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2014年7月12日 (土)

3Dプリンタで出力したロケットを打ち上げる

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Sspn2casio

 3Dプリンタで出力したモデルロケットを打ち上げてみました。
 「拳銃だって作れるんだから、ロケットだって作れて当たり前」と思うかもしれませんが、実際に飛ぶロケットを作るのは、マスコミが言っているような簡単なものではありません。

 前半は主にモデルロケットとしての話題で、後半は3DCGとプリンタに関する苦労話です。(写真は3Dプリンタで出力したモデルロケットSSPN-1、発射の瞬間)

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名前はSSPN-1(秋水っぽい何か 1号機)

Sspn1

 写真が今回打ち上げたモデルロケットです。右が3Dプリンタで打ち出したそのまま、左は実際に打ち上げた彩色後のものです。彩色以外の加工はしていません。

 名前はSSPN-1(SyuSui Poi Nanika:「秋水っぽい何か」1号機。)

 日本初の有人ロケットである「秋水」の初飛行から来年で70周年でもあるので、秋水を飛ばしたい所でしたが、当方モデルロケットの知識しかないので、翼をこういう風にしか付けられず、「秋水ぽい何か」になってしまいました。ま、オリジナルなデザインと言えばそうかもしれません。(実際の秋水には大きな主翼があって、逆に写真のSSPNにある水平尾翼がありません。)

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ちゃんと飛んでいます

 

 ちなみに、2回打ち上げて、それぞれ打上げと回収には成功しています(再利用可能ロケットw)。まずは打上げの動画(高速度撮影:速度1/8)をご覧ください。

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 次は射点(発射台のほぼ真下)のカメラです。撮影は等速。

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一体型で作るしかない

Cube

 

 私が使っているのは、写真のCube(第一世代)という3Dプリンタです。Cube(第二世代)はヤマダ電機で売っているという話もあるぐらいで、Cubeは個人が購入できる3Dプリンタとしては一番ポピュラーなものではないかと思います。

 これからのお話は汎用的な話もありますが、そうではなく3Dプリンタの機種や3DCGソフトに固有の問題もあります。そのへんはどうかご了解ください。

 さて、Cube(第一世代)は素材がABS樹脂なのですが、このABS樹脂というのは、基本的に「接着ができない」という問題があります。(ABS用の接着剤もあるにはあるようですが、モデルロケットに使うには強度の面で不安です。またCube第二世代ではPLAという素材も使えるのですが、PLAは熱耐性に不安があるので、やはりABSを使うことになるでしょう)

 接着ができないとすれば、本来接着で作る部分は、全部一体型で作ってしまうしかないわけですが、これがモデルロケットでは意外と大変です。

 まずは大きさ。
 この3Dプリンタでは、写真のロケットの下にある「黒い板」が上からだんだん下に動いて物を作っていきます。写真は板が一番下まで下がりきった状態です。他の銀色の部分は全く動きません。
つまり、この3Dプリンタでは、写真上の銀色のとがった部分と写真下の黒い板との間、約12.5cmほどの物体しか作れないのです。
 モデルロケットの本体と、「ノーズコーン」というパラシュートを放出するときに外れる部分は別々に作ることが出来ますが、本体は約12.5cm以下でなければならないのです。
 これは、エンジンの大きさが7cmあるモデルロケットでは、かなり苦しい大きさです。

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ショックコードをどうやって取り付けるか

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 「ショックコード」というのは、パラシュートを結びつけるためのヒモで、本体と前述のノーズコーンを繋いでいます。通常このクラスのモデルロケットでは、ショックコードにゴム紐を使い、本体との接続は、紐の端を3重に紙の中に折りたたんで、その紙を筒の内側に接着剤で貼る、というのが一般的です。
 しかし、何しろ接着剤が使えないので、紙で貼るわけには行きません。
 仕方なく、断面が半月状の棒を内側に作って、内側の壁面との間(図の矢印)にゴムを通すようにしました。棒の場所を奥にしすぎたので、ゴムを結ぶのが大変でした。

