Bill Brisko氏の3次元プリンタによるロストワックスのクリニックの第4回目です。前回の記事のラピッドプロトタイピングの4つの技法(SLA、SLS、FDM、3次元プリンタ)の解説となります。例によって、間違いがあったり、不適切な用語の使い方など、お気づきの点は、遠慮なく指摘していただければ、と思います。

SLAプロセス
SLAは、Stereolithography Apparatusの略です。レジンに紫外線を当てると、硬化する特性を利用した造型機です。歯医者さんで、詰め物をして、おもちゃのピストルみたいなものを押し付けて固めた、という経験はありませんか？あれと同じ原理だと思います。歯医者（歯科助手）さんが、黒いメガネをしているのは、紫外線から目を保護するためです。

光造形機は、液状のレジン槽の中に、造形する物を形作る台(ステージ)がおかれ、このステージが上下する構造になっています。造形は、ステージ上の一層分の厚さの液状のレジンに紫外線のレーザーで一層分の形を描き、台を一層分下げ、次の層を描く、という作業の繰り返しになります。

[2009/6/9追記： この光造形を仕事で頻繁に使っている人から、面白いことを教えてもらいました。言われてみればなるほど、なのですが、「地震に弱い」のだそうです。地震の前後で造形の位置がずれてしまうことがあるので、「地震の直後に納品されたものは特に念入りに検査する」と言っていました。]
文章で書いてもわかりにくいと思いますので、Youtubeで見つけたアニメーションを掲載しておきます。

これは、SLAのプロセス全体を紹介するビデオです。

SLS(SMS)プロセス

SLSは、Selective laser sinteringの略で、選択的レーザー焼結法などと訳されているようです。

SLSでは、粉末をレーザーで一層分焼き固めるという操作を繰り返します。樹脂や金属の粉末など、焼き固める材料の選択肢が広いので、SLAに比べて応用範囲が広いのが特徴であるとあります。

SLSの造型機は、造形する台の上の粉末の層をレーザーで焼結させた後、台を下げ、粉末を追加し、次の層を焼結するということを繰り返します。

右の図の(A)は、粉末を供給するタンクです。これが造形を行う台(ステージ)である(B)のタンクに供給されます。その後、(B)でレーザーで一層分の造形を行い、ステージを一層分下げ、(A)から粉末の供給を受け、次の造形を行います。
SLSの原理のアニメーションもYouTubeに見つけましたので、掲載しておきます。

これは、SLSのプロセス全体を紹介するビデオです。

FDMプロセス
FDMは、Fused Deposition Modelingと呼ばれ、熱溶解積層法などと訳されているようです。

FDMでは、プラスチックなどの樹脂を熱で溶かして糸状に射出してゆきます。一層分の整形が終わったら、ステージを一層分下げ、次の整形に写ります。
これは、FDMで小さなワイングラス状のものを造形するプロセスを紹介したビデオです。

3次元プリンタ
3次元プリンタの定義は、上記のFDMを含む場合もあるようなのですが、Bill Brisko氏は、ロストワックス向けのワックスのパターンをインクジェット方式で形成するものを3次元プリンタと呼んでいるようです。以下、ここでも3
次元プリンタという言葉はこの定義に従います。

この3次元プリンタの概要は、昨年すでに紹介済みです。

基本原理は、パソコン向けのインクジェットプリンタと大きく変わることはありません。インクジェットで一層分を印刷した後、厚さを正確に出すために、表面を削り、ステージを下げて次の層を印刷する、ということを繰り返します。

造形時は、造形物となるもののインク（ワックス）と、保護する支持物のインクとの2つを使って、造形物が支持物で包み込まれるように印刷してゆきます。支持物は、印刷が終了した後に溶かします。
次回は、この3次元プリンタで造形する様子を紹介します。

さて、今回説明しなかった、というより私の手に余る話題として、支持材があります。たとえば、上記のFDMによるワイングラスの造形のビデオでは、設計した形状をそのまま造形していますが、このワイングラスがもっと大きな形になっていたら、どういうことが起こるでしょうか。ワイングラスは途中が細くなっているので、上部を造形する際に、ステージを動かした時にワイングラスが振動したり、自重で変形したりして、正確な造形ができなくなる可能性があります。

