情報処理学会 インタラクション 2019
IPSJ Interaction 2019

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3D モデルへの Gcode 埋め込みによる一元管理とその利用例
高橋 治輝1,a)

概要：3D プリンティングに利用される 3D モデルは形状に関する情報のみを表現しており，工作機械にはスライス処理によって得られる NC プログラム（Gcode）が送られる．いずれのデータ形式にも利点がある
ものの，これらを統一的に扱う方法はない．本稿では，熱溶解積層方式 3D プリンタとその制御言語であるGcode を対象として，3D モデルデータに Gcode を埋め込む手法を提案する．埋め込みには 3D モデルのデータ形式のひとつである AMF ファイルのメタデータ領域を活用し，スライス処理時にこの情報を読み込んで使用する．メタデータへの埋め込み仕様について検討するとともにスライサのプロトタイプを実装し，Gcode を直接埋め込む方法とスライス処理時にエフェクトを施す面の情報を埋め込む方法を紹介する．

1. はじめにともに，「現在の熱溶解積層方式の工程は，機械自体の可能性を制限している」と指摘した [5]．

1.1 背景3D プリンタの普及によって，誰もが高精度な立体形状を1.2 3D モデルと Gcode の統合作成できるようになっている．立体形状は頂点の集合と面

3D プリンタの場合，スライサのパラメータを調整によっを作る連結関係を記した 3D モデルファイルとして表現さて狙い通りの Gcode を作るテクニックが存在する．たとえれており，モデリングシステムや 3D プリンタの入力デーば，ノズル口径と同じ太さの細長い 3D モデルを処理すれタとして利用されている．3D モデルは，スライス処理にば，1 本の線を造形する Gcode が得られる．あるいは，意よって工作機械を動作させるための NC プログラムに変換

図的に上面と内部を造形しないように設定すれば，コップされる．特に，Gcode は工作機械を制御するための主流なのような形状が得られる．Gcode レベルでの制御を用いたプログラムであり，3D プリンティングにおける熱溶解積造形手法が発展するとともに，3D モデルと単純な変換だ層方式で採用されている．形状を表現する 3D モデルとはけでは工作機械の能力を十分に発揮できないことも明らか

対象的に，NC プログラムは工作機械の動作を手続き的にになってきた．むしろ，Gcode で直接記述したほうが容易表した命令群である．ひとつの命令には，次の移動先の座であったり，高度な造形が行える場合がある．さらに，3D標や移動速度，加工方法に関する情報が含まれている．工モデル自体がどのように Gcode へと変換されるべきか，と作機械の創生期には，こうした低レイヤの情報も人手で記いう情報を持っていれば，その情報をスライサで読み込ん述されていたが，CAD/CAM システムによる宣言的な記で処理することができるだろう．しかし，現在の造形工程述の発展よって，人間が NC プログラムを用いて設計するにおいて，造形する形状と実際の工作機械の動作には，3Dことは少なくなっていった [1]．

モデルと NC プログラムというデータ形式の隔たりがあ一方で，3D プリンタに関するソフトウェア／ハードウェり，これらを統一的に扱える方法やファイル形式はない．

アのオープンソース化と一般ユーザへの普及によって，工

本稿では，熱溶解積層方式 3D プリンタを想定し，3D作機械の動作を NC プログラムで直接制御することのメモデルファイルの中に Gcode を埋め込む手法を提案する．

リットが明らかになってきた．たとえば，Gcode のレベル

3D モデルを表現するデータのひとつである AMF ファイ

で 3D プリンタを制御することで，毛のように細い構造のルのメタデータの領域に，Gcode やスライス処理時に活用造形が可能である [2]．また，3D プリンタを作品制作に活できる情報を記述する．埋め込まれた情報は，スライスの用するアーティストは，Gcode による直接制御を駆使して際に読み込まれて最終的な Gcode として統合される．以

さまざまな表現を試みている [3][4]．田中らは，Gcode の降，Gcode を埋め込むためのファイルの仕様についてのア直接記述を可能とするプラグイン「fabrix」を提案するとイディアとユースケース，提案手法を実現するためのプロ

1a)

明治大学
haruki@meiji.ac.jp© 2019 Information Processing Society of Japan

トタイプについて述べる．

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2. 関連研究
本稿の関連研究として，3D モデルのファイル形式，Gcodeを用いた造形に関する研究についてまとめる．

