week 5 - 3D scanning and printing(JP) : Local Session#

  • Author : jun kawahara, Kai Naito,Asako Okazaki (Fablab Kamakura) / Toshiki Tsuchiyama (FabLab Kuriyama)
  • Date created : 2/4/2019
  • Date updated : 2/23/2021
  • updated : 2/21/2021 - Anycubic Mega S
  • updated : 2/23/2022 - 2022 evaluation standards

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Agenda#

  • 課題要件の確認
  • 2/28(月)にDebuggingのRecitationがあり、とても参考人ある授業なので必ず参加するようにしてほしい。
  • Global Evaluationの準備が進行中。(果たして誰が担当になるのか。。。)

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Assignments & Goal#

Group assignment#

  • ラボにある3Dプリンターの特性・性能調査
  • 制作物とその工程をドキュメンテーションし、プリンターの制限について説明する(グループまたは個人で)
  • Group assignmentで学んだことをドキュメンテーションし、個人ページで引用するNEW

Individual assignment:#

  • サブトラクティブマニュファクチャリング(減法製造)では簡単に作れない形状(=アディティブマニュファクチャリング(加法製造)(small, few cm3, limited by printer time)を設計し、3Dプリントする
  • オブジェクトを3Dスキャンし、印刷のための準備を試みる(←NEW) (オプションで印刷も可能)

Learning outcomes#

  • 3Dプリントとスキャン技術の利点と制限を調べる
  • 3Dプリント(←NEW)の理解を示すために、設計手法や制作プロセスを応用する。
  • オブジェクトを3Dスキャンし、印刷の準備を試みる(オプションで印刷も可能)
  • スキャン技術を使って対象物をデジタル化する方法を説明する (←NEW)

Have you#

  • Group assignment pageのリンクを個人ページに埋め込む
  • 3Dプリンターのテストからわかったことを説明する
  • どのようにモデルを設計し、作ったかをドキュメンテーションし、なぜサブトラクティブマニュファクチャリングで簡単に作ることができなかったかを説明した。
  • オブジェクトをスキャンして3Dプリント用データに変換する方法をドキュメンテーションする
  • 3Dプリント用のオリジナルデザインファイルを埋め込む(CADと3Dプリント用の共通フォーマットの両方を添付する)
  • 制作物のヒーロショットを載せる

参照サイト:Assessment page

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FAQ#

要件を満たすモデルの定義とは:サブトラクティブマニュファクチャリング(減法製造)では簡単に作れないこと#

  • A)製作したモデルに「undercuts」「overhangs」「nested parts」「meshes」などの特性が含まれていること

What is “undercut” ?
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「Undercut」は、射出成形時に金型から部品が排出されにくくなる部分を指す言葉です。

参考サイト:Injection Molding - Undercuts (How to Avoid and Design)

What is “overhangs” ?
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3Dプリントの「overhang」とは、3Dモデルにおいて、直前のレイヤーから外側にはみ出している幾何学的形状のことです。
「overhang」には直接的なサポートがないため、プリントすることが困難です。

それでも、許容範囲内のオーバーハングがあります。
それは、3Dプリントのオーバーハングで、45~52°の角度までです。
しかし、これを超えると、フィラメントが垂れてしまうなどの問題が発生することがあります。


参考サイト:How to improve 3D print overhangs and bridges
参考サイト:3D Printing Overhang: How to 3D Print Overhangs

What is “nested parts” ?
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3Dプリントにおける「Nested Parts」は、モデル内に同じ形や種類の(一回り小さい)ものが入っている状態や構造のことを言います。
日本語では”入れ子構造”とも言う。 sample photo

<Another “Nesting” meaning>
「Nesting(nested parts)」は、3Dプリンターの造形範囲に対して出力物を最適に配置し印刷するための造形準備段階を意味します。


Nestingソフトウェアでは、3Dプリンター内のスペースを最大化するために3Dファイルを移動し、回転させ、配置することができます。
Nestingは、テトリスに例えることができます。テトリスは、落ちてくるさまざまな形のブロックを並べて線を埋めるゲームですが、Nestingでは、1台の3Dプリンターにできるだけ多くの部品を詰め込んで、コストを削減し、機械の生産性を向上させる事が可能です。

Nestingは、レーザー焼結式(SLS)やHPのマルチジェットフュージョン(MJF)などの粉体ベッド融合(PBF)技術で最もよく使用されています。

参考サイト:The Role of Nesting in Polymer 3D Printing

What is “mesh” ?
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(3D)Meshは、ポリゴンで構成される3Dモデルの構造物です。
3DMeshは、X、Y、Z軸の基準点を使って、高さ、幅、奥行きのある形状を定義します。

参考サイト:What is 3D mesh?
参考サイト:Mesh vs. NURBS: Which 3D Model Is Best for 3D Printing?

