社団法人 人工知能学会
Japanese Society for
Artificial Intelligence

人工知能学会研究会資料
JSAI Technical Report
SIG-Challenge-045-5 (9/26)

3D プリンタで出力する技術科教材模型作成の試み
中野 里奈[1], 光永 法明[2]Rina NAKANO [1] and Noriaki Mitsunaga [2][1] 神戸市立科学技術高等学校, [2] 大阪教育大学
mitunaga @ cc.osaka-kyoiku.ac.jp
Abstract
3 3D モデルの作成
以下での 3D モデルの作成には Autodesk Inventor
Professional 2016 を，3D モデルを出力する 3D プリン
タには 3D Systems の Cube 2nd generation もしくはCube-X trio を用いている．

3D プリンタが低価格化し，教育での利用も検討が進められている．本論文では中学校 技術・家庭科 技術分野で利用できる教材模型の 3D モデル 4 種類の作成を試みたので結果を報告する．

1 はじめに
3.1 平歯車
3D プリンタはモデルデータがあれば，機械加工の平歯車は原動節，従動節共に回転運動をするが，技術なしに複雑な形状が出力できる．低価格な製品
回転の向きが逆になる．原動節と従動節の速度比はが市販されるようになり，学校教育での活用も試み
歯数比で決まり，かみ合わせの位置によらず一定でられている[Sato16]．一方で，出力にかかる時間は機械加工等で作成する場合よりも長くなることが多く， ある．また増速するとトルクが減り，減速するとトルクが増す．モジュールが同じ歯車はかみ合い，異一台で大量の部品を作成するには向かない．したがなればかみ合わない．一段で減速比を大きくするとって，技術科の授業を考えたとき，市場規模が小さ歯数比が大きくなり，遠くに運動を伝えようとする
いため大量生産が難しいが教材としては有用なものと直径が大きくなる．遠くに運動を伝えるために数を 3D モデルとして用意し，各中学校の 3D プリンタ段の平歯車を用いると効率が悪い．このようなことで模型を出力できれば，有効な活用法の１つになるを理解するには，2 段以上の減速/増速ができ，減速と考える．そこで，本研究では，平歯車，板カム，比の違う歯車の組み合わせを試せればよい．
四節リンク，無段変速機の 3D モデルを作成したので
そこで，一列に並んだ 4 つの軸(直径 8mm，長さ報告する．
10mm，軸間距離 50mm)を持つ土台(200mm×100mm×15mm)と，モジュール2mm で歯厚 5mm の 5 種類
2 機構モデルを 3D プリンタで出力する意義の平歯車(歯数 12/ピッチ円直径 24mm，歯数 17/ピッ中学校技術・家庭科，技術分野の内容 B エネルギ
チ円直径 34mm，歯数 25/ピッチ円直径 50mm，歯数ー変換の(1)アには「力の伝達の仕組み」すなわち，33/ピッチ円直径 66mm，歯数 38/ピッチ円直径 76mm)機構（機械）が含まれる．一般に機構には原動節と従動節があり，それぞれの運動の種類，速度，方向のモデルを作成した（Figure 1）．平歯車の設計にはのいずれかあるいはすべてが異なる．機構の理解をInventor Professional のコンポーネントジェネレータ
助けるために模型は，節同士がどのような拘束運動を利用し，各歯車には持ち手となるピンを立てる．
をするかが見やすく，入力と出力の運動や力を見て触って確かめられるとよい．そのためには，実用的
3.2 板カムな機械に必要とされるような強度は不要である一方，
板カムを用いると回転運動や直線運動からカムの適当な大きさ，重さであることが求められる．
形状に応じた運動を作ることができる．ここでは 4歯車の形状を分かりやすくするためモジュールが種類の形状の板カムのモデルを用意した(Figure 2，カ2mm の歯車を模型として用意することを考える．市
ム厚さ5mm，ロッドは 5mm×5mm×70mm，ケース販のモジュールが 2mm のポリアセタール樹脂製の平の大きさは 70mm×100mm×26mm)．カムには図の見
歯車は歯幅が 20mm あり歯数が 25 のものでも小歯車えない側に軸が一体で出ている．カムについた軸をの扱いでボス付となる[KGK15]．機構の理解のため回転させると上にあるロッドが上下運動する．C2 のに手で触れる用途であれば，歯幅は 5mm で十分であカムは逆転を防止し，C3 は原動節が 1 回転するときりボスも不要である．一方，生徒の手で操作しやす
くしたい．このとき操作部が一体となった歯車の 3Dに 2 回の往復運動をする．C4 はインボリュートハー
モデルがあれば，3D プリンタで中空の模型を出力す
トカムで，カムの軸が等速回転するときロッドは等ればよい．この例のような 3D モデルを用意できれば速往復運動をする．
有用であると考える．