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や日用品を拡張する造形手法である Encore[13] や，紙で組んだ電子回路を挿入してインタラクティブな造形物を作り出す 3D Folded PrintGami[14] では，Gcode の編集で一時停止命令を挿入することで，新しい造形工程を可能としている．こうした造形は，Gcode のような工作機械を直接制

2.1 3D プリンタで利用される 3D モデルのファイル形式御する言語の記述で実現されており，3D モデルなどのデー

3D プリンタのためのデータには伝統的に STL*1 形式がタとして表現することが困難であるという特徴がある．

使われてきた．1980 年代に 3D Systems によって開発され造形手法を駆使した表現は，アーティストの作品にも見たフォーマットで，三角形ポリゴンをまとめて立体形状をることができる．LIA[3] は，“Filament sculptures” と題し表現する．面を単位として法線や頂点を管理しているためた作品群を制作した．制作過程はブログ記事*3 にまとめら容易に扱うことができるが，色や材料，製作者の情報など，れており，いずれも Gcode レベルでの制御によって実現

現代の 3D プリンティングに必要な情報を持つことができされている．O’Dowd は造形手法を駆使した Textured 3Dない．こうした課題を解決するべく，3D プリンタのためのprinting[4] について研究を行っている．造形された材料は新しいファイル形式が模索された．STL 2.0[6] をはじめと機械の動きの物理的な痕跡であると述べ，この動きを直接する議論の末，2011 年に AMF (Additivie manufacturing制御することで美的なテクスチャ表現を可能とした．

file format)*2 が開発される．AMF は XML で記述されてデータの性質上，Gcode を直接編集することは難しい．

おり，STL が持っているの幾何情報を完全に表現できるほ

そのため，Gcode の直接記述を可能とするシステムが提案

か，3D モデルに関するさまざまな追加情報を管理できる．

されている．田中らは，Adobe Illustrator で作られた曲線

また，拡張性や互換性に優れていることも特徴として挙げを Gcode へと変換変換するプラグインプラグイン「fabrix」

られる．さらに 2016 年には，富士ゼロックスにより新たを発表した [5]．金田は，プロシージャルな 3D プリントなデータ形式 FAV[8] が開発された．ボクセルを基本としを実現するための Python ライブラリを提案している [1]て 3D データを表現するファイル形式であり，データを高Grasshopper のプラグイン「Silkworm」は，CAD ソフト精度に表現する可能性を担保している．

ウェアで記述された曲線やジオメトリを Gcode に変換でき

本稿は，こうした 3D プリントに用いるファイル形式に関る [15]．著者は，Gcode に用いられるパラメータをシンセする研究として位置付けられる．また，多くのソフトウェサイザの要領で探索可能とするシステムを提案した [16]．

アで対応が進む AMF ファイルをベースとして，Gcode を埋め込む手法を構築する．

3. AMF への Gcode の埋め込み
AMF ファイルへ Gcode を埋め込むために，このファイ

2.2 Gcode を活用した造形

ルの仕様とデータの表現方法についてまとめる．

熱溶解積層方式 3D プリンタは Gcode という NC プロ
グラムを用いて造形を行う．このデータは，3D プリンタのノズルの移動先に相当する座標や工作機器の設定に関する命令を手続き的にまとめた形式である．3D モデルデー
タに依存しない動作が可能であり，これを活用したさまざまな造形手法が提案されている．たとえば，ノズルの先端で樹脂を引きずることで髪の毛のように細い構造を作り出す手法 [2][9] や，ノズルの高さと樹脂量制御によって作られる構造を用いた手法 [10] がある．これらは，ノズルの動きや樹脂の押し出し具合を Gcode を介して直接的に制御することで実現されている．また，3 次元空間中の移動を駆使してワイヤフレーム造形を実現する手法 [11] では，造形の高速化のために Gcode 制御が用いられた．さらに，2色の樹脂を用いて波打った壁面を造形することで，色調表
現 [12] が可能となるように，単純な積層造形にとどまらない動作をさせることも可能である．すでに造形されたもの
図 1*1
*2

https://en.wikipedia.org/wiki/STL_(file_format)
https://en.wikipedia.org/wiki/Additive_
manufacturing_file_format© 2019 Information Processing Society of JapanAMF ファイルの基本的なデータ形式とファイル内に埋め込んだ Gcode に関する情報（赤枠）．

