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卒業論文

ソフトマテリアルを用いた液体封入 3Dプリントモデルの作成と 応用可能性についての考察

木場晋太郎

慶應義塾大学 環境情報学部

学籍番号 71175212

2015/7/21 指導教員 田中浩也准教授

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論文要旨

本稿は柔軟性をもつ素材であるエラストマー1素材による 3Dプリンティングと、その今後の可能性について考察するものである。

3Dプリンタで出力されるモデルがエラストマーなどのソフト材料によって成形され、その形状が変形・伸縮可能になった場合、どのようなアプリケーションが創造可能となるだろうか。

今まで射出成型などでしか実現できなかったソフト材料による三次元造形を、3Dプリンタにおいても実現可能にすることで、

・ 3Dプリンタによる自由な形状の低コスト・ 小ロットでの出力

・ エラストマーの材料特性を活かした新しい機能・用途のプロダクトデザイン

が可能となる。

例としてエラストマー素材のひとつである熱可塑性エラストマーフィラメント「FABRIAL-R2」

は、プリント速度や吐出量を調整することで、層同士が隙間なく密着するので、以下の特性を持

つ、全く新しいプロダクトを創出できるはずである。

・ 密閉性により液体が封入されたプロダクト ・ 柔軟に形状が変化し、尚且つ液体の素材特性を活かしたプロダクト

以上のことから、私は熱可塑性エラストマーによる液体封入が可能なモデルの可能性の検証を

行うため、JSR株式会社3の素材提供・情報提供のもと、３Dプリンタ「MF-10004」における熱

可塑性エラストマー「FABRIAL-R」の出力条件の洗い出しと 適化、そしてアプリケーションの

ひとつとして「腕部用アイシング・プロダクト」の製作と特性の検証を行った。

1 ゴム状の弾性体の総称。詳細は 1.1.3に記載。 2 http://www.jsr.co.jp/news/0000587.shtml 3 http://www.jsr.co.jp/ 4 http://www.mutoheng.com/~drafter/device/3d.html#MF-1100

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目次

論文要旨 ................................ ................................ ............................... 2

1. はじめに ................................ ................................ ........................... 4 1.1 研究背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.1 デジタル・ファブリケーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 3D プリンタ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.3 熱可塑性エラストマー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2「FABRIAL-R」の可能性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 アイディエーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2. 関連研究 ................................ ................................ ......................... 14 2.1 エラストマーを使用したプロダクト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.1 ウェアラブル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.2 ソフトロボティクス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.3 義足 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 各種材料比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3. 実装・検証 ................................ ................................ ...................... 18 3.1 ３D プリンタのセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2 出力パラメータとモデルの検証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3 出力したモデルへの液体封入に関する実験・実証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4 アイシング・プロダクトの有用性の実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.4.1 保冷効果の検証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.4.2 装着感についてのユーザーアンケート . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4. 今後の展望・可能性についての検討 ................................ ..................... 84 4.1 アイシングとしてのアプリケーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2 ソフトロボティクス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3 クッション材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.4 医療用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5. 参考文献 ................................ ................................ ......................... 86

謝辞 ................................ ................................ ................................ ... 87

付録(ORF アンケート) ................................ ................................ .......... 88

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1. はじめに

1.1 研究背景 1.1.1 デジタル・ファブリケーション デジタル・ファブリケーションは、「デジタルデータから様々な物質（フィジカル）へ、また

さまざまな物質（フィジカル）をデジタルデータへ、自由に“相互変換”するための技術の総称」である[1]。具体的にはデジタル・ファブリケーションは大きく「工作機械を用いてデジタルデータを実世界に出力する」行為と、「スキャナやセンサ等を用いて実世界の形や状態をデジタルデ

ータに変換する」行為の二つに分けることが出来る。更に出力の方法に関しても「積層造形法

(additive manufacturing)」と「切削造形法(subtractive manufacturing)」の二種類に分かれ、3Dプリンタが前者、ミリングマシンやレーザーカッター、プロッター等が後者にあたる。CNC5制御

により、デジタルデータ上の数値通りの加工をすることが可能となっており、複雑な形状を人間

が行うより早く加工できることが利点である。 熱溶解積層方式の３Dプリンタの特許が 2009年に切れてから、低価格帯の３Dプリンタが一

気に登場し、それまで産業用のものがほとんどであった３Dプリンタが、現在は da Vinci6をはじ

めとする低価格で個人向けのものが台頭するまでになった。今までは企業やデザイナーの間でし

か使われなかったデジタル工作機械を個人が手にすることで、個人のものづくりのあり方やそれ

に付随する経済活動とコミュニティの形成が変わってくる―そういったデジタル・ファブリケー

ションのパーソナル（個人）化、「パーソナル・ファブリケーション」が起きるとMIT (Massachusetts Institute of Technology) の教授である Neil Gershenfeldは述べている[2]。

同氏は自身の大学の授業で様々なデジタル・ファブリケーションの方法を受講者に教え、「（ほ

ぼ）なんでも作る方法」、”How to Make (Almost) Anything”を開講した。そこで受講者が自分の抱えている悩みや問題をデジタル・ファブリケーションにより解決する姿を見て、個人の問題解

決におけるパーソナル・ファブリケーションの重要性を再確認し、デジタル・ファブリケーショ

ンによる個人またはコミュニティの問題解決を促すため、デジタル工作機械を設置した工房

「FabLab（ファブラボ）」を世界中に立ち上げていった。FabLabが世界中で稼働していく中で、

もその力が発揮されたのは、日本のような先進国ではなく、インドの辺境の村のような発展途

上の場所だった。そこではインフラも整っておらず、気候や自然が人に牙を向くような環境だっ

たので、創りだされるものもクリティカルな問題解決能力を持つものばかりだった。

以上のことから、FabLabは途上国などテクノロジーやインフラに欠陥がある地域でのイノベーションにおいて も力を発揮することが考えられる。世界規模でのパーソナル・ファブリケー

ションの発展を促進させるのであれば、ハイエンドな機材の開発より、世界中何処の Fablabでも

5 Computer Numerical Control. 工作機械の移動速度や座標をコンピュータによって数値制御すること。 6 http://jp.xyzprinting.com/Product

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導入できる素材や工法、システムを発見する必要があるのではないかと考える。

1.1.2 3D プリンタ 先述した通り、３Dプリンタとは積層造形法式により出力を行う工作機械の総称であり、熱溶解積層方式や粉末積層方式などいくつかの造形方式がある。基本的には STLを始めとする 3Dデ

ータをXY平面で１層ごとにスライスし、各断面の2D形状を一層毎に積層する形で造形していく。３Dプリンタの主な造形方式は、熱溶解積層方式(FFF: Fused Filament Fabrication)、粉末積層方式(SLS: Selective Laser Sintering)、光造形法式(SLA: Stereoluthography) の三つである。本

節では、これら三つの造形方式と、3Dプリンタによる造形の際に必要な STLファイルと G-codeについて説明を行う。

【熱溶解積層方式】 熱溶解積層方式の３Dプリンタは基本的には熱可塑性樹脂のフィラメントを樹脂の溶融温度に熱した金属製のノズルから押し出し、一層毎に積層して造形する方式（図１参照）である。1980

年代後半に Stratasys社7によって開発された。樹脂をホットエンド（金属製のノズルが先端につ

いた、樹脂を溶かす機構）に送り込むためのローラーが先端についたステッピングモーターと、X軸、Y軸、Z軸の各動作を担当するステッピングモーター、そして送り込まれた樹脂を溶融する

ためのホットエンドからなる。2009年に特許が切れ、Reprap8によるオープンソースの熱溶解積

層方式３Dプリンタが誕生して以来、個人ユーザーにも広く安価に普及した。しかし、今までは造形方法の制約と PLAか ABSという硬質プラスチックに限定された素材しか無かったため、制

作物や用途も非常に限定されていた。しかし素材の出力方法は熱溶解と押し出しという至ってシ

ンプルな方式のため、近年様々な素材による出力が試みられている。今後は熱溶解積層方式の制

約の中、新しい素材でいかにモノづくりの可能性を広げられるかが課題となってくる。

図 1 熱溶解積層方式の３D プリンタの構造

7 http://www.stratasys.com/ 8 http://reprap.org/

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【粉末積層方式】 粉末積層方式の３Dプリンタは粉末状の材料にレーザー光線を当て、一層毎に焼結させ積層し

