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いまさら聞けない、製造業の3Dプリント―3Dデータ取り扱い―Polyring五十嵐様【3D Printing特区】

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2019年9月26日に開催したイベント「3D Printing特区」(主催:㈱3D Printing Corporation)では、「いまさら聞けない、製造業の3Dプリント」がテーマでした。

ゲストスピーカー、Polyringの五十嵐様には、3Dデータの取り扱いについてご説明いただきました。

詳細: https://www.3dpc.co.jp/blog/tokku-20190926-report

Published in: Engineering
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いまさら聞けない、製造業の3Dプリント―3Dデータ取り扱い―Polyring五十嵐様【3D Printing特区】

  1. 1. プリンター出力のためのデータ作成   五十嵐 祐美子
  2. 2. ●Polyringとは
 3Dスキャン、3Dモデリング、リバースエンジニアを中心とした
 データ作製サービス会社
 
 一般的なCAD/CAMの他、スキャンデータ編集/変換処理、
 ハイポリゴンモデリング等を中心に行っています。

  3. 3. ●3Dデータとは?
 インクジェットプリンターで紙に写真を出力する時に写真のデジタルデータが必要なように、3Dプ リンターでモデルを出力する時にも3次元のデータが必要になります。3Dデータとは立体形状を作 製するツールを使用して定義された立体情報の事です。

  4. 4. ●3Dデータを作成するソフトとは?
 3次元の形を定義するソソフト アニメーションや画像を作成するソフ ト 3DCAD 3Dモデリングソフト 3DCG 数値を定義し、実物の製造物を設計するソフト ウェアです。工業部品の組付けや作製したデー タを使用して解析などを行う事が可能です。 3DCADと3DCGの中間にあたるソフトウェアで す。自由性を保ちながら実物の製造物として成 立させるための制御を行う事が出来ます。宝 飾、玩具、医療など有機的な形状を製作する分 野で使用されます。 3Dオブジェクトを作製し、美しいアニメーション や綺麗な画像を作製するためのソフトウェアで す。物理的な制限に囚われる事なく仮想空間上 で自由なデザインを行う事が可能です。 現実のものからデータ作製するソフト
 3Dスキャナ
 CT/MRI
 フォトグラメトリ
 対象物に光を当ててその反射をカメラで読み取 る三角測量を行い、立体データを取得します。 
 X線や磁気の共鳴で物の断面写真を連続で取 得します。連続した写真のDICOMデータから画 像の閾値で輪郭を読み取り 
 それを積み重ねることで3Dデータを作製しま す。
 対象物を別のアングルから複数枚撮影した画 像をフォトグラメトリソフトウェアに読み込ませ標 高を三角測量するプロセスを繰り返し3Dモデル を作製します。
 

  5. 5. 3Dデータの歴史

  6. 6. ●アナログからデジタルへ
 製品を製作する工程で、まずはデザイナーが絵で形状のイメージを紙の上に落とし込んでいくことから始まりま す。形が決まった後、第二工程で設計者が物理的にどのような構造にしていくのかの設計図を描きます。
 その設計の工程で重要なことの一つとして、その後の製品の完成までの工程に関わる様々な人達が誤解なく同 じ情報を共有できるように綺麗で分かりやすい正確な図を描く必要がありました。
 そのために歴史上様々なツールが存在し、そして時代や環境とともに移り変わっていくことになります。
 その中の一番大きな変化は手作業(アナログ)から、パソコンや機械を使用したものづくり(デジタル)へ移行した 事です。
 図面制作のデジタル化に伴いソフトウェア開発者はパソコンで絵や 図を表現できるようにしなければなりませんでした。
 パソコンは数字(0と1)しか認識することが出来ません。
 ソフトウェアの開発者は数字だけしか使えない制限の中、設計者に とってどのような手法で「形状」や「図」を表現するのが適切なのかを 考えました。

