JP 2022-45533 A 2022.3.22(12)公開特許公報(A)(19)日本国特許庁(JP)(43)公開日(51)国際特許分類
Ｇ０６Ｆ
30/10 (2020.01)
Ｂ２９Ｃ
70/48 (2006.01)
Ｇ０５Ｂ
19/418 (2006.01)

ＦＩ
Ｇ０６Ｆ
Ｇ０６Ｆ
Ｂ２９Ｃ
Ｇ０５Ｂ

17/50
17/50
70/48
19/418

審査請求(21)出願番号

特願2020-151174(P2020-151174)(22)出願日

令和2年9月9日(2020.9.9)

未請求(71)出願人(11)公開番号
特開2022-45533(P2022-45533A)
令和4年3月22日(2022.3.22)
テーマコード（参考）
３Ｃ１００
４Ｆ２０５
５Ｂ０４６
５Ｂ１４６

６２４Ｋ
６０１Ｄ
Ｚ
請求項の数

30

ＯＬ

（全37頁）

501204525
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
東京都三鷹市新川６丁目３８番１号(71)出願人

899000068
学校法人早稲田大学
東京都新宿区戸塚町１丁目１０４番地(74)代理人

100098545
弁理士(74)代理人

阿部 伸一

100189717
弁理士(72)発明者

太田 貴章

竹澤 正仁
東京都三鷹市新川６丁目３８番１号 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所内

最終頁に続く(54)【発明の名称】

曲面展開プログラム、ツールパス計算プログラム、複合材料を用いた曲面の製造方法、及び複合材料を用いた曲面の製造システム(57)【要約】【課題】任意の曲線を基準とし後の工程を考慮した平面
展開図を生成する曲面展開プログラムと、その平面展開
図を基にしたツールパス計算プログラム、複合材料を用いた曲面の製造方法、及び曲面の製造システムを提供すること。
【解決手段】曲面を当該曲面上の任意の曲線群を展開基準線１として平面に展開する曲面展開プログラムであって、コンピュータ１０に、曲面データ取得ステップＳ１と、展開基準線１となるネット状に交わる任意の曲線群を計算する曲線群計算ステップＳ２と、任意の曲線群で囲まれた領域の曲面パッチを取得する曲面パッチ取得ス
テップＳ３と、任意の曲線群の測地線曲率を計算する測地線曲率計算ステップＳ４と、測地線曲率を利用して展開する計算を行い平面パッチを取得する平面パッチ取得
ステップＳ５と、平面パッチを並べて後の工程を考慮した形状の平面展開図を生成する平面展開図生成ステップ
Ｓ６と、平面展開図出力ステップＳ７とを実行させる。
【選択図】図２

(2)JP 2022-45533 A 2022.3.22【特許請求の範囲】【請求項１】
曲面を前記曲面上の任意の曲線群を展開基準線として平面に展開する曲面展開プログラム
であって、コンピュータに、入力された曲面データを取得する曲面データ取得ステップと、
前記曲面データに対し前記展開基準線となるネット状に交わる任意の曲線群を計算する曲線群計算ステップと、
前記任意の曲線群で囲まれた領域の曲面パッチを取得する曲面パッチ取得ステップと、
前記任意の曲線群の測地線曲率を計算する測地線曲率計算ステップと、

10

前記測地線曲率を利用して前記曲面パッチを平面に展開する計算を行い平面パッチを取得
する平面パッチ取得ステップと、取得した前記平面パッチを並べて、後の工程を考慮した形状の平面展開図を生成する平面
展開図生成ステップと、
前記平面展開図を出力する平面展開図出力ステップとを実行させることを特徴とする曲面展開プログラム。
【請求項２】
前記平面展開図生成ステップにおいて、前記平面パッチの並べ方を変えて複数枚の前記平面展開図を生成することを特徴とする請求項１に記載の曲面展開プログラム。
【請求項３】

20

前記平面展開図生成ステップにおいて、前記平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの
前記平面展開図を生成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の曲面展開プログラム。
【請求項４】
前記任意の曲線群の曲線は、パラメトリック曲面上の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の曲面展開プログラム。
【請求項５】
前記曲面データはＮＵＲＢＳ曲面データであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の曲面展開プログラム。

30【請求項６】
平面展開図に対して刺しゅう機のツールパスを計算するプログラムであって、コンピュータに、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の曲面展開プログラムを用いて得られた前記
平面展開図を取得させる平面展開図取得ステップと、
前記ツールパスを前記平面展開図の内側に限定して配置するツールパス配置ステップと、
前記平面展開図の内側における前記ツールパスを計算するツールパス計算ステップと、計算した前記ツールパスを出力するツールパス出力ステップとを実行させることを特徴とするツールパス計算プログラム。
【請求項７】

40

前記ツールパス配置ステップにおいて、前記平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開
基準線と、前記平面展開図の境界線に分類することを特徴とする請求項６に記載のツール
パス計算プログラム。
【請求項８】
前記ツールパス配置ステップにおいて、前記ツールパスのずれを軽減する補助線を、前記展開基準線を考慮して前記平面展開図の内側に描くことを特徴とする請求項７に記載のツールパス計算プログラム。
【請求項９】
前記ツールパス配置ステップにおいて、前記平面展開図の前記境界線を延長し、前記境界線の影響を避けて前記展開基準線に沿った前記ツールパスの配置を容易にすることを特徴

50

(3)

JP 2022-45533 A 2022.3.22とする請求項７又は請求項８に記載のツールパス計算プログラム。
【請求項１０】
前記ツールパス計算ステップにおいて、前記ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、前記平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画することを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載のツールパス計算プログラム。
【請求項１１】
前記ツールパス計算ステップにおいて、前記補助線を考慮して前記オフセット経路を順に計画することを特徴とする請求項８を引用する請求項１０、又は請求項８及び請求項９を引用する請求項１０に記載のツールパス計算プログラム。
【請求項１２】10

前記ツールパス計算ステップにおいて、前記ツールパスを計画した後、前記平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線を描き、不要な曲線をトリムすることを特徴とする請求項９、又は請求項９を引用する請求項１０若しくは請求項１１に記載のツールパス計算プログラム。
【請求項１３】
前記ツールパス計算ステップにおいて、前記平面展開図の前記オフセット経路の孤立したアイランド部に対し、前記アイランド部を横断する経路を追加経路として追加し、前記オ
フセット経路と前記追加経路を用いて前記ツールパスを計画することを特徴とする請求項
１０、又は請求項１０を引用する請求項１１若しくは請求項１２に記載のツールパス計算
プログラム。

20【請求項１４】
前記ツールパス計算ステップにおいて、前記ツールパスを一筆書化できるように計算することを特徴とする請求項６から請求項１３のいずれか１項に記載のツールパス計算プログ
ラム。
【請求項１５】
前記一筆書化は、開始点となる前記ツールパスの端点を指定する端点指定ステップと、反対側の前記端点に移動させる移動ステップと、未接続の前記端点が残っているかを判断す
る未接続判断ステップと、未接続の前記端点が残っている場合に現在の端点から一番近い
前記端点に接続する接続ステップとを実行することを特徴とする請求項１４に記載のツー
ルパス計算プログラム。

30【請求項１６】
前記ツールパスの計算は、ＮＵＲＢＳ曲線に基づいて行うことを特徴とする請求項６から請求項１５のいずれか１項に記載のツールパス計算プログラム。
【請求項１７】
複合材料を用いた曲面の製造方法であって、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の曲面展開プログラムを用いて得られた平面
展開図に基づいて裁断機で裁断した基材と、前記基材に刺しゅうする刺しゅう対象物とを準備する材料準備工程と、請求項６から請求項１６のいずれか１項に記載のツールパス計算プログラムを用いて得られたツールパスに基づいて前記基材に前記刺しゅう対象物を配置する材料配置工程と、

40

刺しゅう機により前記ツールパスに従って前記刺しゅう対象物を前記基材に刺しゅうし、成形基材を得る刺しゅう工程とを有すること特徴とする複合材料を用いた曲面の製造方法。
【請求項１８】後の工程を考慮した形状の前記平面展開図が複数枚の場合に、前記基材及び／又は前記成形基材のそれぞれに識別符号を付与する識別符号付与工程をさらに有することを特徴とす
る請求項１７に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。
【請求項１９】後の工程を考慮した形状の前記平面展開図が複数枚の場合に、複数枚の前記成形基材を連結する連結工程をさらに有することを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載の複合

50

(4)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

材料を用いた曲面の製造方法。
【請求項２０】
前記曲面の成形型を準備する成形型準備工程と、前記刺しゅう工程で得られた前記成形基材を前記成形型に載置する成形基材載置工程と、前記成形基材を載置した前記成形型に樹脂を注入し成形する樹脂成形工程と、前記樹脂を硬化させて前記成形基材と一体化された前記複合材料から成る前記曲面を得る曲面完成工程とをさらに有することを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。
【請求項２１】
前記成形基材載置工程において、複数枚の前記成形基材を重ねて載置することを特徴とす
る請求項２０に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。

10【請求項２２】
複数枚の前記成形基材は、複数パターンの前記成形基材を組み合わせたものであることを特徴とする請求項２１に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。
【請求項２３】
前記刺しゅう対象物は炭素繊維トウであることを特徴とする請求項１７から請求項２２のいずれか１項に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。
【請求項２４】
複数パターンの前記成形基材は、前記炭素繊維トウの炭素繊維が直交するパターンを組み合わせたものであることを特徴とする請求項２２を引用する請求項２３に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。

20【請求項２５】
前記曲面の前記成形型はＮＵＲＢＳ曲面に基づいたものであり、裁断機による基材の裁断
及び前記刺しゅう機による前記ツールパスに従った刺しゅうはＮＵＲＢＳ曲線に基づいたものであることを特徴とする請求項１７から請求項２４のいずれか１項に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。
【請求項２６】複合材料を用いた曲面の製造システムであって、平面展開図に基づいて基材を裁断する裁断機と、前記基材に刺しゅう対象物を刺しゅうする刺しゅう機と、少なくとも前記裁断機と前記刺しゅう機とを制御する製造用コンピュータと、30

成形型に樹脂を注入する樹脂成型手段とを備え、請求項１７から請求項２５のいずれか１項に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法を実施することを特徴とする複合材料を用いた曲面の製造システム。
【請求項２７】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の曲面展開プログラムと、請求項６から請求
項１６のいずれか１項に記載のツールパス計算プログラムとを実行するコンピュータをさらに備えたことを特徴とする請求項２６に記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。
【請求項２８】
前記コンピュータと、前記製造用コンピュータとを遠隔地に配置し連係させることを特徴とする請求項２７に記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。

40【請求項２９】
前記コンピュータと、前記製造用コンピュータとを通信ネットワークを介して連係させることを特徴とする請求項２８に記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。
【請求項３０】
前記コンピュータと、曲面データを設計するＣＡＤシステムとをさらに連係させることを特徴とする請求項２７から請求項２９のいずれか１項に記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】50