ていく造形方式（図２参照）である。焼結させた層をステージごと下げ、下げた分だけ粉末を乗

せて均し、再びレーザーを当て焼結を繰り返すことで層を重ねていく。焼結、つまり造形をして

いない部分にも粉末が充填しているため、サポート（熱溶解積層方式のように空中に層を重ねて

いく方式の場合、一定以上の傾斜や地面に平行な面を出す場合にサポート：支えが必要となる）

を必要とせず、複雑な形状や緻密な形状を重力などの制約にとらわれずに出力することが出来る。

樹脂系材料だけでなく銅や青銅、チタンやニッケルなども材料として使用する事が出来、出力モ

デルの材料特性や耐久性を用途に合わせて選ぶことが出来る。耐久性に加え精度も高く、機能モ

デルとしても利用出来ることから工業製品のプロトタイピングに利用されることが多い。

図２ 粉末積層方式の３D プリンタの構造

【光造形法式】 光造形法式の３Dプリンタは、紫外線を照射すると硬化する樹脂を用いた造形方式（図３参照）である。光硬化性の樹脂で満たされた槽に紫外線を当てることで樹脂を硬化させ層を作り、ステ

ージを一層下げ次の層を作っていく。精度が高く複雑な形状のものが作れるが、同材料によるサ

ポートがつくため、造形後のサポート除去が必要となる。材料が限定される上に造形直後はモデ

ルの表面に付着した樹脂を洗浄・硬化させる必要がある。

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図 3 光造形法式の３D プリンタの構造

【STL ファイルと G-code】 STLファイルは３D Systems社が開発したファイルフォーマットの一種で、三つの頂点の座標と法線ベクトルからなる三角メッシュで３Dモデルの表面を表現したものである。一般的には

CAD9上で３Dデータを作り、プリントする際に STLファイルで出力する。多くのラピッドプロトタイピングの標準フォーマットとなっており、特に熱溶解積層方式の３Dプリンタ等、ツールパスを生成する CAM10ソフトウェアにおいてはほとんどの場合 STLファイルの入力が要求され

る。

図 4 スキャンした右手の STL ファイル

9 Computer Aided Design. 10 Computer Aided Manufacturing. CADで生成された入力データを加工用の NCプログラムに変換する作業、あるいはそのシステムのことを指す。

8

G-codeとは、NC装置内部で軸の移動と座標系の設定、アクチュエータの出力調整やオンオフを行うプログラミング言語である。熱溶解積層方式３Dプリンタの場合、細かな座標に分割され

たツールパスやフィラメントの吐出量、移動速度やファンの出力などが G-codeにより決定する。熱溶解積層方式３Dプリンタで STLファイルをプリントするためには、CAM上で STLファイルから G-codeへのコンバートを行う必要がある。この場合の G-codeの座標点の集積、つまりツー

ルパスは STLファイルを指定したピッチ毎にスライスし、断面形状に対して始点と終点を繋ぐ形で計算された経路の集積である。CAM上での吐出量の調整や、ツールパスのアルゴリズムをカスタマイズすることにより、同じ STLファイルからでも全く違う密度や強度のモデルを出力するこ

とが出来る。

図 5 STL ファイルから G-code への変換

1.1.3 熱可塑性エラストマー 熱可塑性エラストマーとは、エラストマー素材の一種である。

エラストマー(Elastic Polymer)とは、ゴム状の弾性体の総称であり、熱硬化性エラストマーと、熱可塑性エラストマーの二種類に分かれる。一般的なゴムは前者の熱硬化性エラストマーを指す。 熱硬化性エラストマーは分子内に架橋点（結合部分）を持ち、分子が３次元の網目構造になっ

ているため、高温状態においても分子が流動せず、熱変形が起こりにくい。言い換えると熱によ

る溶融と再形成が難しいということであり、熱溶解を用いた熱溶解積層方式での造形は困難であ

ると予想される。

熱可塑性エラストマー（TPE: Thermoplastic Elastomers）は網目鎖としてエントロピー弾性をもつゴム成分と、架橋点としての役割を持つ拘束成分からなっている。熱硬化性エラストマー

における架橋点が共有結合であるのに対して、熱可塑性エラストマーの拘束成分は成形温度では

融解流動化し、成形固化後では凝集し架橋と同様の効果を発揮する。そのため熱溶解による成形

が可能となり、熱溶解積層方式の３Dプリンタで使用することが出来る。以下に３Dプリンタのフィラメントに使われている主な熱可塑性エラストマーの主な種類とその特性を記述する。

9

【ポリブタジエン】 ポリブタジエンは弾性、耐摩耗性、低温帯性に優れており、耐傷性などを補うため他のエラスト

マー素材と混合されることが多い。

【熱可塑性ポリウレタン】

熱可塑性ポリウレタンは機械的強度、耐寒性、耐摩耗性に優れているため、自動車分野や産業用

に多く使用されている。用途としてはホースやチューブ、靴底や時計バンドなどがある。

【スチレン・ブタジエン】 スチレン・ブタジエンは、耐熱性、耐摩耗性、耐老化性、機械強度に優れるが、耐寒性や引き裂

き強度に関しては他のエラストマー系素材に劣る。耐水性、耐アルコール性に優れる一方、有機

溶剤や無機酸への耐性に乏しい。

【ポリエステル系エラストマー】

機械強度、耐油性、耐熱性、耐寒性、耐屈曲疲労性に優れている。柔軟性や圧縮永久ひずみに関

して問題があったが、三菱化学によるプリマロイ11はそれを改善している。用途は自動車用途と電

気・通信機器、工業資材、機械部品などがある。

図 6 TPE の主な用途は工業製品や自動車製品に多い12

11 http://www.mcc-spd.com/product/primalloy/primalloy.html 12 http://www.kagakukogyonippo.com/headline/2014/07/03-16413.html

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1.2「FABRIAL-R」の可能性 筆者の研究室では、JSR株式会社（以下 JSR社）と熱可塑性エラストマーフィラメント

「FABRIAL-R」とその出力機械の共同研究・開発を行っている。FABRIAL-Rを使った 3Dプリントの実用例の案を出す中で、同研究室の増田氏が製作したモデルの壁面を観察した際に、層同

士の密着性の高さから、出力したモデル内に液体を封入することが出来るのではないかと考えた。

密着性が高い理由としては、FABRIAL-Rは弾性率が低く、かつ破断伸びも大きいので、造形五の冷却で収縮が発生しても、Z軸界面にひずみ応力が集中しにくく、界面剥離が起きにくいからと考えられる。そして JSR社とアイディエーションを行った結果、「内部の液体を体温と同じ温

度に保った介護用ソフトロボット」や、「切断すると内部の体液を模した液体が流出する、手術

練習用の医療モデル」など、エラストマーの特性と封入された液体の特性を掛けあわせたアプリ

ケーションの可能性が明らかとなった。

液体封入モデルの製作に関しては増田氏に協力を仰ぎ、サンプルの出力を行った結果、グルー

ガンやはんだごてによる接着・補修が必要ではあったものの、壁面や可動部の密閉性をエラスト

マーフィラメントの出力のみで確保したモデルの製作に成功した。ただしその時点では「エラス

トマーを使用した液体封入が可能なモデル」とは言い難く、エラストマー素材を使った３Dプリントのみで完全な密閉性を確保できるまでには至らなかった。以上の経緯から、液体を封入した

ソフト３Dモデルが持つ固有の特性の可能性を検証・考察するため、エラストマーフィラメント

による３Dプリントのみで密閉性を確保した３Dモデルの作成を目的とし本研究に至った。その上で、皮膚刺激性テスト（ISO 10993-1013準拠）による安全性確認済の材料を使用しているため、

医療用アプリケーションとしての可能性が拓けるという点と、共同研究のご縁もあるという点か

ら、JSR社の「FABRIAL-R」をエラストマーフィラメントとして選び、素材提供をして頂いた。

図 7 エラストマーフィラメント「FABRIAL-R」

13 http://www.iso.org/iso/catalogue_detail?csnumber=40884

11

1.3 アイディエーション 2014年秋の ORFでは、JSR社との協力で「エラストマー３Dプリントの可能性を考える」と

いう旨のワークショップ」を行った。参加者には人体を３Dスキャンして再現した各部のパーツに触れるだけでなく、実際に３Dスキャンを行い、実世界（フィジカル）とデジタルデータの世界を行き来してもらうことで、我々学生にはない発想の切り口とデジタル・ファブリケーション