これを避けるためには、適当な支持材を入れて補強しながら造形するとか、それ以前に、造形する方向を考える、とか、もともとの部品の構成を工夫する、といったことが必要になるのだと思います。3次元CADや3次元造型機のようなものが発達したことで、作りたいものが簡単にできるようになったのは事実ですが、上記のような観点も考慮した広い意味での「設計」の重要さは変わっていないのではないかと思います。

Bill Brisko氏の3次元プリンタによるロストワックスのクリニックの第3回目です。これまで2回が設計の話でしたが、今回は、「モデリング」と言う、実際のモノを形作る技法の紹介です。さて、今回の話は完全に私の専門外となります。可能な範囲で調べものをして、基本的な原理だけは理解したつもりですが、間違いがあったり、用語の使い方が不適切な可能性があります。お気づきの点は、遠慮なく指摘していただければ、と思います。

[2009/5/3追記:
(1)Stereolithographyという言葉の訳し方を修正しました。Stereolithographyという言葉は、今回紹介している各種の造形手法の総称として使う場合と、光造形（SLA)のみを指す場合とがあり、明確な定義はないようです。Bill氏のプレゼンも紛らわしいところがあります。今回は前者の各種造形手法の総称という立場に立つことにします。どういう訳語がいいのかわかりませんが、とりあえず『立体積層造形』という言い方にしてみました。このあたりの言葉の使われ方の経緯とか、詳しいことをご存知の識者の方がいらっしゃったらご教授いただければと思います。
(2)lithographyは、版画より印刷のほうが的確ということで修正しました。
※ ご指摘いただいたdda40xさんに感謝します。]

基本的なモデリング
・石や木からの削りだし – 古代
・ロウを削りだしたもののインベストメント鋳造 – 古代
・粘土や紙によるモデル – 1800年代
・プラスチックモデル – 1920年代(?)
・CNC機械 – 1970年代
・立体積層造形(ステレオリソグラフィー) – 1990年代


ここには、モデリングの歴史が簡単にまとめられています。
・CNCというのは、Computer Numerical Controlの略で、Wikipediaの定義を引用すると、「（旋盤やフライス盤などの）機械工作において工具の移動量や移動速度などをコンピュータによって数値で制御すること」を指します。
CADで設計したデータを、工作機械にそのまま投入することができるということで、工作の効率が大幅に上がりました。
さて、このプレゼンでは取り上げられていませんが、このCNCや次のスライドで述べられている各種のラピッドプロトタイピング技術を可能としたものに、制御技術の発達があると思います。最近のCNCでは、1/100ミリの精度がごく普通に出せるようなのですが、その精度を保つように工作機械を制御するのは、実は大変な技術の積み重ねがあったのは、間違いないと思います。
・「Stereolithography」という言葉は、次のスライドで紹介する各種技法の総称で使われるようですが、光造形が最初に実用化されたことから、Stereolithographyは光造形の別称として使われる場合があります。
この直訳は「立体印刷」となります。その原理を考えると、上手いネーミングと思います。印刷では、紙の上の必要なところにインクを載せる、つまり紙の上に非常に薄い層を載せます。そして、この層を何回も重ねてゆくと、立体ができることになります。
今回紹介する技法は、すべてこの考え方に基づいています。前々回、前回で紹介したソリッドモデリングという手法で物体の形状を構築した後、この物体を垂直方向に非常に薄く輪切りにしたデータを作ります。そして、この輪切りにしたデータを順番に造型機で作ってゆくことになります。
小学校のときだったか、社会科の教材で、等高線に沿った地図を切り抜いて立体地図を作ったことがありますが、原理はこれと同じと考えてもらえれば、わかりやすかもしれません。

追記： 上記の「STLファイルで物体を構築し、輪切りにする(Slicing)」ことを的確にアニメーションにしたビデオを見つけましたので紹介します。英語ですが、概要はわかっていただけると思います。

ラピッドプロトタイピング
・SLA – 光造形法(レーザーでレジンを硬化させる）
・SLS – 選択的レーザー焼結法(レーザーで粉末を焼結させる)
・FDM – 熱溶解積層法
・3次元印刷 – インクあるいは他のものによる印刷


ラピッドプロトタイピングとは、直訳の通り、高速に試作品を作ることを指します。以前は、試作品を作るには、設計者が図面を描き、試作部門のスタッフがその図面から手で作っていたのが通例でした。コンピュータや各種技術の発達で、設計者がコンピュータを使って設計したデータをそのまま造形することができるようになりました。そして、この技法は「試作」にとどまらず、ごく少量のものを生産するために応用されるようになっています。