*3

http://liasomething.tumblr.com/

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3.1 AMF ファイルの仕様
AMF のファイル構造を図 1 に示す．ファイル全体はXML 形式で記述されており，3D モデルデータを表現する1B-19
2019/3/6法の多くは 3D モデル全体に処理が施される．そこで，3Dモデルの面の単位でエフェクトを掛けるかどうかを決めておき，この情報を以下のように格納しておく．

方法は STL と同様に頂点と面を基本としたポリゴンメッシュである．<object> 要素の子要素 <mesh> 要素には，<metadata type=”fuzzyskin”><f>1</f></metadata>

頂点と面に関する情報が <vertices> 要素と <volume> 要素として格納されている．<vertices> 要素には各頂点が座標軸ごとに記述されており，<volume> 要素の子要素<triangle> 要素で，面を構成する頂点の番号が記述され<metadata> 要素の属性には，スライス時に施すエフェる．さらに，<metadata> 要素を用いることで，AMF ファクト名を指定するような仕様とした（Fuzzy Skin について

イルに任意の属性のメタデータを記述することができる．

は次章で述べる）．ひとつの面は，<f> 要素内に番号を記

この要素は，3D モデルデータの名称や作成者，権利情報述することで埋め込む．この番号は，<volume> 要素の中など記すために使用される．に記述された三角形の順番に対応している．この番号さえわかっていれば，対応する面およびその面を形成する 3 つ

3.2 埋め込みフォーマットの頂点を参照することができる．

本稿で提案する手法は，AMF ファイルの <metadata>

埋め込まれた情報を活用するためには，専用のスライサ要素を活用して，Gcode に関する情報を 3D モデルデータを用意する必要がある．しかし，このままの形式であっの一部として埋め込む．ここでは，実験的に 2 つの記述方ても従来の CAD ソフトウェアやスライサで通常の AMF法を試みる（図 1 の赤枠）．

ファイルとして読み込むことが可能である．この場合，メひとつは，文字通りに Gcode を直接記述する方法である．Gcode は，パラメータを意味する英字と数値がスペース区切りになった形式であるため，これを XML 形式に書タデータに埋め込まれた情報は無視される．

4. ユースケース
ここでは，前述の仕様に基づいて Gcode を埋め込んだ

き直して以下のようにメタデータ領域に記述する．

3D モデルファイルを活用する例を示す．具体例として，<metadata type=”gcode”><group><g><G>1</G><E>2</E></g></group></metadata>

直接記述された Gcode を読み込んで追加する手法と，3Dモデル内で選択された面に対してのみエフェクトを掛ける手法について述べる．各 3D モデルデータの作成には，CAD ソフトウェアの Rhinoceros*4 とそのプラグインである Grasshopper を使用した．スライス処理には，専用のスライサを実装して使用した（次章で詳細に述べる）．3D プ<metadata> 要素の属性は便宜的に type=“gcode” とし

リンタは熱溶解積層方式の Creality CR-10S，ホストアプた．ひとつの命令は，<g> 要素内にパラメータ名とそのリケーションは Repetier-host*5 ，樹脂は商用の PLA 樹脂値の組み合わせで記述する．上記の例は，Gcode での G1を使用した．

E2 に相当し，樹脂を 2 mm だけ押し出す命令として解釈される．同様に，Gcode で用いられるパラメータを記述す

4.1 Gcode での花弁デザインることが可能であり，移動先の座標データ（X，Y，Z）や

図 2 は，熱溶解積層方式 3D プリンタを用いて花の造形移動速度（F），その他マシンの設定を行うための命令も同を行った例である．このデータには，花の中心部分が 3D一のフォーマットで記述できる．また，<group> 要素は，複数の命令をまとめて処理することを想定したグルーピングのために利用する．スライサは，type=“gcode” 属性の<metadata> 要素を見つけて，記述された <group> 要素を順次読み込んでいくことで，直接記述された Gcode を処理する仕組みとなる．
もうひとつの埋め込み方法は，3D モデルを Gcode へと変換するスライス処理を想定して，この処理に利用可能な情報を 3D モデルの中に明示しておくものである．たとえば，造形物の表面のテクスチャ表現を，Gcode レベルで行う造形手法がある [10][17]．こういったテクスチャ表現手© 2019 Information Processing Society of Japan