から得た実体験を合わせた、新しい発想が生まれることを期待した。 結果としては、「自分のパソコンに合ったキーボード用カバー」や、「子供用のブロック玩具」

などの素材本来の性質である弾性や衝撃吸収性に着目したものだけでなく、「パーソナルなスト

ロー」や「自分の持っているカメラに合った水中用カバー」など、防水性や密閉性に着目したア

イデアも多く生まれ、パーソナル・ファブリケーションにおいてエラストマー素材そのものの特

性に需要があるだけでなく、その密閉性を利用したアプリケーションにおいても需要があること

が再確認された。

図 8 ORF で行ったアイディエーションの成果

更に本研究におけるアプリケーションの製作にあたって、液体を封入したエラストマー３Dモ

デルが持ちうる特性の考察と共に、研究室のメンバーとアプリケーションに関するアイディエー

ションを行った。モデルが持ちうる特性としては、

・ 中に封入する液体によって質量や強度、感触が変化する ・ 中に封入する液体の温度によって、モデルの温度が変わる ・ 密閉性による気圧の変化とそれによる形状の伸縮

12

以上のことが上がった。これらの特性を元に思い浮かんだアイデアをそれぞれポストイットに

書き込んだ。内容としては以下のアイデアが上がった。

・ 肘当てなどのプロテクターの製作 ・ リアリティのあるロボットの外装の製作

・ 封入する液体の変化による様々な柔らかさの実験・検証 ・ 冷却を目的としたウェアラブルプロダクト（マスク、ヘルメット等） ・ 密閉性による気圧・油圧のコントロールをするアクチュエータの製作

・ ソフトロボティクスへの応用 ・ 消耗品としての医療具の製作 ・ 封入する液体を変えることにより、部位によって強度が違う義足の製作

そして図９に見られるように、それらをホワイトボードに「製作にかかる時間」と「製作の難

易度」の二軸でプロッティングを行い、実現可能性の面でアプリケーションを絞った。その結果、

アプリケ―ションとしての完成度に対する期待値、特性の実証のし易さ、３Dプリンティングによる有用性の発揮という点で「腕部用アイシング・プロダクト」の製作を行うことにした。

図 9 研究室でのアイディエーションの様子

13

1.4 目的 以上のことから、私は３Dプリンタのみを使用したエラストマーフィラメントの出力により、

液体封入が可能な程の密閉性を持ったモデルを出力し、実際に腕部用アイシング・プロダクトへ

の応用を実際に試みながら、液体封入によるアプリケーションの可能性について考察することを

本研究の目的とした。

14

2. 関連研究 2.1 エラストマーを使用したプロダクト 2.1.1 ウェアラブル Filafexを使った３Dプリント靴

Recreus社が発表した、エラストマーフィラメント「Filaflex」によるプリントを前提としたダウンロードフリーの靴。エラストマーフィラメントのプロモーションのために発足した企画で、

ユーザーはデータを無料でダウンロードすることが出来、自宅に３D プリンタと指定のフィラメ

ントがあれば靴をプリントすることが出来る。

図 10 Ignacio Garcia がデザインしたエラストマー素材による３D プリント靴14

「通常の３D プリンタ用フィラメントと違い、Filaflex は非常に柔軟であるため、従来の硬質プ

ラスチックでは不可能だった多くの新しいアプリケーションに応用することが出来、その一つが

靴である(Randal Desmond)」とあるように、エラストマー素材による３Dプリントは身体に直接装着するようなプロダクトの創造を可能とする。そしてこのようにウェブを通じて発信すること

で、オープンソース化やパーソナル化など、デジタル独自の創造をウェアラブルプロダクトにも

たらすことが可能だ。

14 http://sneakernews.com/2014/03/14/3d-printed-sneakers-filaflex/

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2.1.2 ソフトロボティクス 「柔軟な素材に覆われたエラストマー性の基質で構成された、柔らかく、空気・水などの流体

を信号処理の媒体として用いるアクチュエーターは、ロボット工学の界隈では軽量で安価、目的

のアプリケーションに合わせての改良のし易さという観点から注目を浴びている。(Harvard Biodesign Lab)」

現在、ロボットと呼ばれるものの多くは金属や合成樹脂など硬質な素材で構成されている。こ

うしたロボットは硬質さ故に頑丈であり、機構や電子制御により正確な作業をすることが可能だ。

だがロボットをより人間に近づけようとした際、金属製や樹脂製の外装・機構では限界がある。

そこでエラストマー素材を使用し、動力に関しても従来のロボットとは違う全く新しい手法を用

いた「ソフトロボティクス」の研究が 2000年を境に盛んに行われるようになった。その中でも特に先立って研究を行なっているのが Harvard Biodesign Lab15と Cornell Creative Machines

Lab16であり、Harvard Biodesign Labでは PneuNets Bending Actuatorをはじめとするソフトロボィクス独自の機構を数多く編み出している。 現行のパーソナルなレベルにおけるソフトロボットの製造方法は３D プリントによる型の成形

とキャスティング（注型成形法）である。これなら世界中どこにいてもデータと３D プリンタとキャスティングの道具があれば成形が可能だが、いかんせん製造に時間がかかってしまう。もし

エラストマー素材での精密なプリントが可能になれば、エラストマーによる３D プリントのみで

ソフトロボットを完成させることが出来るかもしれない。

図 11 PneuNets 機構を使用した四足歩行ロボット (Shepherd et al. 2011)17

15 http://biodesign.seas.harvard.edu/ 16 http://creativemachines.cornell.edu/ 17 http://softroboticstoolkit.com/book/pneunets-bending-actuator

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2.1.3 義足 身体に直接装着しなければならない身体補装具に関しては、身体との親和性の向上と衝撃の吸

収のため、ソケットにソフト素材が使われることが多い。エラストマー素材も例に漏れず、多く

の義足のソケットに使用されてきている。しかし義足は基本的に高価なことが問題であり、特に

発展途上国では環境的な要因による身体障害者が多い中、実際に義足や義手を手にできる者は少

ない。 同研究室の増田恒夫氏と徳島泰氏は Super low cost prosthesis projectという発展途上国向けの安価で美しいデザインの義足を提供することを目的としたプロジェクトを立ち上げており、そ

の義足の関節部分やソケット部分に３D プリントされたエラストマー素材を使用している。患者の健全なほうの足や患部を３D スキャンすることによって、患者の身体に合った義足のデータを作成することが出来、３Dプリンタによりオーダーメイドの各パーツが１個単位から出力出来る。

エラストマー素材による３D プリントが可能になったことで、途上国における問題解決が可能になった一例である。

図 12 プリントしたエラストマーソケットを患者の脚に装着している様子18

2.2 各種材料比較 FABRIAL-Rを含めた、現在市場に出回っているエラストマーフィラメントについて以下の表１にまとめる。

表から分かるように、FABRIAL-Rは硬度としてはかなり低い部類に入り、柔軟性に優れる上、現在（2015年７月時点）発表されている中で唯一皮膚刺激性テストをクリアしており、人体への影響が も少ないと考えられるため。医療をはじめとする多くの応用例が考えられるエラストマ

ーフィラメントだと言える。

18 https://www.youtube.com/watch?v=iK05NV9hEP4

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表 1 各社材料比較

19 http://www.meti.go.jp/policy/chemical_management/int/RoHSrev.html 20 http://www.meti.go.jp/policy/chemical_management/int/ghs_tool_01GHSmanual.html 21 http://www.polymaker.com/ 22 http://www.fennerdrives.com/ 23 http://recreus.com/en/ 24 http://www.mutoheng.com/ 25 http://www.m-kagaku.co.jp/

備考

皮膚

刺激

性テ

スト

(ISO

10993-10 準

拠)

