Designシンポジウム2021 講演論文集

付加製造バイオリンの設計と製作
Design and Fabrication of Additive Manufactured Violin○横山 幸雄（都産技研） *1*1

紋川 亮（都産技研） *2

木暮 尊志（都産技研） *2

大久保 智（都産技研） *2

Yukio Yokoyama, Jonan Branch, Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute,
1-20-20 Minamikamata, Ota, Tokyo 144-0035, yokoyama.yukio＠iri-tokyo.jp*2

Headquarters, Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute,2-4-10 Aomi, Koutou, Tokyo 135-0064

キーワード: 3D プリンター，弦楽器，リバースエンジニアリング，CAD, CAE

1. 緒言

近年，3D プリンターの通称とともに一般的な認知度を拡
大した付加製造技術(Additive Manufacturing Technology)は，直接的な製造手段への発展が期待されており，適用の多様化に関する研究開発が盛んに行われている．この動向の一環として，付加製造技術を活用した多種多様な楽器の製作が試みられ，一部では実用化が始まっている．筆者らは，このような現況を鑑みつつ，付加製造装置を製作手段とするバイオリンの設計に関する研究に取り組んできた (1) －(3)．
本報では，新たな価値創造方法の一例として，近年著しい発達を遂げた粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion，PBF）方式の付加製造装置を用いて製作可能な付加製造バイオリンの設計・製作・評価の実施について紹介する．

2. 設計目標
付加製造バイオリンは，主要部分がプラスチック製となるため，既存の木工製バイオリンと較べて湿度変化による影響が少なく，素材の均一性が確保されるため，同一の品物を何度でも製作できる，などの優位性を有している．しかしながら，原材料となるプラスチックと木材とでは，楽器の素材としての物性に差があるため，付加製造装置を用いて製作することを前提とし，様々な性能項目のバランスを考慮した各部の再設計が必要であると考える．そこで本報では，以下の設計目標を掲げた．

キャニング，3D-CAD, CAE, CAT の使用が提案されている．
まず，図 1 中の(A)では，3D スキャナとして X 線 CT ス
キャナと光学式 3D デジタイザとを用いる．これらの装置は，既存の木工製バイオリンを無理に分解することなく，設計データの基となる STL データ群を採取可能である．つぎに(B)では，(A)で採取した STL データ群を基に，各部寸法の設計変更の利便性を考慮したリバースエンジニアリングを実施し，バイオリンの 3D- CAD モデルを作成する．(C)では，CAE による構造解析を用いて付加製造バイオリンの設計最適化を目指す．(D)では，3 機種の PBF 方式の付加製造装置を使用して楽器の部品群を生成する．生成した部品群には 2 次加工を施し，楽器の完成に向けて組み立て作業を実施する．最後に(E)では，製作過程における条件決定のための表面粗さ測定や，完成品の丈夫さに関わる変形検査などを行う．
表 1 に本報で使用した設備とコンピュータプログラムの一覧を示す．

(i)

必要部品を含む合計質量は，既存の木工製バイオリンと同等の 500g 以下であること．
(ii) 既存の木工製バイオリンの外観形状を尊重し，逸脱しないこと．
(iii) 弦張力に十分に耐える丈夫さを有すること．
(iv) 演奏可能であること．

3. プロセスの構築
図 1 に付加製造バイオリンの設計・製作・評価プロセスを示す．本報では設計目標(i) ~ (iv)を達成すべく，図 1 のプロセスを構築，これを実施した．このプロセスには 3D ス

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Fig.1

Process for design, fabrication and evaluation of
the additive manufactured violins

Designシンポジウム2021 講演論文集

Table 1
Usage
(A)
(B)

(C)

(D)

(E)

Classification

List of equipments and computer programs.

Product name(Trademark)ManufacturerRemarks

X-ray CT scanner

TOSCANER-30000μCM

Toshiba IT & Control Systems Corp.

3D scanning

3D digitizer

COMET 5 11Ma

Carl Zeiss Optotechnik GmbH

3D scanning

3D-CAD programs

CAE programs

Additive Manufacturingsystems

SolidWorks

Dassault Systèmes SolidWorks Corp.

3D design

spScanArmonicos Co., Ltd.

Reverse engineering

ANSYS

ANSYS, Inc.

Structural analysis

WAON

Cybernet systems Co., Ltd.

Acoustic analysis

TSV-PRETechnoStar Co., Ltd.

Preprocessing

HiramekiWorks

Quint Corp.

RaFaEl 550C
RaFaEl 300F
ProX 300

Topology optimization
Material: Nylon 12

ASPECT Inc.

Material: Nylon 11

3D Systems Corp.

Material: 17- 4PH

White interferometer

Nexview

AMETEK, Inc.

Roughness measurement

Inspection program

spGaugeArmonicos Co., Ltd.

Deformation inspecting

4. プロセスの実施
図 2 にバイオリンの 3D- CAD モデルを示す．このモデルは，リバースエンジニアリングを経て，各部の設計寸法を3D-CAD 内で変更可能なものとして構築されている．
図 3 に CAE による構造解析の例を示す．(a)トポロジー
最適化を利用した質量削減，(b)弦張力により楽器各部に発生する応力の分布，などに留意しつつ，設計の最適化を図った．その結果、設計目標を満たす設計形態のひとつを見出し，これに基づいて付加製造バイオリンを製作した．

Fig.4

The additive manufactured violin

5. 結

Fig.2

3D-CAD model of the violin

図 4 に完成した付加製造バイオリンを示す．このバイオリンは質量 475g，かつ演奏可能であり，全ての設計目標を達成している．なお，本研究の内容理解の一助となる動画を公開している(4)．本報と併せての参照を願う．

文Fig.3

Examples of structural analysis with CAE言献(1) 横山幸雄，紋川亮，木暮尊志，大久保智：付加製造バイオリンの設計と製作（第 1 報 プロセスの構築と設計の実施），設計工学，J-STAGE 早期公開版，(2021)
https://doi.org/10.14953/jjsde.2020.2896 (参照日 2021 年
6 月 10 日)(2) 横山幸雄，紋川亮，木暮尊志，大久保智：付加製造バイオリンの設計と製作（第 2 報 製作と評価の実施），設計工学，J-STAGE 早期公開版，(2021)
https://doi.org/10.14953/jjsde.2020.2897 (参照日 2021 年
6 月 10 日)(3) 東京都立産業技術研究センター：弦楽器，弦楽器の製造方法及び弦楽器製造装置，日本国特許 第 5632597 号．
(4) 東京都立産業技術研究センター：都産技研 3D プリン
タ ー で バ イ オ リ ン ， そ の 設 計 と 製 作 - Design andfabrication of 3D printed violin -, YouTube 動画，(2018)https://youtu.be/eOO0zj1Pyxg (参照日 2021 年 6 月 10 日)

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