JP2017101740A - 立体構造物、その構成部材およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄ−ＣＡＤにより設計された立体構造物を構築する部材、その設計方法、結合方法、組み立てキットを提供する。
【解決手段】ＣＡＤにより設計された３次元構造物の製造方法であって、３次元構造物を展開図に展開する工程と、展開図から部品を切り出す工程と、各部品の接着角度を計算する工程と、各部材にねじ穴位置と番号を付する工程と、結合部の符号の対応関係を示す指示書を作成する工程と、接着角度から部材の伸びを計算し、補正する工程と、接着部を付加した各部材の設計図を作成する工程と、部材にネジ孔を開け、ネジ孔番号と部品番号を付する工程と、部材を切り出す工程と、部材の接着部を所定の角度に折り曲げる工程と、折り曲げた部材を結合させる工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、立体構造物、その構成部材およびそれらの製造方法に関する。

近年、ＣＡＤ（computer aided design）を用いたデザイン手法の開発は目覚ましく、特にサーフェス系ＣＡＤのライノセラス等を用いることで、安価なＣＡＤを使い容易に複雑な立体構造物をデザインできるようになっている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

しかしながら、デザインはできるものの、現実にデザインした立体構造物を構築することは必ずしも容易ではなかった。特に、建築関係では立体構造物を建築するには、例えば、部材の設計、材質、結合様式、組み立て等において問題があり、複雑な立体構造物を建築することは困難であった。

そこで、ＣＡＤで作成したデザインから現実の立体構造物を構築するための、設計方法、部材、結合方法、組み立て方法、組み立てキットなどの開発が求められていた。

特表２０１５−５１４６２５号公報 特開２０１４−４６１５４号公報

３Ｄ−ＣＡＤにより設計された立体構造物を構築する部材、その設計方法、結合方法、組み立てキット、立体構造物を提供する。

本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）立体構造物を構築するための部材であって、
部材の厚さが０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下で、
部材の周囲の結合部が該立体構造物を形成できる角度で折り曲げられ、
該結合部に組み立てのための符号が付されている、
３次元構造物の組み立て用部材。ここで、立体構造物を形成できる角度とは、部材の水平面に対し表面から奥に向かって０度より大きく１５０度未満の角度をいう。水平面に対する角度が１５０度以上（鋭角側が３０度以下）では固定用のねじを差込み固定作業が困難だからである。部材の厚さは、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは、０．５ｍｍ〜３．２ｍｍ、さらに好ましくは、０．８ｍｍ〜２．０ｍｍである。
（２）部材が多角形である１の部材。
（３）前記符号がレーザーで切断可能なフォントまたは記号で付されていることを特徴とする（１）または（２）の部材。ここでレーザーで切断可能なフォントまたは記号とは、例えば、直線、円弧からなるフォントまたは記号などが挙げられる。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の部材のセットおよび組立指示書が含まれる、立体構造物組み立てキット。
（５）（４）の組み立てキットを用いて組み立てられた立体構造物。
（６）ＣＡＤにより設計された３次元構造物の製造方法であって、
３次元構造物を展開図に展開する工程と、
展開図から部品を切り出す工程と、
各部品の接着角度を計算する工程と、
各部材に結合部、結合手段および符号を付する工程と、
結合部に付した符号の対応関係を示す組立指示書を作成する工程と、
部材の材質と接着角度から部材の伸びを計算し、補正する工程と、
結合部を付加した各部材の設計図を作成する工程と、
結合部に結合手段を開け、結合部に対応する符号を付する工程と、
部材を切り出す工程と、
部材の結合部を所定の角度に折り曲げる工程と、
折り曲げた部材を結合させる工程と
を有する３次元構造物の製造方法。ここで、部品と部材とは同じ意味で用いている。
（７）部材が多角形であることを特徴とする（６）の製造方法。
（８）前記符号がレーザーで切断可能なフォントまたは記号からなるフォントまたは記号で付されていることを特徴とする（６）または（７）の製造方法。ここで、レーザーで切断可能なフォントまたは記号とは、例えば、直線および／または円弧のフォントまたは記号などを言う。
（９）（６）〜（８）のいずれかの方法により製造された立体構造物。

本発明によれば、ＣＡＤにより設計した複雑な立体構造物を製造できる。

図１は、ＣＡＤで設計した立体構造物を製造する工程の概略を示した図である。 図２は、部材の展開図の一例である。 図３は、部材を結合した立体構造物（の一部）を裏側から見た図である。 図４は、図３の立体構造物を表側から見た図である。