(5)JP 2022-45533 A 2022.3.22

本発明は、曲面を当該曲面上の任意の曲線群を展開基準線として平面に展開する曲面展開
プログラム、曲面展開プログラムを用いて得られた平面展開図に対して刺しゅう機のツー
ルパスを計算するツールパス計算プログラム、曲面展開プログラムとツールパス計算プロ
グラムとを利用し複合材料を用いた曲面を製造する複合材料を用いた曲面の製造方法、及び当該製造方法を実施する複合材料を用いた曲面の製造システムに関する。
【背景技術】【０００２】
炭素繊維強化樹脂（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）は、鋼と比較して比強度や比弾性率が優れており、特に自動車産業および航空宇宙産業においてその利用が増加している。例えば、ボーイング７８７やエアバスＡ３５０ＸＷＢなどの航空機構造に10は、重量ベースで約５０％もの複合材が利用されている。また近年、ドイツのドレスデンにあるライプニッツ研究所（IPF Dresden）によって発明されたテーラードファイバー
プレースメント（Tailored Fiber Placement，TFP）技術が注目されている。ＴＦＰ
技術を用いると、ガラスクロス材などの基材に対して所定の軌道に沿って炭素繊維トウを刺しゅうしてＣＦＲＰ成形用のプリフォームを作製することができる。ここでトウ（tow）とは、ヨリのかかっていない炭素繊維の連続フィラメントの束を指す。またプリフォー
ムとは、炭素繊維トウが刺しゅうされたＣＦＲＰ成形用の基材シートを指す。
シート状のプリフォームを設計形状のメス型に沿って積み重ね、真空含浸工法（Vacuum
assisted resin transfer molding，VaRTM）などを用いてＣＦＲＰ製品を成形する。ＴＦＰ技術により、設計者が意図する方向に炭素繊維トウが配置されたプリフォームを20作製することで、成形品内部の繊維の流れを制御することが出来る。これにより、炭素繊
維が直交方向に織り込まれた繊維シートであるクロス材や、炭素繊維が一方向にのみ織りこまれた繊維シートである一方向材の織物材を利用した従来の成形法と比べて設計自由度が高くなるため、軽量化及び高強度化などの製品の高機能化の面で大きな利点がある。
【０００３】
ここで、特許文献１には、形成目的面における複数の最大主曲率線及び複数の最小主曲率線を求める目的面曲率線取得部と、形成目的面が最大主曲率線及び最小主曲率線で区切られた各領域について、対応する平面上の領域の形状を示すデータを求める平面上領域取得部とを備える形状取得装置が開示されている。
また、特許文献２には、形成目的の面における、最大主曲率方向および最小主曲率方向の30

いずれか一方の２本の曲率線である第１曲率線および第２曲率線を求め、最大主曲率方向
および最小主曲率方向のうち、第１曲率線および第２曲率線とは異なる方向の、第１曲率線から第２曲率線までの曲率線である第３曲率線を複数求める目的面曲率線取得部と、第１曲率線を平面に展開し、第３曲率線の各々を、第１曲率線に含まれる点を始点として平面に等長展開し、第２曲率線を、平面に展開された第３曲率線のいずれかの終点を通るように平面に展開する展開部と、平面に展開された第２曲率線と１つ以上の第３曲率線の終点とのずれに基づいて、平面のうち除去すべき部分を求める除去部分設定部とを備える除去部分設定装置が開示されている。
また、特許文献３には、所定形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、高強度繊維からなる糸によって基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、基40

材に対して運針により刺し綴った高強度繊維からなる糸は、基材の少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成し、表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成したＦＲＰ素材が開示されている。
また、特許文献４には、少なくとも２組の２軸ステッチ基材が積層されて係合材料にて一体化された多層基材であって、２軸ステッチ基材は、多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシート複数枚を強化繊維糸条が２方向に配向するように積層してステッチ糸にて縫合してなり、係合材料の融点Ｔｍｃが８０〜２００℃の範囲内にあり、かつ、ステッチ糸の融点が（Ｔｍｃ＋１０）〜（Ｔｍｃ＋１２０）℃の範囲内にある多層基材が開示されて
いる。

50

(6)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

また、特許文献５には、層Ａ、層Ｂ、層Ｃの順で積層されている部分を少なくとも含む積層シートであって、層Ａは、一定の方向に平行に引き揃えられて、平面状に並んでいるフィラメントＡ群で構成され、層Ｂは、熱溶融性フィルムで構成され、層Ｃは、フィラメン
トＡ群が引き揃えられている方向とは異なる方向に平行に引き揃えられて、平面状に並んでいるフィラメントＣ群で構成され、層Ａ、層Ｂ及び層Ｃは、長手方向に走る複数本の縫い糸によって縫製されて一体化しており、各縫い糸は、経編組織で編成されている、熱溶
融性フィルムを母体とするＦＲＰを製造するための積層シートが開示されている。
また、非特許文献１には、曲面と外板展開を論理的に扱うことで、幾何学的変形（曲げと絞り）を定量化し、ぎょう鉄加工の作業指示線を与えることができる外板現図展開手法が開示されている。

10

また、非特許文献２には、正確な長さを維持して境界線が曲率線である各パッチの４つの曲線を平面にマッピングして、それらを互いにほぼ直交する曲線として接続することにより自由曲面を展開する方法が開示されている。
【先行技術文献】【特許文献】【０００４】【特許文献１】国際特開２０１７／０９０７４９号【特許文献２】特開２０１６−９１４７７号公報【特許文献３】特開２０１０−２８０２１２号公報【特許文献４】特開２００７−１６０５８７号公報

20【特許文献５】特開２００４−３４６１７５号公報【非特許文献】【０００５】【非特許文献１】松尾宏平，外１名，“船舶の曲り外板製造を支援する新しい外板展開シ
ステムの開発”，日本機械学会論文集（Ｃ編），２０１０年１１月，７６巻，７７１号，
ｐ．５１−５６【非特許文献２】M.Takezawa，外３名，“Fabrication of freeform objects byprincipal strips”，2016，ACM Transactions on Graphics (TOG)，35(6):22
5:1-225:12【発明の概要】30【発明が解決しようとする課題】【０００６】
ＴＦＰは２次元平面において炭素繊維トウを基材に刺しゅうする技術であり、複雑な３次元設計形状を対象とする場合は、当該形状の平面展開図（プリフォームの裁断形状）が必要となる。さらにその平面展開図は、設計形状のメス型への積層の際にシワが発生することを抑えるため、復元精度が高い展開形状である必要がある。
また、非可展面形状は伸縮無しに平面に展開することはできない形状であるため展開図には切込み線が必要となるが、この切込み線は配向したい繊維方向に沿っていることが望ましい。これは、ＴＦＰ技術を用いて平面展開図上に炭素繊維トウを刺しゅう（配置）する
際に、配置したい流れに沿って切込み線が入っていなければ、配置する繊維の流れが内部40で分断されてしまうためである（切込み線をまたいで刺しゅうすると、裁断の際に炭素繊維トウがそこで分断されてしまう）。
さらには、平面展開図上で、設計目的に適する流れに沿ったツールパスの算出が必要となる。ここでツールパスとは、刺しゅう機が炭素繊維トウを刺しゅうする経路を指す。このツールパスの要件としては、配置する繊維トウの粗密のばらつきが小さく、かつ最終製品において、設計者が望む流れに沿って繊維が配置されるような経路である必要がある。
以上により、内部の繊維方向を制御した非可展面形状のＣＦＲＰ製品を成形するためには、繊維を配向したい流れに沿って切込みが入った復元精度の良い平面展開図の算出と、算出した平面展開図上で上記の要件を満たしたツールパスの算出が必要になる。
【０００７】50

(7)JP 2022-45533 A 2022.3.22

ここで、特許文献１−２、及び非特許文献１−２は、曲率線を用いて平面展開図を生成するものではあるが、曲率線以外の、等パラメータ線、主ストレッチ線、又は主応力線といった任意の曲線を基準として平面展開図を生成するものではない。また、平面展開図を生成する際に、後の工程を考慮したものではない。
また、特許文献３−５は、曲面を平面展開した平面展開図を基にツールパスを配置するものではない。
そこで本発明は、任意の曲線を基準とし後の工程を考慮した平面展開図を生成する曲面展
開プログラムと、その平面展開図を基にツールパスを配置するツールパス計算プログラムと、その曲面展開プログラム及びツールパス計算プログラムを利用する複合材料を用いた曲面の製造方法と、その製造方法を実施する複合材料を用いた曲面の製造システムを提供10することを目的とする。
【課題を解決するための手段】【０００８】
請求項１記載に対応した曲面展開プログラムにおいては、曲面を曲面上の任意の曲線群を
展開基準線として平面に展開する曲面展開プログラムであって、コンピュータに、入力された曲面データを取得する曲面データ取得ステップと、曲面データに対し展開基準線となるネット状に交わる任意の曲線群を計算する曲線群計算ステップと、任意の曲線群で囲まれた領域の曲面パッチを取得する曲面パッチ取得ステップと、任意の曲線群の測地線曲率を計算する測地線曲率計算ステップと、測地線曲率を利用して曲面パッチを平面に展開する計算を行い平面パッチを取得する平面パッチ取得ステップと、取得した平面パッチを並20

べて、後の工程を考慮した形状の平面展開図を生成する平面展開図生成ステップと、平面展開図を出力する平面展開図出力ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、曲面上の任意の曲線群を基準として得られた曲面パッチを展開した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した平面展開図を得ることができる。
【０００９】
請求項２記載の本発明は、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開図を生成することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、後の工程のための復元精度の高い複数枚の平面展開図を得ることができる。
【００１０】

30

請求項３記載の本発明は、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成することを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、平面パッチの並べ方を変えることによりパターンの異なる平面展開図を生成でき、複合材料製品の強度を高める成形基材への展開が可能となる。
【００１１】
請求項４記載の本発明は、任意の曲線群の曲線は、パラメトリック曲面上の等パラメータ
曲線、主ストレッチ線、又は主応力線のいずれかであることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、曲率線以外の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線に基づいて精度の高い平面展開図を生成することができる。

40【００１２】
請求項５記載の本発明は、曲面データはＮＵＲＢＳ曲面データであることを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、曲面データとして同じ幾何学的表現を共有するＣＡＤ、ＣＡＥ、及びＣＡＭ技術を連係して利用しやすくなる。
【００１３】
請求項６記載に対応したツールパス計算プログラムにおいては、平面展開図に対して刺しゅう機のツールパスを計算するプログラムであって、コンピュータに、曲面展開プログラ
ムを用いて得られた平面展開図を取得させる平面展開図取得ステップと、ツールパスを平面展開図の内側に限定して配置するツールパス配置ステップと、平面展開図の内側におけるツールパスを計算するツールパス計算ステップと、計算したツールパスを出力するツー

50

(8)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

ルパス出力ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、曲面展開プログラムにより得られた平面展開図に計算された刺しゅう機のツールパスを配置することができ、平面展開図に対して、例えば、目的の方向に沿わせつつ、繊維の粗密のばらつきが少なるくなるよう配置する繊維トウのツールパスを計算することが可能となる。
【００１４】
請求項７記載の本発明は、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開基準線と、平面展開図の境界線に分類することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、展開基準線と境界線を考慮してツールパスを配置することができる。

10【００１５】
請求項８記載の本発明は、ツールパス配置ステップにおいて、ツールパスのずれを軽減す
る補助線を、展開基準線を考慮して平面展開図の内側に描くことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、配置の際に補助線を利用してツールパスのずれを軽減
し、ツールパスの精度を高めることができる。
【００１６】
請求項９記載の本発明は、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界線を延長
し、境界線の影響を避けて展開基準線に沿ったツールパスの配置を容易にすることを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、後のオフセット作業において、境界線の影響を避けて

20

展開基準線の流れに沿ったオフセット経路の計画を容易にすることができる。
【００１７】
請求項１０記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを刺しゅう対
象物の幅を考慮して、平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画す
ることを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、配置する繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。
【００１８】
請求項１１記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、補助線を考慮してオフセ
ット経路を順に計画することを特徴とする。

30

請求項１１に記載の本発明によれば、補助線をオフセット経路の境界線のガイドラインとして活用し、オフセット経路を精度良く計画できる。
【００１９】
請求項１２記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを計画した後、平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線を描き、不要な曲線をトリムすることを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、刺しゅう対象物の幅を考慮した上で、不要な経路を含むツールパスが生成されることを防止できる。
【００２０】
請求項１３記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、平面展開図のオフセット40

