情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

1A-06
2020/3/9

SugarPen：糸飴による任意立体造形のための
3D プリントペン
戸﨑 崇文1,a)

平井 重行†1,b)

概要：ケーキやアイスクリームの装飾として使われる飴細工の糸飴（シュクルフィレ）は，高温の砂糖が固まる瞬間に造形するもので，一般的な作成技法では任意の立体形状に造形することが難しい．本研究は，任意の立体形状の糸飴を作る手法の確立を目的に，3D プリントペンの機構を基にした糸飴造形を行う
SugerPen の開発を行っている．本稿では，3D プリントペンで砂糖を加熱出力することを試みた結果および高温材料の出力直後にエアーで冷却して瞬時に固める効果について主に述べる．

1. はじめに洗練された菓子は味だけでなく美観を重視することも多々あるが，中でも飴細工は特に美観を重視するものと言える [1]．ケーキやアイスクリームなど洋菓子の装飾として使われる飴細工の一種，糸飴（シュクルフィレ）は細い糸状で複雑に絡んだ姿のもので，特に美観を主にしている．その造形技法は，熱してカラメル状になった砂糖が固まる瞬間を活用し，スプーンやフォークで振って飛ばしながら細くして冷ますことで造形する．糸飴の作成例を図 1 に示す（筆者による自作糸飴）．キッチンにある調理器具などに糸飴を絡めて特定の形状を容易に造形する手法は知られているが，任意の立体形状を造形することはプロでも困難であ

図 1

糸飴の作成例（クリームの上の黄色い飴）る．そこで，本研究では，3D プリントペンの機構を用いることで誰でも容易に任意形状の糸飴を造形できる手法およびその機器の実現を目的とする．3D プリントペンを用い

2. 関連研究・機器る利点は，造形する 3D モデルをコンピュータ上であらか

Pok はガラス用 3D プリンタを元にした飴細工用 3D プ

じめ用意する必要がなく，誰でも手軽に造形できる点にあリンタを開発した [2]．これは，FDM（Fused Deposition

る．この研究は，食品に関するデジタルファブリケーショModeling）方式として加熱溶融した砂糖を積層し，透過性ン研究の側面もあると言える．本稿では、砂糖を加熱してのある風合いと着色による美しい造形が可能である．ただ，細く出力することで容易に糸飴を造形する SugerPen の開材質と太さの関係から低面に描いた図形上を積層する形で発について，その砂糖材料の加熱出力を試みた結果およびの造形が基本であり，従来の 3D プリンタほど自由で様々エアー噴射による材料の冷却効果について主に述べる．

な形状を造形できていない．飴プリンター [3] では，オープンソース 3D プリンタ Rep Rap を元にして，一般的なFDM 方式の 3D プリンタでのフィラメント利用と同等の精度および構造での造形を実現している．また，ChefJet Pro[4] でも早くから FDM 方式で砂糖の造形を可能にしてい1†1a)b)

京都産業大学 コンピュータ理工学部
現在，京都産業大学 情報理工学部
g1544953@cc.kyoto-su.ac.jp
hirai@cse.kyoto-su.ac.jp© 2020 Information Processing Society of Japanる．ただ，これらは従来の 3D プリンタと同様にあらかじめ PC で 3D モデルを用意しておく必要があるうえ，糸飴ほど細くて自由な造形ができるわけではない．CandyFab199

情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

1A-06
2020/3/9

プロジェクト [5] では，高温のエアーを噴射する CNC 装な砂糖で耐熱チューブでの砂糖の通り易さや，ペン先の置を作成し，平面上に敷き詰めた砂糖を部分的に溶融・凝ヒーター部での加熱出力の可否などを試した．今回用いた

固させて様々な立体形状の飴を造形可能としている．これ

材料は，固体で粒径の異なるものとして，粉砂糖と三温糖，は CNC 機械として大型であり，造形データをあらかじめグラニュー糖，中ザラ糖，また液体のものとして砂糖混合作成して制御する必要があるほか，造形できる飴も比較的果糖ブドウ糖液糖（俗に言うガムシロップ）を用いた．表

大きなものとなる．

1 に各糖の粒径等の情報を示す．また図 2 に今回試みた 3D本研究で開発する SugerPen は，これらに比べて小型でプリントペンの内部構造について示す．

あり，手で立体を描くことで造形することからあらかじめ3D モデルデータを用意しておく必要がなく，手軽に扱えることを特徴とする．一方，SugarPen は，3D モデルを用いず造形するため，同じ形状のものを複数造形することが容易ではないことが欠点と言える．