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 ちなみに、ノーズコーン側は、真中に円柱を作っておいて、ヒートンをねじ込んでいます。接着はできませんが、ねじ込む事はできるので。ノーズコーン側のヒートンは、3Dプリンタでなくても、普通のモデルロケットでもよく使うものです。
 写真は使用後なのでちょっときたないですが、ノーズコーンとヒートンとショックコード。緑色は重さのバランスを取るためのあぶら粘土です。

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もちろんランチラグも一体出力

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 モデルロケットには、発射の時の棒(ランチロッド:実物は打上げのビデオを参照)を通す、「ランチラグ」という「筒」が必要です。普通はストローみたいなものを本体に接着するのですが、とにかく接着ができないので、このへんも一体出力です。

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エンジンフックをどうするか

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 「エンジンフック」というのは、ロケットエンジンが抜け落ちないように止める金具です。モデルロケットではパラシュートを放出する時に、前方に向かってガスを逆噴射するので、その勢いでエンジンが抜け落ちないようにしないとパラシュートが放出できません。

 普通、エンジンフックはエンジンが入る内側の筒の外につけて、それを更にチューブ状のもので外側から包んで固定する、というのが一般的ですが、そういう内側の筒を作ったところで、その筒を本体に接着できません。

 仕方がないので、外側にかなり深い溝を作って、直接エンジンフックを差し込んであります。強度が気になったのですが、さすがABS。これだけ深い溝を作ってもびくともしませんでした。(なお写真のエンジンはダミーです。本物は規則上、ここで付けてはいけません)

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 「エンジンフックも3Dプリンタで一体出力すればいいじゃん」と言う人がいるかもしれませんが、Cubeのような積層型の3Dプリンタは、「下に飛び出したもの」の造形が苦手です。

 積層型というのは、ちょうど「ろくろ」を回すような形で、細い樹脂のフイラメントを順に積み重ねて行くのですが、造形された底の部分だけで全体を支えているので、その部分が小さいと、全体が支えきれずにぐらぐらしてしまい、その結果造形が無茶苦茶になってしまいます。

 左の写真は、以前いろいろと試していたときに使った、イプシロンもどきの形ですが、細長い本体を一番下のノズル底面だけで支えているので、結果はご覧の通りぐちゃぐちゃです。

 SSPN-1では、4つ前の写真を見てわかるとおり、このために4つの翼がいずれも底面に接地している安定したデザインにしているので、全体の精度が保たれているわけです。

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3Dプリンタ出力は死屍累々

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ここまで書いてきた事は、主に設計上というかデザイン上の工夫なのですが、3DCG上でちゃんとデザインができていても、それをそのまま出力してくれるわけではないのが3Dプリンタです。
 マスコミの言うことをを鵜呑みにして「そのまま出力されるもの」だと信じている人もいるかもしれませんが、数百万円する機械ならともかく、少なくとも個人が購入できる10万円クラスの機械では決してそんなことはありません。自分が求める形をちゃんと出力するためには、試行錯誤の連続です。
 ちなみにSSPN-1を一機出力するのには約10時間はかかりますので、写真の試行錯誤にどれだけ時間がかかったかは、大体想像がつくと思います。

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勝手に構造体を作る

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 第一の問題ですが、もともとこの手の3Dプリンタは、フィギュアみたいなものを作ることを想定しているので、外側はほぼデザインに忠実に出力されるのですが、内側には冷淡で、こちらがいくらデザインをしていても、形を保持するために、勝手に内部に構造体を作ってしまう事があります。ロケットの場合、それではエンジンやパラシュートが入りません。

 写真がそれで、内部は中空にデザインしてあるのですが、3Dプリンタが「勝手に」内部に構造体を作っちゃった例です。

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 これについては、どう直したかと言うと、上の図は断面の一部を切り取った所で、左が中に構造体ができちゃうパターン、右がちゃんと中空になるパターンです。
 つまり厚みを定義して「内側も外側だよ」と教えてやる形、とでも言いましょうか。