経路の孤立したアイランド部に対し、アイランド部を横断する経路を追加経路として追加
し、オフセット経路と追加経路を用いてツールパスを計画することを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明によれば、アイランド部を横断する追加経路により、全体の一筆書化が可能となる。
【００２１】
請求項１４記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを一筆書化できるように計算することを特徴とする。
請求項１４に記載の本発明によれば、刺しゅう対象物の繊維トウがストリップ内部で分断されることを防止でき、強度を向上することができる。
【００２２】50

(9)JP 2022-45533 A 2022.3.22

請求項１５記載の本発明は、一筆書化は、開始点となるツールパスの端点を指定する端点
指定ステップと、反対側の端点に移動させる移動ステップと、未接続の端点が残っているかを判断する未接続判断ステップと、未接続の端点が残っている場合に現在の端点から一番近い端点に接続する接続ステップとを実行することを特徴とする。
請求項１５に記載の本発明によれば、ツールパスの一筆書化を正確かつ迅速に行うことができる。
【００２３】
請求項１６記載の本発明は、ツールパスの計算は、ＮＵＲＢＳ曲線に基づいて行うことを特徴とする。
請求項１６に記載の本発明によれば、ＣＡＤソフトで標準的なＮＵＲＢＳ曲線を利用して

10

ツールパスの計算を行うことができ、後の製造（ＣＡＭ）も連係し易くなる。
【００２４】
請求項１７記載に対応した複合材料を用いた曲面の製造方法においては、複合材料を用いた曲面の製造方法であって、曲面展開プログラムを用いて得られた平面展開図に基づいて裁断機で裁断した基材と、基材に刺しゅうする刺しゅう対象物とを準備する材料準備工程と、ツールパス計算プログラムを用いて得られたツールパスに基づいて基材に刺しゅう対
象物を配置する材料配置工程と、刺しゅう機によりツールパスに従って刺しゅう対象物を基材に刺しゅうし、成形基材を得る刺しゅう工程とを有すること特徴とする。
請求項１７に記載の本発明によれば、成形基材は復元精度の良い平面展開図に基づいて基材を裁断し、計算されたツールパスに基づいて、繊維トウ等の刺しゅう対象物を基材に配20置して刺しゅうができるため、精度の高い成形基材を少ない労力で製造することができる。
【００２５】
請求項１８記載の本発明は、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合に、基材及び／又は成形基材のそれぞれに識別符号を付与する識別符号付与工程をさらに有することを特徴とする。
請求項１８に記載の本発明によれば、基材や成形基材の取り違えを防止し、刺しゅう時や成形型への載置時の順番等の識別を容易にすることができる。
【００２６】
請求項１９記載の本発明は、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合に、複30数枚の成形基材を連結する連結工程をさらに有することを特徴とする。
請求項１９に記載の本発明によれば、複数枚の成形基材を連結して１枚物などにすること
で、成形基材を成形型へ載置する際の手間を軽減することができる。
【００２７】
請求項２０記載の本発明は、曲面の成形型を準備する成形型準備工程と、刺しゅう工程で得られた成形基材を成形型に載置する成形基材載置工程と、成形基材を載置した成形型に樹脂を注入し成形する樹脂成形工程と、樹脂を硬化させて成形基材と一体化された複合材料から成る曲面を得る曲面完成工程とをさらに有することを特徴とする。
請求項２０に記載の本発明によれば、繊維トウ等の配置が計算した曲線群に沿った曲面を有するＣＦＲＰ製品等の複合材料を用いた樹脂成形曲面を製造することができる。

40【００２８】
請求項２１記載の本発明は、成形基材載置工程において、複数枚の成形基材を重ねて載置することを特徴とする。
請求項２１に記載の本発明によれば、複合材料を用いた製品の強度を高めることができる。
【００２９】
請求項２２記載の本発明は、複数枚の成形基材は、複数パターンの成形基材を組み合わせたものであることを特徴とする。
請求項２２に記載の本発明によれば、複合材料を用いた製品の強度をより高めることがで
きる。

50

(10)

JP 2022-45533 A 2022.3.22【００３０】
請求項２３記載の本発明は、刺しゅう対象物は炭素繊維トウであることを特徴とする。
請求項２３に記載の本発明によれば、鋼と比較して比強度及び比弾性率に優れたＣＦＲＰ製品を製造することができる。
【００３１】
請求項２４記載の本発明は、複数パターンの成形基材は、炭素繊維トウの炭素繊維が直交するパターンを組み合わせたものであることを特徴とする。
請求項２４に記載の本発明によれば、より強度を高めたＣＦＲＰ製品を得ることができる。
【００３２】

10

請求項２５記載の本発明は、曲面の成形型はＮＵＲＢＳ曲面に基づいたものであり、裁断機による基材の裁断及び刺しゅう機によるツールパスに従った刺しゅうはＮＵＲＢＳ曲線に基づいたものであることを特徴とする。
請求項２５に記載の本発明によれば、同じ幾何学的表現を共有するＣＡＤ、ＣＡＥ、及びＣＡＭ技術を連係し、ＮＵＲＢＳ曲面やＮＵＲＢＳ曲線を利用して複合材料から成る曲面を製造することができる。
【００３３】
請求項２６記載に対応した複合材料を用いた曲面の製造システムにおいては、複合材料を用いた曲面の製造システムであって、平面展開図に基づいて基材を裁断する裁断機と、基材に刺しゅう対象物を刺しゅうする刺しゅう機と、少なくとも裁断機と刺しゅう機とを制20御する製造用コンピュータと、成形型に樹脂を注入する樹脂成型手段とを備え、複合材料を用いた曲面の製造方法を実施することを特徴とする。
請求項２６に記載の本発明によれば、精度の高い成形基材を基にした曲面を有する複合材
料製品を製造することができる。
【００３４】
請求項２７記載の本発明は、曲面展開プログラムと、ツールパス計算プログラムとを実行するコンピュータをさらに備えたことを特徴とする。
請求項２７に記載の本発明によれば、曲面展開プログラムによる平面展開図の生成と、ツールパス計算プログラムによるツールパスの計算を、製造システムにおいてコンピュータ
を用いて行うことができる。

30【００３５】
請求項２８記載の本発明は、コンピュータと、製造用コンピュータとを遠隔地に配置し連係させることを特徴とする。
請求項２８に記載の本発明によれば、コンピュータによる平面展開図の生成及びツールパスの計算と、製造用コンピュータによる複合材料を用いた曲面の製造とを連係して、別々の場所で行うことができる。
【００３６】
請求項２９記載の本発明は、コンピュータと、製造用コンピュータとを通信ネットワーク
を介して連係させることを特徴とする。
請求項２９に記載の本発明によれば、通信ネットワークによりコンピュータと製造用コン40

ピュータとの連係性を高めて、製造の迅速化と容易化を図ることができる。
【００３７】
請求項３０記載の本発明は、コンピュータと、曲面データを設計するＣＡＤシステムとをさらに連係させることを特徴とする。
請求項３０に記載の本発明によれば、ＣＡＤシステムで作成された曲面データを取得し、曲面の設計から複合材料を用いた曲面の製造までをより連係しやすくなる。
【発明の効果】【００３８】
本発明の曲面展開プログラムによれば、曲面上の任意の曲線群を基準として得られた曲面
パッチを展開した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した平面展開図を得ることができ

50

(11)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

る。
【００３９】
また、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開
図を生成する場合には、後の工程のための復元精度の高い複数枚の平面展開図を得ることができる。
【００４０】
また、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成する場合には、平面パッチの並べ方を変えることによりパターンの異なる
平面展開図を生成でき、複合材料製品の強度を高める成形基材への展開が可能となる。
【００４１】

10

また、任意の曲線群の曲線は、パラメトリック曲面上の等パラメータ曲線、主ストレッチ
線、又は主応力線のいずれかである場合には、曲率線以外の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線に基づいて精度の高い平面展開図を生成することができる。
【００４２】
また、曲面データはＮＵＲＢＳ曲面データである場合には、曲面データとして同じ幾何学的表現を共有するＣＡＤ、ＣＡＥ、及びＣＡＭ技術を連係して利用しやすくなる。
【００４３】
本発明のツールパス計算プログラムによれば、曲面展開プログラムにより得られた平面展
開図に計算された刺しゅう機のツールパスを配置することができ、平面展開図に対して、
例えば、目的の方向に沿わせつつ、繊維の粗密のばらつきが少なるくなるよう配置する繊20

維トウのツールパスを計算することが可能となる。
【００４４】
また、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開基準線と、平面展開図の境界線に分類する場合には、展開基準線と境界線を考慮してツールパスを配置することができる。
【００４５】
また、ツールパス配置ステップにおいて、ツールパスのずれを軽減する補助線を、展開基準線を考慮して平面展開図の内側に描く場合には、配置の際に補助線を利用してツールパ
スのずれを軽減し、ツールパスの精度を高めることができる。
【００４６】

30

また、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界線を延長し、境界線の影響を避けて展開基準線に沿ったツールパスの配置を容易にする場合には、後のオフセット作業において、境界線の影響を避けて展開基準線の流れに沿ったオフセット経路の計画を容易にすることができる。
【００４７】
また、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、
平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画する場合には、配置する
繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。
【００４８】
また、ツールパス計算ステップにおいて、補助線を考慮してオフセット経路を順に計画す40

る場合には、補助線をオフセット経路の境界線のガイドラインとして活用し、オフセット
経路を精度良く計画できる。
【００４９】
また、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを計画した後、平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線を描き、不要な曲線をトリムする場合には、刺しゅう対象物の幅を考慮した上で、不要な経路を含むツールパスが生成されることを防止できる。
【００５０】
また、ツールパス計算ステップにおいて、平面展開図のオフセット経路の孤立したアイラ
ンド部に対し、アイランド部を横断する経路を追加経路として追加し、オフセット経路と

50

(12)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

追加経路を用いてツールパスを計画する場合には、アイランド部を横断する追加経路により、全体の一筆書化が可能となる。
【００５１】
また、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを一筆書化できるように計算する場
合には、刺しゅう対象物の繊維トウがストリップ内部で分断されることを防止でき、強度を向上することができる。
【００５２】
また、一筆書化は、開始点となるツールパスの端点を指定する端点指定ステップと、反対側の端点に移動させる移動ステップと、未接続の端点が残っているかを判断する未接続判
断ステップと、未接続の端点が残っている場合に現在の端点から一番近い端点に接続する

10

接続ステップとを実行する場合には、ツールパスの一筆書化を正確かつ迅速に行うことができる。
【００５３】
また、ツールパスの計算は、ＮＵＲＢＳ曲線に基づいて行う場合には、ＣＡＤソフトで標準的なＮＵＲＢＳ曲線を利用してツールパスの計算を行うことができ、後の製造（ＣＡＭ）も連係し易くなる。
【００５４】
本発明の複合材料を用いた曲面の製造方法によれば、成形基材は復元精度の良い平面展開
図に基づいて基材を裁断し、計算されたツールパスに基づいて、繊維トウ等の刺しゅう対
象物を基材に配置して刺しゅうができるため、精度の高い成形基材を少ない労力で製造す20ることができる。
【００５５】
また、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合に、基材及び／又は成形基材のそれぞれに識別符号を付与する識別符号付与工程をさらに有する場合には、基材や成形基材の取り違えを防止し、刺しゅう時や成形型への載置時の順番等の識別を容易にすることができる。
【００５６】
また、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合に、複数枚の成形基材を連結する連結工程をさらに有する場合には、複数枚の成形基材を連結して１枚物などにすることで、成形基材を成形型へ載置する際の手間を軽減することができる。