本発明は、ＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）、好ましくは、サーフェス系ＣＡＤ（例えば、ライノセラス（（ RobertMcNeel & Associates製ソフトウェア））およびそのプラグイン・ソフトウエア（例えば、グラスホッパー）により設計された立体構造物を、現実に製造・建築するための、設計方法、部材、組み立てキット、製造方法（建築方法）、製造物（建築物）を提供する。

建築分野においても、ライノセラスなどのＣＡＤにより、幾何学的な複雑な形状をデザインすることが容易になってきた。しかしながら、デザインは容易にできたとしても、現実にそれを組み立てて立体構造物にするためには、以下のような工程が必要となる。

３次元構造物の３次元デザインから、各部品について２次元の展開図に展開する工程と、展開図の構成要素（部品）に番号を付す工程と、展開図から構成要素となる部品（例えば、多角形、不等辺三角形等）を取り出す工程と、各部品間の接着角度を計算する工程と、各部材に結合部、結合手段および符号を付する工程と、結合部の符号の対応関係を示す組立指示書を作成する工程と、接着角度と材質から部材の伸びを計算し補正する工程と、結合部を付加した各部材の設計図を作成する工程と、設計図に各部材にねじ穴位置と符号を付する工程と、設計図のデータをレーザ切断装置に転送する工程と、レーザ切断等を用いて部材を切り出す工程と、結合部に結合手段（例えばネジ孔等）を設け、結合手段および／または各結合部に符号を付ける工程と、必要により、部品に符号を付する工程と、部材の接着部を立体構造を形成するのに適した角度に折り曲げる工程と、折り曲げた部材を結合させる工程と、必要に応じて壁等に結合させる工程など（の全部または一部）が必要となる。本発明はＣＡＤでデザインした立体構造物を実際に建築するための製造方法、そのため部材、最終建築物などを提供する。

ライノセラスを用いた場合、立体デザインから部品の展開図にはできるが、展開図を書いただけでは複雑な立体構造を製造するには十分でない。特に多角形からなる複雑な幾何学的な形状の場合は、展開図から実際の製造には、多くの問題点が存在する。本発明では、設計図から、部品となる形、例えば、多角形等を切り出し、該各多角形について、結合部（のりしろ）を付加するように設計する。その際、結合部が干渉しない形状にする必要がある。

次に、結合部は、表面とは反対の側に向かって折り曲げるが、その角度を、立体構造に合せて計算する。その際、折り曲げると、材料が材質によっては伸びる場合がある。すると、結合させるネジ孔などを開ける場合に、孔の位置が部材毎にずれて、きちんと結合できなくなる場合が生じる。それを避けるために、材質と折り曲げ角度から部材の伸びを計算し、孔の位置を補正する工程が必要となる。この問題を解決するためには、使用する材料毎に、折り曲げ角度と伸びる量を計測し、パラメーターを設定することで、容易に補正することが可能である。これにより、ネジ孔の位置がずれなくなり、表面の接続部も凸凹にならず、滑らかな接合部を実現できる。

パラメータとしての基準データは、曲げ加工の際、板厚の中心軸の1／３が伸縮しない場所である。また、ネジ孔の大きさを通常よりも大きくすることによってもネジ孔のずれにより結合できなくなる問題を解決できる。例えば、直径３ｍｍのネジであれば、直径５ｍｍのネジ孔にするなど、ネジの直径の１．３〜１．８倍、より好ましくは１．４〜１．７倍程度の大きさのネジ孔にすることで金属の伸びによる誤差を吸収できる。例えば、３ミリネジは、直径５ミリの穴、４ミリネジでは、直径６ミリの穴、５ミリネジでは直径７ミリの穴、６ミリネジでは、直径９ミリの穴、８ミリネジでは、直径１２ミリの穴、１０ミリネジでは、直径１５ミリの穴、１２ミリネジでは、直径１８ミリの穴、１６ミリネジでは、直径２４ミリの穴、２０ミリネジでは、直径３０ミリの穴などが使用できるが、これらに限られず金属の伸びによる誤差を吸収でき、必要な結合強度が得られる大きさであれば使用できる。好ましくは、上記パラメータによる補正とネジ孔を大きくすることの両方を用いる。ネジ孔を大きくするため、ネジ孔よりも十分頭部の大きいネジを用いるのが好ましい。例えば、ネジ孔よりも２ｍｍ以上頭部の直径が大きいネジ、より好ましくは、ネジ孔よりも３ｍｍ以上頭部の直径が大きいネジが好ましく用いられる。