  7. 7. ●データの種類と表現方法について~関数と座標~
 関数 座標 表現(記述) Y=2X (3,6)(2,4)(1,2)(-1,-2)(-2,-4)(-3,-6) 現在、大きく分けて二通りの表現方法が採用されています。同じ線の形でも表現の仕方が異なります。
 何故現在2通りの表現方法があるのかというと、それぞれの表現方法によってメリットとデメリットがあるからです。
  8. 8. ●関数のメリット
 下図のように係数(赤字の値)を 変えれば線の形をすぐ変えること ができます。これによって線に特 性を持たせる事が出来ます。 このような特徴から、機械設計の ような寸法制御が多くまたトライア ルで値を何度も変える必要があ る用途で使用するツールに採用 されています。
  9. 9. ●座標のメリット
 座標で表現されている場合、座標 一つ一つの数字(位置)を変える 事が出来るのでとても複雑な形 状を表現することができます。
 この特徴の為、有機物やデザイ ン性の高い複雑なものを製作す る用途で使用されるツールに採 用されています。
 

  10. 10. ●それぞれのメリット、デメリット
 わかりやすいように2Dで説 明しましたが、3Dデータの表 現方法についても原則的に は変わりません。
 関数はペーパークラフトのよ うなイメージです。
 
 基本的に3DCADはほぼ全 てこの関数で表現する方法 を採用しています。
 
 

  11. 11. ●それぞれのメリット、デメリット
 座標は粘土のようなものを使って 表現していると想像すると分かり やすいかと思います。
 多くの3DCG、基本的なリバース エンジニアリングソフト(3Dスキャ ナデータ処理ソフト)、3Dプリンタ の入力フォーマットはこの座標で 表現する方法を採用しています。 ポリゴンと表現すると馴染みがあ るかもしれません。
 ポリゴンも座標で表現する手法の 代表的な一つとなります。

  12. 12. ●3Dプリンタの共通フォーマット STL
 3Dプリンタの共通フォーマットはSTLです。つまり「座標」のデータの持ち方で構成されております。3Dプリ ンターでモデルを造形するにあたって、モデルデータを任意の方向でスライスし大量の断面を作成する必 要があります。方向によっては複雑な形の断面ラインを大量に形成しないといけないため、座標で表現し た方が処理速度上都合がいいのです。
 このよう表現方法の両方のメリットを生かすため、または出力する機械の制限や認識方法に基づいて、こ の座標と関数の表現方法を行ったり来たりしながら3Dデータはソフトウェア、機械間を移動していきます。

  13. 13. 3Dプリンター用データ出力時
 の注意点 エラーデータについて

  14. 14. サグ値設定ミス
  15. 15. ● CADから3Dプリンターへ
 ☆CADから3Dプリンターへデータ出力する際に良く起こる現象
 ◆ミラーボール現象
 NURBES(関数)の滑らかな曲面で作成されたCADデータをポリゴン(小さな三角形)に変換する際に起こる エラーです。
 CADデータに対して、どのくらいの細かさのポリゴンで変換するのかの指定を誤ると下図のミラーボールの ようなカクカクとした形状で変換される場合があります。
 上 出力後
  16. 16. ●サグ値の設定
 ほとんどの3 の「設定」で を出力する際のサグ値(どれくらい細かい三角で出力するのか)を調整す るオプションがあります。こちらを調整することによってミラーボール現象を回避することができます。
 メッシュ変換時に指定する もあります。
  17. 17. ●ポリゴンの精度
 側の設定で変換する際の三角形を細かくすればするほどきれいで滑らかな曲面を表現することが出来ま す。しかし、一方でデータは重くなります。逆にポリゴンの数を抑えるとデータは軽くなりますが、形の再現性は 低くなります。その データに応じて適切な選択が必要となります。出力機器( プリンタ)の積層ピッチより 細かくしても意味がないので、機器の最小出力解像度を確認の上適切な設定を行ってください。 
 精度 データサイズ 良い悪い 大きい小さい ポリゴン数 多い少ない ポリゴン1辺の値:0.1mm ポリゴン1辺の値:0.01mm ポリゴン1辺の値:0.001mm
  18. 18. ポリゴンエラー
  19. 19. ●データ互換の際によく起こるエラー
 
 プリンターで利用するフォーマットに変換する際に、よく起こるデータエラーについて以下説明いたしま す。
 
 ●バッドエッジ
  オープンになっているエッジ
 ●近接バッドエッジ
 面と面の間にある隙間 ●近接バットエッジの穴
  空中に浮いてる面
  20. 20. ●データ互換の際によく起こるエラー
 
