プリンタを活用した教材作成の試みプリンタを活用した教材作成の試みプリンタを活用した教材作成の試みプリンタを活用した教材作成の試み プリンタを活用した教材作成の試み 分子モデル 結晶格子モデルの製作－分子モデル・結晶格子モデルの製作－－分子モデル・結晶格子モデルの製作－ 分子モデル 結晶格子モデルの製作

岩手県立総合教育センタ2018.06 岩手県立総合教育センター http://www1.iwate-ed.jp/tantou/joho/material/3dprinter web/index.html2018.06 岩手県立総合教育センタ http://www1.iwate ed.jp/tantou/joho/material/3dprinter_web/index.html

はじめに ■３Ｄプリンタの種類と概要■はじめに ■３Ｄプリンタの種類と概要■はじめに ■３Ｄプリンタの種類と概要 ベンゼン

1 2-ジブロモはじめに 類

ベンゼン 1,2 ジブロモ

エタン

プ近年，低価格で発売されるようになった３Ｄプリンタは，専門高校における生徒 3Dプリンタは 1980年に日本人 小玉秀男氏が発明したものである その 近年，低価格で発売されるようになった３Ｄプリンタは，専門高校における生徒

実習等で活用され始めるなど 学校教育の場に浸透してきている ３Ｄデ タさえ 3Dプリンタは，1980年に日本人，小玉秀男氏が発明したものである。その

実習等で活用され始めるなど，学校教育の場に浸透してきている。３Ｄデータさえ 後，英国を中心とする会社が商品化を行った。その当時は１台あたり最低でも数実習等で活用され始めるなど，学校教育 場に浸透してきて る。 デ タさえ

あれば 手軽に作成できることは大きなメリットである そこで 本研究の取り組後，英国を中心とする会社が商品化を行った。その当時は１台あたり最低でも数

百万円の価格であ たため 企業などの事業所での導入がメインであ たと言わエチレン 1 プロパノ ルあれば，手軽に作成できることは大きなメリットである。そこで，本研究の取り組 百万円の価格であったため，企業などの事業所での導入がメインであったと言わエチレン 1-プロパノール

みでは ３Ｄプリンタによる分子モデル及び結晶格子モデルの製作を試み 授業へ百万円の価格であったため，企業などの事業所での導入がメインであったと言わ

れているみでは，３Ｄプリンタによる分子モデル及び結晶格子モデルの製作を試み，授業へ れている。 の活用を提案するものである しかし 2009年 基本特許の保護期限が終了しの活用を提案するものである。 しかし，2009年，基本特許の保護期限が終了し