次回は、この4つの技法の説明になります。

Bill Brisko氏の3次元プリンタによるロストワックス技法の2回目です。

前回は、コンピュータの発達と、それに伴う製図/CADの発達の中で、ソリッドモデリングという3次元CADの技法が出てきたと言う話でした。今回は、代表的なソリッドモデリングソフトであるSolid Worksで作図した動輪の輪芯の紹介です。

NYC J-3a Center Driver

タイトルは、ニューヨークセントラル鉄道の代名詞であるハドソン(4-6-4)であるJ-3a用主動輪の輪芯とあります。が、私の知っているJ-3aは、建造時はBoxpox動輪で、20th Centry Limitedを引いたDreyfuss Hudson他がScullinディスク動輪を装備していたものしかありません。

ということで、スポーク動輪を装備したJ-3aというのが存在したかどうかは、不明です。Bill氏もNYCは専門外とのことで、「昔のKTMのNYCハドソン(J-3a?)で、スポーク動輪付きのものがあり、それを置き換えるために」、「(注文主から提供のあった）実物の図面から作った」そうです。

何かご存知の方の方は、ぜひご教授ください。

80″ Baldwin Disk Driver

これは、ボールドウィンの80インチのディスクドライバです。ニューヨークセントラル鉄道のライバルだったペンシルバニア鉄道の代表機種である、K-4パシフィック(4-6-2)のスポーク動輪の置き換えに使ったそうです。

Northern Pacific A-2 Driver

これは、世界で最初に4-8-4を導入したノーザンパシフィック鉄道が3番目に導入した4-8-4であるA-2の動輪です。内野日出男さんが作られた名作を思い出します。

National B-1 Truck Sideframe

これは二軸台車の台枠です。Bill氏はあくまでサンプルとして作ったもののようで、「売る気はない」とのことです。

O-Scale West2009で、Bill Brisko氏の三次元プリンタによるロストワックス技法のクリニックに参加した、と書きましたが、氏が説明に使ったプレゼンテーションを送ってもらいました。転載許可を頂きましたので、簡単な説明をつけて紹介します。なお、私の専門外の部分も多々ありますので、間違い、説明不足、不適切な用語の使い方が多々あると思われます。お気づきの点は、遠慮なくご指摘ください。

コンピュータ技術の発展
・各種の真空管を使ったコンピュータ － 第二次世界大戦当時
・UNIVAC － 1950年代
・トランジスタの発明 － 1957
・クレイ１スーパーコンピュータ － 1970年代
・ホビーコンピュータ － 1970年代
・IBM PC － 1982


三次元プリンタという技法が可能となったのは、コンピュータの発達があったからこそで、このプレゼンは、コンピュータの歴史から始まっています。以下、いくつか補足を。
・真空管を使った黎明期のコンピュータとして、最も有名なのは、ENIACでしょう。
・UNIVACは、世界最初の商用のコンピュータです。
・真空管は、要するに白熱電球みたいなものですから、必ず寿命があります（切れます)。トランジスタは、寿命が半永久的で、真空管に比べてはるかに小型にできる、ということで、この後のコンピュータを含めたエレクトロニクス関係の急激な発展を支えてきた基本技術です。
・クレイ１は、当時の常識をはるかに超える超高速の科学技術計算を行うことができるコンピュータでした。後述する3次元CADは、膨大な計算を必要としますので、このような高速の計算機によって進歩したといえると思います。当時の価格が500万ドル－800万ドルで、椅子にも見える形をしているので、「世界一高い椅子」とも呼ばれていました。今では、10万円でお釣りの来るパソコンのほうがはるかに高速な計算ができます。
・ホビーコンピュータというのは特定に何かを指すというわけではないのですが、たくさんのトランジスタを1つに集積したLSI技術の発達によって、個人でもコンピュータが持てる様になったということを説明しています。
・IBM PCは、われわれが現在使っているパソコンの祖先になります。インテルのプロセッサとマイクロソフトのオペレーティングシステムが採用され、両者がコンピュータの世界を牛耳るようになり、現在に至っています。

コンピュータの歴史という観点では、他にも取り上げるべきものがあると思いますが、それが目的ではないので、ここまでということで。

製図とCAD
・Pencil and Linen – エジプト時代
・鉛筆と模造皮紙（べラム）　－　1900年代
・メインフレーム大型コンピュータによるCAD　－　1970年代
・CADシステム(AutoCAD) － 1980年代
・ソリッドモデリング －　1990年代
・STLファイルによるデータの出力　－　1990年代後半