図 2 3D モデルに Gcode を書き加えた花の例．
*4*5

https://www.rhino3d.co.jp/
https://www.repetier.com/

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2019/3/6に埋め込んだ例である．スライサはこの部分のみを別途処理し，Gcode 制御で模様を作り出す．

4.2.2 Modulation
Fuzzy Skin と同様な仕組みで，造形物の外壁を作る際の移動に対して周期的なパターンで変調を施す．先行研究 [12] では，このエフェクトをテクスチャの情報を用いて行っており，さらに 2 色の樹脂を用いることで色調の制御を実現していた．ここで紹介するエフェクトは，色調やテクスチャの表現には至っていないが，周期的なパターンによる均質なざらつきを持った表面を，指定した面にのみ作ることができる．図 3b は，Stanford Bunny の 3D モデルの足部にのみ Modulation エフェクトを施した例である．

5. 実装
Gcode を埋め込んだ AMF ファイルの生成，およびこれを用いた造形を検証するため，Rhinoceros と Grasshopper
図3

面の情報と Gcode 制御を用いたエフェクト．
（a）Fuzzy Skinを使用してプロトタイプを実装した．Grasshopper は，パエフェクトを施した様子．
（b）Modulation をかけて周期的なラメトリックな 3D モデリングを可能とするビジュアルプ模様を付加した様子．

ログラミング言語であり，さまざまな処理がコンポーネントとして用意されている（図 4）．また，CAD システムのモデル，花弁の部分が Gcode としてまとめられている．中Rhinoceros と連携されており，モデリングしたデータを受心部分から外側の空中に向かって造形を行い，再び中心け取ることでより複雑な処理を行うことができる．こうし部分へと引き返す動作が Gcode によって記述されており，た機能を利用するとともに，C#を用いてコンポーネントこの動きが花弁を作り出す．スライサは 3D モデル部分を自体を記述することでシステムを実装する．プロトタイプ

Gcode へと変換するとともに，埋め込まれた Gcode を調システムは，AMF ファイルに Gcode を埋め込んで書き出べていく．それぞれの花弁に対応する Gcode は，メタデーしを行うプログラム，埋め込まれた Gcode を考慮して 3D

タ内の <group> 要素にまとめられており，Gcode を追加モデルを処理するスライサからなる．

すべき高さに到達したら，中心部分と統合して出力する．
なお，3D モデル部分は Rhinoceros のメッシュツール，花5.1 AMF ファイルへの埋め込みと書き出し

弁の部分は B スプライン曲線を用いて作成しているため，AMF ファイルの作成のために，Grasshopper に 3D モデル

3D モデルと Gcode の編集が同一ソフトウェア上で行われデータと埋め込む対象となるデータを入力する．Grasshop-ていることも特徴としてあげられる．

per に入力された 3D モデルのデータは，メッシュを分解

4.2 Gcode 制御を用いたテクスチャ表現

面の情報，法線に分解される．分解されたデータは，C#でするコンポーネント（Deconstruct Mesh）を通して，頂点，3D モデルにスライス処理を想定した情報を埋め込む例
として，Gcode 制御を用いた 2 つのテクスチャ表現について紹介する．

4.2.1 Fuzzy Skin
Fuzzy Skin は，Ultimaker Cura[17] というスライサに実実装した AMF 書き出しコンポーネントに入力され，XML形式に整形された後にファイルとして保存される．
埋め込む Gcode のもととなるデータは，Rhinoceros 上で記述された曲線（Curve）を利用する．Grasshopper に入力された曲線のデータは，一定間隔に分割されて頂点の験的に搭載されているテクスチャの表現方法であり，造形リストに変換される．この曲線を始点から順に Gcode の物の外壁を作る際の移動に対して，X，Y 軸方向への適当形式に変換し，XML 形式に整形した後に AMF 書き出しなノイズを乗せる．このノイズによって，3D プリンタのノズルは細かく振動するようなパスを描き，造形物の表面はざらついた仕上がりとなる．Cura におけるこのエフェ
クトは，入力された 3D モデル全体に施されるが，どの面に対してエフェクトを施すかという情報を持っていれば，その部分にのみエフェクトを施すことができる．図 3a は，リスの 3D モデルの面を選択して，その情報を 3D モデル© 2019 Information Processing Society of Japan図 4

