| 研究課題/領域番号 |
22K02941
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
高藤 圭一郎 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 講師 (10461485)
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| 研究分担者 |
筒井 壽博 弓削商船高等専門学校, 商船学科, 教授 (90749706)
長井 弘志 弓削商船高等専門学校, 電子機械工学科, 准教授 (70453206)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 熱溶融積層型３Dプリンター / 教育教材 / 工学教育 / 機械設計 / 設計課題 |
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| 研究実績の概要 |
機械設計製図テーマA：遠心ポンプについてはこれまでの設計課題を修正し、３DCAD上で羽根車部のモデル作成とケーシング部検討を行った。最終目的である実物作成のためにこれまでの設計課題として実績のある寸法形状から大幅な小型化や鋳物による壁面を樹脂製の壁面に置き換えるなどの問題を検討し、動作流体を水にするポンプの動作模型から空気とするブロアや竹とんぼ、更なる代わりとして熱交換現象を観測対象とするスターリングエンジンなどを代替テーマとして検討に入った。
機械設計製図テーマB：歯車変速機については順調に推移しており、性能把握のための歯車部の設計製作はノウハウの構築をしつつ進めている。軸周辺の変速システムを設計製作については旋盤の主軸台のような変速時に一旦回転トルクを抜いてから変速する単純変速機構のみならずトルク伝達中でも変速可能となるシンクロ機構も追加して模型化に成功した。基本的な歯車はほぼPythonとSCCADのコマンドだけで歯車形状データ作成が出来るようになった。また歯車製作においては試行錯誤のサイクルを短縮し，より完成度の高い機械部品を製作するために、簡単な形状計測と強度試験の結果を用いた機械学習による機械部品の品質評価法を提案した。また簡易的な強度試験の方法を提案し，試験装置の３DCADモデルを示し，実機の製作，および実機による実験を実施した。
個人別衛生消耗品テーマC：利用予定であった個人の形状データに基づいた通常より高性能なマスクやフェイスシールドなどの公衆衛生製品については、回転対称形状で安価な３Dスキャナーの弱点が見つかった。空間上の認識した仮想空間上の点に反映している際にどこをスキャンしているか見失ってしまう欠点があることが判明した。このため生体をスキャンすることは出来るが歯車の様な回転対称の物体の形状認識の精度が著しく低くなることが判明した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
機械設計製図テーマA：遠心ポンプについてはこれまでの設計課題を修正し、３DCAD上で羽根車部のモデル作成とケーシング部検討を行った。最終目的である実物作成のためにこれまでの設計課題として実績のある寸法形状から大幅な小型化や鋳物による壁面を樹脂製の壁面に置き換えるなどの問題を検討し、動作流体を水にするポンプの動作模型から空気とするブロアや、代わりに熱交換現象を観測対象とするスターリングエンジンなどを代替テーマとして検討に入った。
機械設計製図テーマB：歯車変速機については比較的順調に推移しているが、トルク伝達しつつ変速を可能とするシンクロ機構について、機構について調べるだけでなく、どの部分を模型化してどの部分を省略するか、どの部分を金属製としてどの部分を３Dプリンター製の樹脂にするか等の取捨選択を行い印刷し実物模型構築して動作確認出来た。これを用いて実際に教育効果が得られるかを検証中である。
個人別衛生消耗品テーマC：利用予定であった個人の形状データに基づいた通常より高性能なマスクやフェイスシールドなどの公衆衛生製品としての題材、刃分離型ハサミ等については学生が取り扱う事が安全面で難しいことが判明したため、研究推進の方針転換をして推進が遅れている。また個人の形状データ取得に用いる安価な３Dスキャナーの弱点が見つかった。空間上の認識した仮想空間上の点に反映している際にどこをスキャンしているか見失ってしまう欠点があり、生体をスキャンすることは出来るが歯車の様な回転対称の物体の形状認識の精度が著しく低くなる。これらの弱点を回避するスキャン方法を構築するか、これまでと異なるスキャン方法で評価するかなどに時間を要している。
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| 今後の研究の推進方策 |
機械設計製図テーマA：遠心ポンプや水車、プラとんぼなど回転計製作物については、これまで利用しているノズル径0.4mm程度の熱融解積層型３Dプリンターから製作精度が高く、射出精度の高いノズル径0.1mmまで選択可能なプリンターに徐々に置換していく。また金属部品では外注についても検討する。それだけでなく動作流体を空気としてブロアや竹とんぼを代替テーマに、もしくは大幅に観測する物理現象を変えて外燃期間の構築なども視野に入れている。
機械設計製図テーマB：歯車変速機については上記テーマAで述べた精度の高い熱融解積層型３Dプリンターを利用して、精度の向上を図る。特にトルク伝達中でも変速可能となるシンクロ機構共模型化部分についてはCNC切削加工によるアルミ金型を用いた射出成型も試行する。更に変速機構を学生に容易に理解してもらい、更に展示物としてオブジェ的な利用も可能にするために自動変速機構まで可能にすることも試みる。
個人別衛生消耗品テーマC：刃分離型ハサミについては学生が取り扱う事が安全面で難しいことが判明したため、まずは学生に試行してもらう前に研究推進者の方で雛形となる形状と製作方法を立案する予定である。また、個人の形状データ取得に用いる安価な３Dスキャナーの弱点が見つかったため、利用予定であった個人の形状データに基づいた通常より高性能なマスクやフェイスシールドなどの公衆衛生製品については、別型式の３Dスキャナー利用や従来の粘土や石膏のアナログ的な手法とのハイブリッド等の弱点回避の方法を検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
テーマAの代わりに立ち上げた回転翼機械としてブロアや水車への変更やこれまでの竹とんぼによる知見を生かせるプラとんぼ、紙とんぼなどへのテーマ修正の検討に時間を要したため、予算を使っての製作・実験が遅れている。
テーマCについては最初の生体の形状把握の段階で利用する機器の取得が遅れている。特に教育に利用できる範囲の予算で購入可能な３Dスキャナーは技術的欠点もありこれらを対策するか、新たに別手法を模索するか等に時間を要している。
これらの使用計画としては、最終年度の前半期に終えたいと考えているが、やむを得ない場合は研究期間延長も視野に入れている。
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