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 デザインした寸法にならない

Tsutsu

 次に困るのが、3DCG上でデザインした寸法の通りに出力されない、という事です。
これも外側はほぼデザインどおりの寸法なのですが、内側は、たとえば、厚さ1mmの筒をデザインしたとしても、3Dプリンタが出力上で2mmの筒しかできないとすると、そこを勝手に2mmの厚さに変えてしまう、その結果内径が狂ってしまう、といった具合です。

 モデルロケットのエンジンでA型からC型の多くは、直径18mmなので、エンジンを入れる所の筒(写真の内側の筒)の内径は、18mmに作るわけです。ところが、筒の厚さを勝手に変えられてしまうので、内径が18mmにはならない。

 結局どうしたかというと、仕方がないので、3Dプリンタで出力された実寸を測って、それが18mmになるように、モデル全体を拡大しています。
 この結果、全体が大きくなって12.5cmに収まらなくなるので、エンジンに関係のないところを縮めたりしているので、余計秋水に似なくなったところもあります。

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その他にもいろいろと手間はかかる

Machigai

 

 私の使っている3DCGソフトは、Animation Masterというものです。

 以前、「のしろケットちゃん3D化計画」の方に「のしろサットちゃん(デフォルメタイプ) 3Dプリンター苦労話」というのを書きましたが、その中で、Animation Masterでは、「閉じた形状でなければ出力されない」「法線の方向が揃っていないと出力されない」などの現象があることを述べました。これらはいわば「3Dモデルとしてきれいに出来ていない」ことによるものです。

 今回この辺については省略しましたが、同じスプライン系で日本製の3DCGソフトであるShadeの最新版では、自動チェック修正ツールなども出ているようですが、Animation Masterは日本での販売が終了して久しいので、そのような対応はありません(アメリカでは日本ほど騒がれていないという証拠でもあります)気をつけて作って、間違えたら手でなおすしかないわけです。
 

 
 ただ、今回このブログに書いたようなこと(寸法が狂うとか)は、3Dプリンタのハード側にも関係することなので、前述の修正ソフトでも対応できないと思います。

 写真は、ついうっかりやってしまった、翼が「閉じた形状」になっていないために「消えてしまった」例。

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どうしてもわからない事もある

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 しかし、中にはどうやってもわからない所もあります。写真で内側の狭くなっている所、3DCG上では下のような形なのですが、これ、形状も閉じているし、法線も揃っているにもかかわらず、上の写真のように「2ケ所に穴が開く」のです。穴の開いた部分に他との違いがどうやっても認められない。

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 更に、エンジンを入れる内側の筒と、この部分、なぜかどちらか1つしか出力されないのです。エンジンを入れる筒の方も、同様にモデルとしてはきれいに出来ています。

 これは、結局原因がわからなくて、試行錯誤の大半は実はこの部分でした。

 最終的には片方、具体的には出力できているエンジンを入れる筒の方を引き伸ばして、上記の部分に相当する部分を付け足してしのぎました。つまり、ロケットとしては完成しましたが、3Dプリンタとしての問題が解決したわけではありません。

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実は開傘に失敗

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 モデルロケットをご存知の方なら気がつかれたかもしれないのですが、「打上」と「回収」は成功、と言っているのですが、開傘に失敗(パラシュートが開かなかった)しているので、実はモデルロケットの打ち上げ全体としては失敗でした。
 

  もっとも、私自身の中では、ぎりぎりまで3Dプリンタ上の問題が片付かず、打ち上げられない可能性があったので、機体が完成し、打ち上げられただけで、「よし」としたい気分ではあります。

 なお、「回収に成功」したと言っているのは、ABS樹脂が強いからです。
 高度計積んでいないので計算上の高度で68mくらいあるのですが、パラシュート不開傘でこの高度から2回落下しても本体は傷一つなく、再利用可能でした。

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<追記>なぜ、マスコミを信じるのか

Printrbot

 写真は、2012年8月に私がブログ記事で紹介した5万円の3Dプリンタです。

 この頃は「3Dプリンタ」と言っても「それって何?」という状態でしたが、マスコミが大騒ぎしたおかげで、今や飲み屋で隣に座ったおっさんが酒の肴にするくらいポピュラーなものになってしまいました。