AMF ファイルを書き出す Grasshopper のプログラム

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面群との交点を取る（Mesh ｜ Plane Intersect）．この交点を，各平面上でつなぎ合わせていくと 1 層分の輪郭が得られ，これが Gcode 中の外壁のデータに相当する．また，この輪郭をノズルの口径分だけ内側に押し込み（PolylineOﬀset），外壁に 2 周分の厚みをもたせた．
造形物の底面や上面，さらに上下の層とずれている部分は塗りつぶすように造形し，内部構造も適度な空間を作りながら全体を埋めるように造形する必要がある．このため
図 5 スライサと造形プレビュー．
（a）Rhinoceros 上で 3D モデルに，各層の高さに対応する平面を埋め尽くすように十分と Gcode を表示した様子（可視化のために粗い積層ピッチでに長い線分を生成する．この線分と輪郭との交点を計算処理を行っている）．（b）Repetier-host での造形プレビュー．

（Curve ｜ Line Intersect）すると，輪郭によって線分が切り取られる．これらを交互につないでいくことで，1 層をコンポーネントに入力することでメタデータ領域に書き込埋め尽くすようなパスが作られる．

む．図 4 には，この処理を行う Grasshopper のプログラム

外壁と内部のパスを作成した後，C#で実装したコンポーを抽出して示した．なお，Gcode への変換処理に関して，ネントに入力して Gcode を生成する．一般的なスライサと現在は一つの造形パスが約 1 mm になるように分割してお同様に，外壁と内部のパスを順に繋ぎ，次のパスへの移動

り，0.4 mm ノズルかつ積層ピッチ 0.3 mm でスライスしの際には樹脂溢れを防ぐための引き戻し命令を挿入する．

た状態に等しくなるように樹脂量を設定している．また，

Stanford bunny を始めとする 3D モデルを用いてスライス

移動速度は 1200 mm/min，造形速度は 500 mm/min と設処理を行ったところ，いずれの 3D モデルも正しく，現実定した．これらは実験的に決定した値であり，造形する対的な処理時間で Gcode が生成できることを確認した（50

象や樹脂によって調整が必要となる．

mm 四方の大きさの Stanford bunny を 0.2 mm ピッチで入力された 3D モデルの面に特定の色がついている場合は，その面をスライス時に利用可能な追加情報として埋処理したとしても，数十秒あれば処理が完了する）．

5.2.2 埋め込まれた情報の利用

め込む．面の着色には，Rhinoceros のプラグインである前述の処理で，造形物の内部・外部の Gcode が作られMeshPaint3D*6 を使用した．着色された面をメッシュの中る．スライサは，さらに AMF ファイルに埋め込まれた情から取り出し，対応する番号を XML 形式に整形して AMF報を参照して Gcode に修正を加える．まず，埋め込まれファイルのメタデータとして書き込む．なお，現在はスラた情報を幾何情報と同様に AMF ファイルからパースし，イサに実装されている Gcode エフェクトが既知であるこ<metadata> 要素の属性に応じて処理を行う．とを想定している．そのため，属性として設定するエフェ埋め込まれた情報が Gcode を直接記述したデータであっクト名は Grasshopper 上に用意したリストから選択する．

た場合，スライサは <group> 要素ごとに Gcode をまとめあげて，3D モデルの処理で得られた Gcode の中に追加す5.2 スライサの実装る．現在は，造形物との接触問題を考慮し，記述された前述のシステムを用いて書き出された AMF ファイルかGcode の始点の高さを基準にして Gcode を結合している．

ら Gcode を作り出すためには専用のスライサが必要とな埋め込まれた情報が選択された面とエフェクトに関するる．そこで，Rhinoceros と Grasshopper を使用して汎用データであった場合，スライサは 3D モデルの処理と並行的に使用可能なスライサを実装し，その機能のひとつとししてエフェクトを加えた Gcode を生成する．この Gcodeて AMF ファイルに埋め込まれた情報を読み込んで処理すは，前述の基本部分と同様の Gcode 生成を，選択された面る機能を搭載する．図 5 は，スライサの処理の様子と造形のみを使用したメッシュの部分集合に対して行うことで作に利用されるパスをプレビューした様子である．現在の実られる．なお，エフェクトは表面にのみかかるため内部の装では，サポート材の付加や造形速度の調整などの最適化処理は行わない．得られた輪郭を短い区間で分割し，各頂を行っていないが，図 2 や図 3 で示したように，造形が十点を X,Y 座標に対してずらすなどの処理を施すことで，エ分に行える程度の Gcode を生成することができている．