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3Dプリントによく使われるフォーマットとは#

  • A)STL, OBJ または 3MF (レポジトリのために添付するファイルを小さくする、圧縮するなど)

STL“とは ?#

STL(Standard Triangulated Language)は三次元形状を表現するデータを保存するファイルフォーマットのひとつです。
三次元形状を構成する小さな三角形要素の集合を記述しており、三角形のみで他の多角形や曲線を一切扱わないのが特徴のフォーマットです。
色やトポロジーデータ(形状同士のつながり)なども含まれず、データ構造が簡単であることからラピッドプロトタイピングの分野では標準フォーマットとなっています。


  • ASCII形式
    ASCII形式は人間が見た時の可読性が高いが、バイナリ形式と比較してファイルサイズが大きくなり、さらにファイル読み書き時の処理に時間がかかる。

  • バイナリー形式
    STLにはバイナリー形式も用意されており、ASCIIにくらべファイルサイズが小さく済み、読み書きの際のエンコード/デコードがないぶん高速となる。

引用元Wikipedia

OBJ“とは ?#

OBJファイルは、3Dモデルに関する情報を格納するファイル形式です。

元々は、線、多角形、自由曲面からなる幾何学的オブジェクトを保存するために、Wavefront Technologies の Advanced Visualizer アプリケーション用に作成されたものです。
そのため、OBJは3Dモデルの表面形状を符号化するだけでなく、色とテクスチャの情報も保存することができます
※このフォーマットでは、シーン情報(光の位置など)やアニメーションは保存されません。


参考サイトOBJ File Format – All You Need to Know

3MF“とは ?#

3MF(3D Manufacturing Format)は、STLが抱えていたモデルデータの保存容量の制限や、ファイルの低品質といった問題を解決するもので、STLをアディティブマニュファクチャリングの標準ファイルフォーマットとして駆逐する可能性を持っています。

D3MFは、アディティブ・マニュファクチャリングを念頭に置いて設計された、大量のモデルデータを1つの小さなファイルに保存する便利なツールです。
- フルカラー、テクスチャーデータ - 素材データ - デザイナー名、パーツ説明、著作権・ライセンス情報 - サムネイル画像 - 1シーンに複数個のオブジェクト - 部品データに付属する支持構造物 - 梁の格子 - シーンの縮尺と寸法 - 直接機械に準備するための完全なトレイサポート - プリンター設定情報 - データの暗号化 - ボリュームデザイン (coming soon)


これだけ聞くと、巨大なファイルができそうですが、3MFファイルは一般的なZIP形式と同じ圧縮方式を採用しているので、軽量でファイルサイズも小さくなっています(通常、同じモデルのSTLファイルの半分から3分の1のサイズ)。
また、ZIPのように簡単にファイルを解凍して、中に入っているデータを加工することも可能です。

参考サイト3MF File Format – All You Need to Know

Should I include my scanned file(s)#

  • A)ファイルサイズが大きいので必要ない

ファイルサイズが大きいデータは「Sketchfab」などの外部サイトなどを使ってアップロードしてください。

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Time table exsample on Onsite session#

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インストラクターからのアドバイス#

  • 今週は特にタイムマネジメントに注意してください。
  • 3Dプリンターは造形に時間がかかります。また、必ずしも印刷がうまくいくとは限りません。エンクロージャーがないプリンタの場合は印刷環境(温度や湿度)によっても成功確率が左右されます。
     また、湿気によって水分を含んでしまったフィラメントを使用すると印刷が失敗する可能性があります。

    参考サイト:フィラメントに取り込まれた水は造形中にどう振る舞うか(JP)

  • 3Dプリンターを使った制作はトライアル&エラーがつきものです。成功するまでに何度か、出力、データ修正、パラメーター調整を繰り返すことを前提にスケジュールを立ててください。

    参考サイト:3Dプリントの反りに対する3つの簡単な修正方法(PLA、PETG、ABS)
    参考サイト:3D Printing Troubleshooting All Common Problems

  • 常にプリンターを稼働状態にしておけるとよいです。

  • Individual assignmentでつくる課題は、Additive manufacturing processでしかつくれない形であることが条件です。

参照サイト:Additive vs. Subtractive Manufacturing

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Class review#

Global Session Note - 3D Printing and Scanning

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課題要件の確認#

Group assignment#

3Dプリンタの特性・性能調査をする方法#

※他にも3Dプリンタの特性・性能調査に関するサンプルデータや参考サイトがあるので探してみてください。(pitchや素材の違いなど) ) ※テストサンプルは他にもあるので探してプリントしてみてください。
参照サイト:3D Printer Test Print: Best Torture-Test Models of 2021

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individual assignment#

サブトラクティブマニュファクチャリング(減法製造)とアディティブマニュファクチャリング(加法製造)#

サブトラクティブマニュファクチャリング(減法製造)とは・・・
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従来の切削加工のように素材を切削、切断する製造方法のことです。

減法製造では素材を切削切断して加工するので削られた部分はすべて廃棄物になります。
加法製造は必要な素材を積み上げていくので材料に無駄が出にくい加工法です。
エコであるだけでなく、材料費・加工時間も削減することが出来ます。

アディティブマニュファクチャリング(加法製造)とは・・・
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何もない状態から素材を積み上げる製造方法のことで、3Dプリンター出力による製造はアディティブマニュファクチャリングの代表例、またはほぼ同義として扱われています。
特徴として以下の4つが挙げられます。