 
 ●反転三角
 穴を埋めて一つのピースにした時に、
 一つのソリッドとして考えてその中で三角の 法線方向が反転している箇所
 ●重複三角
  同じポリゴンが重なっている
  21. 21. ●修正ソフトの紹介
 このようなポリゴン自体のエラーに関しては修正ソフトウェアが必要になります。
 代表的なソフトウェアは以下となります。
 
 1・日本ユニシス株式会社様
 POLYGONNALmeister
 https://www.excel.co.jp/polygon/
 2・マテリアライズ様 Magics
 https://www.materialise.com/ja/software/magics
 3・3D Systems様 3Dsprint
 https://softwaresupport.3dsystems.com/knowledgebase/article/KA-03395/en-us
 4・ Autodesk様 netfabb
 https://www.autodesk.com/products/netfabb/overview
 
 
 

  22. 22. CG→3Dプリンタの受け渡しの際に
 よく起きるエラー
  23. 23. ● CGから3Dプリンターへ
 ◆くっついて見えるだけ??
 CGは画像やアニメーション作製の為のツールです。
 その為オブジェクト同士が交差しているという物理的にありえない形でもそれぞれのオブジェクトを動かすた めにはそちらが「適切」であれば、そのようなデータの持ち方でモデルが構成されます。その為、そのデータ のまま出力しようとすると「物と物が交差している」という物理的にありえない状態であると認識され3Dプリン ターで出力できないエラーデータとして認識されます。

  24. 24. ●部品の交差をなくす
 3 プリントするためにはひとつのパーツ(シェル)になっている必要があります。 データを上から見た時の形状(表面)を認識する切削加工と違い、 プリンタは データの断面(スライス) を認識します。そのため物理的に質量をもったモデル同士が重なり合っている断面をエラーとみなします。そ のため つ以上の部品が交差しているような場合は必ず部品同士を合成(ブーリアン演算)し、ひとつのパーツ にする必要があります。 また、形状の表面が複雑すぎて交差してしまっているような状態のデータも造形することができませんので修 正が必要です。
 
 
 
 別々のパーツ × ひとつのパーツ ○ 交差×
  25. 25. ● CGから3Dプリンターへ
 ◆髪の毛、まつげ、服に厚みはありますか?
 CGは物理的に存在できるかどうかの観点でモデルを作成しませんので、まつげ、髪の毛、服などを1枚のテ クスチャで表現することが多いです。
 そのためそのままデータを出力しようとすると、厚みが0である以上物理的に存在できないために、3Dプリン ターで出力できないエラーデータとして認識されます。

  26. 26. ●必ずソリッドデータにする(プリンタビリティなモデリング)
 3 プリント可能なデータはソリッド形状である必要があります。 ソリッド形状とは厚みを持ったデータの事を指します。厚みを持たないサーフェスでデータを構成する場合は、 サーフェースの表面全ての隙間が閉じている必要があります。 厚みが のサーフェスは造形できないことを踏まえ、オペレーターが全てのパーツに質量をもたせることを意識 してモデリングする必要があります。 サーフェス ×ソリッド ○
  27. 27. CTデータ→3Dプリンタ
 への受け渡しの際に起こるエラー
 

  28. 28. ● CTから3Dプリンターへ
 ☆CTから3Dプリンターへデータ出力する際に良く起こるエラー
 ◆細すぎる所はありませんか?
 海綿体などの部分は非常に細かいディティールの為、造形できたとしても壊れてしまう可能性が高いです。 またはどこの部分にもくっついていない小さな箇所は、バラバラに造型されてしまいますので、空中に浮か んでしまっている細かな箇所の削除、もしくは厚み付けなどを行う工夫が必要となります。
 

  29. 29. 3Dスキャンデータと
 その取扱い方法について
 

  30. 30. ● 3Dスキャナから3Dプリンターへ
 ☆3Dスキャナから3Dプリンターへデータ出力する際に良く起こるエラー
 ◆穴は空いていませんか?
 3Dスキャナはカメラで見えている部位しかデータを取得することができません。
 よって深い穴やアンダーカットになってしまっている部分はデータを取得する事が出来ずに穴が開いてしま います。どうしてもスキャンする事が出来ず空いてしまった穴はソフトウェアで埋めるなどの編集を行い、完 全なソリッド(立体)にする必要があります。