 マスコミの話には「すりかえ」があります。

 マスコミがニュースにしたのは、本来

 ・「個人でも買える、数万円から十数万円の3Dプリンタが登場した」

 ということのはずです。

 しかし、その映像や記事の後半では数百万円以上する3Dプリンタでの出力が提示され、それがあたかも前述の個人用3Dプリンタで出力ができるような錯覚をさせてしまう。

 この記事にも書いたように、このクラスの3Dプリンタで望むものを出力するのには、かなりな手間がかかります。

 もう一つ、重要なことがあります。

 ・3Dプリンタはあくまで「プリンタ」です。
  「自分の思ったものを形にできる夢の機械」ではありません
 ・「自分の思ったものを形にする」のは3DCGやCADなどのソフトの役目であり、
   3Dプリンタはその結果を単に出力するだけです。
 ・つまり、「3DCGかCADのどちらかが使いこなせないと、3Dプリンタは使えない」のです。

 3DCGソフトを覚えるのは決して簡単なことではありません。ワードやエクセルを覚えるようなわけには行かないのです。もちろん映像学科の学生などであれば普通に使いこなせるでしょうが、それはそれなりの時間をかけてそれなりの先生にちゃんと学んでいるからです。

 私もかつて、会社でWGを作ってコンテンツをみんなで勉強したことがあります。
 PhotoshopやIllustrator、Director(現在のFlashみたいなもの)を学んだのですが、3DCGだけは全く歯が立たなかった。
 その後、私がまがいなりにも3DCGができるようになったのは、プロの3DCGアニメータの先生がやっている教室に通ったからです。週1回で、確か半年に10回くらいの教室に、2年ぐらい通ったように思います。

 ・「ソフトが進化すれば簡単にできるようになるのでは」
  と思っている方がいるかもしれません。3DCGの世界も人件費は節約したい筈で、誰でも簡単に使えるソフトが望まれている筈ですが、私が始めてからこの十数年間、そんな画期的なソフトは見たことがありません。(簡単なことしかできないソフトはありますが)
  これは、人間の目が物を2次元で捉えている以上、3次元の物を扱うツールとして超えられない壁のようなものがあるのではないかと思います。

 ヤマダ電機でCubeを売っている、という話にもびっくりしましたが、

  「これで、好きなものが出力できるぞ。げへげへ」

 などと言って、そのへんのおっさんがボーナスをはたいて買っていくのかと思うと、その人の失望と、部屋の隅で埃をかぶることになるCubeのことを考えて、マスコミの責任を糾弾したくなります。
 庶民にとって、十数万円は決して安い値段ではありません。

 マスコミで偉そうに3Dプリンタについて語る人たちの殆どが、3DCGの世界に居る人ではありません。
 3DCGの人たちは、マスコミが大騒ぎした時に、一斉に、私がここで述べているのとほぼ同じ主旨の事をあちこちで主張しています。
 3Dプリンタは、もともと限られた一部の人たちに便利なツールであって、広く一般大衆に膾炙するようなものではないのです。

 どうか、マスコミを信じないでください。

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コメント

はじめまして、topozoと申します。
Twitterで神戸でモデルロケットの展示を行うツイートを見てこさせていただきました。
いきなり不躾なお願いをして申し訳ございませんが、
3DモデルロケットのSTLデータの公開等は行う予定はありませんでしょうか?
翼の部分やショックコードの部分等、3Dプリンタのテストデータに良さそうなので。

ちなみに、余計なお世話だとは思いますが・・・。
イプシロンのモデルは横にして出力するとうまくいくと思います(サポート材が多くなるのとワークサイズに収まるかが問題になるとは思いますが)。
それと、寸法精度は立方体のテストデータが公開されているので、それを出力してノギスで測るを何度か繰り返せば短時間でそこそこの精度を出せます。
あと、STLデータのチェックはMoNoGonとか使うと楽です。

投稿: | 2014年10月22日 (水) 03時08分

topozo様
コメントありがとうございます。

ええと。せっかくのご依頼ですが、
この機体は一応オリジナルのデザインなので、
データを公開するつもりはないです。
この機体を普及させたいという
意図があればそうしますが、
そういう意図は特にないので。

