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3Dものづくりを支える3Dデジタイザについて
産業技術センター

記事更新日.17.03

あいち産業科学技術総合センター 
■問合せ先
〒448-0013 刈谷市恩田町一丁目157-1 TEL 0566-24-1841 FAX 0566-22-8033
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1.はじめに 

三次元CADやCAE技術が進み、デザイン性・性能のより高い複雑な三次元形状の工業製品が設計され、同時に製品開発サイクルの短縮も求められるようになっています。意図したとおりのデザイン性・性能を実現するためには設計どおりの形状に加工されていることが重要で、加工後に製品の三次元形状を精度よく効率的に測定し、検証することが3Dものづくりの中で求められています。三次元形状の測定には、現在主に以下の三つの方式の測定機が用いられています。

(1) 接触プローブ式の三次元測定機
(2) 光学式の非接触三次元測定機
(3) X線CT

従来から利用されてきたのは(1)の接触式三次元測定機で、測定機の先端にルビー製の測定球がついており、測定球が測定対象に接触したときの接触点の三次元座標値を出力します。測定精度は1〜数μm程度で非常に良いのですが、一点ごとの測定のために測定時間が比較的長くなります。

(2)の非接触三次元測定機では、レーザや縞パターンを投影し、三角測量の原理によりセンサやステレオカメラなどにより測定します。測定精度は数10μm〜0.1mm程度で、カメラによる測定では画面全体の測定が一度にできるため、測定時間が短くなります。最近では3Dスキャナとも呼ばれ注目されています。

(3)のX線CTでは、測定対象に様々な方向からX線を照射し、透過データ画像から三次元形状を計算します。測定精度は一般的に0.1mm〜1mm程度ですが、他の測定機と比べ内部形状を測定できる特徴があり、測定も速やかに行えます。図1は当センターが保有する (1)〜(3)の方式の測定機です。


2.非接触三次元測定機の測定原理 

ここでは、(2)の非接触三次元測定機の測定原理について説明します。非接触三次元測定機は、スリット状のレーザ光などを投影するレーザ変位計と、パターン光を投影しカメラで測定する3Dデジタイザの二種類の方式に主に分類されます。

レーザ変位計では、測定対象にレーザを照射し、拡散反射光をセンサで測定します。図2に示すようにレーザから測定対象までの距離によりセンサへの入射位置が変わるため、距離(測定対象の高さ)がわかり三次元形状の測定ができます。このレーザ変位計には、台に固定したり直接手で持って測定する以外に、接触式三次元測定機や多関節アーム型測定機の先端にプローブの代わりに取付けて測定する方式もあります。

3Dデジタイザは、プロジェクタと2台のカメラ(ステレオ方式)により三次元形状を測定する装置です。図3に測定原理を示します。プロジェクタから縞パターンなどを投影し、2台のカメラの測定対象上の同一点がわかるように模様をつけます。2台のカメラはあらかじめ校正されており、人間が両眼で奥行き情報(立体感)を得るのと同じ原理で、測定対象の三次元座標を算出します。なお、ステレオ方式はカメラ2台とプロジェクタ1台の組合せだけでなく、プロジェクタが校正されていればカメラ1台とプロジェクタ1台の組合せも可能です。また、3Dデジタイザでは通常、多方向からデータを測定し、データ合成(つなぎ合わせ)をします。


3.非接触三次元測定機と3Dプリンタとの連携 

3Dものづくりのツールとして、三次元CAD(設計工程)、3Dデジタイザ(検査工程)が広がる中、新しいツールとして3Dプリンタ(製造工程)が登場してきました。それぞれの工程内ではデジタルデータを活用して効率化を図っていますが、更に工程間で連携し生産性を向上するクローズドループエンジニアリングへの期待が高まっています。

こうした動向に対し、平成27年度に(国研)産業技術総合研究所を中心に、当センターを含む42の公設試験研究機関や11社の関連する民間企業オブザーバが参画し、「3Dスキャナと3Dプリンタの連携によるクローズドループエンジニアリングの実証」(略称、3D2プロジェクト)に取組みました。具体的には、図4に示すような器物を3Dプリンタで造形してその形状測定を3Dスキャナで行い、造形精度の確認などを行いました。平成28年度も3D3プロジェクトとして引き続き活動中で、3Dスキャナによる測定結果を3Dプリンタの造形にフィードバックする方法などを検証し、クローズドループエンジニアリングの高度化を目指しています。


おわりに

産業技術センターでは、三次元形状測定の相談や依頼試験を広く行っています。相談内容を聞きながら、図1に示す各測定機やそれ以外の測定機を用いた最適な測定を行っていますので、お気軽にお問合せください。

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