3. SugarPen の概要

砂糖の種類

表 1 試した砂糖とその粒径
粒径どの部分まで出力可能か

粉砂糖

非常に細かい耐熱チューブ三温糖

0.2〜0.3mm

耐熱チューブ

グラニュ糖

0.5mm

細い管

中ザラ糖

2.2mm

耐熱チューブ

本研究は，従来の FDM 方式で造形するのではなく，糸飴として自由に造形できる手法の確立を目指している．そこで，3D プリントペンが子供でもお絵かきする感覚で立体物を造形することができる点に着目した．既存の 3D プ
リントペンは，PLA/ABS 樹脂のフィラメントを差し込み，ペン先のヒーターでフィラメントを溶融して糸状にして出力するものである．材質によって溶融温度が多少違うものの，およそ 180-230 ℃の範囲でヒーターが機能する 3D プ
リントペンが多い．一方，糸飴の材料である砂糖は，水に溶かした状態で 140 ℃以上に加熱した状態から冷ますと加熱した温度によって結晶や飴状になどに固形化でき，色に図 2 改造した 3D ペンの内部構造も違いが出てくる [6]．また，砂糖の融点はおよそ 150-180℃である．そこで，我々は温度調節可能な 3D プリントペンを元に SugerPen を開発することとした． また，3D プ

4.3 実験結果

リントペンのペン先から溶解した砂糖が糸状に出力されて4 種類の固体の砂糖については，特に耐熱チューブ内にも，その太さや温度によってすぐに固形化するとは限らな圧力をかけなければいずれもペン先から出力ができなかっい．そこで，SugerPen ではペン先付近でエアーを噴射すた．グラニュー糖については，他の砂糖に比べて粒子表面ることで，熱い砂糖を強制的に冷却して固形化し，ペン先が滑らかなためヒーターユニットの細い管まで圧力なしでで描いた軌跡のまま造形することを考案した．

届いたが，ヒーターユニットを通ってペン先からは出てこ

4. 溶融砂糖の出力に関する試み
4.1 実験概要

なかった．一方で砂糖混合果糖ブドウ糖液糖については，粘度のある液体だがペン先まで届き，ヒーターで加熱されてペン先から出力ができた．ただ，特に耐熱チューブにエPLA/ABS 樹脂を出力する 3D プリントペンで，フィラアーでの圧力をかけたりはしておらず，出力量と加熱の熱メントの代わりに砂糖を出力することを試みた．ここでは，量の制御をしていないことから，べっこう飴の色やカラメ温度調節機能を持つ 3D プリントペンとして，Homecube

ルソース色で出たり，焦げ茶色のカラメル化した状態で出の 3D STEREO DRAWING PEN を元に，様々な砂糖を力されたりし，安定したカラメルソース色のものとして出ペン先で溶融して出力する実験を行った．その際，従来の力はできなかった．この結果を図 3 に示す．砂糖混合果糖

フィラメントをペン先に送るためのモータやギア，またブドウ糖液糖については，耐熱チューブ部分でも加熱するフィラメント用のチューブを取り外し，代わりに内径 6mmユニットにし，加熱区間を長くして材料の温度コントローのフッ素樹脂による耐熱チューブを取り付けた．

ルを適切に行うべくヒーター制御を行うほか，耐熱チュー
ブ中の材料をペン先へ押し出す力をエアーでの圧力コント

4.2 様々な砂糖での出力の試み
砂糖は種類により粒径や湿り気が異なることから，様々ロールで行えるようにする必要もあると考えられる．そして，それらを踏まえて，ペン先から糸飴として安定した出力が行えるようにするべく，改良を重ねる必要がある．

© 2020 Information Processing Society of Japan200

情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

1A-06
2020/3/9

図 4 外付けパーツを取り付けた様子
図 3

砂糖混合果糖ブドウ糖溶液での出力結果

5.3 エアーでの冷却効果の確認
図 5 にエアーを出力せず冷却しない場合のフィラメントの出力結果とエアーを出力して冷却した場合の結果を示

5. 冷却機能に関する試み

す．図 5 における [A] は垂直にフィラメントを出力した結

5.1 実験概要

も左がエアーを出力せず冷却しない場合のフィラメントの果，[B] は立方体を造形した際の出力結果である．どちら前章で示した通り，加熱した砂糖のペン先からの出力は出力結果，右がエアーを出力して冷却した場合の結果であ行えていないが，ペン先から出力された加熱材料をエアーる．図 5 から，エアーを出力して冷却した場合，ペン先かで冷却して瞬時に固めて造形するための機能についても別ら出力された樹脂が瞬時に固形化し，空中で立体的に造形途実験を行った．ここでは，従来の PLA/ABS 樹脂のフィできることを示している．これにより，この方法での冷却ラメントを用いて，3D プリントペンのペン先付近でのエに効果があることが確認できた．ただし，描く速度によっアー噴射を試みた．これら従来の樹脂フィラメントは，加ては，ペン先から出力されるフィラメントに当たるエアー熱された材料が糸状となってペン先から出力された後，しの量が減り，十分に固形化できなくなることも確認できた．

