計算する機械から、モノづくりのツールへ!　
GUIの先駆者・サザランド博士の考えを受け継ぐ

３次元CADは、紙の上に書かれた２次元図面をコンピュータ上に拡張したものです。たとえば、家の２次元図面を見ても、どんな家なのかをイメージするのは難しいですが、３次元ならすぐにわかります。また、家をさまざまな角度から見ることもできます。

このような３次元の造形を可能にしているのは、コンピュータです。コンピュータが誕生した当初は、モニタもマウスもありませんでした。計算するためだけの機械だったのです。しかし、計算だけではなく「形」を目に見えるようにすることで、モノづくりの技術を大きく発展させられる考えた計算機科学者がいました。アメリカのアイバン・サザランド博士です。

サザランド博士は、ライトペンと呼ばれるツールでモニタ上に図形を作成できる「Sketchpad」を開発。これは世界初のGUIの実現でした。人とコンピュータの関わり方が劇的に変化し、ＣＧの技術もここから始まりました。サザランド博士から、ユタ大学で直接指導を受けたのが、新関教授の担当教官であった山口富士夫博士です。

こうした学問的な流れを組む新関教授の研究は、単にマシンやソフトウェアとしての３次元CADの機能向上を図るためのものではありません。人間の頭の中にあるイメージを具体化するためのファーストステップにCADがあるとするなら、いかにそのイメージを正確に、スムーズに生み出すことができるのかが、長年に渡る大きな研究テーマです。

高速コンピューティングの実現で
今は新しいCADが生まれる絶好のタイミング！

新関研究室では「頭の中のイメージを具体化する」ことを追究するため、さまざまな視点でアプローチしています。

たとえば、CAD図面が正しいか誤っているかを判定して自動修正するシステムの開発。図形について考えている時の人の脳の血流量を測定する研究。さらに形状を連続変形させながら無駄のない設計を行う「トポロジー最適化」など。新関研究室は、CADの基礎研究を行うことのできる日本では数少ない研究室のひとつなのです。

長年のCAD研究の中から、新関教授が指摘するのは「現代は新しいCADが生まれる絶好のタイミング」だということ。背景には「コンピュータの高速化」があります。かつては、CADの複雑な計算に膨大な時間がかかりましたが、今では素早い計算が可能です。もうひとつ。大きな要因となっているのが「IoTおよびデジタルツインの普及」です。家電・自動車・スマートフォンを含むあらゆるデバイスがインターネットに繋がり、人がモノをどう使うのかがリアルタイムで蓄積されます。そして、実際のモノと対応するサイバー上のモノ＝デジタルツインは３次元CADで作成されるものであり、今爆発的に増え続けています。

さらに、新しいコンピュータ言語であるPythonや３Ｄプリンタも浸透中。データ上の人の行動からニーズを汲み取り、どう具体化するか？など条件は整っています。

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ステンレスの複合加工を研究　
金型の新たな時代を拓く

重くて硬い金属が、軽くしなやかになる。そんな一見不可能なことを実現したのがAM技術です。AM技術とは、3Dの設計図を元に3Dプリンターで材料を積層し立体を造形する技術。

田代研究室では、金属粉末を敷き詰めた上にレーザーを照射して必要な部分を溶かして固める工程と切削の工程を繰り返す「金属粉末光造形複合加工」という方法で、ステンレス鋼の金型を造形する実験を進めています。

ステンレスは熱が伝わりにくいために切削中に温度が上がり、切削工具の摩耗が激しい材料です。そのため、寸法精度や強度に優れた金型が加工できて、なおかつ工具の摩耗も抑えられる条件を探っています。また、レーザーの出力や走査速度の調整によって、微細な穴が開いたポーラス構造の金型をつくる技術を確立することもテーマ。ポーラス構造の部品を金型の一部に用いると、通気性がよく樹脂が充塡しやすいため、消費電力を少なくできるなどのメリットがあります。

音や衝撃を緩和する金属素材の誕生！　
人工関節材に活用されれば生体への親和性もアップ

ポーラス構造のステンレス鋼には、水やガスを通すというユニークな特性があります。この構造特性から、金属製の金型でプラスチック成形する時に、圧縮された空気の抵抗圧を抑えるのに“空気の抜ける金属”があればスムーズにできる、という発想が生まれました。

ポーラス構造のステンレス鋼は、硬くて強い金属の強度はそのままに、液体や気体を通してくれるほか、音や衝撃を緩和するという特性があります。また孔が開いているぶん重さも軽減。輸送コストや加工を考えた時、重量が軽いということは大きな意味を持ちます。

こうした特性から、暮らしに身近な用途として期待されるのが人工関節。現在、人工関節の材料にはチタン合金やコバルトクロム合金、ステンレス合金、タンタル、セラミック、ポリエチレンなどが使われています。これらの関節素材は、形成後、生体親和性を高めるなどの目的で表面的に凹凸加工が加えられています。けれどもポーラス加工された材料なら、内部にまで液体を通す孔が開いているため細胞や膜が定着しやすく、より生体親和性が高くなると考えられます。

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