クリ

ア。

無臭

。

RoH

S指

令19

準拠

。

無臭

。G

HS

分類

20 に

よる

と有

害物

質は

含ま

れて

いな

い。

柔軟

性、

耐熱

性に

優れ

、

ポリ

エス

テル

樹脂

との

親

和性

が高

い。

RoH

S指

令準

拠。

主な

素材

ポリ

ブタ

ジエ

ン

熱可

塑性

ポリ

ウレ

タン

熱可

塑性

ポリ

ウレ

タン

熱可

塑性

ポリ

ウレ

タン

スチ

レン

・

ブタ

ジエ

ン

ポリ

エス

テル

系

エラ

スト

マー

硬度

40D

90-95A

85A

82A

58D

31D

造形

温

度

140℃

220-

230℃

220-

230℃

225-

260℃

230-

240℃

215-

245℃

フィ

ラメ

ント

径

3m

m

1,7

5m

m,

3m

m

1.7

5m

m,

3m

m

1.7

5m

m,

2.8

5m

m

1.7

5m

m

1.7

5m

m

発売

元

JSR

株式

会社

（予

定）

Poly

mak

r21

Fenner

Drive

rs,

Inc.2

2

Recre

us2

3

ムト

ーエ

ンジ

ニア

リン

グ24

三菱

化学

25

商品

名

FA

BR

IAL-R

Poly

flex

Nin

jaflex

Fila

flex

SB

-17

プリ

マロ

イ

18

3. 実装・検証 3.1 ３D プリンタのセットアップ FABRIAL-Rの出力にあたり、MF-1000をエラストマーの出力が可能なようセットアップする必要があった。エラストマー素材はフィラメント自体が非常に柔らかく曲がりやすいため、通常

のエクストルーダ機構ではローラーとホットエンドの間で押し込む力に耐え切れず曲がってしま

い、フィラメント送りが困難になる（図 13 参照）。そこでローラーからホットエンドまでフィラメントを真っ直ぐに送り込むためのガイドが必要になる。JSR社が FABRIAL-R用に設計を行っ

たガイドデータを頂いたのでそれを出力し、エクストルーダに取り付けた。その結果、エラスト

マーのフィラメントでも問題なくホットエンドに送り込み、ノズルから押し出すことが出来た。

図 13 ガイドなしでのフィラメント送り（左）とガイド（中央）、ガイドを着けた場合（右）

3.2 出力パラメータとモデルの検証 液体を封入することが可能なモデルの作成にあたって、株式会社 JSRから頂いた出力用サンプ

ルの G-codeを元に、液体封入に 適なパラメータを検証していった。それと同時に、壁面の傾斜

などの３D モデルの制約も調べていき、両方の条件を満たしたアイシング・プロダクトの製作を行う。使用した CAMソフトウェアは Slic3rのバージョン 1.2.8 である。

以下に記す出力結果は、次の項目に分けて記述している。 ・ 出力モデル名 ・ 出力パラメータ(Slic3r内の設定値)

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 ・ 出力物の画像 ・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

19

更に 後には実験によって割り出した 適なパラメータを記載し、各設定の説明を行う。 尚、Slic3r 内の英語の項目に関して、文中に出てくるものは筆者が和訳しており、以下に文中で

使用した項目と和訳した日本語を記述する。

Top solid layer： 上ソリッド層

Extrusion width：吐出幅 Speed for print moves：造形スピード Infill：充填

Travel speed：非プリント時の移動速度 Perimeters: 外周 Skirt：スカート（本体のプリント前にモデルの外にプリントする円）

Raft layers：ラフト層 Support material：サポート材 Generate support material：サポートの生成

Top/bottom fill pattern：上層・下層の充填パターン Concentric：同心円上 Horizontal shells：ステージと平行なシェル（この場合は底面と上面のシェルを指す）

Small perimeters：小さい外周 Max print speed：プリント速度の 大値 Cooling：冷却

Cooling threshold：冷却閾値 Minimum print speed： 低プリント速度 Print Settings：プリント設定

Filament settings：フィラメント設定 Top solid infill：上面ソリッド充填 Layers and perimeters：レイヤーと外周

Spiral vase：螺旋（層を螺旋状にプリントする） Seam position：層の切り替え位置 Aligned：並列

Nearest： 短距離（この場合前の層の終点から も近い位置を指す） Fill density：充填率 First layer：１層目

20

下記の表は、Slic3rによるパラメータの設定を行う際の初期値である。実装段階で載せているパラメータ表で省いている項目は、全てこの表に載っている値と同じである。

21

モデル１：Fabrial-R評価円柱(JSRより)

22

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 今回の出力は研究室にあるMX-1000で行うのだが、その際に JSRで出力が成功したモデルを

こちらでも出力する。出力に成功した場合、双方の機体やファームウェアの差異が無いことの

証明となるため、このモデルの出力を行った。 G-code の状態のものを JSR から頂いたので、正確な数値が分からない部分が多いが、Slic3r

のデフォルトの設定で行ったものと考えられる。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 時間不足で途中までしか出力出来なかったため、 上ソリッド層(Top solid layer)の出力が成

功するかの確認は出来なかったが、吐出幅(Extrusion width)に対するノズル径の違いや造形スピード(Speed for print moves)に対する機械側・ファームウェア側の反映の違いが無いであろうことが分かった。

次回はこのモデルを 後まで出力することを目指す。

23

モデル２：Fabrial-R評価円柱(JSRより)

24

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 今回も JSR のモデルを同じように出力することで、機体における差異や出力における機械

側・ファームウェア側の問題が無いかを確認しようと試みた。 同じ G-codeを使用している為、出力パラメータに関しては前回と同じである。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

G-codeが前回のものと同じだったにも関わらず、出力に失敗してしまった。起こった現象の解釈として、吐出されたエラストマーが下の層に定着せず、一定量ノズルの先

に溜まった後に各所に引っかかってダマが出来、そのダマが積み重なっていくため積

層は行われるが造形が非常に乱れてしまったと考えられる。吐出量が少ないことの原

因としてフィラメント詰まりが挙げられた。エクストルーダ内の詰まりを取り除き、

再度出力を試みる。

25

モデル３：Fabrial-R評価円柱(JSRより)

26

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 前回失敗してしまった原因と思われるフィラメントの詰まりを解消し、再度出力を試みた。

目的に関しては前回と同じく、出力に成功した機械と同じ G-codeのモデルを出力することによって、G-code以外の出力条件における差異がないか検証するためである。 同じ G-codeを使用している為、出力パラメータに関しては前回と同じである。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 フィラメント詰まりを解消した結果、綺麗に出力出来た。１回目の時と違い、一番上の層も含

め完全なモデルを出力することが出来た。モデルの状態に関しても壁面の欠陥や吐出量・定着

不足による不完全な壁面は存在せず、機体やファームウェアにおいて問題が存在しないことが

分かった。

27

モデル４：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面)

28

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 自身の設定したパラメータによる出力を試みる。JSR 社の設定値は参考にするものの、液体

封入を 終的な目的とするため、造形スピードや吐出幅などのパラメータに変更を加え、より

密閉度の高いモデルの造形を目指す。 今回は JSR の設定したパラメータから充填(Infill)や非プリント時の移動速度(Travel speed)

以外の設定を変えず、自身で生成した G-codeでエラストマーフィラメントが問題なく出力できるかの実験を行った。充填率をゼロにした理由は中空のモデルの出力を目的としているため

で、非出力時の移動速度を遅くした理由は、素材の粘性が高いため、非出力時の速度が速いと

ノズルに残ったエラストマーが出力した後のものを引き剥がす恐れがあったためである。 モデルに関しては底面が円で、壁面は弧を描きつつ 60°の傾斜で上に向かうにつれてゆるやかに狭くなっている。上面は同じく円の蓋になっている。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 フィラメント詰まりのせいか、途中からフィラメントが定着しなくなり、ところどころに引っ

かかる形でダマが積み重なっていった。一応モデルの形状を象ってはいるが、出力結果として

は失敗したと言って良いだろう。定着しなかった原因は吐出量（幅）の少なさと出力中のスピ

ード(perimeters等)、特に吐出量に関してはフィラメント詰まりもあった。

29

モデル５：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面)

30

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 スピードを２分の１にしてみた。出力時のスピードが早すぎることが定着不足の原因であるな

らば、これで解決する筈である。ただしこのスピードが層を密着させるのに 適かどうかの証

明にはならない。非出力時の速度も 5mm/sに落とした。出力中の様子を見ていると、依然速いと感じたからである。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 途中までは造形がうまくいったが、径が小さくなってきたタイミングでフィラメントが下の層