たことに伴い 数十万～数万円程度の安価な製品がメタン ホルムアルデヒドたことに伴い，数十万 数万円程度の安価な製品が

各社 発売され と な

メタン ホルムアルデヒド

各社より発売されることになった。■分子モデル印刷の手順

各社より発売されることになった。

３Ｄプリンタにはさまざまな方式があり それぞ■分子モデル印刷の手順 ３Ｄプリンタにはさまざまな方式があり，それぞ■分子モデル印刷の手順 式 ，

れ製品化されている 例えば 液状の樹脂に紫外線れ製品化されている。例えば，液状の樹脂に紫外線化学の分野では肉眼で確認できな

アンモニア 1 2-ジブロモ

を照射して少しずつ硬化させていく「光造形方 化学の分野では肉眼で確認できな 1,2 ジブロモ

シクロヘキサン を照射して少しずつ硬化させていく「光造形方い原子や分子の理解を深めるため

式」 熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていくい原子や分子の理解を深めるため，

式」，熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていく

「熱溶解積層方式 粉末 樹脂に接着剤を吹き付け「球モデル」や「球—棒モデル」な

「熱溶解積層方式，粉末の樹脂に接着剤を吹き付け「球モデル」や「球 棒モデル」な

ざ デ が熱溶解積層方式，粉末の樹脂に接着剤を吹き付け

ていく「粉末固着方式」などがあるどさまざまな形式の分子モデルが開 【図１】３Ｄプリンタの外観フラーレン

2 メチルていく「粉末固着方式」などがある。 どさまざまな形式の分子モデルが開

発 活用されており その歴史は古

【図１】３Ｄプリンタの外観 2-メチル-

1-プロパノール

今回は 岩手県立総合教育センターに導入されて発・活用されており，その歴史は古

1 プロパノ ル

今回は，岩手県立総合教育センターに導入されて発 用 ， 史

い 組み立て式の分子モデル【図いる「熱溶解積層方式」の3Dプリンタ「XYZプリン

い。組み立て式の分子モデル【図 いる「熱溶解積層方式」の3Dプリンタ「XYZプリン

グ ダ３】などが商品化され 化学教育の 【図３】市販の分子モデル(球－棒モデル)シクロヘキサン

ティング社 ダビンチ 1 0 Pro」【図１】の活用を検３】などが商品化され，化学教育の 【図３】市販の分子モデル(球 棒モデル) シクロヘキサン

ティング社 ダビンチ 1.0 Pro」【図１】の活用を検

討する推進に貢献してきたところである シクロペンテン

討する。 推進に貢献してきたところである。

か れら 教材は安価 はな とから 生徒 人 人に触れさせる とが討する。

本機は 熱可塑性樹脂（ABS樹脂）のフィラメンしかし，これらの教材は安価ではないことから，生徒一人一人に触れさせることが

本機は，熱可塑性樹脂（ABS樹脂）のフィラメンしかし，これらの教材は安価ではないことから，生徒 人 人に触れさせることが

難しいト【図２】を高温（約210℃）で溶かして ノズル

難しい。 カーボン ト【図２】を高温（約210℃）で溶かして，ノズルそこで 授業の展開に合わせた分子モデル及び結晶格子モデルを3Dプリンタで

ナノベルト

より押し出し 造形テーブル（保温90℃）に押し付 そこで，授業の展開に合わせた分子モデル及び結晶格子モデルを3Dプリンタで

P-ジクロロ より押し出し，造形テ ブル（保温90℃）に押し付

け きなが 積層 完成させ く仕様 も製作して 触れて感じる教材として活用することで 更なる教育効果が期待される

ジク

ベンゼン

けていきながら積層し，完成させていく仕様のもの製作して，触れて感じる教材として活用することで，更なる教育効果が期待される

【図 】カ トリ ジとけていきながら積層し，完成させていく仕様のもの

であると考え，今回はこれらのモデルの製作を試みることとした。 【図２】カートリッジと

である。 と考え，今回はこれらのモデルの製作を試みることとした。

フィラメント黒鉛 フィラメント 黒鉛

アセトアルデヒド

St 1アセトアルデヒド

Step13Dプリンタデ タの例分子モデルの作成

Step1 3Dプリンタデータの例 分子モデルの作成

ナフタレン 例ナフタレン

現在，無償提供されている分子設計するた 現在，無償提供されている分子設計するた

めのソフトウ アは数多くある その中でもエチレン

グリ ルめのソフトウェアは数多くある。その中でも グリコール め ソフトウ アは数多くある。そ 中でも

操作性に優れている「Wi t 」を活用し操作性に優れている「Winmostar」を活用し六方最密充填

た テンプレートも多く添付しており 画面た。テンプレートも多く添付しており，画面

上に原子を配置して分子を設計し ［ファイ ジエチルエーテル 上に原子を配置して分子を設計し，［ファイ

］ ［ ポ ］ ［ ］ 存ル］→［エクスポート］→［VRML］で保存立方格

ル］ ［エクスポ ト］ ［VRML］で保存

することでVRML形式のデ タが完成する面心立方格子

することでVRML形式のデータが完成する。 式

なお Winmostar（無償版では30原子 【図４】Wi t の入力画面 なお，Winmostar（無償版では30原子 【図４】Winmostarの入力画面 【 】ベ ゼ 【図７】面心立方 【 】体心立方格 密