30【００５７】
また、曲面の成形型を準備する成形型準備工程と、刺しゅう工程で得られた成形基材を成形型に載置する成形基材載置工程と、成形基材を載置した成形型に樹脂を注入し成形する
樹脂成形工程と、樹脂を硬化させて成形基材と一体化された複合材料から成る曲面を得る
曲面完成工程とをさらに有する場合には、繊維トウ等の配置が計算した曲線群に沿った曲面を有するＣＦＲＰ製品等の複合材料を用いた樹脂成形曲面を製造することができる。
【００５８】
また、成形基材載置工程において、複数枚の成形基材を重ねて載置する場合には、複合材料を用いた製品の強度を高めることができる。
【００５９】

40

また、複数枚の成形基材は、複数パターンの成形基材を組み合わせたものである場合には、複合材料を用いた製品の強度をより高めることができる。
【００６０】
また、刺しゅう対象物は炭素繊維トウである場合には、鋼と比較して比強度及び比弾性率に優れたＣＦＲＰ製品を製造することができる。
【００６１】
また、複数パターンの成形基材は、炭素繊維トウの炭素繊維が直交するパターンを組み合わせたものである場合には、より強度を高めたＣＦＲＰ製品を得ることができる。
【００６２】
また、曲面の成形型はＮＵＲＢＳ曲面に基づいたものであり、裁断機による基材の裁断及

50

(13)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

び刺しゅう機によるツールパスに従った刺しゅうはＮＵＲＢＳ曲線に基づいたものである
場合には、同じ幾何学的表現を共有するＣＡＤ、ＣＡＥ、及びＣＡＭ技術を連係し、ＮＵ
ＲＢＳ曲面やＮＵＲＢＳ曲線を利用して複合材料から成る曲面を製造することができる。
【００６３】
本発明の複合材料を用いた曲面の製造システムによれば、精度の高い成形基材を基にした曲面を有する複合材料製品を製造することができる。
【００６４】
また、曲面展開プログラムと、ツールパス計算プログラムとを実行するコンピュータをさらに備えた場合には、曲面展開プログラムによる平面展開図の生成と、ツールパス計算プ
ログラムによるツールパスの計算を、製造システムにおいてコンピュータを用いて行うこ10とができる。
【００６５】
また、コンピュータと、製造用コンピュータとを遠隔地に配置し連係させる場合には、コンピュータによる平面展開図の生成及びツールパスの計算と、製造用コンピュータによる複合材料を用いた曲面の製造とを連係して、別々の場所で行うことができる。
【００６６】
また、コンピュータと、製造用コンピュータとを通信ネットワークを介して連係させる場
合には、通信ネットワークによりコンピュータと製造用コンピュータとの連係性を高めて、製造の迅速化と容易化を図ることができる。
【００６７】

20

また、コンピュータと、曲面データを設計するＣＡＤシステムとをさらに連係させる場合には、ＣＡＤシステムで作成された曲面データを取得し、曲面の設計から複合材料を用いた曲面の製造までをより連係しやすくなる。
【図面の簡単な説明】【００６８】【図１】本発明の実施形態による複合材料を用いた曲面の製造システムの構成を示す図【図２】同曲面展開プログラムの処理フロー【図３】同座標系を示す図【図４】同曲面パッチの展開を示す図【図５】同りんごモデルの展開と再構築を示す図30【図６】同等パラメータ曲線を使用した編み込みモデルを示す図【図７】同自動車のボンネット表面の曲線の直交網を示す図【図８】同曲線の計算の終了を示す図【図９】同ツールパス計算プログラムの処理フロー【図１０】同平面展開図の境界曲線の分類例を示す図【図１１】同平面展開図の領域拡大の例を示す図【図１２】同オフセットの例を示す図【図１３】同トリムの例を示す図【図１４】同アイランド部の分類とツールパス追加の例を示す図【図１５】同アイランド部を形成する内側オフセット曲線におけるツールパスの一筆書化

40の例を示す図【図１６】同ツールパス全体の一筆書化の例を示す図【図１７】同作成したツールパスに沿って刺しゅう対象物を刺しゅうしたイメージ図【図１８】同オフセット曲線が実際の曲線から逸脱している場合の処理手順を示す図【図１９】同自動車のボンネットにツールパス計算プログラムを適用したときの測定結果を示す図【図２０】同複合材料を用いた曲面の製造方法の工程を示す図【図２１】同平面展開図の生成から製品製造までの流れを示す概念図【図２２】同ＣＦＲＰ製造方法の概略図【図２３】同製造中のＶａＲＴＭ装置及びＬ−ＲＴＭ装置を示す図

50

(14)

JP 2022-45533 A 2022.3.22【図２４】同自動車のボンネットモデルの成形基材を製造するために適用されたＴＦＰ刺しゅう機の一筆書化したツールパスを示す図【図２５】同ＴＦＰ刺しゅう機によって製造された成形基材を示す図【図２６】同ＶａＲＴＭ装置によって製造されたＣＦＲＰ自動車ボンネットを示す図【図２７】同曲線に沿った船舶用プロペラブレード曲面の展開プロセスを示す図【図２８】同船舶用プロペラブレードモデルの成形基材のツールパスを示す図【図２９】同ＴＦＰ刺しゅう機で製造された成形基材を示す図【図３０】同Ｌ−ＲＴＭ装置によって製造されたＣＦＲＰ船舶用プロペラブレードを示す
図【発明を実施するための形態】

10【００６９】
本発明の実施形態による曲面展開プログラム、ツールパス計算プログラム、複合材料を用いた曲面の製造方法、及び複合材料を用いた曲面の製造システムについて説明する。
【００７０】
図１は複合材料を用いた曲面の製造システムの構成を示す図である。
複合材料を用いた曲面の製造システムは、曲面展開プログラム及びツールパス計算プログ
ラムを実行するコンピュータ１０と、平面展開図に基づいて基材を裁断する裁断機２０と、基材に刺しゅう対象物を刺しゅうする刺しゅう機３０と、少なくとも裁断機２０と刺しゅう機３０とを制御する製造用コンピュータ４０と、成形型５０に樹脂を注入し複合材料
曲面を得る樹脂成型手段６０と、曲面データを設計するＣＡＤシステム７０を備える。こ20の曲面の製造システムを用いることにより、精度の高い成形基材を基にした曲面を有する
複合材料製品を製造することができる。
なお、コンピュータ１０は、製造システムとは別に設けることもできるが、製造システムに組み込むことで、曲面展開プログラムによる平面展開図の生成と、ツールパス計算プロ
グラムによるツールパスの計算を、製造システムにおいてコンピュータ１０を用いて行うことができる。
また、ＣＡＤシステム７０は、通信ネットワーク８０を介してコンピュータ１０と連係させている。これにより、コンピュータ１０で、ＣＡＤシステム７０で作成された曲面デー
タを取得し、曲面の設計から複合材料を用いた曲面の製造までをより連係しやすくなる。
【００７１】

30

コンピュータ１０と製造用コンピュータ４０とは互いに遠く離れた遠隔地に配置し連係させている。これにより、コンピュータ１０による平面展開図の生成及びツールパスの計算と、製造用コンピュータ４０による複合材料を用いた曲面の製造とを連係して、別々の場
所で行うことができる。なお、連係させた上で、平面展開図の生成とツールパスの計算を別々のコンピュータ１０で行うこともできる。
図１では、事業所Ａ、事業所Ｂ、事業所Ｃが製造用コンピュータ４０として、製造用コンピュータ（Ａ）、製造用コンピュータ（Ｂ）、製造用コンピュータ（Ｃ）をそれぞれ設置している。
例えば、事業所Ａは裁断と刺しゅう、及び樹脂成型を一貫して行う事業所であり、ＣＡＤ
システム７０は別の場所に設置されたものと連係している。事業所Ａの製造用コンピュー

40

タ（Ａ）４０は、裁断機２０と刺しゅう機３０を制御する。事業所Ｂは、同じ場所で曲面の設計から裁断と刺しゅうまでを行う事業所であり、樹脂成型は別の事業所に任せる事業形態である。事業所Ｃは、刺しゅうのみを行う事業所であり、ＣＡＤシステム７０による曲面の設計や平面展開図の生成、また裁断や樹脂成型は別の事業所で行う形態である。
このように、設計から刺しゅうした成形基材の製造、また樹脂成形品の製造の事業の形態
は、任意に組み合わせて実現することができる。また、製造用コンピュータ４０も、裁断機２０用と刺しゅう機３０用を、別々の製造用コンピュータ４０で制御することもできる。
このとき、製造用コンピュータ４０の形態に関わらず、コンピュータ１０と、製造用コン
ピュータ４０とは、通信ネットワーク８０を介して連係させることが好ましい。この場合

50

(15)

JP 2022-45533 A 2022.3.22、通信ネットワーク８０によりコンピュータ１０と製造用コンピュータ４０との連係性を高めて、製造の迅速化と容易化を図ることができる。
また、ＣＡＤシステム７０とコンピュータ１０も通信ネットワーク８０を介して連係させることが好ましい。
但し、これらの連携は必須ではなく、情報記憶媒体を一部使用して設計情報や計算結果等をやり取りすることも可能である。
成形型５０は、ＣＡＤシステム７０の設計した曲面データに基づいて製造され、同じ曲面
データに基づいて、曲面の平面展開やツールパス計算がコンピュータ１０で行われ、製造
用コンピュータ４０の制御のもと製造された成形基材が成形型５０に載置されることにな
る。

10【００７２】
図２は曲面展開プログラムの処理フローである。
曲面展開プログラムは、曲面を曲面上の任意の曲線群を展開基準線として平面に展開するプログラムであり、コンピュータ１０にインストールされている。
処理を開始した曲面展開プログラムは、曲面データの入力を受け付け、入力された曲面データを取得する（曲面データ取得ステップＳ１）。曲面データの入力は、設計者等のユー
ザーが、キーボードやタッチパネル等のインターフェースを用いて行う。また、曲面デー
タは、外部のＣＡＤ（computer-aided design）システム等から受信して取得してもよい。
曲面データ取得ステップＳ１で取得する曲面データは、ベジェ（Bezier）曲面データ（

20

Bezierの一つ目の「e」は´付）、Ｂ−スプライン（B-spline）曲面データ、又はＴ−
スプライン（T-spline）曲面データとすることもできるが、ＮＵＲＢＳ曲面データであることが好ましい。ＮＵＲＢＳ曲面データを用いることにより、曲面データとして同じ幾
何学的表現を共有するＣＡＤ（computer-aided design）、ＣＡＥ（computer aid
ed engineering）、及びＣＡＭ（computer aided manufacturing）技術を連係して利用しやすくなる。
【００７３】
曲面データ取得ステップＳ１の後、曲面データに対し展開基準線となるネット状（網状）に交わる任意の曲線群を計算する（曲線群計算ステップＳ２）。
曲線群計算ステップＳ２においては、設計曲面に対して、ユーザーが繊維を配置したい流30

