群馬県立産業技術センター研究報告（２０２３）

金属積層造形技術を活用した管巻機の長寿命化にかかる研究
小林興尚・齋藤宏****・齋藤裕文****三ツ木寛尚*・狩野幹大**・小宅智史***
Research on prolonging the lifespan of warping machines utilizing
metal additive manufacturing technology
KOBAYASHI Okihisa, SAITO Hiroshi, SAITO Hirohumi,
MITSUGI Hironao, KANOH Motohiro and OYAKE Satoshi
伝統織物製造に関連する機器の一部では、メーカーの撤退が原因で、消耗品や交換部品の入手、機器修理が困難な現状があり、シャトル織機での織物生産は必須となる管巻機も修理や更新が困難な状況にある。本研究では、管巻機を運用し続けるために部品を再生することを目指し、レーザースキャナを用いて管巻機の周囲環境や外観形状を記録するとともに、産業用 X 線 CT と金属積層造形技術を活用して補修部品の再生に取り組んだ。
キーワード：管巻機、シャトル織機、レーザースキャナ、X 線 CT、金属積層造形技術
In some equipment related to traditional textile manufacturing, the withdrawal ofmanufacturers has resulted in a challenging situation where obtaining consumables, replacement
parts, and equipment repair services is difficult. Additionally, bobbin winders, essential for fabricproduction on shuttle looms, also face challenges in repair and updating. This study aimed toregenerate parts to continue operating bobbin winders. Using laser scanners, the study recorded
the surrounding environment and external appearance of the bobbin winders. Furthermore, thestudy employed industrial X-ray CT and metal additive manufacturing technology to tackle theregeneration of repair parts.
Keywords ： Warping machines 、 Shuttle loom 、 X-ray CT 、 laser scanner 、 metal additive
manufacturing technology
１

まえがきを行っており、織物を生産するために必要な様々な機器を所有している。そのうちの一つ

群馬県立産業技術センターは、令和 3 年 4に管巻機があり、昭和 50 年頃から稼働して月 1 日から群馬県繊維工業試験場を統合し、いる。管巻機はシャトル織機で織物を生産す

群馬産業技術センター（前橋）、東毛産業技術る際の準備に必要な専用機で、ヨコ糸を管（くセンター（太田）および繊維工業試験場（桐だ）と呼ばれる部品に巻き付ける作業を行う生）の 3 拠点新体制としたことで支援範囲のために使用される。準備するヨコ糸の長さは拡大、支援体制の拡充を進め、相互に連携す生産ごとに異なるが、長いものでは 1000ｍ程ることで多分野の知識、技術が必要となる内度の糸を一定の張力で一定の太さに巻き上げ容の繊維産業支援にも取り組んでいる。

ることが必要であるため、本専用機以外での繊維工業試験場は古くから繊維産業の支援作業や人力での作業は極めて困難である。し群馬産業技術センタースマートファクトリー推進係、*電子機械係、**生産システム係、***計測係、****繊維工業試験場 生産技術係

かしながら、管巻機のメーカーは全社が製造から撤退しているため、消耗部品や交換部品の供給は絶たれており、メーカーによる修理

管巻機の外観形状や周囲環境の記録は、群もできない状態にある。管巻機の故障は、シ

馬産業技術センターデジタルソリューション

ャトル織機での織物製造不能につながるため、

ラ ボ （ DSL） に 導 入 し た レ ー ザ ー ス キ ャ ナ

繊維業界では、管巻機の故障、部品不足が深（Focus S plus 150、FARO 社）を使用した。

刻な問題となっている。

部品の表面形状データ取得は産業用 X 線 CT

繊維工業試験場では管巻機を 3 台所有して（Phoenix v|tome|x m 240/180、日本ベーおり、このうち 2 台は稼働が可能な状態であカーヒューズ株式会社）を使用した。産業用

るが、1 台は主に装置上半分の糸を繰り出す

X 線 CT で取得した断面画像のボリュームデ機構が欠損し稼働できない状態であり、業界ー タ 化 お よ び STL 形 式 へ の 変 換 は VGと同様の問題に直面している。今後、稼働中