ばらく熱を持っていて柔らかい状態が続く．そのため，出これについては，3D プリントペンにモーションセンサを力直後の糸状の樹脂は特に何も支えがない箇所でいきなり内蔵し，ペン先の動きの速さに応じてエアーの圧力調整も立体的な造形をすることはできない．3D プリントペンでしくは噴出方向・範囲を調整して冷却効果を動的にコント

立体造形された作品は多数制作されているものの，いずれロールする機構を用意することで、対応ができると考えらも最初は平面に土台を描いて少しずつ積層させたり骨組れる．

みを描いていくなどして，徐々に立体へと仕上げていく形で造形される．加熱した砂糖を糸状に出力できても，結局は同様の状態であることから，樹脂フィラメントでの冷却が実現できれば，加熱砂糖でも同様に実現できると考えられる．

5.2 ペン先での冷却のためのノズルパーツの作成
3D プリントペンに冷却機構を備える場合，理想的にはペン内部にエアーを送り込むパイプが通っていて，ペン先付近にて噴射するノズルが付く形が望ましい．ただ，まずはエアーでの冷却が有効に機能するかを確かめるため，今回は 3D プリントペンへの外付けパーツとして，3D プリンタでノズルを ABS 樹脂にて作成した．ABS 樹脂を用いたのは，PLA 樹脂だとペン先付近の加熱ユニットの熱で変形してしまう可能性を考慮したためである．その噴射ノズルの外付けパーツを 3D プリントペンに取り付けた様子を図4 に示す．このパーツのパイプをチューブを介してエアーコンプレッサに繋いだ．これによりコンプレッサからペン先へエアーを送り込んで噴射し，ペン先から出力された樹

図 5 ペン先での冷却有無による造形結果（それぞれ左側が冷却なし，右側が冷却あり）

脂を瞬時に固形化することを試みた．

© 2020 Information Processing Society of Japan201

情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

1A-06
2020/3/9

6. おわりに
本研究は，一般的な作成技法では任意の立体形状に造形することが難しい糸飴に対し，それを実現するための 3D
プリントペンを元にした SugerPen の開発について述べた．
ヒーターユニットがあるペン先から砂糖や液糖を加熱出力することを試みた結果，砂糖混合果糖ブドウ糖液糖が比較的出力に向いていることが確認できた．だが，安定して出力させるためには，材料をペン先へ送り込む機構や加熱温度の調整を動的に行う機構が必要であることも確認できた．一方，ペン先から出力された加熱材料を瞬時に固形化して任意の立体形状を造形すべく，ペン先でエアーの噴射による冷却機能は有効であることが確認できた．ただ，ペンの動作に応じたエアー量の調整が必要であることも確認された．今後はこれらを踏まえ，3D プリントペンにすべてを内蔵して一体型で動作する SugarPen の開発を進めていく．そして，これまでにない形状の糸飴作成を実現することで，食品のデジタルファブリケーション技術と文化への貢献をしていきたい．
参考文献
[1]
[2]

[3]

[4]
[5]
[6]

宮 内 昭 ，西 浦 孝 輝：菓 子（ そ の １ ），調 理 科 学 Vol.17
No.1(1984).
Pok Yin Victor Leung, Sugar 3D Printing: Additive Manufacturing with Molten Sugar for Investigating
Molten Material Fed Printing, 3D Printing and AdditiveManufacturing, Volume 4, Number 1, pp.13-18 (2017).
実食！ 3D プリンターで飴細工を出力してみた―砂糖が素材のフードプリンターが生まれるまで
URL: https://fabcross.jp/category/make/20181212 ame
3dprinter.html
ChefJet Pro,
URL: https://wired.jp/2015/01/23/chefjet-3d/
CandyFab,URL: https://candyfab.org/
熱を加えて七変化：砂糖と調理の科学, 精糖工業会,
URL: https://seitokogyokai.com/science/changes/© 2020 Information Processing Society of Japan202