れに沿った曲線群を計算する。曲線群は、３Ｄ空間の曲面上か、又は曲面の２次元パラメータ空間上のどちらかに計算する。
計算する任意の曲線群の曲線は、曲率線とすることもできるが、パラメトリック曲面上の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線のいずれかであることが好ましい。なお、ユーザーが曲面上に任意に描画した曲線群に対しても展開可能である。曲面上の任意の曲線群は、目的に応じて曲面上に直接描いても、曲面のパラメータ空間で描かれる曲線群を曲面上の曲線群として写像しても良い。
曲率線の他にテンソル量の主方向に基づく任意の曲線の利用が考えられる。例えば、主方向で作られる軸に対して任意のそれぞれ任意の角度をつけた方向にそった曲線や、物理量である応力テンソル・ストレッチテンソルに基づいた主ストレッチ線や主応力線が例とし40て挙げられる。目的に応じた曲線は曲面上に定義されたテンソル量を基に算出することが基本となる。曲面上におけるテンソルの固有値解析から固有ベクトルを計算し、それに基づいてトレースすることによりテンソル量の持つ曲線群を描くことが可能である。
また、ストレッチや応力のように3次元空間上に定義されるテンソル量においても薄肉な
どの仮定の下、主方向の一つが表面の法線方向と一致するようにモデル化することで曲面上に直交する曲線群を定義することが可能となる。一方、本発明では直交する事は必要条
件でないことから必ずしも１つの主方向が法線と一致しなければならないわけではない。
また主方向に沿った曲線に限らず、強化を施したい目的の方向に対して配向の角度をつけた平面展開図の生成も可能である。
さらに、曲面のパラメータ空間で描かれる曲線群を曲面上の曲線群として写像した場合、

50

(16)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

それらは一般的には直交しないが、等パラメータ線のように特異点を含まない曲線群を生成できるため、すべてが矩形のGeneralized principal patchを生成することが容易である。
これにより、曲率線以外の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力に基づいて精度の高い平面展開図を生成することができる。また、前述のように任意の曲線群は、ユーザーが曲面上に任意に描画した曲線群であってもよい。
【００７４】
曲線群計算ステップＳ２の後、任意の曲線群で囲まれた領域である曲面パッチを取得する（曲面パッチ取得ステップＳ３）。
曲率線で囲まれた領域（一般的には矩形）は「Principal patch」と呼ばれる。本発明

10の曲面展開プログラムは、展開基準線となる曲線群を、曲率線には限らず一般化して、パ
ラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線など、任意の曲線群で平面展開図を生成する。そのため、任意の曲線群で囲まれた領域である曲面パッチは「Generalized principal patch」と表現できる。
曲面パッチは、任意の曲線群を曲面上に引いた段階で取得できる。
【００７５】
曲面パッチ取得ステップＳ３の後、任意の曲線群の測地線曲率を計算する（測地線曲率計
算ステップＳ４）。曲線の測地線曲率（geodesic curvature）は、微分幾何学的に求めることができる。以下に測地線曲率の計算方法について説明する。
【００７６】

20

図３は座標系を示す図であり、図３（ａ）はフレネセレ・フレームとダルブーフレームを示し、図３（ｂ）は接触ダルブーベクトルを示す。
曲面上の曲線の測地線曲率を使用することで、展開可能な曲面（可展面）上の曲線を平面上に展開できることが知られている。例えば、非特許文献３（Shyuichi Izumiya andSaki Otani，Flat approximations of surfaces along curves，Demonstratio
Mathematica，48(2):217-241，2015.）には、曲面上の任意の曲線に沿って生成される、いわゆる接触可展面（osculating developable surface）を導入することが記載されている。曲面の基準線の各点でダルブーフレーム（Darboux frame）内の接
触ダルブーベクトル（osculating Darboux vector）と呼ばれる方向が、展開可能な曲面のジェネレータとなる。

30

曲面を曲面上の曲線の測地線曲率を使用して曲面上の任意の曲線を平面に展開する際は、
まず、３Ｄデカルト参照座標系ｏ−ｘｙｚを定義する。パラメトリック曲面Ｒ（ｕ，ｖ）のパラメータ空間の平面曲線ｒ（ｔ）＝（ｕ（ｔ），ｖ（ｔ））を考慮する。また、ｃ（ｔ）＝Ｒ（ｕ（ｔ），ｖ（ｔ））はパラメトリック曲線である。図３（ａ）に示すように、単位接線ｔ、法線ｎ、及び従法線ｂのベクトルは、フレネセレ・フレーム（Frenet-S
erret frame）と呼ばれる経路ｃ（ｔ）に沿って移動する直交フレームを定義する。ここで、単位接線ｔ、法線ｎ、及び従法線ｂは、下式（１）のように計算される。
【数１】40「・」（上ドット）は、パラメータｔに関する微分を表す。フレネ・セレの公式は下式（２）で与えられる。
【数２】

50

(17)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

Λ=｜ｃ｜（上ドット付）、κ（ｔ）及びτ（ｔ）は、それぞれ、曲線ｃ（ｔ）のパラメ
ータ速度、曲率、及び捩率である。
【００７７】
図３（ａ）に示すように、ダルブーフレーム（ｔ、Ｎ、Ｂ）は同様の直交フレームであり

10、曲面幾何を含み、下式（３）で評価される。
【数３】

添え字に使用されるｕ、ｖは、示された変数に関する偏微分を表す。ダルブーフレームの動きは下式（４）で与えられる。
【数４】20

κｇ(t)、κｎ(t)、及びτｇ(t)は、それぞれ測地線曲率、法曲率、及び測地線捩率である。
【００７８】
ここで、単位接触ダルブーベクトルを下式（５）で定義する。
【数５】
30

これを図３（ｂ）に示す。式（４）とＢ・Ｎ＝０及びｔ・Ｎ＝０より、τｇ及びκｎは下式（６）から導出できる。
【数６】40
ここで、Λ≠０と仮定する。式（５）の分子に式（６）を代入すると、下式（７）が得ら
れる。
【数７】

「ʼ」は、弧長パラメータｓに関する微分を表す。結果は、接触ダルブーベクトルが、ｃ（ｔ）に沿った接平面包絡面として定義された可展面の直線ベクトル方向と一致すること

50

(18)

JP 2022-45533 A 2022.3.22を示している。
【００７９】
ｃ（ｔ）を基準線とし、ｄｏ（ｔ）を下式（８）のように線織面（ruled surface）Ｄ（ｔ，μ）のジェネレータにする。
【数８】

ｔ、ｄ０、ｄ０（上ドット付）はすべてｔ−Ｂ平面上にあることを示すのは簡単であり、下式（９）となる。

10

【数９】

その結果、Ｄ（ｔ，μ）は展開可能な曲面であり、これは接触可展面（osculating dev
elopable surface）と呼ばれる。接触可展面の曲面法線は、下式（１０）で表される。
【数１０】

20
式（１０）のδ（ｔ）は下式（１１）で表される。
【数１１】

Ｄ（ｔ，０）＝ｃ（ｔ）に沿って、Ｎｏを削減すると下式（１２）となる。
【数１２】

30

【００８０】
ここでは、κｎ（ｔ）＝０は孤立点（isolated points）でのみ発生し、そのような点ではｃ（ｔ）は局所的に平面であり、Ｎｏ＝ｎ×ｔとして定義できると仮定する。したがって、ｃ（ｔ）に沿った曲面Ｒ（ｕ，ｖ）の単位法線ベクトルＮ（ｕ，ｖ）とＤ（ｔ，０）の単位法線ベクトルとが一致するため、両方の曲面上のｃ（ｔ）に沿った測地線曲率κ
ｇは同一である。それゆえ、等尺曲面上の曲線（Ｄ（ｔ，μ））に基づいて、測地線曲率を平面曲線の曲率としてｃ（ｔ）を平面に展開できる。

40

測地線曲率κｇは、下式（１３）のように計算できる。
【数１３】

式（１３）のＥ、Ｆ、及びＧは、第一基本形式計量であり、クリストッフェル記号Γｉｊ
ｋ（ｉ，ｊ，ｋ＝１，２）は、下式（１４）のように定義される。
【数１４】

50

(19)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

曲面パラメータの第１導関数ｕ（上ドット付）、ｖ（上ドット付）、第２導関数ｕ（¨付）、ｖ（¨付）は、予め設計された曲線や、等パラメータ曲線、曲率線、主ストレッチ線、主応力線などの曲面上の曲線のプリイメージを表す曲線（ｕ（ｔ），ｖ（ｔ））を微分10することで得られる。
【００８１】
図２に戻り、測地線曲率計算ステップＳ４の後、測地線曲率を利用して曲面パッチを平面に展開する計算を行い、平面パッチを取得する（平面パッチ取得ステップＳ５）。曲面パ
ッチは１枚ごとに平面に展開する。
【００８２】
平面パッチ取得ステップＳ５の後、取得した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した形
状の平面展開図を生成する（平面展開図生成ステップＳ６）。
ここで、「後の工程を考慮した」とは、例えば、平面展開図生成ステップＳ６よりも後に行われる工程の一つである刺しゅう工程を考慮して、刺しゅう機３０の作業に支障を来さ

20ない大きさの複数のストリップに分け複数の平面展開図を生成する(寄せ集めると曲面全体に対応したものとなる)ことを指す。
平面展開図生成ステップＳ６においては、平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開
図を生成することが好ましい。この場合は、例えば、平面パッチを最大主曲率線方向に並び変えることにより複数枚のストリップを生成する。平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開図を生成することにより、後の工程のための復元精度の高い複数枚の平面展開
図を得ることができる。
また、平面展開図生成ステップＳ６においては、平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成することが好ましい。この場合は、例えば、最大主曲率線方向と最小主曲率線方向に並び変えてそれぞれのストリップを作成するなど、平面上で展開パッチ

30を並び変えることによって、２パターンの平面展開図を生成することができる。平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成することにより、パターンの異なる
平面展開図を生成でき、複合材料製品の強度を高める成形基材への展開が可能となる。
【００８３】
ここで、曲面データ取得ステップＳ１で取得する曲面データをＮＵＲＢＳ曲面データとしたときの曲面パッチ（generalized principal patch）の展開について詳述する。
次数（ｐ，ｑ）のＮＵＲＢＳ曲面は下式（１５）のように定義される。
【数１５】
40

【００８４】
上述の通りprincipal patchは、構成する曲線が曲率線であるパッチである。本発明者

50

(20)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

らは、非特許文献２において、正確な長さを維持して各principal patchの４つの曲線を平面にマッピングして、それらを互いにほぼ直交する曲線として接続することにより、自由曲面を展開する方法を導入した。結果として得られる四辺形の平面パッチは、principal quadと呼ばれる。非特許文献２で開発されたアルゴリズムは、Ｎ本の曲率線で囲まれたパッチを処理して、主曲線の直交網の特異点、つまり臍点を考慮することもできる。
本発明は、曲率線を曲面上の任意の曲線群に一般化した曲面パッチ（generalized pri
ncipal patch）とできるものであるから、構成する曲線を「generalized principal
curves」と表現でき、対面の２組は「曲線Ａ（generalized principal curves A）」及び「曲線Ｂ（generalized principal curves B）」と表現できる。

10【００８５】
図４は曲面パッチの展開を示す図であり、図４（ａ）は曲面パッチの４つの曲線を示し、
図４（ｂ）は４本の曲線の展開を示し、図４（ｃ）は結果として得られる四辺形の平面パッチを示している。
曲面ｃ（ｔ）上の曲線は、式（２）に示したフレネ・セレの公式の最初の方程式の下式（１６）を積分することにより平面に展開される。
【数１６】

20
ここで、曲線ｃ（ｔ）に沿った測地線曲率が展開された曲線の曲率と同じであるという事実に基づき、κはｃ（ｔ）の測地線曲率κｇに置き換えられる。
図４に示すように、正確な長さを維持し、隣接するそれぞれの２つの辺の間の角度が曲面
パッチにおける接続角度に最も近づくように、４つの辺を接続することにより、各曲面パッチを平面にマッピングする。
【００８６】
図５はりんごモデルの展開と再構築を示す図であり、図５（ａ）は上図にＮＵＲＢＳサー
フェス（曲面）で表現されたりんごモデル、下図にｕｖパラメータ空間で事前に設計された曲線を示し、図５（ｂ）は展開平面パッチを示し、図５（ｃ）は上図に主ストリップＡ（generalized A principal strip）、下図に主ストリップＢ（generalized B pri