に定着しなくなり、ダマになりはじめた。原因としては径が小さくなり周回時間が短くなった

ため、冷却が間に合わないことが考えられた。次回以降の出力に関してもスピードを更に調節

する必要がある。 試しに水を入れてみたが、底面と壁面の間から水が漏れてきたので、底面と壁面の接触も確か

める必要がある。

31

モデル６：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面)

32

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 前回のモデルで底面と壁面の間に隙間があり水漏れが起こったため、底面のツールパスを調べ

た。出力途中でプリンタを止め、底面から壁面へプリントが移る際の挙動を確認した。 パラメータに関しては前回と同じ。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

１層目でスカート(Skirt)と隙間なしのソリッド層を出した後、隙間の大きい格子を 2,3層出す。これが原因でソリッド層が不安定になり、それ以降の隙間を生み出すことが分かった。その原

因がラフト層(Raft layers)にあると分かったので、次回からはラフト層の層数をゼロにする。

サポート材(Support material)の項目でサポートの生成(Generate support material)をオフにしても、ラフト層の数字は適用されることが分かった。

33

モデル７：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面)

34

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 吐出幅を 0.45から 0.5に変えて出力しようとしたが、変更後のコンフィグを G-code生成に反

映させていなかったため、特にパラメータ上も出力モデルも変化が無かった。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 出力結果を観察している限り、スピードを一定にしているにも関わらず、出力が７割経過した

タイミングで急に XY軸の移動速度が速くなる。原因に関しては未だ不明だが、これが途中からフィラメントがダマになってしまう一番の原因だと考えられる。次回では今回行わなかった

ラフト層の削除と Slic3r内での加速の原因を探る。

35

モデル８：エラストマーテスト用立体(底面：正方形 壁面：60°平面)

36

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 今回はテスト段階での出力時間を減らし、出力可能な傾斜角を調べるため 2cm 四方の小さな

モデルにした。壁面は 初が垂直だが、途中から 60°の傾斜がかかっている。 充填(Infill)の設定のうち、上層・下層の充填パターン(Top/bottom fill pattern)を同心円状(Concentric)に変更した。

ラフト層を削除した。このことにより、一層目の直後から底面のシェル(Horizontal shell: bottom)を出力する筈である。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 １層目と壁面の間に格子がなくなり、底面の層から隙間なく壁面が立ち上がっている様子が確

認出来た。しかし途中の加速はなおも起こり続けた。モデルが変わっても加速の現象は起こり

続け、出力が７割程のところで加速するので、加速の閾値が径か一層にかかる時間だと考えた。

37

モデル９：エラストマーテスト用立体(底面：正方形 壁面：60°平面)

38

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 今回に関しても謎の加速の原因を探し当て、解消するための実験である。

前回浮かび上がった原因の中で、１層の面積が小さくなった際の速度設定が問題だと予想し、

狭い壁面(Small perimeters)の速度を１にしてみた。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

あくまで目で確認した結果であるが、７割方出力した段階で加速する現象は変わらず、９割方

出した辺りで急に速度が 1mm/sに落ちた。速度設定とは別の要因である可能性が高くなった。 ３Dプリンタもしくはファームウェアが原因である可能性もあったので、別の３Dプリンタに

G-codeを入れて走らせてみた。その結果、G-code上の line769の辺りで加速が起こる現象は変わらず、原因はファームウェア等ではなく G-codeであることが分かった（G-codeの行数との関連性は分からなかった）。

39

モデル１０：エラストマーテスト用立体(底面：正方形 壁面：60°平面)

40

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 今回に関しても、加速の原因を突き止めて解消することが実験の目的である。

プリント速度の 大値(Max print speed)を設定する欄があったので、5mm/sに設定した。これで理論上 5mm/s以上のスピードでの動作は有り得ない筈である。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

高速度を 5mm/s に設定したにも関わらず、20mm/s を超すようなスピードへの加速は直らなかった。

41

モデル１１：エラストマーテスト用立体(底面：正方形 壁面：60°平面)

42

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 Slic3r 内のフィラメント設定の部分を確認すると、冷却(Cooling)の設定の中に冷却閾値

(Cooling threshold)という項目があった。その中の 低プリント速度(Minimum print speed)という項目を 5mm/sに設定し、出力を行った。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

低速度を 5mm/sにした結果、以前までの加速がなくなり正常にプリントするようになった。冷却の項目はスピードや吐出幅の項目のあるプリント設定(Print settings)内ではなく、フィラメント設定(Filament settings)内にある。冷却の項目は１層の出力にかかる時間が設定した秒

数以下だとファンをオンにする項目（ファン閾値）と、同じく任意の秒数以内でプリント速度

が減速する項目（減速閾値）、そして減速閾値以下のプリント秒数になった際にその層の 低

プリント速度を適応する項目がある。特に 後の項目は設定値がプリント速度内で設定された

速度より大きくても 低速度として適応されるので、結果として条件下では加速するようにな

ってしまう。これからは更に減速や冷却の設定値の調整が必要になってくる筈なので、適宜調

整して行きたい。

加速に関する問題はこれで解決したので、次回は壁面の傾斜を更に強くしたモデルの出力を行

う。

43

モデル１２：エラストマーテスト用立体(底面：正方形 壁面：45°平面)

44

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 前回のものとは設定を変えず、今度は傾斜が 45°のもので出力を行った。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

60°のモデルでも密閉は出来なかったので密閉性に関してはあまり期待していなかったが、形は崩れることなく出力できた。

次回の出力に際しては、 - 吐出幅を上げてみる - 冷却の設定を更に調節する（減速閾値と 低速度に関して）

以上の点に関しての実験を行いたい。

45

モデル１３：エラストマーテスト用立体(底面：正方形 壁面：60°平面)

46

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 吐出幅を少し上げた。他にも冷却の項目の 低プリント速度が 5mm/sだと狭い壁面のプリン

ト速度が 5mm/s未満であっても適応されない恐れがあるので、 低プリント速度に関しても

3mm/sに落とした。 今回は密閉も視野に入れてみる。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 出力自体は綺麗に出来た。ただ見えない程の小さな隙間が多数空いているらしく、強く押すと

空気の抵抗がなく凹み、水を入れた状態で強く押すと水が漏れてしまった。

特に角から水漏れを起こすようなので今度は壁面が一面のもの（曲面）を出力する。

47

モデル１４：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面)

48

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 モデルの密閉が目的である。

冷却の設定を変えた。減速の閾値と 低速度を下げたため、より径の大きな層でも減速し、ゆ

っくりとプリントを行うため、隙間なく出力出来るのではないかと考えた。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

まだ密閉には至っていない。上部に隙間があるようだ。まだ上のほうの層は次の層に引っ張ら

れて形状が歪んでしまっているので、冷却の閾値を上げると同時に、スピードの再設定も行い

たい。

49

モデル１５：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面)

50

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 モデルの密閉が目的。

更に冷却の設定を変えた。上面の蓋を作る際にフィラメントが固まりきらないままノズルに引

っ張られてダマになっていたので、上面ソリッド充填(Top solid infill)の速度を落とした。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

前回と比べると上部の形状が多少綺麗になったが、未だにダマは解消されていない。隙間に関

しても依然空いている。 まだ冷却適用時の 低プリント速度と狭い壁面（Small perimeters）の速度他が落とせるので、

次回はその部分を更に調節したい。

51

モデル１６：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面)

52

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 モデルの密閉が目的。

更に冷却の設定を更に変更。スピードに関しても狭い壁面と上面ソリッド充填の項目を更に調

整した。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

形としては上部のほうまでかなり綺麗に出力出来た。 だが未だに密閉は出来ていないので、引き続きパラメータの検証（吐出幅、スピード等）を行

う予定。次回はサポートつきのモデルの出力を試みる。

53

モデル１７：ベイマックス

54

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 FABRIAL-Rにおけるサポートの出力とその有効性の検証が目的。

終的なアプリケーションの出力に関してはサポートをつけない想定でいる（サポートの性質

上モデルに隙間ができる可能性が大きくなるため）が、可能性の検証として出力を行った。 サポートの吐出幅をきちんと設定していなかったので 0.5mmに設定した。

モデルの３D データに関しては Thingiverse26からベイマックスのデータをダウンロードした。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