続いて、製図に関する技術の発展が説明されています。
・エジプト時代、pencil and linenというのをどう訳してよいかわかりませんが、パピルスとペンと言った方が正しいでしょうか。
・Vellumというのは、辞書を引くと(上質の)羊皮紙という単語が出てきて、なぜ、と思いましたが、よく見ると、最後の方に「模造皮紙」単語を見つけました。これが正確に何を指すのかわかりませんが、製図などに使われ、半透明の紙を指すものと思われます。昔青焼きと言っていた複写を目的としたものです。ということで、とりあえずご容赦ください。
・コンピュータの発達で、コンピュータの力を使って「設計」という作業を行おうと言う動きが出てきました。これをCAD(Computer Aided Design)と呼びます。1970年代は、まだパーソナルコンピュータみたいなものはありませんでしたので、メインフレームと呼ばれる、大型の計算機を、大人数で共有しながら使うことから始まりました。
・1980年代になると、パーソナルコンピュータという商品の出現で、一人一台コンピュータを使うということが現実のものになりました。当然、この上でCADを行おうと考える人がいるわけで、AutoCADのようなパッケージソフトが出てきました。
・当初のCADソフトは、二次元CADが主体でした。手で図面を描くときは、作りたい物体を思い浮かべ、三面図と呼ばれる3方向からの3つの図面に頭の中で変換した上で、「製図」を行います。二次元CADは、このうちの「製図」の作業をコンピュータで置き換えるものでした。
・コンピュータの進化に伴い、三次元CADが登場します。二次元CADでは、手書きの場合と同様に、物体の形状を変更すると、三面図を書き換える必要があります。これに対し、三次元CADでは、頭に思い浮かべた物体の三次元形状を、モデルと呼ばれるデータとしてコンピュータ中に再現します。一旦モデルが構築されてしまえば、三面図を生成することはもちろん、好きな方向から見たときの物体の形状を確認することも可能となります。
・三次元CADのモデルの表現方法にはいくつかの方法がありますが、1990年代になると、ソリッドモデリングと呼ばれる手法が使われるようになりました。
・そして、そのモデリングした情報を交換するためにSTLというフォーマットのファイルが決められ、使われるようになりました。

ソリッドモデリングを行うためのプログラム
・Mechanical Desktop － AutoCAD上のソリッドモデラー
・PTC Pro/Engineer － プロ仕様のグループ向けソリッドモデラーおよびアニメータ
・SolidWorks － プロ仕様の個人向け／グループ向けソリッドモデラーおよびアニメータ


ここでは、ソリッドモデリングを行える三次元CADプログラムが紹介されています。
・AutoCADは、上にも書いたとおり、歴史のあるCADプログラムです。このAutoCADで、ソリッドモデリングを行えるようにするオプションがMechanical Desktopのようです。
・PCT社のPro/Engineer。
・SolidWorks社のSolidWorks。

Bill氏はSolidWorksを使っているとのことです。最終的に三次元プリンタで印刷する際にはSTLファイルを使うので、STLファイルを送れば受け付けるのかと聞いてみましたが、「修正するときのことを考えると、STLファイルでは修正が効かないので、SolidWorksのフォーマットか、IGSフォーマットにしてくれ」と言われました。

さて、お値段を調べてみましたが、いずれも一声100万円という価格で、なおかつ、これを動かすPCもそれなりのスペックのものを要求するようなので、個人で手を出すには(少なくとも私には)無理なようです。

2回にわけて紹介したPacific Locomotive WorksのBill Brisko氏のロストワックス輪心とその製法ですが、dda40xさんのblogにあるとおり、2日目のセミナーでその詳細が紹介されたとのこと。私はすでに帰国の途についていたので、聞くことができませんでした。とても残念です。

それはともかく、ワークスKさんから、写真を送っていただきました。掲載してよいとのことですので、ご厚意に甘えて下記に掲載させていただきます。ワークスKさん、ありがとうございました。

上から
1) National B-1 truck sideframe – カタログによれば、これは非売品とのこと
2) Baldwin Disk Wheel の全景
3) 2)のアップ
となります。

