東京大学と科学技術振興機構(JST)の事業・研究プロジェクトは、磁石が埋め込まれたブロックを使って、任意の3次元形状を数秒から数十秒で出力できる3次元物体造形装置「Dynablock(ダイナブロック)」を開発した(東大のニュースリリースJSTのニュースリリース)。9mm大のブロック約3000個を積み重ね、リニアアクチュエーターアレーで下から押し出し、磁石の力で結合させる。プロトタイプ作製の高速化や、3次元実体ディスプレーへの応用が期待できるとする。

3次元物体造形装置「Dynablock」で造形した飛行機(出所:東京大学、JST)
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 3Dプリンターを中心としたデジタルファブリケーション技術は通常、立体を出力する際に数十分から数時間かかる。一度造形したものを、粘土のように即興的に作り直すことや、素材として再利用できない点も課題となっている。本研究では、これらを解決する手法として、磁石が埋め込まれた小型ブロックを組み立てる今回の装置を開発した。発表によると、小型ブロックを組み合わせて動的な3次元形状を造形する手法には、これまでロボットアームなどで積み木を組むようにブロックを重ねる方法が提案されていた。だが、1つのロボットでは組み立てにかかる時間がブロック数に比例するという制約がある。ブロック自体が動的に動いて全体として形状を変えるような自己組織構成型の小型ロボットによる手法もあるが、各ブロックが数cm以上と大型になってしまったり、組み立てに時間がかかったり、個々のブロックコストが高かったり、といった制約があったという。

 今回の手法は、装置内に積み重ねたブロックを、2次元状に並べたリニアアクチュエーターアレーで上向きに押し出し、ブロック同士を自動結合させて高速組み立てを実現する。出力される3次元物体の断面を1層ずつまとめて押し上げて造形することができ、1層あたりの出力時間は1秒未満と短い。このため、数層程度の3次元物体であれば数秒から数十秒で造形できるとする。必要がなくなった物体は押し下げることでブロック同士の結合が離れ、素材として再利用可能になる。

ダイナミック3Dプリンティング(動的な3次元立体造形)の仕組み。小さなブロック状の部品をリニアアクチュエーターアレーで組み立て、任意の3次元形状を造形する。押し下げるとブロック同士の結合が離れ、素材の再利用が可能になる(出所:東京大学、JST)
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 開発したDynablockは、9mm大のブロックを約3000個使って、任意の3次元形状を数秒から数十秒で出力できるもので、今回の手法のプロトタイプとなる。個々のブロックには、水平方向に直径3mmの球形磁石、垂直方向に厚さ0.5mmの円盤型磁石を埋め込んであり、ブロック同士は水平方向と垂直方向に結合できる。垂直方向に水平方向よりも弱い磁石を埋め込むことで、ブロックが押された際に結合が切れる仕組みになっている。

Dynablockで使用した9mm大のブロック(出所:東京大学、JST)
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 ブロックは8層積み重ねており、24個×16個のアクチュエーターで下から押し出される。リニアアクチュエーターの周囲に取り付けた仕切り板によって、装置内では水平方向のブロック同士は結合されず、アクチュエーターによりブロックがステージの上に押し出されることで仕切り板を離れ、隣同士のブロックが磁力によって結合される。これらの仕組みにより、3次元立体を10秒から20秒で出力できるとする。より小さな磁石を使うことで、ブロックを3mm大まで小さくできるという。

Dynablockで3次元物体を作製する様子(出所:東京大学、JST)
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 同研究プロジェクトは今後、個々のブロック内部にセンサーやLED、ICチップなどを組み込むことで、周りの形状に応じた色や質感、形などが動的に変わるような機能性を持つ物体造形や、造形時間をさらに短縮して3次元実体ディスプレーへの応用を目指すとしている。