  31. 31. 3Dスキャナのデータ
 3Dスキャナで取得されるデータは「座標」です。
 つまり「関数」で形状を表現するソフトウェアである3DCADでは編集することができません。
 
 
 
    3 スキャンデータ ① 座標の概念で3Dを表現しているソフトウェアを使用してポリゴン自体をダイレクトに編集する
 
 代表ソフト Geomagic Freefrom /Zbrush・・・・等
 
 ② 座標の表現方法から「関数」の表現方法に変換した後CADで編集する
 
 代表ソフト  Geomagic DesignX /spScan  /Polyworks Modeler/
        各3DCADのSTL(メッシュ)モジュール・・・等
 
 
 点群表示
  32. 32. 3Dプリンター用データ出力時
 の注意点 ~物理限界~
 
 

  33. 33. ●3Dプリンター出力のためのデータ作成注意点
 プリンターには様々な材料と造形方法があります。3 プリンターの特性によってはデータ通りに造型出来 ない場合が在ります。各機器の特性を理解し、考慮してモデリングを行いましょう。 微小形状は避ける。 (造型機の出力精度以上)
 薄板、細長い形状に配慮する 重力や圧に配慮する 造形エリアや部品同士の隙間を意識したモデリングを行う
  34. 34. ●微小形状を避ける(造型機の出力精度以上)
 プリンターの仕様や素材によって、造形できる細かさには限界があります。 積層ピッチ以下の微細なモデリングをしても造形物には反映されません。 3 プリンターの精度に合わせて、モデリングの精度を最初からコントロールすることで無駄なモデリ ング時間を短縮でき、開発から製品化までの工数を削減することができます。 また、建築物や仏像等の元々大きかった物をスケールダウンして造形をする様な場合は特に注意が 必要です。元々がとても大きなものなので プリンタの造形エリアに収まるように縮小をかけると壁 などが薄くなりすぎて造形できない事が起こります。単純にスケールダウンするだけでは上手くいか ないこともあるので注意が必要です。
 データ 造形物
  35. 35. ●薄板/長細い形状への配慮
 プリンターの造型材料には様々なものがあります。素材の特性、例えば石膏等の強度が弱い材料は 脆いので、薄い壁などはこわれやすいです。 また強度やじん性のある樹脂等でも、細くて長いと折れる場合があります。 データ 造形物 造形物 データ
  36. 36. ●重力や圧に配慮する
 プリンタの積層ピッチ(積み上げていく際の厚み)が造形できる最小の細さや厚みではありません。 機器や材料によって、最小造形値(これ以上薄かったり細いと壊れてしまう値)があります。また機器の 最小造形値を守っているから全てが造形できるとは限りません。造形物の形状や大きさによっても最 適な厚み、細さが変わります。基本的に大きくなるほど重力の影響を受けるので必要な造形最小値が 大きくなります。 低いと 高いと 長いと 短いと
  37. 37. ●造形エリアを意識したモデリング
 3 プリンターの機種によって、造形できるサイズが違います。出力する3 プリンターが出力できる最大 サイズを把握する必要があります。 作製するデータが造形エリアよりも大きい場合は、あらかじめ分割することを考える必要があります。   造形後に部品を組み立てることを考えモデリングを行いましょう。
  38. 38. ●嵌合部品の場合
 パーツごとに出力する場合 組み付け易いパーツ分割になるように考慮しましょ う。 部品同士の組み付けがある場合はクリアランスに 注意する必要があります。 3 プリンターは3 で作成した値でそのまま 出力されます。 ぴったりの寸法で作成すると プリンタの精度や 素材の膨張 収縮等の影響で部品同士が嵌りませ ん。 必ずクリアランス(隙間)を設定しましょう。 このクリアランスは3 プリンターの機種、 マテリアルの物性値による収縮率によって変わる ので都度微調整が必要となります。 ネジ穴も同様にクリアランスが必要となります。 

  39. 39. お問い合わせ
 Polyring
 
 業務内容
 
 ・2Dイラスト、2D図面からの3Dデータ作製
 ・3Dスキャン/リバースモデリングサービス
 ・製品デザイン/試作/開発/研究 ソリューション提案
 ・3Dツール導入コンサルティング
 ・3DCAD/3Dモデリングソフト/3Dスキャナトレーニング
 
 Eメール:fiftystorm0@gmail.com
 代表 五十嵐 祐美子


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