STLだから、データ公開すると
印刷すれば誰でも同じものが
作れてしまう事になるので。

申し訳ありません。

あと、イプシロンは説明のために
わざとやっているようなもので
本当に作る気なら、横にするなり
分けるなりすると思いますが、
放出薬からのガスが通る部分は
一体型で作らないと危険なので、
このプリンターでイプシロンの
実際に飛ぶモデルロケットは
難しいと思います。
模型ならいいですけどね。

あと、実は「寸法精度」の問題では
ないんです。

仮に筒を出力するとして
外径がぴったり合っていても、
内径が違うんです。
CGと言ってもCADみたいなものですから
外径はCADで指定したそのままなのにのに、
内径は指定したのとは全然違う大きさになる。
なんでかと言うと、少なくともCubeでは、
外側の形と寸法はしっかり遵守するけれども、
内側は自分が作りやすいように勝手に
変えちゃうからです。

これが家庭用の10万前後の3Dプリンターの
恐ろしい所で、それを記事にしているつもりですが、
うまく伝わっていないみたいで、力不足ですみません。

おっしゃるような立方体を出力すれば、
ちゃんと、寸法通りに出力されます。
(勿論一定の精度の範囲ですが)
問題は「筒の内側」みたいな所があると、
寸法が狂ってくるその狂いに法則性が見えません。
モデルロケットではそこにエンジンが入るので
大変問題なのです。

最後に、一応、Shadeのデータチェック機能は
使ってみました。原因不明のエラーには多少
有効なようですが、一番手間のかかる
法線の向きは揃えてくれないので、
あまり違いはなかったです。

仮にデータチェックができても、内側が狂う問題とか
勝手に構造体作る問題とかは解決しないので、
いずれにせよ、家庭用3Dプリンターで
モデルロケットを作るのは
そう簡単なものではありません。

念のため、私が自分で作るのが難しいと
言っているのではなくて、この記事は
「家庭用3Dプリンターさえ買えば
どんな物でも自由自在に作れる」
と思っている人への警鐘です。

この低所得時代に、奥さんに頭下げて、
ボーナス叩いて買って、ホコリ被ったのでは
あまりにもかわいそうですから。

私自身は、試行錯誤はしてますが、
最終的にちゃんと作っているわけで、
一応まがいなりにも「使いこなしている」
つもりでいるのですが。

投稿: 目篭 | 2014年10月22日 (水) 04時16分

追加です。

「以前作りかけたイプシロンもどきの失敗作」というのが悪いんだな。
正確に言うと
「以前(説明のために)失敗作を作りかけた時のイプシロンもどき」なんですよ。

イプシロンを作るつもりがあったわけではありません。

※昨日はipadからだったので、今日ブログ本文を修正しました。
 「イプシロンの形も作れないおバカさん」と思われても困るので。

投稿: 目篭 | 2014年10月22日 (水) 04時31分

目篭様

ご返信ありがとうございます。

データの件了解しました。

スライサーがお節介で勝手に厚み増やしたり
してるんでしょうね(特にCubeは一般ユーザがターゲットなので)。
ノズル経より薄く積層した時に広がる部分を中側に持って行ったりということも多分勝手にしてるのだと思います。

逆に細かい設定が手動でできるスライサー(Cubeで読めるコードを出せるのかはわかりませんが)は色々ノウハウが必要だったりで、まだまだマスコミが謳っている3Dプリンタ像には程遠いですしね・・・^^;

私もマスコミが3Dプリンタを「なんでも作れる魔法の機械」のような報じ方をしているのはどうなんだろうという気がしてなりません。
3DプリンタもCNCフライス等と同じ、
コンピュータ制御の"工作機械"で
機械に関する知識があり、かつそれにあったデータを作れて初めて実用になるものだと思っています。

投稿: | 2014年10月22日 (水) 18時09分

topozo 様

 ご理解いただいて大変うれしいです。
 ありがとうございました。
 また、STLデータの件ご希望に添えなかった事、重ねてお詫び申し上げます。
 貴重なコメントをありがとうございました。

投稿: 目篭 | 2014年10月22日 (水) 21時19分

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