先進的プログラム構築方法論に支えられた高機能な3D印刷造形技術の開拓

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K19788
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 上田 和紀 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10257206)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: 3D印刷 / 先進ソフトウェア技術 / 部品化・組合せ技術 / 造形パラダイム / 高水準モデリング

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，熱可塑性樹脂を用いた積層型3D印刷による高機能造形物実現のための要素技術の進展を目標に，以下の研究開発を実施した．
(1) 3Dプリンタ精密制御技術：本研究課題の最終目標は高水準ソフトウェアの観点からの3D印刷技術の進化であるが，前年度の研究結果に基づき，ソフトウェアについては，低レイヤすなわちGコードレベルの技術の調査および開拓を優先的に実施した．具体的には，スライサが出力するGコードの解析，およびスライサによらないGコードによる印刷実験を行った．特に，通常のスライサの前提となっている水平積層の枠組にとらわれない非水平積層の実験を，コイルばね等の造形を通じて実施した．また，Gコードレベルで初めて可能となる技術について，中空造形のためのサポート構造の制御や造形物の表面平滑化などへの応用の見通しをつけるとともに，樹脂の温度収縮特性に起因する変形の制御など，物理現象との界面への低レイヤ技術の適用の基礎検討を行った．またデルタ型プリンタの組立てを通じて機器の特性の理解を進めた．
(2) 機能部品の設計技術：造形物を基本構成要素に分解すると，寸法保持，締結，回転（ベアリング等），弾性（バネ等），伝達（歯車，ジョイント等）等に分類できる．この中で挑戦度が高い回転や弾性の実現についての検討を部品試作を通じて進めた．これを通じて，弾性部材の繰返し応力に伴う疲労への考慮などの技術課題を洗い出し，対処法の検討を行った．
(3) 部品の組合せ技術：最終目標となる大規模高機能造形物の検討を行った．垂直面で動作する大型プロッタを候補の一つに設定して，その基本設計を進めた．

研究代表者自身による上記の実験に加え，機械工学を専門とする研究協力者および大学院生と数回の会合を行い，通常の積層にとどまらない諸技法について検討および情報交換を行った．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究提案時点では通常のCADツールとスライサを用いて実現可能な造形技術を仮定していたが，前年度の検討結果に基づき，通常のスライサが生成するツールパスの制約を超えた制御の実現を目指すこととし，低レイヤの造形技術の基礎検討に注力してきた．このため，高水準モデリングに期待される制約プログラミング技術や部品化など，低レイヤに立脚したプログラミング技術の観点からの検討が当初予定よりも遅れている．
また，低レイヤの造形技術の構築自体は進展しつつあるが，その合理性を担保するための系統的な実験を通じたデータ収集が今後の課題となっている．

Strategy for Future Research Activity

本研究は高レイヤのソフトウェア技術に基づく造形パラダイムの提案を最終目的としているが，低レイヤ技術の革新とそこからの積み重ねは欠くことができないため，以下の点に留意しつつ研究を進める予定である．
(1) 低レイヤすなわちGコードレベルの制御技術の確立を進めつつ，高度なGコードの自動生成に向けたソフトウェア技術の検討を，言語処理系構築に関する経験と知見を活かして推進する．
(2) 系統的な機能部品造形法の確立を目指し，大学入構が制限される状況ではあるが可能な限り造形実験を進め，得られた知見やデータの整理と機能部品のライブラリ化を推進する．またこれを通じて，ソフトウェア成果の公開を論文成果に先行させて進める．

Causes of Carryover

旅費が当初の計画を下回った．次年度使用額については，主に評価実験推進のための材料費および謝金にあてる．