Studio MAX3.2（ボリュームグラフィックスの 2 台も故障等によって稼働できなくなった株式会社）を使用した。STL データの編集は場合には、連鎖的にシャトル織機の使用がでQuicksurfaceFull（KVS 社）を使用した。

きなくなり、織物製造技術の研究・支援の範囲を狭めることとなってしまう。このことか

２．２

レーザースキャナによる点群データ化

ら、昨年度は群馬産業技術センターと繊維工レーザースキャナのパラメータ設定は、プ業試験場が連携し、各々が保有する機器及びロファイルは屋内 10m 以内、分解能は 1/8、技術を活用しながら管巻機の長寿命化及び再品質は 4、カラースキャンは ON とした。プ生にかかる検証を行った。検証内容は、図面

ロファイルは測定対象との距離、分解能は単のない機構部品のソリッドデータ化とコイル位面積あたりに取得する点数、品質は定点のを製造する機器を管巻機として流用するもの繰り返し数（2 の（品質値-1）乗）、カラースであり、一定の成果を得た。

キャンは点群データのカラー化の有無を示す。

昨年度に続き、管巻機を今後も運用し続け２．３

金属積層造形による部品の再生るための検討として、本研究では高分解能計

産業用 X 線 CT と VGSTUDIOMAX での測用 X 線 CT システム（以下「産業用 X 線

STL データ（表面形状のポリゴンデータ）のCT」という）を用いて表面形状データを作成取得、QuicksurfaceFull による STL データ

し、金属積層造形技術を活用して部品の再生の修正、金属積層造形の流れで、部品を再生に取り組んだ。部品再生の際には形状の再設した。対象とした部品は、単体の鋳造部品（以計や構造変更は実施せず、可能な限り工数を下「単体部品」という）および単体部品とは削減し、現状の形状を再現することに特化さ異なる形状の鋳造部品と他の金属部品とが組せて検証した。部品再生の方法として金属積み合わされて構成された部品（以下「組立部層造形を採用した理由は、対象とする再生部品」という）の 2 種類とした。群馬産業技術品が鋳造部品または複数の部品を組み合わせセンターでは、金属積層造形を実施する機器て作られた組立部品であり、切削加工で作製を保有していないため、委託にて造形を実施するには効率が悪いと考えたためである。再した。積層造形に使用した機種は Coherent

生部品のもととなる表面形状データには令和

CREATOR（現２Create）、メーカーは O.R.

4 年度の研究にて取得したデータ 1 ）を流用しLasertechnologies GmbH. （ 現 2oneLabた。また、管巻機の部品再生の準備として、GmbH.社）であった。材料は SUS316L、積3D 空間モデリングシステム（以下「レーザ層ピッチは 25μm、レーザーパワーは 107W、ースキャナ」という）を用いて管巻機の外観

レーザースピードは 1200 ㎜/s、ビーム直径は形状や周囲環境を記録し、部品再生の補助と40μm とした。

なるデータを作成したので併せて報告する。

造形した部品については産業用 X 線 CT にて表面形状データを取得し、偏差解析により２方法元となった部品と形状を比較した。偏差解析の形状合わせはベストフィットで行った。産２．１

使用機器

業用 X 線 CT での X 線照射条件は、管電圧

200ｋV、管電流 170μA、X 線焦点と測定対た造形部品を図３、偏差解析により形状比較

象物の間に挿入した金属フィルタは厚さした結果を図４に示す。元部品と造形部品を1.0mm の銀および厚さ 0.5mm の錫、ボクセ

比較すると、積層造形の方向に沿って緩やか

ルサイズは 57µm、投影画像取り込み数 1600に全体が湾曲し±0.4mm 程度の差があった。

枚 、 FOD （ Focus to Object distance ） をまた、造形部品の穴径が 0.2mm 小さく仕上

229.4mm 、 FDD （ Focusがった。

toDetectordistance）を 808.674mm とした。画像再構

組立部品について、金属積層造形の対象と成の際には、ビームハードニング補正等のフした元部品を図５、金属積層造形にて作製しィルタ処理は行わず、中心軸補正のみ行った。

た造形部品を図６、偏差解析により形状比較した結果を図７に示す。元部品と造形部品を３結果比較すると、全体の湾曲の程度は単体部品に比べて小さく、±0.3mm 程度となった。造形３．１