ベンゼン

以内の利用）では分子軌道の計算も行うこ 【図６】ベンゼン 【図７】面心立方 【図８】体心立方格 【図９】六方最密充填 スルホン酸

以内の利用）では分子軌道の計算も行うこ 【図６】 ンゼン 【 】 【図８】体心立方格 【図９】六方最密充填 体心立方格子

とができるので この結果から分子軌道の3Dプリンタ出力が可能となる体心立方格子

とができるので，この結果から分子軌道の3Dプリンタ出力が可能となる。

246 トリニトロ246-トリニトロ

トルエン

ブタン

トルエン

3Dプリンタ用デ タへの変換Step2ブタン

3Dプリンタ用データへの変換Step2 3Dプリンタ用デ タ の変換 Step2

VRML形式のデータファイルをSTL形式のm-キシレン VRML形式のデ タファイルをSTL形式の

プヘキサン

データファイルへ変換できる数少ないオープン 【図10】黒鉛 【図11】グリセリン 【図12】トルエンデ タファイルへ変換できる数少ないオ プン

ソ スの３次元グラフ クスソフト【図10】黒鉛 【図11】グリセリン 【図12】トルエン

ソースの３次元グラフィックスソフトソ ス 次元グラフィックスソフト

「Bl d 」を使用する ［ファイル］ ［イ「Blender」を使用する。［ファイル］→［イペンタン

o-キシレン

ンポート］→（VRML形式ファイル）で先に作ペンタン

ンポート］→（VRML形式ファイル）で先に作

成したVRML形式のファイルを読み込む成したVRML形式のファイルを読み込む。

次に [ ] ［ ク ポ ト］次に，[ファイル]→［rクスポート］→ 次に，[ファイル] ［rクスポ ト］

（STL形式）として保存して 3Dプリンタ出メタノール p-キシレン

（STL形式）として保存して，3Dプリンタ出メタノ ル p

（ 形式） 保存 ， リ

力可能なSTL形式のデ タが完成する 本ソ力可能なSTL形式のデータが完成する。本ソ

フトは ファイル形式変換にのみ活用するこ 【図５】Blenderの入力画面フトは，ファイル形式変換にのみ活用するこ 【図５】Blenderの入力画面 【図13】熱溶解積層方式の特性と補助的対応黒鉛

とになる。 【図13】熱溶解積層方式の特性と補助的対応 黒鉛 p-ジクロロ とになる。 ベンゼン

St 3 分子モデルデ タ 印刷Step3 分子モデルデータの印刷Step3 ベンゼン(LUMO) 分子モデルデ タの印刷 クロロベンゼン

熱溶解積層方式では最も大きな特徴として 設置部分よりも上部の方が広くなるような形状では 支持（サポ ト）材を挿入して印刷をすることになる【図14】 熱溶解積層方式では最も大きな特徴として，設置部分よりも上部の方が広くなるような形状では，支持（サポート）材を挿入して印刷をすることになる【図14】。

印刷後は この支持材を除去して完成となる【図15】印刷後は，この支持材を除去して完成となる【図15】。 ダ ヤ ドダイヤモンド

トルエントルエン

エタノールエタノ ル

ナフタレン

アセチレンアセチレン

2-メチル-

【図16】メタン 【図17】フラ レン C60 【図18】 ト ベ ゼ

2 メチル

1-プロパノール

【図16】メタン 【図17】フラーレン C60 【図18】ニトロベンゼン 【図14】出力後(サポート材あり) 【図15】サポート材除去後 【図 】エチレン(LUMO)

【図14】出力後(サポ ト材あり) 【図15】サポ ト材除去後

授業実践■授業実践■授業実践 trans-2-ブテン ■授業実践【展開案】プロピレン

今回製作した結晶格子モデルは，岩手県立不来方高等学【展開案】

１ 結晶についての基本的な事項を確認する 化学基礎で既習の結晶の分類を 今回製作した結晶格子モデルは，岩手県立不来方高等学

校 武田孝紀 教諭に依頼し 授業で活用していただいた１ 結晶についての基本的な事項を確認する。化学基礎で既習の結晶の分類を

校 武田孝紀 教諭に依頼し，授業で活用していただいた。 復習する復習する。

グ プ（ 人）に面心立方格子 体心立方格子 デ を配布するシクロヘキセン

【単元】固体の構造「金属結晶格子について」 ２ グループ（４～６人）に面心立方格子，体心立方格子モデルを配布する。酢酸 【単元】固体の構造「金属結晶格子について」 ２ グル プ（４ ６人）に面心立方格子，体心立方格子モデルを配布する。

３ 各モデルについて 原子数を確認する酢酸

３ 各モデルについて、原子数を確認する。 【本時の目標】単位格子について基本事項（原子数・配位 ４ モデルを確認しながら 中心となる原子を決め モデルを２つ合わせて配位【本時の目標】単位格子について基本事項（原子数 配位

数 原子半径）を理解する 金属結晶格子の３種類につい４ モデルを確認しながら，中心となる原子を決め,モデルを２つ合わせて配位

数を観察する数・原子半径）を理解する。金属結晶格子の３種類につい 数を観察する。 乳酸

て 原子数・配位数について理解し 金属結晶格子につい数 観察す 。

５ 六方最密充填モデルについては 全員で情報共有を行うギ酸 て，原子数・配位数について理解し，金属結晶格子につい ５ 六方最密充填モデルについては、全員で情報共有を行う。 ギ酸

てイメージ化できるようにする。 ６ 面心立方格子の面を各自スケッチさせ 原子半径を持溶けるてイメ ジ化できるようにする。 ６ 面心立方格子の面を各自スケッチさせ，原子半径を持溶ける。

m-ニトロトルエン

【問い合わせ先】 岩手県立総合教育センター 〒025-0395 岩手県花巻市北湯口第2地割82番1 joho-r@center.iwate-ed.jp ブタノール

m ト トル ン

o ニトロトルエン塩化ビニル ギ酸 グリセリン シュウ酸 マレイン酸 塩化ビニル アセトン フマル酸 酢酸エチル 酢酸ビニル ホルムアルデヒド cis-2-ブテン ニトロベンゼン シクロペンテン

o-ニトロトルエン