、器物が反らないように注意し後処定した。そして、穴のフォーカス合わせは測定する理を行った。洗浄後の反りが目視で観察された器物の 1 つの穴の全周が測定画面に入るレンズ倍率

ProJet で造形した器物については、乾燥時に器物をとし、エッジ検出をコントラスト設定で行った。こ平らな金属プレートで挟み込み乾かした。処理後はの設定で測定している各器物の穴の画像を図 13 に20～23℃の部屋にて保管した。

示す。

器物の測定測定機
器物の測定は図 10 に示す
画像測定機を用いて行った。



 測定機の主な仕様を表 5 に

図  エッジ検出のための光量値設定示す。

図  画像測定機


表  測定機の仕様

機器名
測定精度
測定視野
最小単位



90： 株 ニコン＋L/200μm
×8PP～1×0.8mm
μP

図  穴画像（左$*,/,67$ 右3UR-HW）


その他、測定姿勢は反転法による 4 姿勢、測定回



数は各姿勢で 5 回繰り返し測定を行った。

測定方法



まず器物を測定機上にセットする際のアライメ

42鳥取県産業技術センター研究報告 No.20 (2017)

結果と考察設計値への補正量の反映と測定結果
2 種類の 3D プリンタで造形した各 3 つの器物を 5第  回目の測定結果
設計データを用いて 2 種類の 3D プリンタで造形回繰り返し測定した結果の平均値から、倍率誤差のした各 3 つの器物を、5 回繰り返し測定した結果の補正量の見積もりを行った。

平均値と設計値との差を図 14、15 に示す。測定結 AGILISTA 造形器物の方では図 16 に示すように

果は誤差を 50 倍にしてグラフ化した。

設計値に対して最大誤差量は 80μm であった。しかAGILISTA 造形器物は、全体的に X、Y 軸方向共し、造形器物により誤差量や設計値からずれる方向に設計値よりも小さい方向に移動していること傾が異なっており単純に補正を行うことが難しい。造向であることがわかった。ただし ProJet と比較して形個数を増やすなど更に検証を進めている。
ProJet 造形器物の方では、造形した 3 個の器物共誤差は小さいが穴位置のずれている方向が一部一に誤差量、設計値からずれる方向共に同じ収縮傾向定でないところがあった。
ProJet の方も全ての穴位置が設計値よりも小さいを示していたため、補正係数を求めた。図 17 に X方向に移動し、かつその移動量は AGILISTA に比較軸方向の補正式を算出した方法を示す。Y 軸方向もし大きいことがわかった。また直角度誤差も含まれ同様に補正係数を求め、それぞれの設計値での縮小ていることがわかった。

量を計算し、算出した補正値を設計値に反映して再造形を行った。

図  $*,/,67$ 誤差（×）評価結果

図  $*,/,67$ 偏差（×） 個の器物測定結果



図  3UR-HW 誤差（×）評価結果

図  3UR-HW 造形器物の ; 軸方向補正式算出

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鳥取県産業技術センター研究報告 No.20 (2017)謝 辞 補正後の器物の測定を行った結果、1 回の補正だけでは目標値の 20μm 以内に収まらなかった。その本研究の取り組みについて、参画した産総研プロジため、1 回目の補正後器物の測定結果から再度ずれ

ェクトのメンバーである産総研計量標準総合センター量を求め、最初の補正量に加算する方法をとった。

工学計測標準研究部門の皆様、また参画されている各

そして、この方法での補正を 3 回実施した結果、図都道府県の公設試験研究機関の皆様に感謝いたします。


18 に示すようにほとんどの穴位置が設計値から

20μm の範囲に入る器物を造形することができた。

文 献

 最初の造形器物の測定結果では設計値からのず

1) 木村勝典：非接触測定における反射防止スプレれ量が大きかった ProJet であるが、補正値を設計値ーの測定値への影響に関する研究，2014 年度精に反映することで、高精度な 2 次元的な器物の造形

密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，を行うことができた。

P849-P850.
2) 木村勝典，新見浩司：鳥取県産業技術センター
における高精度非接触測定手法に関する研究，
砥 粒 加 工 学 会 誌 ， Vol.59 No.7 2015 JUL
P384-P387.
3) 産総研地域連携戦略予算プロジェクト「3D 計測エボリューション」全体課題ガイドライン，(2016).
4) 産総研地域連携戦略予算プロジェクト「2 次元的な器物による XY 面内を主体とした誤差評
価」地域課題 2 実施ガイドライン，(2016).

図  3UR-HW 誤差（×）測定結果と補正後の結果



 おわりに
今回 3D スキャナと 3D プリンタの連携によるクローズドループエンジニアリングの実証を進め、造形精度の検証と経時変化評価および 2 次元的な器物によるXY 面内の誤差評価を行った。
その結果、所有する 2 つの 3D プリンタの造形精度や時間経過による変形挙動および 3D プリンタの倍率誤差および直角度誤差について把握することができた。

また、検証用の器物を用いて測定を行い設計値との違いを補正すれば、樹脂部品としては十分な精度で器物を造形できることもわかった。
今後は、これらの知見やノウハウを生かして県内企業におけるものづくりでの試作開発支援において、より高精度な部品の試作に生かしていきたい。
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