モデルとしての形状は一応保った状態で出力できた。しかしサポートの部分がこの設定だとモ

デルに強く付きすぎており、剥がす際にかなり苦労した。更にサポートの生成にあたりツール

パスがモデルの外周から離れ、一筆書きのようなコースを描けなくなり、エクストルーダが空

中を移動している際にノズルの先端に溜まったフィラメントが次のモデルの外周のスタート

地点についてしまうので、全体的にあまり綺麗なモデルが出来なかった。空中を移動する際に

フィラメントが垂れてしまうのは、エラストマーの流動性が原因であると考えられる。

液体封入モデルの出力においてサポートの生成はあまり現実的ではないと判断した。

26 https://www.thingiverse.com/

55

モデル１８：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面・円柱付)

56

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 液体を入れやすくするため、モデルを変更、サイズを前回のテスト用モデルから大きくし、上

部に円柱をつけた。上面には蓋をして、注射針で液体を入れることを想定した。 設定に関してはサポートの設定以外は前回と同じ。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

かなり密閉度の高いモデルが完成した。空いている隙間が極小なため空気や水がかなりゆっく

りにしか抜けない。 現在外周は二層にしているが、外と内の層を行き来する際にノズルがモデルから離れるなどし

て隙間が空く（一筆書きでなくなる）のではないかと考え、次回は一層での出力を試みる。

57

モデル１９：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面・円柱付)

58

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 外周を一層にした代わりに、吐出幅を増やしてみた。

一層にすることによって、出力している層から次の層への移行がスムーズに行われ、より隙間

のないモデルを作ることが出来ると想定する。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

二層のものと比べてかなり透明度が上がった。二つ並んでいる画像のうちの左側が一層で、右

側が二層（前回出力したもの）である。 ただし密閉率に関しては下がっており、壁面の各所に水漏れする隙間が見られた。

ここで増田氏にエクストルーダがプリント中の層から一つ上の層へ上昇する際の挙動につい

てアドバイスを頂いた。レイヤーと外周(Layers and perimeters)の項目内で螺旋(Spiral vase)があり、それを Onにすると

59

モデル２０：エラストマーテスト用立体(底面：円 壁面：曲面・円柱付)

60

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 螺旋の設定を On にした。層の切り替え位置(Seam position)を並列(Aligned)から 短距離

(Nearest)に変更。螺旋のモデルでは充填とサポート、蓋が出来ないため、別途蓋を出力し管にはめ込みはんだごてで隙間を埋めた。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

モデル自体は完全に隙間なく密閉出来ており、強く押しても水漏れが起こらなかった。 次回以降はプロダクトの出力を始めると共に、モデルの壁面の傾斜の限界など隙間が出来ない

ような形状を探っていく。

61

モデル２１：肘部用アイシング・プロダクト

62

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 設定上の変更はなし。

アイシング・プロダクトの製作を行う。肘にあてがうためのものを製作しようと思い、モデリ

ングを行った。実際の肘のデータの断面を取り、それをロフトすることで身体にフィットする

プロダクトを作ろうと試みた。

・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 上部の管に至るまでの傾斜が急過ぎたため、造形がかなり不安定になってしまった。 肘に合わせた形のものを作ったのは良いが、モデル自体の厚みがあまりなかったため、肘と一

緒に曲げることや液体を入れて実用化することが難しい形状だということが分かった。 次回は隙間なくプリント出来る 大傾斜角度を調べるため、トルソーをプリントする。

63

モデル２２：トルソー

64

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 設定上の変更はなし。Thingiverse からダウンロードしたトルソーのプリントを行い、

FABRIAL-Rでプリント可能な 大傾斜を調べる。トルソーを選んだ理由は全体が曲面で構成

されていて、尚且つ様々な傾斜になっているからである。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 形状としてはほぼ問題なくプリント出来た。 大プリント傾斜角としては（モデルの形状にも

よるが）４５°が密閉出来る限界の傾斜だろうということが分かった。単純な造形・積層に関

しては４０°で層の間に隙間が空き始め、３０°辺りで積層が厳しくなる。 吐出幅を上げれば密閉できる 大傾斜を更に増やせるのではないかと考えたので、次回は吐出

幅を増やしてトルソーを出力する。

65

モデル２３：トルソー

66

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 吐出幅を 0.8mmから 1.0mmに上げた。

モデルは前回と同じくトルソーで、前回より隙間の少ないモデルを出力することが目的である。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 造形に失敗した。前回の傾斜による隙間を吐出幅でカバーしようとしたが、吐出量が多すぎた

ためノズル付近でフィラメントが溜まり、うまくプリントされずダマになったのではないかと

考えた。次回は吐出幅を 0.9mmに下げて出力を行う。

67

モデル２４：トルソー

68

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 吐出幅を 0.9にした。フィラメントが綺麗に吐出されつつ、密閉度の高い吐出幅のパラメータ

を検証するために実験を行った。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

下部で造形に失敗し、途中から綺麗に出力されはじめたがその後また崩れてしまった。吐出幅

を上げて隙間を埋めようと試みたが、フィラメントを送る量が多すぎると、詰まりからか吐出

量が小さくなってしまうことが分かった。モデルの掲載は省くが 0.9以上の吐出幅で出力した

場合、プリント中のモデルの出力が失敗するだけでなく、その後に 0.8mm以下の吐出幅で出力したモデルも途中で造形に失敗してしまう。恐らくは吐出量（フィラメントの送り量）が多

すぎるとホットエンド内でエラストマーが圧迫され、フィラメント詰まりが起こったのではな

いかと考える。次回以降の吐出幅は 0.8mmを超えない数値で密閉可能な形状のうち、アイシング・プロダクトとして 適な形状を探っていく。

69

モデル２５：肘部用アイシング・プロダクト

70

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 前回の肘部用アイシング・プロダクトから変更し、全体に厚みをもたせ、 大傾斜を緩くした。

素材自体の伸縮性を補うため、蛇腹をつけ肘に接している面の湾曲に外側の面が対応できるよ

う設計した。それにより密閉され、肘の動きにも対応可能なモデルの出力を試みる。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

全体的に綺麗に形は出たものの、未だに肘に当たる部分から管の部分にかけての傾斜で隙間が

出来、密閉は出来なかった。蛇腹に関しても肘に当たる部分の面が三次曲面であるとうまく肘

動きに合わせて曲がらず、可動域に対して蛇腹の伸縮性が足りないこともあり、次回は腕部用

のアイシング・プロダクトをモデリング、出力を試みることにした。

71

モデル２５：腕部用アイシング・プロダクト

72

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 パラメータに関しては前回と同じ

腕部に装着することを考え、蛇腹をなくし、身体に触れる部分をシンプルかつフィットする形

状にモデリングした。本体から管につながる傾斜も滑らかになるよう注意した。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標

密閉性を持ったモデルを出力することが出来た。底面、壁面、本体から管へ至るまでの傾斜の

どれにおいても水や空気が出入りする隙間がなく、圧力をかけても空気漏れのないモデルが完

成した。唯一改善すべき点として層の高さが高くなりすぎるとファンによる冷却効果が弱くな

り、小さい径の層の出力において形が崩れがちになる部分があるので、速度と冷却の設定を調

整する。

73

モデル２６：冷却実験用モデル

74

・ 出力物の概要・出力における目的と前回からの変更点 冷却の閾値と 低速度を調節することにより、プリント中の層で充分な冷却が行われ、フィラ

メントが固まった後に次の層をプリント出来るような設定を見つけることが目的。 小さい外周のプリント速度を 1mm/s に、冷却が適用された場合の 低速度を 1mm/s に、それぞれ設定した。今回は実験のためファンが効きづらい高い Z軸上でのプリントを想定し、フ

ァンの出力を半分にしたものもプリントした。 ・ 出力物の画像

・ 出力結果、次回の出力における課題・目標 どのモデルを出力した場合でも、層の直径が約 12mm 以下で速度が遅くなることから、この

場合はスライサーが径で判断し小さい外周のプリント速度を適応させていることが分かった。 ファンの冷却効果が不十分な想定でのプリントでは、小さい径の部分は直径 6.7mm以下の辺りで造形が乱れ始めた。 低プリント速度を 5mm/sにしたもの（画像右上）や、ファンが弱