他の実施形態としては、曲げ加工により部材が伸びる方向に長めのネジ孔を開けてもよい。それによっても部材の伸びによる誤差を吸収できる。長めのネジ孔の形状としては、例えば、楕円形、長円形、長方形などが挙げられるがこれらに限られない。「長め」とは、例えば、通常のネジ孔の直径よりも部材の伸びる方向に対して１．２〜２．０倍、より好ましくは１．３〜１．８倍、さらに好ましくは１．４〜１．７倍程度長軸の半径が長いものをいうが、これらに限られない。

本発明においては、部材の材料は特に制限されないが、好ましくは金属（例えば、アルミニウム）の薄板で、幾何学模様を構成する各図形（例えば、多角形など）につき、その周囲に固定するための結合部を形成し、さらに、そこに、ネジ等で固定するための穴を開け、各結合部に対応する符号（例えば、記号および／または番号）と、必要により、部材番号または記号をレーザー等で切断することにより付することを特徴とする。ここで、結合部に付する符号は、各結合部ごとにすべて異なる符号であり、符号の対応関係を示す組立指示書に従って、符号の結合部をネジなどにより結合させることにより、立体構造を機械的に容易に構築できる。すなわち、どの部材同士を連結すればよいかが符号により容易にわかり、素人でも結合部の符号を見て、組立指示書通り符号の結合部同士をネジ等で留めれば組み立てることができる。

本発明の部材、キットおよび／または製造方法は、幾何学的な構成要素を有する立体構造物の製造に好ましく使用できる。幾何学的な構成要素としては、好ましくは多角形、より好ましくは三角形を主な構成要素とする立体構造物の製造に適しているがこれらに限らない。さらに好ましくは、三角形のみからなる立体構造物の製造に適している。三角形の場合、各部材の三角形は相似である必要はなく、部材毎に各辺の比率が異なっていてもよい。

本発明に用いられる部材の材質としては、特に制限はなく、例えば、木材、樹脂、金属、陶器などが挙げられる。好ましくは不燃性の金属・部材である。金属の例としては、アルミニウム、ステンレス等が挙げられるが、立体構造物に必要な強度、軽さが得られるものであれば特に制限されない。金属の場合、厚くなると折り曲げる際の伸びが大きくなり補正が困難になるので、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の金属が好ましい。

本発明の部材の結合部には、結合部毎にそれぞれ異なる符号（番号及び／又は記号等、例えばネジ穴の番号など）を付し、結合相手の結合部に対応する符号との関係がわかるように組立指示書を作成することで、符号を見て組み立てることができる。ただし、プログラムにより、結合する結合部に同じ符号を付すようにしてもよい。結合部に符号を付する手段は特に制限されない。レーザーカッターで切断できるフォントまたは記号を使ってレーザーカッターで切断してもよく、荷札・ＩＣタグやバーコードなどで識別できるようにしてもよい。また、表面処理(例えば塗装処理など)後でも認識出来る様により好ましくはレーザーで切断することである。

本発明によれば、３次元の構造物を構築するための部材であって、部材の厚さが０．１ｍｍ〜６ｍｍで部材の周囲の結合部が立体を形成できる角度で折り曲げられ、組み立てのための部材番号および／または結合部の符号が付されている３次元構造物の組み立て用部材、が提供される。部材の厚さは、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは、０．５ｍｍ〜３．２ｍｍ、さらに好ましくは、０．８ｍｍ〜２．０ｍｍである。

３次元の構造物とは立体的な構造物であり、例えば、建築物や店舗内装や芸術のオブジェなどが挙げられる。より好ましくは３ＤＣＡＤによりデザインされた立体構造物である。

本発明の部材の周辺には、別の部材と結合するための結合部を設けることが好ましい。結合部はのりしろの役目を果たし、この部分で他の部材と結合させることで、正面からは結合部がほとんど見えず、見た目に美しい立体構造物が製造できる。