30

ncipal strip）を示し、図５（ｄ）は再構築されたモデルを示している。
図５（ａ）に示すように、メッシュが三角形になるパラメータ空間の４つの境界を除いて、曲面のパラメータ空間に構造化された四辺形メッシュを形成する１０本の４５°ラインと１０本の−４５°ラインがｕｖパラメータ空間に描画される。
図５（ｂ）の平らな四角形はそれぞれ平面パッチ（generalized principal quad）である。この方法の際立った特徴は、展開プロセスが、各パッチに対して単一変数のニュートン法を用いて解く問題に簡略化できることである。３本の曲線から構成されるパッチは、曲面境界曲線の近くで発生することが多く、平坦化された３本の曲線は、一意の三角形を構成するため、最適化計算の必要がないことに注意する。
【００８７】

40

すべての平面パッチ（generalized principal patch）が平面上に展開されると、並進と回転を使用して等長である隣接エッジを整列させることにより、平面パッチのそれぞれを１つずつ接続する。接続がＢサイドの曲線に沿って行われる場合、結果として得られるストリップは主ストリップＡであり、その逆も同様である。図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す事前設計されたラインから計算された主ストリップＡと、主ストリップＢを示している。これらのストリップ（帯）は、２つの組立方法で元の３Ｄ形状を形成できる。一対の層は、１層は主ストリップＡで構成され、もう１層は主ストリップＢで構成されるような、２層構造を形成する。対応する各一般化された平面パッチは同じ場所で重なり合うよ
うに配置され、１つは主ストリップＡ、もう１つは主ストリップＢの３Ｄ形状を再構築す
る。

50

(21)

JP 2022-45533 A 2022.3.22【００８８】
図６は等パラメータ曲線を使用した編み込みモデルを示す図であり、図６（ａ）は等パラメータ曲線を含む曲面モデルを示し、図６（ｂ）は展開された平面パッチを示し、図６（ｃ）は展開された平面パッチを整列した主ストリップＡ（上図）と主ストリップＢ（下図）を示し、図６（ｄ）は編み込まれた主ストリップを示している。
図６に示す編み込みモデルは、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、等パラメータ曲線に沿って展開される。図６（ｄ）に示すペーパークラフトモデルは、主ストリップＡと主スト
リップＢが編み込まれて３Ｄ曲面モデルを形成する場合を示している。編み込みモデルは
ＴＦＰには使用できないが、ペーパークラフト、板金工芸、建築デザインなど、さまざまなアプリケーションに使用できる。

10【００８９】
自由曲面上の曲線のよく知られている直交網には、曲率線、主ストレッチ線、及び主応力線の３種類がある。各点の接線がその点での曲率の主方向と一致するサーフェス上の曲線
は、曲率線と呼ばれる。曲率線は、曲面全体の最大または最小の法曲率方向の流れを示す。臍点でない点においては、直交する２つの主方向が存在するため、曲率線は直交網を形成する。非線形の連立常微分方程式の初期値問題を積分することによって曲率線を描画する手法の詳細は、非特許文献４（T. Maekawa, F. E. Wolter, and N. M. Patrikal
akis. Umbilics and lines of curvature for shape interrogation. Computer
Aided Geometric Design, 13(2):133-161, 1996.）に記載されている。臍点は、すべての方向において法曲率が等しい曲面上の点であり、したがって主方向は不定である

20。よって、臍点では曲率線の直交網が特異となり、それゆえ、曲率線で囲まれた領域である曲面パッチは、４本でなくＮ本の曲率線で囲まれたパッチになる。非特許文献２の展開
アルゴリズムは、このようなＮ本のパッチに対応できる。３Ｄ自由形状シェル構造上の主ストレッチ線と主応力線の計算は、曲率線と同様の方法で計算できる。
【００９０】
固体力学では、薄いシェルはその幾何学的な寸法のため、大きな変位と回転を受けることが予想されるが、曲げに支配される変形に対しては小さなひずみしか持たない。したがって、線形ひずみ-応力関係を想定するが非線形運動学を説明するサンブナン・キルヒホッ
フ（Saint Venant-Kirchhoff）構成モデルは、シェル形状によく使用される。古典的なキルヒホッフ・ラブ（Kirchhoff-Love）シェル理論を採用している。これは、３次30元のシェルの連続体が中間面とその法線ベクトル場で表現できると仮定している。したがって理論では、シェル表現でＣ１連続性が必要である。シェルの運動学は、中間面の第１及び第２基本形式係数によって記述できる。臍点と同様に、２つの主応力が等しい点をis
otropic pointと呼ぶ。そのような点での応力の状態は、全方向に均一な半径方向の圧
縮または張力の状態である。
【００９１】
自由曲面の幾何学的表現はＮＵＲＢＳであるため、薄いシェル構造の変形を計算するために、ＮＵＲＢＳサーフェスが近似なしでＮＵＲＢＳ要素に正確に変換されるＩＧＡ（Isogeometric analysis）を採用する。さらに、Ｃ１連続等幾何離散化を使用すると、キルヒホッフ・ラブシェルモデルに適合する。ＮＵＲＢＳ曲面のノットスパンは、ドメイン40を要素に細分割し、問題のフィールド（例えば、変位、速度、温度など）は、ＮＵＲＢＳ
曲面と同じ基底関数で表現される。
ここで、図７は自動車のボンネット表面の曲線の直交網を示す図であり、図７（ａ）はＩ
ＧＡの荷重と境界条件を示し、図７（ｂ）は主ストレッチ線を示し、図７（ｃ）は主応力線を示している。
【００９２】
図８は曲線の計算の終了を示す図であり、図８（ａ）は狭い領域の発生を示し、図８（ｂ）は曲線間の距離が短いため曲線の計算を終了した状態を示している。
曲率線、主ストレッチ線、及び主応力線の密な曲線群は、高曲率、高変形、及び高応力領域で発生する傾向があるが、疎な曲線群は低曲率、低変形、及び低応力領域で表示される

50

(22)

JP 2022-45533 A 2022.3.22。非特許文献２では、ユーザーが「追加」および「削除」できる機能を適用することにより、曲線の直交網の密度を調整できるようにするグラフィカルユーザーインターフェイス（GUI）を導入している。ユーザーが曲線の１つを選択すると、曲線が疎である曲面上のシードポイントをクリックして、両方向に向かって積分することで新しい曲線を追加する。「削除」機能は、ユーザーが削除したい曲線上の任意点をクリックすることにより、既存の曲線を削除する。
【００９３】
ただし、図８（ａ）に示すように、ストリップが狭すぎて（細すぎて）製造できない場合がある。
このような場合、図８（ｂ）に示すように、曲線が他の既存の曲線から所定の距離内にあ10るときに、曲線の積分計算を終了する。
次に、図８（ｃ）に示すように、ＧＵＩを使用して曲線の密度をインタラクティブに調整する。それにもかかわらず、図８（ｃ）に示すように、終了により曲線がパッチの内側にある可能性がある。このような曲線は、図８（ｄ）に示すように、パッチの境界で削除（
トリミング）する。図５、図６及び図８（ａ）に示すように、曲線は入力曲面の境界から始まり境界で終了するとの仮定の下では、並進と回転を使用して等長の隣接エッジを整列させることにより、平面パッチを１つずつ接続するのは簡単である。ただし、上記のケー
スでは、この仮定はもはや成り立たない。したがって、図８（ｅ）に示すように、境界から境界まで曲面を通る主要な曲線に従って、平面パッチをグループに分割する。図８（ｅ）において、上図は曲面が最小主曲率線に従って３つの領域に分割されていることを示し

20、下図は曲面が最大主曲率線に従って７つの領域に分割されていることを示している。
【００９４】
図２に戻り、平面展開図生成ステップＳ６の後、平面展開図を出力する（平面展開図出力
ステップＳ７）。
ここでの出力には、画像データやファイルデータとしての出力の他、製造用コンピュータ
４０など、コンピュータ１０と連携している他機器へのデータ送信が含まれる。
【００９５】
このように、曲面展開プログラムは、コンピュータ１０に、入力された曲面データを取得
する曲面データ取得ステップＳ１と、曲面データに対し展開基準線となるネット状に交わる任意の曲線群を計算する曲線群計算ステップＳ２と、任意の曲線群で囲まれた領域の曲30

面パッチを取得する曲面パッチ取得ステップＳ３と、任意の曲線群の測地線曲率を計算す
る測地線曲率計算ステップＳ４と、測地線曲率を利用して曲面パッチを平面に展開する計算を行い平面パッチを取得する平面パッチ取得ステップＳ５と、取得した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した形状の平面展開図を生成する平面展開図生成ステップＳ６と、平面展開図を出力する平面展開図出力ステップＳ７とを実行させる。これにより、曲面上の任意の曲線群を基準として得られた曲面パッチを展開した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した平面展開図を得ることができる。また、繊維を配向したい流れに沿って切込みが入った復元精度の良い平面展開図を算出することができるため、従来は制御が困難とされていた繊維方向を設計パラメータとして考慮することが可能となり、製品設計の自由度が向上する。また、繊維方向を制御することで、ＣＦＲＰ等の複合材料製品の高強度化

40、軽量化、機能性の付加等に繋げることができる。なお、繊維としては成形品の用途に応じて、炭素繊維以外にも芳香族ポリアミド系樹脂繊維や超高分子量ポリエチレン繊維等の繊維の利用が可能である。
【００９６】
図９はツールパス計算プログラムの処理フローである。
ツールパス計算プログラムは、平面展開図に対して刺しゅう機３０のツールパスを計算するプログラムであり、コンピュータ１０にインストールされている。ツールパス計算プロ
グラムは、境界曲線が２本の展開基準線と２本の曲面の境界曲線とで構成されるような、一般的な主ストリップを例に説明する。
処理を開始したツールパス計算プログラムは、曲面展開プログラムを用いて得られた平面

50

(23)

JP 2022-45533 A 2022.3.22

展開図を取得する（平面展開図取得ステップＳ１１）。
【００９７】
平面展開図取得ステップＳ１１の後、ツールパスを平面展開図の内側に限定して配置する（ツールパス配置ステップＳ１２）。
ここで、図１０は平面展開図の境界曲線の分類例を示す図である。
図１０に示すように、ツールパスを引く平面展開図のパーツについて、各境界曲線を、展開基準線１（等パラメータ曲線、主ストレッチ線、主応力線、又は曲率線等）か、曲面の境界線２かの二種類に分類する。このように、ツールパス配置ステップＳ１２において、
平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開基準線１と、平面展開図の境界線２に分類することで、展開基準線１と境界線２を考慮してツールパスを配置することができる。

10【００９８】
ここで、図１１は平面展開図の領域拡大の例を示す図である。
平面展開図において、境界曲線のうち展開基準線１を延長して、平面展開図の領域を十分に広げる。これにより、後述のオフセット作業において、曲面の境界線２の影響を避け、展開基準線１の流れに沿ったツールパスが作られる。図１１では、展開基準線１の端部から接線方向に直線で延長している。
このように、ツールパス配置ステップＳ１２において、平面展開図の境界線２を延長し、境界線２の影響を避けて展開基準線１に沿ったツールパスの配置を容易にすることで、後のオフセット作業において、境界線２の影響を避けて展開基準線１の流れに沿ったオフセ
ット経路の計画を容易にすることができる。

20【００９９】
図９に戻り、ツールパス配置ステップＳ１２の後、平面展開図の内側におけるツールパスを計算する（ツールパス計算ステップＳ１３）。
ここで、図１２はオフセットの例を示す図である。
ツールパス計算ステップＳ１３においては、ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画することが好ましい。
これにより、配置する繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。なお、刺しゅう対象物は、例えば炭素繊維束（トウ）である。
図１２は展開基準線を延長し領域を拡大した境界曲線に対して内側へオフセットして複数の内側オフセット曲線４を描いた状態を示している。境界線２と最初の内側オフセット曲30