レーザースキャナによる点群デー

部品の穴径については、単体部品の場合と同様に 0.2mm 小さく仕上がった。

タ化
レーザースキャンの結果、パソコン画面上異なる部品形状である鋳造部品および組立でおおよその採寸を行うことができる点群デ部品は、いずれも湾曲した仕上がりとなった。

ータを取得した。管巻機の形状を採寸し、そ今回の造形では応力を除去するための熱処理の数値を表示した結果を図１に示す。点群デは実施していないので、これは残留応力の解ータは、マスターデータとは別に、閲覧デー放の影響であると考えられる。金属積層造形

タとして出力したもので、あらかじめ採寸すでは、金属粉末をレーザーで溶かして固めるる権限を付与している。このため、専用のソことで形状を造形していくが、金属を溶かしフトウェア不要で採寸作業が可能である。こた後に冷え固まる際には凝固収縮が発生し、のデータにより、現地に赴かなくとも、管巻さらに周囲の温度に合わせて冷える際には熱機、織機、柱等の構造物の位置関係を確認可収縮が発生する。積層造形では、造形した部能となり、管巻機のおおよその形状も任意の分の上にさらに材料を敷いて熱をかけているタイミングで確認できるようになった。ただことになり、これら収縮の影響で残留応力がし、レーザーの照射されていない部分の形状働き、湾曲の原因となったと考えられる。

は点群データ化されないので、詳細な確認は現地で実施する必要がある。

図２

元部品

（単体部品）

図１

採寸結果を表示した点群データ

図４

図３（単体部品）

偏差解析結果（単体部品）
３．２

金属積層造形による部品の再生

単体部品について、金属積層造形の対象とした元部品を図２、金属積層造形にて作製し造形部品

レーザースキャナによる管巻機の外観形状や周囲環境の点群データ化と、金属積層造形によって、管巻機の部品の再生を行った。
図５

元部品

図６

（組立部品）

造形部品（組立部品）

比較的小さいサイズの部品であれば、群馬産業技術センターの設備で表面形状の取得・修正を実施することができた。さらに、金属積層造形で得られた造形部品に対して適当な加工を施すことによって実機取り付けが可能となることを確認した。今後は造形部品の強度や耐久性について評価を進める予定である。
また、外観形状や周囲環境をデータ化したこ

図７

偏差解析結果（組立部品）とで、現地に行かなくても現場の機器設置状況を把握することができるようになった。カラー化した点群データは、施設管理などに活図３に示した造形部品について、穴径をかすことができる可能性があることから、今0.2mm 拡張する加工を施し、実機への取り付後は点群データ利用した施設管理の実施などけを行った。元部品と造形部品をそれぞれ実についての活用を検討していきたい。

機に取り付けた際の写真を図８に示す。造形部品について手動による動作の検証を行い、参考文献元部品と同様であることを確認した。
元部品

造形部品

１）小林ほか：群馬県立産業技術センター研究報告

令和 4 年度 p36-40

2）戸田裕之：X 線 CT－産業・理工学でのトモグラフィー実践活用－
3）田中俊敬ほか：産業用 X 線 CT の理解と活用、軽金属学会誌、第 71 巻、第 9 号、417（2021）

図８

造形部品の実機取り付け

図６に示した組立部品について、穴径を修正すれば取り付けは可能になる見込みであったが、加工を行う際の部品の姿勢保持が困難であったため実施していない。図３の部品のようなシンプルな形状ではなく、組み合わせる部品が多く複雑な形状を有している場合には、機器に取り付けられないことがある。対策としては、造形後に追加で加工を施すことを考慮した形状への変更や、専用の加工用治具を用意することが考えられる。
４

まとめ