結合部の大きさ、形状は、他の部材との結合に干渉しない限り特に制限はない。好ましくは長方形又は台形である。結合部の長さはその接する辺の長さよりも短いのが好ましい。好ましくは、各端点より６０ｍｍ以上内側で、その点より底辺に対して１３５度の角度で部材の外側に向かって直線を引くことにより台形の両側の辺を書き、底辺と平行で、台形の上側の平行線を決めれば結合部を作成することができる。連結の際やその他の曲げ加工に支障が起きる際は必要に応じて干渉する部分を事前に切断することが好ましい。

結合部には、必要により、部材番号と、結合相手の結合部と対応する符号（例えば、番号および／または記号など）を付する。部材番号はライノセラスの立体構造を２次元の平面に落とす際に付される部品番号をそのまま使用してもよい。

結合相手の部材の結合部と対応する符号とは、例えば、ネジ留する場合は、ネジ穴の記号および／または番号である。対応する結合手段の符号にはすべて異なる符号を使用するのが好ましい。それにより、組立指示書に記入された符号を見ながら隣同士の符号同士を結合させることで容易に立体構造物を組み立てられるからである。

ネジ穴の位置や個数は、結合して十分な強度が得られるのであれば特に制限されない。

レーザーカッターで符号を切断する場合は、レーザーカッターで切断できるフォントまたは記号を使用することが好ましい。かかるフォントまたは記号としては、直線および／または円弧を主体としたフォントまたは記号が好ましいが、レーザーで切断できるフォントまたは記号であれば特に制限なく使用できる。

各部材の結合部は表面から見て裏方向に折り曲げて使用する。折り曲げ角度は、３ＤＣＡＤで設計した立体構造物を形成できる角度である。この角度は、３ＤＣＡＤから座標を取得することによって計算することができる。例えば、ライノセラスから各部材の座標を取得することでグラスホッパー等を用いて計算することができる。

結合部を折り曲げる角度は例えば、以下のようにして計算できる。ライノセラスから各多角形（より好ましくは三角形）の座標を取得し、隣接する多角形（三角形）の表面間の角度Ｘを計算する。次に、（３６０―Ｘ）÷２により、結合部の折り曲げ角度を決定することができる。ただし、必要により、両方の折り曲げ角度の合計が３６０−Ｘ（度）になるように、非対称に折り曲げてもよい。

各部材を折り曲げる際、金属によっては伸びる係数が異なるので、ネジ等で結合する場合はネジ穴の位置を金属の伸びを考慮して計算する。

具体的には、金属と折り曲げ角度からどの位金属が伸びるかのデータを取得し、それによりパラメータを計算して各結合部のネジ穴の位置を決めることができる。この伸びの補正により、立体構造物の表面の結合がより滑らかにつながるという効果が得られる。

金属を折り曲げる際、折り曲げる連結部と曲げる金型、折り曲げる結合部同士が干渉を起こす場合があるので、干渉を避ける金型を用いて折り曲げることで、干渉を防止することができる。個々の部品に対して試行錯誤的に干渉判定を行って干渉を避ける金型を設計することもできる。

各部材間の結合方法は特に制限されない。結合手段としては、例えば、ネジ、接着材、溶接、金具、鎖等により結合させてもよい。

本発明は多角形が板状になっている場合のみでなく、多角形の内部に他の部材、例えばガラスや鏡等をはめ込む枠組みを製造するためにも使用できる。その場合は、枠の部分を上述と同様の方法で作成すればよい。

（実施例１）図１は本発明の全体構成の概略を示す。立体構造物をライノセラスで設計し、それを平面の展開図に展開する。その際座標を取得し、各図形間の接触角度を計算する。三角形の場合は３点が決まれば平面が決まるので、平面同士の接する角度を計算できる。すなわち、接する辺とそれ以外の頂点が分かれば、それぞれの頂点から底辺（接する辺）に垂線を下ろし、そのいずれかの垂線を別の垂線まで底辺とその垂線の三角形の平面上を移動させて、垂線の底辺に接する点を一致させれば、各頂点と該底辺に接する点の座標から、三角形同士の接する角度を計算できる。