線４までのオフセット幅のみ刺しゅう対象物の幅に対して０．５倍とし、その後の内側オ
フセット曲線４は刺しゅう対象物の幅と同幅でオフセットしている。
また、ツールパスの計算は、ＮＵＲＢＳ曲線に基づいて行う。これにより、ＣＡＤソフト
で標準的なＮＵＲＢＳ曲線を利用してツールパスの計算を行うことができ、後の製造（ＣＡＭ）も連係し易くなる。
【０１００】
図１３はトリムの例を示す図である。
ツールパス計算ステップＳ１３においては、ツールパスを計画した後、平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線５を描き、不要な曲線をトリムする。これにより、刺しゅう対象物の幅を考慮した上で、不要な経路を含むツ40

ールパスが生成されることを防止できる。
図１３には、展開基準線１の外側に外側オフセット曲線５を描き、外側オフセット曲線５よりも外側にある拡張領域の境界曲線及び内側オフセット曲線４を不要な曲線として切り取った状態を示している。
【０１０１】
図１４はアイランド部の分類とツールパス追加の例を示す図である。
不要な曲線をトリムすると、図１４に示すように、一方の端点（端）と他方の端点（端）を有する内側オフセット曲線４と、端点（端）を有さない環状の内側オフセット曲線４が形成される。端点が無い環状の内側オフセット曲線４は、連続する閉じた輪郭であり他の曲線と繋げることができない。この環状の内側オフセット曲線４により形成された領域は

50

(24)

JP 2022-45533 A 2022.3.22、端点を有する内側オフセット曲線４から孤立した島のような領域であるアイランド部６として分類する。
ツールパス計算ステップＳ１３においては、平面展開図のオフセット経路の孤立したアイ
ランド部６に対し、アイランド部６を横断する経路を追加経路７として追加し、オフセッ
ト経路と追加経路７を用いてツールパスを計画する。アイランド部６を形成する全ての内側オフセット曲線４を貫く１本の滑らかな曲線である追加経路７を設けることにより、アイランド部６を横断する追加経路７により、全体の一筆書化が可能となる。図１４に示す
ように、追加経路７の長さは、端点を有する内側オフセット曲線４の長さと揃える。このように、追加経路７は、アイランド部６を一筆化するために追加するパスであり、追加した線は、そのまま一筆化時のパスとして利用される。

10【０１０２】
図１５はアイランド部を形成する内側オフセット曲線におけるツールパスの一筆書化の例
を示す図、図１６はツールパス全体の一筆書化の例を示す図である。
ツールパス計算ステップＳ１３においては、ツールパスを一筆書化できるように計算することが好ましい。なお、一筆書化とは、独立している各曲線を、一筆（ワンストローク）で描けるように繋げ、一つのツールパスを生成する単一の曲線にすることをいう。各スト
リップにおけるツールパスを一筆書化することにより、刺しゅう対象物の繊維トウがスト
リップ内部で分断されることを防止でき、強度を向上することができる。
一筆書化においては、まず、図１５に示すように、アイランド部６を構成している環状の内側オフセット曲線４と追加経路７の曲線とを合体（マージ）することによって、アイラ

20

ンド部６のオフセット経路を一筆書化する。これにより、アイランド部６の輪郭を一筆で書き込むことができるようになる。
次に、図１６に示すように、ツールパスを構成する全ての曲線を半円で連続的に繋ぐことで一筆書化する。ここでは、図９に示すように、端点指定ステップＳ１３−１、移動ステ
ップＳ１３−２、未接続判断ステップＳ１３−３、及び接続ステップＳ１３−４を実行する。
【０１０３】
端点指定ステップＳ１３−１では、開始点となるツールパスの端点を指定する。
移動ステップＳ１３−２では、端点指定ステップＳ１３−１で指定した開始点である端点から、その反対側の端点に移動させる。

30

未接続判断ステップＳ１３−３では、移動ステップＳ１３−２の結果を基に、ストリップ
内部に未接続の端点が残っているかを判断する。
未接続判断ステップＳ１３−３において、ストリップ内部に未接続の端点が残っていると判断された場合は、接続ステップＳ１３−４となる。接続ステップＳ１３−４では、まだ接続されていない、現在の端点から一番近い端点に接続する。接続ステップＳ１３−４の後は、移動ステップＳ１３−２に戻る。
一方、未接続判断ステップＳ１３−３において、ストリップ内部に未接続の端点が残っていると判断された場合は、一筆書化の処理を終了する。
これにより、ツールパスの一筆書化を正確かつ迅速に行うことができる。なお、図１７は作成したツールパスに沿って刺しゅう対象物を刺しゅうしたイメージ図である。

40【０１０４】
一筆書化の処理を終了した後、一筆書化したツールパスに沿ってトウ等の刺しゅう対象物を配置して、隙間領域を確認する。
図１８はオフセット曲線が実際の曲線から逸脱している場合の処理手順を示す図であり、
図１８（ａ）は補助線を追加した状態を示し、図１８（ｂ）は展開基準線を延長し領域を拡大した状態を示し、図１８（ｃ）はツールパスを構成する全ての曲線を半円で連続的に繋ぐことで一筆書化した状態を示し、図１８（ｄ）は一筆書化したツールパスに沿ってトウ等の刺しゅう対象物を配置して隙間領域を確認する状態を示している。
２つの曲線の距離が大きい場合、オフセット曲線は実際の曲線から逸脱する可能性がある。そのような場合は、図１８に示すように、補助線３をストリップの中心にマッピングし

50

(25)

JP 2022-45533 A 2022.3.22、ストリップを２つのストリップに分割し、上記のツールパス配置ステップＳ１２及びツールパス計算ステップＳ１３を各ストリップに適用する。ツールパス配置ステップＳ１２において、ツールパスのずれを軽減する補助線３を、展開基準線１を考慮して平面展開図の内側に描くことで、配置の際に補助線３を利用してツールパスのずれを軽減し、ツール
パスの精度を高めることができる。
また、ツールパス計算ステップＳ１３において、ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画することで、配置する繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。
なお、補助線３は、オフセットを精度良くするためのいわば、オフセット曲線の境界線（
オフセットを開始する基準線）のガイドラインであり、その線自体はパスにはならない。

10【０１０５】
図９に戻り、ツールパス計算ステップＳ１３の後、計算したツールパスを出力する（ツー
ルパス出力ステップＳ１４）。本実施例では、計算したツールパスは、通信ネットワーク
８０を介してコンピュータ１０から製造用コンピュータ４０へ送信される。
このように、ツールパス計算プログラムは、曲面展開プログラムにより得られた平面展開
図に計算された刺しゅう機３０のツールパスを配置することができ、平面展開図に対して、例えば、目的の方向に沿わせつつ、繊維の粗密のばらつきが少なるくなるよう配置する
繊維トウのツールパスを計算することが可能となる。
【０１０６】
ここで、ツールパス計算プログラムのアルゴリズムを、繊維（刺しゅう対象物）の配向角

20度、繊維同士のオーバーラップ、繊維同士の隙間、の三つの観点から評価する測定方法について説明する。
図１９は自動車のボンネットに対して曲率線を基準として展開した展開図上にツールパス
計算プログラムを適用したときの測定結果を示す図であり、図１９（ａ）はツールパスの配置角度について、展開された曲線Ａ及び曲線Ｂからのオフセットに沿った繊維配向の角度を交点で計算し直角との差を評価したもの、図１９（ｂ）は刺しゅう対象物がオーバーラップした領域について、グレースケールの画像上で暗いピクセル（オーバーラップ有り）と明るいピクセル（オーバーラップ無し）の比率で評価したもの、ならびに繊維のギャップ領域について、色付きのピクセル（繊維有り）と展開図内部の白のピクセル（繊維無し）の比率で評価したものである。

30

ツールパス計算プログラムのアルゴリズムによる結果を評価する方法の一つ目は、図１９（ａ）に示すように、展開された曲線Ａと展開された曲線Ｂとの交点でのオフセットに沿った繊維配向間の角度について設計角度からの偏差を評価するものである。
二つ目の評価方法は、刺しゅう対象物（トウ）間のオーバーラップの量を評価するものである。図１９（ｂ）に示すように、半透明のシェーディングモードを使用して、パスに沿ってトウの幅と等しい幅の２Ｄサーフェスを配置する。重なり合った領域（オーバーラッ
プした領域）は、重なり合っていない領域に比べて暗く見えて検出できるため、明るいピ
クセルに対する暗いピクセルの比率で評価する。
三つ目の評価方法は、刺しゅう対象物（トウ）間のギャップの量を評価するものである。
図１９（ｂ）に示すように、色を有するピクセルに対する内部の白のピクセルの比率で評

40

価する。
【０１０７】
図２０は複合材料を用いた曲面の製造方法の工程を示す図である。
複合材料を用いた曲面の製造方法は、まず、曲面展開プログラムを用いて得られた平面展
開図に基づいて原基材を裁断機２０で裁断した基材と、基材に刺しゅうする刺しゅう対象物を準備する（材料準備工程Ｓ２１）。基材は、ガラスクロス材などである。また、裁断した基材には、切込みが入ったものも含む。刺しゅう対象物ではなく基材のみに切込みを入れることで、部品の強度低下を防ぐことができる。
後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合は、基材に識別符号を付与する（第一の識別符号付与工程Ｓ２１−１）。これにより、基材の取り違えを防止し、刺しゅう時

50

(26)

JP 2022-45533 A 2022.3.22の順番等の識別を容易にすることができる。
【０１０８】
材料準備工程Ｓ２１の後、ツールパス計算プログラムを用いて得られたツールパスに基づいて基材に炭素繊維トウ等の刺しゅう対象物を配置する（材料配置工程Ｓ２２）。このとき、基材の上にツールパスに基づいた曲線を描くと、刺しゅう対象物を配置しやすくなる。
刺しゅう対象物は炭素繊維トウであることが好ましい。これにより、鋼と比較して比強度及び比弾性率に優れたＣＦＲＰ製品を製造することができる。
【０１０９】
材料配置工程Ｓ２２の後、刺しゅう機３０によりツールパスに従って刺しゅう対象物を基10

材に刺しゅうし、成形基材を得る（刺しゅう工程Ｓ２３）。成形基材（プリフォーム）は復元精度の良い平面展開図に基づいて基材を裁断し、計算されたツールパスに基づいて、
繊維トウ等の刺しゅう対象物を基材に配置して刺しゅうができるため、精度の高い成形基材を少ない労力で製造することができる。
【０１１０】
刺しゅう工程Ｓ２３の後、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合に、成形基材に識別符号を付与する（第二の識別符号付与工程Ｓ２４）。これにより、成形基材の取り違えを防止し、成形型５０への載置時の順番等の識別を容易にすることができる。
【０１１１】
第二の識別符号付与工程Ｓ２４の後、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場

20

合に、複数枚の成形基材を連結する（連結工程Ｓ２５）。複数枚の成形基材を連結して１枚物などにすることで、成形基材を成形型５０へ載置する際の手間を軽減することができる。
【０１１２】
また、曲面の成形型５０を準備する成形型準備工程Ｓ２６と、刺しゅう工程Ｓ２３で得られた成形基材を成形型５０に載置する成形基材載置工程Ｓ２７と、成形基材を載置した成形型５０に樹脂を注入し成形する樹脂成形工程Ｓ２８と、樹脂を硬化させて成形基材と一体化された複合材料から成る曲面を得る曲面完成工程Ｓ２９を有する。これにより、繊維
トウ等の配置が計算した曲線群に沿った曲面を有するＣＦＲＰ製品等の複合材料を用いた樹脂成形曲面を製造することができる。なお、樹脂としては成形品の用途に応じて、エポ30