・仕様変更などの変化に即座に対応できる
・材料費・加工費を削減できる
・従来の切削加工ではつくることの出来なかった設計が出来る
・設計から完成まで早い

また、3Dプリンター出力には、トポロジー最適化やジェネレーティブデザインといった手法があります。
これらは荷重や物体が存在しても良い空間などの条件を設定することで最適な形状を設計する手法です。

2つの製造方法の違い#

切削加工では刃物が入らない、ワークを固定することが出来ないなどの理由で理想の設計を実現できない場面もあります。
加法製造ではそれらの制約条件が無いため、理想の形状で設計することが可能です。
内部構造を中空や孔部を有するラティス構造(=格子構造)にすることで軽量化したり、複数の部品を1つの部品としてまとめた設計も可能です。
加法製造を最大限に活かす為の設計法はDfAM(Design for Additive Manufacturing)と呼ばれます。

DfAM(Design for Additive Manufacturing)とは#

Design for Additive Manufacturingの頭文字を取ったものでアディティブマニュファクチャリングを最大限に活かす為の設計法の事です。
内部構造をハニカム構造にして軽量化する、切削では加工出来なかった形状にする、複数のパーツを1つにまとめる、3Dプリンターのサポートがつく箇所の角度を変更してサポートがつかないようにする、などがあります。

引用元:無駄のない製造方法アディティブマニュファクチャリング|特徴とメリットを解説(JP)

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Lab Equipments of 3D printers#

FabLab Kuriyamaβ#

Afinia H800+#

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- build volume: 255W) × 205D × 205H mm
- [manuals & guides](https://www.afinia.com/afinia-downloads/AfiniaH800-3D-Printer-UsersManual.pdf)
- download: [afinia studio](http://afinia.com/support/downloads/)

Prusa i3 mk3#

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Ironingは、3Dプリンターで出力したモデルの上面を滑らかにし、パーツをよりきれいな見た目にするための手法です。<br>
理論的には、3DプリンターのIroningは、衣服へのアイロンがけと非常によく似ています。<br>
アイロンの熱で服のシワを伸ばすように、3Dプリンターではノズルの熱で最終レイヤー(表面)の凹凸を伸ばします。<br>
その際、ノズルから少量の材料が表面に押し出されます。ノズルの熱でレイヤー(積層面)が柔らかくなり、押し出された材料が簡単にレイヤー(積層面)にできた隙間を埋めてなめらかにすることができます。<br>
ほとんどの3Dプリンターのノズルは下向きなので、Ironingができるのはモデルの最終レイヤー(上面)だけです。<br>
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参考サイト:[PrusaSlicer: Ironing – How to Get a Smooth Surface](https://all3dp.com/2/prusaslicer-ironing-simply-explained/)

Indonesia Lab#

Prusa i3 mk3#

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対象物の3Dスキャン(オプションでプリントも可)#

3Dスキャンとは#

3Dスキャンは、現実世界の物体や環境を分析し、その形状や場合によっては外観(色など)のデータを収集するプロセスです。
収集したデータは、デジタル3Dモデルを構築するために使用されます。
3Dスキャナーは様々な技術をベースにしており、それぞれに制限、利点、コストがあります。
デジタル化できる対象物の種類には、まだ多くの制限があります。例えば、光学技術では、暗いもの、光沢のあるもの、反射するもの、透明なものなど、多くの困難に遭遇することがあります。
例えば、工業用CTスキャナ、Structured Light方式3Dスキャナ、LiDAR、Time Of Flight 3Dスキャナなどは、破壊テストを行わずにデジタル3Dモデルを構築することが可能です。

引用元:Wikipedia

3Dスキャンの方法を大きく2つに分ける場合、写真から3Dモデルを作成する**フォトグラメトリ**とレーザー光を使用する**LiDARスキャン**に分けることができると思います。

フォトグラメトリとは
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被写体をさまざまなアングルから撮影し、そのデジタル画像を解析、統合して立体的な3DCGモデルを作成する手法です。

photogrammetry softwares#

LiDARスキャンとは
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LiDAR(Light Detection and Ranging(光検出と測距)の略)センサーから発した光が物体に当たって跳ね返ってくるまでの時間を計測し、その物体までの距離や大きさを特定することで、カメラを向けた空間の奥行きや被写体の3次元的な形状を計測する手法です。
LiDARスキャンは、2020年3月に発売された「iPad Pro」、同年10月に発売された「iPhone 12 Pro」と、11月に発売された「iPhone 12 Pro Max」に搭載されたことで話題になりました。

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settings & troubleshooting guides#

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その他参考サイト#

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Announcements / notes#

課題のアップロードについて#

  • stlファイルはサイズが大きくなることがあるので、リポジトリではなく、外部サイトへアップロードしてください。

Recitation#

  • Next Week: debugging

Start Final project tracking page#

Weekly assignmentのドキュメントとは別に、Final Projectの進捗を記録するためのページを作成しドキュメントし始める。 Example

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Support documents#

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Class video (recorded)#