い想定での 低プリント速度が 2mm/sのもの（画像左下）は小さい径の造形が乱れたので、高さがあり上部に径が小さい部分があるモデルの場合は小さい外周のプリント速度と 低プ

リント速度を 1mm/s（画像右下）にする必要が有ることが分かった。

75

適化されたパラメータの記載 実験により割り出した 適なパラメータを以下に記す。

各主要パラメータについて、設定値の説明を行う。

76

プリント設定 ・ 層と外周

特筆すべきところは、螺旋の設定である。これを Onにすることにより、層と層の切り替わりをなくし、螺旋状に高さを徐々に上げながらプリントすることが出来る。この設定を Onにすることにより、ソリッド層の上部と充填、サポート材の出力が出来なくなる。

層の切り替わりに関しては螺旋の設定を Onにしていない場合、 短距離に設定しておくと毎

回同じ位置で層の切り替えが行われず、密閉率が上がる。 ・ 充填

この実験では充填自体を行わないので、あまり使わない。ただし充填率(Fill density)を 0%にしておかないと螺旋の設定で G-codeが出力出来ない可能性がある。上層・下層の充填パターンに関しては同心円が望ましい。

・ スカートとブリム スカートに関しては常に２周行うようにしたが、エラストマーはステージの定着があまり良く

ないため増やしても良いだろう。ブリムに関しては一筆のツールパスが描けないことを考えて

特に設けていない。 ・ サポート材 サポート材に関してはあまり詰めることが出来ていないが、基本的に液体を封入するモデルに

おいては螺旋の設定と密閉率の関係上設定を行わない。ラフト層に関しては底面の隙間の原因

になるので設けない。 ・ 速度

基本的なプリント速度は５で設定している。小さい外周に関しては一周にかかる時間が少なく

冷却が不十分になる可能性が高いため、1mm/s に設定してある。非プリント時の移動速度も早過ぎると粘性により下の層を剥がしてしまう恐れがあったので、5mm/sに設定している。

・ アドバンスド設定（主に吐出幅） 0.9mm 以上の吐出幅でプリントを行おうとすると、フィラメント詰まりが起こる可能性が非

常に高いので基本的には 0.8mmに設定している。１層目(First layer)に関しては 0.6mmで液

体漏れが起こっていないため、その設定にしている。 フィラメント設定 ・ フィラメント設定

FABRIAL-Rのフィラメント径は 3mmである。推奨造形温度は 165℃だが、焦げ等による変形を防ぐため 140℃で行っている。

・ 冷却

ファンは常に出力が 大になるよう設定する。 低プリント速度に関しては加速するので絶対

に基本プリント速度を上回ってはいけない。ファンが効きにくい高い Z軸での小さな径のプリントを考えると 1mm/sが望ましい。

77

3.3 出力したモデルへの液体封入に関する実験・実証

ラテックスの流し込み モデルに空いた隙間を埋めることを目的とする。モデルの内側にラテックス（液体ゴム）を流し

込み、薄い膜を張り液体の漏れを防ぐことを試みる。薄くて密閉性のある膜が張れるものの、モ

デルの内部だとほとんど空気に触れないため硬化に非常に時間がかかってしまう点と、硬化した

膜にも粘着性があるため、内側で膜同士が接触すると剥がれてしまう点であまり実用的ではない

と判断した。

図 14 モデルの内側に膜を張るイメージ（左）と実際の実験モデル（右）

はんだごてによる溶解 モデルに空いた隙間を埋めることを目的とする。はんだごてを使いエラストマーの溶解温度に近

い温度で穴を溶かして埋める手法。造形の際に空いた小さな隙間だけでなく、水を入れるために

モデルの蓋に空けた穴も塞ぐことが出来る。ただし層の薄い部分や大きな隙間を埋めることは出

来ない。

栓による密閉 モデルへの液体の入れ替えを可能にすることを目的とする。浮き輪やビーチボールに見られるよ

うな、エラストマーの栓を作り、モデルから伸びる管にはめることによって液体の封入を行う（図）。

FABRIAL を３D プリンタで出力した栓の場合、積層痕があるせいで隙間が空いてしまい、空気が漏れてしまった。そこで市販品の浮き輪の栓（塩化ビニル樹脂）を栓として使うと密閉するこ

とが出来た。STLファイル上で 9mmの円柱を作ると 適化された設定で丁度の管が作れる。

78

図 15 エラストマーで出力した、栓と管のついたモデル

3.4 アイシング・プロダクトの有用性の実験 3.4.1 保冷効果の検証

エラストマーで制作したモデルが、封入された物体の特性をどの程度まで反映させるか、また冷

凍によるエラストマーの劣化が無いかを検証するために本実験を行う。エラストマーのモデルに

高吸水性ポリマー27を入れ（以下サンプル A）、同じく高吸水性ポリマーの入った市販の保冷剤（以

下サンプル B）と一緒に−18℃の冷凍庫で充分に冷凍する。エラストマーのモデルに入れている高吸水性ポリマーは保冷剤のものと同等のものである。室温 24℃の部屋でサンプル Aとサンプル Bをテーブルの上に起き、時間経過と共に表面温度を比較する。尚、細心の注意を払ったが、計測

器の精度と計測器具の実験対象への接触の関係により、±1℃の誤差は生じるものとする。

図１６ 表面温度の計測の様子

27 高い水分保持性能を有する高分子製品。冷却効果があり、保冷剤などにも使われる。

79

表 2 サンプル A とサンプル B の表面温度の比較

取り出して間もないタイミングでの表面温度は、双方ともに−1℃であった。しかし、１時間を過

ぎた辺りからエラストマーモデルの表面温度が徐々に上昇し始める。また、２時間が経過した辺

りから保冷剤の温度が急激に上昇し始め、２時間半が経過する頃には保冷剤の表面温度が 7℃になったのに対し、エラストマーモデルの表面温度は 4℃であった。

実験結果から、エラストマーモデルの保冷性は、通常の保冷剤と比べて遜色ない性能を持つであ

ろうということが伺えた。温度が早い段階から緩やかに上昇していった理由として、モデルの層

の厚みやポリブタジエン素材の耐寒性によって、低温が外部に少し伝わりづらいが、その分モデ

ル全体の温度が保たれやすいことが考えられる。いずれにせよエラストマーで製作したアイシン

グ・プロダクトは通常の保冷剤に近い保冷性を有していることが観察できた。

-­‐2  

-­‐1  

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

8  

0   15   30   45   60   85   90   105   120   135   150  

温度

（℃

）

時間（分）

サンプルAとサンプルBの表面温度の比較

サンプルA  

サンプルB  

80

3.4.2 装着感についてのユーザーアンケート 次に、３Dプリントされたアイシング・プロダクトとしてユーザーが違和感なく使えるかをユー

ザーアンケートによって検証した。 対象者にはエラストマーで製作し、高吸水性ポリマーを封入したモデル（図１７左側の透明なモ

デル）と PLAで製作した全く同じ形のモデル（図１７左側の黒いモデル）を腕部に装着してもら

い、下図のような形で、その装着感をアンケートに記入して貰った。アンケートの母数は２５人、

男女比は３：２であった。

図 17 プリントされた２つのモデル（左）とユーザーテストの様子（右）

装着感に対するアンケート項目は以下の３つである。

１．モデルを装着した際に硬さや感触などによる違和感はあったか

２．モデルを装着した際に、身体の動かしやすさは変化したか ３．モデルをアイシング・プロダクトとして実生活で使用できそうか。

集計したアンケート結果を下記に記す。

81

表３ 装着時の違和感の評価（エラストマー）

表４ 装着時の違和感の評価（PLA）

表５ 装着時の動かしやすさの評価（エラストマー）

16%

64%

20%

0% 0%

装着時の違和感（エラストマー）

全く違和感を感じなかった

あまり違和感を感じなかった

普通

違和感があった

とても違和感があった

4%

20%

28% 36%

12%

装着時の違和感（PLA）

全く違和感を感じなかった

あまり違和感を感じなかった

普通

違和感があった

とても違和感があった

20%

36% 24%

12% 8%

装着時の動かしやすさ （エラストマー）

とても動かしやすい

動かしやすい

自然

動かしにくい

とても動かしにくい

82

表６ 装着時の動かしやすさの評価（PLA）

表７ 実生活で使えそうかの評価（エラストマー）

表８ 実生活で使えそうかの評価（PLA）

4%

28%

32%

32%

4%

装着時の動かしやすさ（PLA）

とても動かしやすい

動かしやすい

自然

動かしにくい

とても動かしにくい

40%

52%

8%

0% 0%

実生活で使えそうか （エラストマー）

非常に使える

使える

どちらとも思わない

使えない

全く使えない

4%

20%

40%

12%

24%

実生活で使えそうか（PLA）

非常に使える

使える

どちらとも思わない

使えない

全く使えない

83

装着時の違和感に関して、エラストマー素材のモデルで「全く違和感を感じなかった」人が全

体の 16%だったのに対し、PLAのモデルでは全体の 4%だった。「あまり違和感を感じなかった」

人も加えるとエラストマーは全体の 80%であるのに対し、PLAは全体の 24%であった。 また、装着時の動かしやすさに関しても「とても動かしやすい」「動かしやすい」と感じた人はエ