キシやフェノール等の熱硬化性樹脂、またポリオレフィン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂の何れも使用が可能である。
また、ＣＦＲＰの成形には、真空含浸工法（VaRTM）などの一般的な成形方法を適用することができる。
また、曲面データ取得ステップＳ１で取得する曲面データをＮＵＲＢＳ曲面データとし、
ＮＵＲＢＳ曲線に基づいてツールパスの計算をしている場合、曲面の成形型５０はＮＵＲ
ＢＳ曲面に基づいたものであり、裁断機２０による基材の裁断、及び刺しゅう機３０によるツールパスに従った刺しゅうは、ＮＵＲＢＳ曲線に基づいたものである。これにより、
同じ幾何学的表現を共有するＣＡＤ、ＣＡＥ、及びＣＡＭ技術を連係し、ＮＵＲＢＳ曲面やＮＵＲＢＳ曲線を利用して複合材料から成る曲面を製造することができる。なお、曲面40

データ取得ステップＳ１で取得する曲面データをベジェ曲面データ、Ｂ−スプライン曲面
データ、又はＴ−スプライン曲面データとし、各曲線に基づいてツールパスの計算をしている場合、曲面の成形型５０は各曲面に基づいたものであり、裁断機２０による基材の裁断、及び刺しゅう機３０によるツールパスに従った刺しゅうは、各曲線に基づいたものである。
【０１１３】
成形基材載置工程Ｓ２７においては、複数枚の成形基材を重ねて載置することが好ましい。これにより、複合材料を用いた製品の強度を高めることができる。
また、複数枚の成形基材は、複数パターンの成形基材を組み合わせたものであることが好ましい。これにより、複合材料を用いた製品の強度をより高めることができる。

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(27)

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また、複数パターンの成形基材は、炭素繊維トウの炭素繊維が直交するパターンを組み合わせたものであることが好ましい。これにより、より強度を高めたＣＦＲＰ製品を得ることができる。なお、局所的に炭素繊維の配向を変えることで、部分的な強度調整も可能である。
【０１１４】
図２１は平面展開図の生成から製品製造までの流れを示す概念図である。
上記で説明した通り、まず図２１（ａ）に示すように、入力曲面の２次元パラメータ空間、又は３次元空間において、入力曲面の構造化された四辺形の曲面パッチのテッセレーシ
ョンを行う。
次に図２１（ｂ）に示すように、これらの曲面パッチを展開して平面パッチを取得する。

10

次に、図２１（ｃ）に示すように、平坦化された平面パッチを並び替えてを２つの方法で整列させ平面展開図を生成する。
次に、図２１（ｄ）に示すように、ツールパスを生成する。
次に、図２１（ｅ）に示すように、刺しゅう機３０を使用して展開パッチに刺しゅう対象物を配置し、成形基材（プリフォーム）を製作する。
最後に、図２１（ｆ）に示すように、複合材料から成る曲面を有するＣＦＲＰ製品等の製品を形成する。
【０１１５】
次に、本発明を適用した製造例として、自動車のボンネットモデルと、船舶用プロペラブ
レードモデルを説明する。

20

図２２はＣＦＲＰ製造方法の概略図であり、図２２（ａ）はＶａＲＴＭを示し、図２２（ｂ）はＬ−ＲＴＭを示している。また図２３は製造中のＶａＲＴＭ装置及びＬ−ＲＴＭ装置を示す図であり、図２３（ａ）、（ｂ）はＶａＲＴＭ装置による自動車のボンネットの成形プロセスを示し、図２３（ｃ）、（ｄ）はＬ−ＲＴＭ装置による船舶用プロペラの成形プロセスを示している。
刺しゅう機３０としてタジマTCWM-101（タジマ工業株式会社製）を用い、基材に炭素
繊維トウを配置し、成形基材（プリフォーム）を製造した。炭素繊維トウにはToho Te
nax HTS40 F22 12K 800TEXS（帝人株式会社製）、基材であるガラスクロスには厚さ０．１８ｍｍのMARINETEX 0.2A（ニチアス株式会社製）を用いた。
ＣＲＦＰシェル構造の製造には、ＶａＲＴＭ装置及びＬ−ＲＴＭ装置を使用した。ＶａＲ30

ＴＭ処理は、低コストの複合製造技術である。図２２（ａ）に示すように、乾燥した成形
基材を開いた型の上に重ね、真空フィルムで覆って真空圧下で樹脂を成形基材に注入し、オーブンで硬化させる。一方、Ｌ−ＲＴＭは、クローズドモールドを用いた複合材料の製造プロセスである。Ｌ−ＲＴＭ装置で製造された部品の両面には鏡面仕上げが施されるが、ＶａＲＴＭ装置で製造された部品では、金型側のみに鏡面仕上げが施される。
【０１１６】
図２４は自動車のボンネットモデルの成形基材を製造するために適用されたＴＦＰ刺しゅ
う機の一筆書化したツールパスを示す図であり、図中の記号Ｓは始点の位置を示し、記号
Ｅは一筆書化したツールパスの終点の位置を示す。図２４（ａ）は最大主曲率線に沿った経路であり、図２４（ｂ）は最小主曲率線に沿った経路である。また、図２４（ｃ）、（

40ｄ）は、それぞれ図２４（ａ）、（ｂ）中に正方形で囲んだ領域の拡大図である。
一筆書化したツールパス（ストロークパス）を適用して、図２４に示す自動車ボンネット
モデルの成形基材を製造する。最大主曲率線及び最小主曲率線に沿った経路は、それぞれ
図２４（ａ）、（ｂ）に示されている。なお、切込みは基材のみとしており、図２４（ａ）、（ｂ）における繊維方向は、３次元形状にした際、層ごとに直交する。
【０１１７】
図２５はＴＦＰ刺しゅう機によって製造された成形基材を示す図であり、図２５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図２４に示す対応するパスに基づいてＴＦＰ刺しゅう機によって製造された成形基材を示し、図２５（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ図２５（ａ）、（ｂ）に対応する
炭素繊維トウの拡大図である。また、図２６はＶａＲＴＭ装置によって製造されたＣＦＲ

50

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Ｐ自動車ボンネットを示す図であり、図２６（ａ）は鏡面仕上げの金型側、図２６（ｂ）
は鏡面仕上げのないフィルム面側を示す図である。
図２５に示す成形基材を金型に積み重ね、ＶａＲＴＭ装置を使用して、ＣＦＲＰ自動車ボ
ンネットモデルを製造している。
【０１１８】
図２７は曲線に沿った船舶用プロペラブレード曲面の展開プロセスを示す図であり、図２７（ａ）は船舶用プロペラブレードを示し、図２７（ｂ）はブレードの吸引側の曲率線を示し、図２７（ｃ）はブレードの圧力側の曲率線を示し、図２７（ｄ）は曲率線のプリイメージを示し、図２７（ｅ）は展開されたストリップを示している。
また、図２８は船舶用プロペラブレードモデルの成形基材のツールパスを示す図であり、

10

図２８（ａ）は最大主曲率線に沿った経路を示し、図２８（ｂ）は最小主曲率線に沿った経路を示している。プロペラブレードは複数枚のストリップから構成されており、図２８（ａ）中の数字（１−１〜１−１５）、及び図２８（ｂ）中の数字（２−１〜２−８）は識別符号である。また、図２８（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図２８（ａ）、（ｂ）中に正方形で囲んだ領域の拡大図である。
一筆書化したツールパスを適用して、図２８に示すように船舶用プロペラブレードモデルの成形基材を製造する。なお、切込みは基材のみとしており、図２８（ａ）、（ｂ）における繊維方向は、３次元形状にした際、層ごとに直交する。
【０１１９】
図２９はＴＦＰ刺しゅう機で製造された成形基材を示す図である。また、図３０はＬ−Ｒ

20

ＴＭ装置によって製造されたＣＦＲＰ船舶用プロペラブレードを示す図であり、図３０（ａ）は鏡面仕上げの吸引側、図３０（ｂ）は鏡面仕上げの圧力側を示す図である。
図２９に示すように、成形基材は、図２８と同じ識別符号のパスに対応してＴＦＰ刺しゅう機で製造される。
【産業上の利用可能性】【０１２０】
本発明は、上記した自動車のボンネットや船舶用プロペラの他、一般的なＣＦＲＰ製品等の複合材料製品に適用することができる。
【符号の説明】【０１２１】
１

展開基準線

２

境界線

３

補助線

４

内側オフセット曲線

５

外側オフセット曲線

６アイランド部

７

追加経路

１０

コンピュータ

２０

裁断機

３０

刺しゅう機

４０

製造用コンピュータ

５０

成形型

６０

樹脂成型手段

７０

ＣＡＤシステム

８０

通信ネットワークＳ１

曲面データ取得ステップ

Ｓ２

曲線群計算ステップ

Ｓ３

曲面パッチ取得ステップ

Ｓ４

測地線曲率計算ステップ

Ｓ５

平面パッチ取得ステップ

30

40

50

(29)

Ｓ６

平面展開図生成ステップ

Ｓ７

平面展開図出力ステップ

Ｓ１１

平面展開図取得ステップ

Ｓ１２

ツールパス配置ステップ

Ｓ１３

ツールパス計算ステップ

Ｓ１３−１

端点指定ステップ

Ｓ１３−２

移動ステップＳ１３−３

未接続判断ステップ

Ｓ１３−４

接続ステップ

Ｓ１４

ツールパス出力ステップ

Ｓ２１

材料準備工程Ｓ２１、Ｓ２４10

識別符号付与工程

Ｓ２２

材料配置工程Ｓ２３

刺しゅう工程

Ｓ２５

連結工程

Ｓ２６

成形型準備工程Ｓ２７

成形基材載置工程

Ｓ２８

樹脂成形工程Ｓ２９

曲面完成工程【図面】【図１】

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20
【図２】

30

40

50

(30)

【図３】

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【図４】

10

【図５】

【図６】

20

【図７】

【図８】

30

40

50

(31)

【図９】

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【図１０】

10

20

【図１１】

【図１２】

30

40

50

(32)

【図１３】

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【図１４】

10

【図１５】

【図１６】

20

30

40

50

(33)

【図１７】

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【図１８】

10

【図１９】

【図２０】

20

30

40

50

(34)

【図２１】

【図２２】

【図２３】

【図２４】

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10

20

30

40

50

(35)

【図２５】

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【図２６】

10

20
【図２７】

【図２８】

30

40

50

(36)

【図２９】

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【図３０】

10

20

30

40

50

(37)

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フロントページの続き(72)発明者

松尾 宏平
東京都三鷹市新川６丁目３８番１号 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所内(72)発明者

櫻井 昭男
東京都三鷹市新川６丁目３８番１号 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所内(72)発明者

前川 卓
東京都新宿区戸塚町１丁目１０４番地 学校法人早稲田大学内(72)発明者

滝沢 研二
東京都新宿区戸塚町１丁目１０４番地 学校法人早稲田大学内(72)発明者

乙黒 雄斗
東京都新宿区戸塚町１丁目１０４番地 学校法人早稲田大学内

Ｆターム（参考）

3C100

AA22 AA27 AA66 BB05 BB06 BB13 BB19 CC02 CC03 EE16

4F205

AA36 AB11 AB18 AC03 AD16 AG03 AH31 AM23 HA09 HA22
HA33 HA35 HA44 HB01 HC04 HC17 HF02 HG01 HK03 HK04 HK05
HT02 HT13 HT26

5B046

AA05 BA10 CA06 DA08 FA12 FA18

5B146

BA01 BA04 EA13 EA17 EC0310