さて、「約束どおりBlogで紹介したよ」とメールしたら、「日本で興味のあるモデラーがいれば、仕事を請けるから連絡してくれ、場合によってはお前が通訳やってくれ」と返事が来ました。万が一ご興味のある方は取り次ぎますので、ご連絡ください。もちろん、英語に困らない方は、直接連絡していただいても構わないと思います。ちなみに、Bill Brisko氏は、「小さいときに空手や剣道をやっていた」とのことで、日本に対する理解は深いようです。

さて、先日ご紹介した動輪の作り方ですが、このページに記載されていますので、簡単に紹介したいと思います。

１） CADで動輪の3次元モデルを作成する
２） １）のモデルのデータから、Rapid Prototyping Machineで、ワックスの型を作る
３） ２）の型で鋳造し、型のマスターを作る
４） ３）の型でゴムの型を作って、ここからは通常のロストワックス製法で鋳造する

上の写真で言えば、左上が実物の写真、右上が3Dデータ、左下がワックスでできた型、右下が型のマスター（仕上げ前）となります。

私の興味をひいたのは、このうちのRapid Prototyping Machineです。SolidScape T66という機械を使っているとの事ですが、要はインクジェットプリンタで、非常に薄いワックスの層を「印刷」して積み上げてゆき、目的とする型を作り出す、というものです。

ワックスの層の厚さを正確に制御するため、一つの層を印刷するたびに、所定の厚さを越えた部分を削り取って、次の層に進むのですが、このワックスの層の薄さが半端ではなく、0.0005インチ(=0.0127mm)で行っているとのこと。従って、写真のD&RGWのM-68のGスケールの動輪の「印刷」には100時間(4日)かかったと書かれています。

下の写真は、このプリンタが動いている様子です。青い色と赤い色とが見えると思いますが、青い部分が型になるワックス剤です。赤い部分は、印刷中に青い部分の型が崩れないようにするための別の種類のワックス剤で、印刷完了後に溶かしてしまう（青い型が残る）のだそうです。

さて、以前、M-68の動輪のアップを公式写真か何かで見たときに、”BALDWIN DISK WHEEL”という文字がくっきりと浮き出ているのを見て、「Oスケール以上だったら、ここまで表現すべきだよなぁ」と感じたことがありました。この方法なら問題なく可能ですし、実際に実行している人がいるのだということを知って、妙な感動がありました。

※2008年3月2日追記： 日本の代理店によるSolidScape T66の紹介のページを見つけました。図解、実例等豊富にありますので、ご覧になってみてください。

もう一つ、O-Scale Westで見つけた面白いものをご紹介します。

Pacific Locomotive Worksという会社のロストワックスの動輪の輪心です。もっとも会社といってもほとんど個人経営みたいなものではあります。O-Scale Westに出品するような会社は、個人経営のところが多く、趣味が高じてビジネスをしているような人が多いような印象を受けました。

さて、本題に戻ります。会場を回っているときに、ロストワックスの輪心がたくさん並べてあるブースを見つけ、おもしろいなぁ、としばらく見とれていたら、いきなり「コンニチハ」とたどたどしい日本語で話しかけられ、びっくり。これは何？と質問を投げたたところ、会話が弾み、「試作品だから、サンプルとしてあげるよ。日本で宣伝してよ」と言われて持って帰ってきたものです。

写真でお見せしているのがどの機関車のものだったか失念してしまったのですが、このページを見る限りでは、C&OのF-17用のものかと思います。

他にどのようなラインナップがあるかは、カタログを見てください。PRRのK-4、NYCのJ-3とか、NPのA-2とか、いろいろな形式のものが用意されており、KTM用とか、Sunset用とか書かれています。そのほか、CADのデータさえあれば、何でもやってくれるようなことを言っていました。

最初はいったい誰がこんなものを買うのか、そもそもビジネスとして成立しうるのか、というようなことを感じたのですが、少なくとも、手持ちのOゲージの機関車の動輪を入れ替えたい、と思う人がいるということは事実でしょう。例えばKTMが輸出したOゲージの機関車の一部のものは、動輪が砂型鋳物で、出来が十分とは言えないのものありますので、これらの機関車が対象になるのかなぁ、などというようなことを感じました。

いずれにしても、アメリカのModel Railroadingの奥の深さを感じさせられました。

ちなみに、このロストワックスの型の作り方の説明もしてもらったのですが、それが興味深かったので、次回ご紹介します。