フェクトが施された Gcode を得る．いずれも同じ 3D モデ

5.2.1 スライサの基本部分

ルのメッシュから作られているため，3D モデルから得ら

AMF ファイルの書き出しと同様に，スライサも Grasshop-れた Gcode とエフェクトが施された Gcode は一部重複すper に標準搭載されたコンポーネントの組み合わせを中心る．この重複が生じる部分を調べ，差し替えることで 2 つに実装した．まず，入力された 3D モデルファイルからメッの Gcode を結合する．

シュデータを読み込み，任意の積層ピッチで作り出した平*6https://www.food4rhino.com/app/meshpaint3d© 2019 Information Processing Society of Japan253

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タデータとして Gcode の情報を埋め込む．この情報をス

6. 展望と今後の課題
本稿で提案した仕様およびシステムを用いて，3D モデ
ルに Gcode を埋め込むことが可能となった．メタデータ
へ情報を組み込むためのシステムやそれを適切に読み込んで処理を行うスライサが必要であるが，メタデータの領域を活用していることから，従来の AMF ファイル自体としても利用できる形で 3D モデルデータの拡張が行えている．

3D モデルを代表とした CAD データは，ディジタルファブリケーション文化を支える重要な要素であり，個人レベライサで読み込むことで，最終的な Gcode を生成するために利用できる．具体的な使用例として，Gcode を直接記述して統合する例と Gcode 制御を用いたエフェクトのための情報を事前に埋め込んでおく例を示した．AMF ファイ
ルを書き出すシステムとスライサソフトウェアを実装することで実現可能性を検証した．
参考文献
[1]

ルでの設計や Web 上でのやり取りでも盛んに利用されている．一方で，さまざまな工作機械の登場，その扱い方が[2]模索されていく中で，形状のみを表現する 3D モデルと単純な変換処理だけでは，工作機械の能力を十分に発揮できないことも明らかになってきた．共有のしやすさやパ

[3]
[4]

フォーマンスが優れたデータとしてだけでなく，製品仕様や図面の情報を 3D モデルとして管理する Model-based[5]definition*7 の考え方のように，最終的な造形にまで視野を広げてデータを扱うことが重要である．

[6]

AMF ファイルへの埋め込みが可能になったものの，埋め込むための Gcode 自体の生成には課題が残る．まず，Gcode の記述時にノズルとの接触回避や樹脂量の管理など[7]を行う必要がある．こうしたエラーは CAD システムでの設計時に警告したり，スライサ側の処理で修正を行う必要[8]があるだろう．また，埋め込んだ情報に関連するパラメータのやりとりも必要である．XML タグの属性値として記述しておく方法が考えられるが，どのパラメータを記述し[9]ておくべきか，スライサ側で調整をしたい場合はどうするかなどの検討事項がある．

[10]

応用的な方法として，実装に使用した Grasshopper との連携が考えられる．Grasshopper は，さまざまなコンポーネントの組み合わせで，パラメトリックなモデリングを可[11]能とする環境であり，Gcode に相当するような曲線も作り出すことができる．メッシュの表面から外側に向けて毛を伸ばすように造形したり，適当な位置で樹脂量を制御して[12]模様を描いたりなど，Grasshopper の標準機能を組み合わせることで多様な Gcode 生成が期待できる．
今後は，ファイルの仕様や生成，スライサでの処理の方[13]法を洗練させるとともに，本手法が有効に用いられる事例を増やし，新たな 3D データフォーマットとして確立させ[14]ることを目指す．

7. おわりに
本稿では，工作機械を制御する NC プログラムである

[15]
[16]

Gcode を 3D モデルデータに埋め込む手法を提案した．熱溶解積層方式 3D プリンタを想定し，AMF ファイルのメ*7[17]Kanada, Y. Method for Procedural 3D Printing Using aPython Library. Journal of Information Processing, Vol.
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