ラストマーでは全体の 56%であったことに対し、PLAでは全体の 32%であった。

アイシング・プロダクトとしての実用性に関しては「非常に使える」「使える」と感じた人はエラ

ストマーでは 92%、PLAでは 24%だった。 以上の結果から、エラストマーで製作したアイシング・プロダクトは同じく３Dプリンタで出

力した PLAモデルと比べ、装着感や動かしやすさにおいても上回っており、アイシング・プロダクトとしての実用性に関しては絶対的な数字を見てもほとんどの人が実用的だと感じていること

が判明した。よって、エラストマー素材を使ったアイシング・プロダクトの装着感や動かしやす

さに準ずる実用性における一定の有用性が確認された。

84

4. 今後の展望・可能性についての検討 4.1 アイシングとしてのアプリケーション エラストマー出力に液体封入可能なモデルはその密閉性をどの液体に対しても発揮するため、

保冷剤に使われる高吸水性ポリマーを封入することが可能である。更に３Dプリントによる個人

に合った形状の出力と、粘弾性による人体への自然な密着性のため、人間の生活に不便を感じさ

せることなく、効率的に患部を冷やすことが可能である。

4.2 ソフトロボティクス その密閉性と柔軟性の高さから、本研究はソフトロボティクスに応用することも可能である。現

在はアクチュエータをはじめパーツのほとんどを型取り成形によって行っているため、時間のロ

スと金銭的コストが非常に大きい。素材の特性に違いがあるため伸縮性があまりないため現行の

製法や機能を完全に代替することは難しいが、コスト面での貢献に関しては見込むことが出来る。 ３Dプリントによるソフトロボティクスの可動部部分の出力が可能になれば、現行の可動部の製

作コストと時間を大幅に抑えることが出来るだろう。

図 18 Soft Robotics Toolkit によるシリコンゴムの型への流し込み28

4.3 クッション材 密閉されたモデルは液体を入れていない状態であっても、タイヤ等と同じように空気が充填され

ているので、本体が衝撃に強いだけでなく、装着した体の部位など接触しているものを衝撃から

守ることが可能だと思われる。耐衝撃性は日常生活でプロダクトを使う上で安全性にもつながり、

非常に重要な要素である。今後エラストマーを使った密閉モデルが作られるようになると、スポ

28 http://softroboticstoolkit.com/

85

ーツに使うことの出来る防具や肘当て、また対象物の形状にぴったりはまるような形の梱包材が

作れるようになるだろう。

4.4 医療用 PLA等と違い、その柔らかさからエラストマー素材は人体の内部に挿入しても傷つけることが

ない。更に FABRIAL-Rは皮膚刺激性テスト（ISO 10993-1029準拠）による安全性が確認されて

いるため、安全面からも現在市場にあるフィラメントの中で も医療用に適していると考えられ

る。具体的には患者の体内の構造に合わせた特殊な形状のチューブや、また液体封入という特性

と柔軟性を活かし、実際に執刀が可能な手術用のシミュレーションモデルを制作することも可能

であると考えられる。 以上のことからエラストマー３Dモデルは医療分野と非常に相性が良く、今後液体を密閉する

ことの出来るエラストマー３Dモデルが医療の現場に貢献する日が来るかもしれない。

29 http://www.iso.org/iso/catalogue_detail?csnumber=40884

86

5. 参考文献

[1] 田中浩也(2014)「SFを実現する―３Dプリンタの想像力」講談社 [2] N. Gershenfeld（著）、田中浩也（監修）、糸川洋（訳）（2012）「Fab パーソナルコンピ

ュータからパーソナルファブリケーションへ」オライリー・ジャパン [3] 田中浩也(2012)「Fablife ―デジタルファブリケーションから生まれる「つくりかたの未来」」

オライリー・ジャパン

[4] 尾崎邦宏（監修）、松浦一雄（編著）（2011）「しくみ図解 高分子材料が一番わかる」技術評論社

[5] 尾崎邦宏（監修）、松浦一雄（編著）(2007)「図解 適用事例にみる高分子材料の 先端技

術」工業調査会

[6] Y. L. Park, B. Chen, C. Majidi, R. J. Wood, R. Nagpal, E. Goldfield, “Active Modular Elastomer Sleeve for Soft Wearable Assistance Robots” Harvard University, 2012

[7] N. Chenry, R. MacCurdy, J. Clune, H. Lipson, “Unshackling Ecolution: Evolving Soft Robots with Multiple Materials” 9 2013. [オンライン]. Available: http://creativemachines.cornell.edu/soft-robots. [アクセス日: 11 7 2015].

[8] R. Pfeifer, H. G. Marques, F. Iida, “Soft Robotics: The Next Generation of Intelligent Machines” Artificial Intelligence Laboratory, 2013

87

謝辞 本研究を進めるにあたり、大変多くの方にご指導、ご助力を頂きました。

私が研究室に所属していた２年間、デジタル・ファブリケーションについての技術や知識、思

想など実に多くのことをご指導して下さり、研究内容や本論文の執筆に関しましてもご助力下さ

った田中浩也准教授にこの場を借りて深く感謝を致します。 また材料提供と情報提供、そして何よりこの研究を行う機会を与えて下さった JSR株式会社の

林田大造様、六鹿泰顕様、光部貴士様、林泰斗様にこの場を借りてお礼を申し上げます。特に林

田様、六鹿様とは FABRIAL-R の出力パラメータに関して研究中も情報交換をさせて頂き、その結果より精度の高いプリントを行うことが可能となりました。誠に有難うございました。

増田恒夫氏には本研究中にエラストマーの出力や３D プリンタの仕組みに関するノウハウを数多くアドバイスして頂きました。誠に有難うございます。

田中研ヒューマンサブゼミの関島慶太さんと徳島泰さん、Jianyou Liさんには研究の進め方から論文の執筆、フィードバックをはじめ、本当に様々な面でアドバイスを頂き、また支えて頂き

ました。皆さんのご協力なくして本論文は現在の完成度に至らなかったと思います。この場を借

りて深く感謝を致します。 本論文を完成させるにあたりアンケートに協力して下さった皆さんには、快く実験に協力して

頂き、また定性評価だけでなく非常に有用な意見も多数頂きました。誠に有難うございます。

私が２年間田中研究室に所属し、今まで充実した研究生活を送ることが出来たのは、ひとえに

田中研究室のメンバーと OBOGの皆さんに恵まれたからだと感じております。日々有意義な議論を交わし、一緒にものづくりをして下さったことに大変感謝致します。また、研究室に入った年

からペアを組み、今でも面白いものづくりに巻き込んでくれる福田香子さんには特に感謝してお

ります。ありがとうございました。

大学で私にデッサンをはじめデザインの基礎を教えて下さった竹之内博史先生には大変感謝し

ております。私が田中研究室でものづくりが出来ているのも先生のご指導の賜だと感じておりま

す。誠に有難うございました。

駒野美智さんと Fablab 鎌倉の朝ファブのメンバーには、ものづくりを通じて研究室にはない様々な発想を頂きました。この場を借りて感謝致します。 また、私を精神的に支えてくださった鈴木杏奈さん、鈴木雅人さん、小西美香子さんには大変

感謝しております。誠に有難うございました。

後に私をここまで育てて下さった両親と、親愛なる弟へ感謝の意を表します。

88

付録(ORF アンケート)