次に、各部材について、その周辺に結合部を付加する。この場合は、結合部の形状を設定し、例えば、各端点より３０〜６０ｍｍ、また６０ｍｍ以上中に入り、その点より例えば１３５度外に直線を引き交わった線の長さの底辺を持つ長方形または台形をそれぞれの部材に付加するようにプログラムすればよい。このプログラムはグラスホッパーを使っても良い。また、干渉部分が多ければ必要に応じて切断をして干渉を防ぐことができる。結合部の長方形または台形の底辺の両側の角度は同じ角度に設計するのが好ましいが、必要により異なる角度に設計してもよい。また、台形の底辺と脚との間の角度は４５度程度が好ましいが、３０度〜９０度の間の任意の角度であってもよい。好ましくは等脚台形であるが、等脚台形以外、例えば、不等脚台形や曲線を含む図形であっても使用できる。

結合部が設計できれば、結合手段、例えば、ネジ（ビス）で固定する場合は、ネジ穴（ビス穴）の位置を決定する。この位置は、例えば、台形であれば、例えば、短い辺から２０ｍｍ内側で、高さ３０％の位置、などと一律に決定することができる。ただし、材質と折り曲げ角度により、部材の材料が伸びてネジ穴等の位置がずれるので、材料の伸びを考慮してねじ穴等の位置を補正するとともに、必要に応じてネジ孔の大きさを大きくすること、および／またはネジ孔の長軸方向の長さを長くすることができる。

次に、前記ネジ穴を使用して結合させる相手となる部材のネジ穴または結合部と対応する符号を付する。符号としては、記号及び／又は番号が好ましく用いられる。まずは展開図上で、結合相手に対応した符号を付する。この操作はグラスホッパーを用いて行ってもよい。

上記操作で展開図ができれば、レーザーカッターなど、部材を切断できる装置にデータを移行させる。そして、展開図通りに材料（例えば、アルミ板など）を切断し、符号を付する。符号のフォントはレーザーカッターで切断できるフォントを用いる。レーザーカッターで切断できるフォントまたは記号としては、例えば、直線および／または円弧からなるフォントまたは記号が好ましいが、レーザーカッターで切断できるフォントまたは記号であれば特に制限されない。

材料の板から切り出した部材は、次に、結合部を表面に向かって裏の方向に折り曲げる。この際の折り曲げ角度は段落００３１で計算した角度である。

各部材が切り出され、曲げ、符号を切断されたら、それらと組立指示書、結合部材（ビス等）を建築現場に運び、そこで組み立てる。組立指示書に従い、結合部の符号を対応させて、ビス留めなどにより結合させることで、容易に立体構造物を製造することができる。

イベント等が終了して、立体構造物を撤去する際にも、ビスやネジを外すだけで、容易に立体構造物を解体でき、運び出すことができる。また、別の空間に再び再現することも可能である。

本発明は、建築業やインテリア業等において利用できる。

１００ 部材
１０１ 結合部
１０２ 部材符号
１０３ 結合手段符号
１０４ 結合手段
１０５ 折り曲げ箇所
２０１ 結合用孔

Claims (9)

1. 立体構造物を構築するための部材であって、
   部材の厚さが０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下で
   部材の周囲の結合部が該立体構造物を形成できる角度で折り曲げられ、
   該結合部に組み立てのための符号が付されている
   ３次元構造物の組み立て用部材。
2. 部材が多角形である請求項１の部材。
3. 前記符号がレーザーで切断可能なフォントまたは記号で付されていることを特徴とする請求項１または２の部材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の部材のセットおよび組立指示書が含まれる、立体構造物組み立てキット。
5. 請求項４の組み立てキットを用いて組み立てられた立体構造物。
6. ＣＡＤにより設計された３次元構造物の製造方法であって、
   ３次元構造物を展開図に展開する工程と、
   展開図から部品を切り出す工程と、
   各部品の接着角度を計算する工程と、
   各部材に結合部、結合手段および符号を付する工程と、
   結合部に付した符号の対応関係を示す組立指示書を作成する工程と、
   部材の材質と接着角度から部材の伸びを計算し、補正する工程と、
   結合部を付加した各部材の設計図を作成する工程と、
   結合部に結合手段を開け、結合部に符号を付する工程と、
   部材を切り出す工程と、
   部材の結合部を所定の角度に折り曲げる工程と、
   折り曲げた部材を結合させる工程と
   を有する３次元構造物の製造方法。
7. 部材が多角形であることを特徴とする請求項６の製造方法。
8. 前記符号がレーザーで切断可能なフォントまたは記号からなるフォントまたは記号で付されていることを特徴とする請求項６または７の製造方法。
9. 請求項６〜８のいずれかの方法により製造された立体構造物。