15

Figure 3

3D model of four bar link mechanism

Figure 4mission

3D model of continuously variable trans-Figure 1 3D model of spur gears (above: four 25
teeth gears, below: 12 teeth and 38 teeth spur gears)

Figure 2

3D model of flat cam mechanism

をかけている．ベルトを軸と直交するように平行移
3.3 四節リンク機構
動し減速比を変える．
四節リンク機構は閉路を持つリンク機構としては最も単純な機構である．同じ機構でも固定するリン
ク，原動節（リンク），従動節を変えることで様々4 3D モデルの作成を試みた結果出力した各 3D モデルの重さを測ると土台や組みな運動を実現できる．作成した四節リンク機構のモ合わせる部品を合わせて，平歯車は 114g，カムは 57g，デルを Figure 3 に示す．各リンクにはピン，穴があり，その距離は 90mm, 130mm, 130mm, 150mm である． 四節リンクは 37g，無段変速機は 174g であった．Cubeの材料は約 16 円/g であるので，材料費は四節リンクで約 660 円，無段変速機で約 3100 円である．安い材
3.4 無段変速機
料では約 3 円/g のものも市販されており，今後はさ最近の自動車には無段変速機(CVT)を採用したもらに材料費は安くなる可能性がある．3D モデルが失のが多い．そこで無段変速機の原理（自動車に採用敗なしに出力できるのであれば費用面では 3D プリされているものとは異なる）のわかる 3D モデルを作ンタ利用に問題はないと思われる．
成した（Figure 4，ケース 150mm×90mm×75mm，軸一方で歯車の土台にある軸と，歯車中央の穴など間距離 120mm）．二つのプーリー（軸と一体，直径20mm から 50mm）があり，その間にベルト（輪ゴム） はめ合いを考慮すべきところには課題が残った．今16

回は，利用している 3D プリンタに合わせて 3D モデルの大きさを変更して適当なはめ合いを実現している．したがって 3D モデルがあっても，3D プリンタによっては再現ができない可能性が残る．教材に限らず，3D モデルディスプレイやプリンタのカラーマネジメント（キャリブレーション）のようなシステム構築が必要かもしれない．
ほかに現在の安価な FDM 型 3D プリンタ利用にあたって課題とされる，出力物のはがれ（出力中に造形物が 3D プリンタの出力用の台から外れてしまい，造形が中断し，最悪は 3D プリンタのヘッドなどを壊す），材料（フィラメント）の吸湿による造形の劣化，室温に依っては造形物が大きく変形するなどのトラブルが起きた．これらのトラブルが起きないよ
うな改良も待たれる．

5 まとめ
本論文では，3D プリンタの活用方法として，中学校 技術・家庭科 技術分野の教材を出力することを提案し，そのための 3D モデルを試作した．試作した
3D モデルは，平歯車，板カム，四節リンク，無段変速機の 4 種類である．試作の結果，材料費の面では3D プリンタを利用することに問題はなさそうであるが，はめ合いのある機構については課題が残ることが分かった．

参考文献[Sato16] 佐藤博, 山主公彦: 3D プリンターとものづ
くり教育 －コマ製作による教材開発－,山梨大学教育人間科学部附属教育実践総合センター研究紀要,
no.21, pp.43—52 (2016)[KGK15] 協育歯車工業株式会社: KG Stock Gears,
catalogue no. KG2002, p.214 (2015)17