JP2003145630A

JP2003145630A - 三次元造形システム、およびプログラム

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Publication number: JP2003145630A
Application number: JP2001352845A
Authority: JP
Inventors: Ken Yoshii; 謙吉井; Toshio Norita; 寿夫糊田
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2003-05-20

Abstract

(57)【要約】【課題】三次元データのデータ量を増大させることな
く、表面の彩色が精細な立体物を造形することができる
三次元造形技術を提供することを目的とする。【解決手段】データ処理用コンピュータによって、断
面体ごとに、上下に重なり合う断面体との差分をとる演
算が行われ、断面体が外側に露出する部分を彩色領域と
する。そして、断面体ごとに、図８（ａ）に示すような
彩色領域ＣＲと、図８（ｂ）に示すような三次元モデル
データに対してマッピングするための表面画像ＳＤとを
重ね合わせ、表面画像ＳＤのうち、彩色領域ＣＲと表面
画像ＳＤとが重なり合う部分を図８（ｃ）に示す彩色領
域ＣＲの彩色ＤＣとして抽出し、断面体ごとに彩色デー
タを作成することにより、少ないデータ量で、精細に彩
色された立体像を造形することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、断面体を積み重ね
ることによって三次元形状を有する立体物を造形する三
次元造形技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、粉末積層法を利用する造形システ
ムにおいては、入力されたポリゴンデータなどの三次元
データに基づいて立体物が造形され、粉末を積層させる
とともに立体物の表面に彩色を施すものがある。そし
て、造形される立体物の表面の彩色を三次元データ内に
おいて定義するために、立体物の表面の彩色をポリゴン
ごとに定義している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリゴ
ンごとに彩色を定義する方法では、造形される立体物の
表面に対する彩色を精細に施すためには、各ポリゴンの
大きさを微小なものとしなければならず、三次元データ
のデータ量が膨大となり、データの処理速度の低下に起
因する立体物の造形速度の低下を招くとともに、大容量
の記憶媒体が必要となる等、種々の問題点がある。

【０００４】また、ポリゴンごとに彩色を定義する方法
では、造形される立体物を拡大する際に、各ポリゴンの
面積が大きくなるため、表面の彩色が粗くなるといった
問題点もある。

【０００５】本発明は、上記課題に鑑みてさなれたもの
であり、三次元データのデータ量を増大させることな
く、表面の彩色が精細な立体物を造形することができる
三次元造形技術を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、断面体を積み重ねることによ
って三次元形状を有する立体物を造形する造形装置と、
前記立体物に係る三次元データを処理するデータ処理装
置とを備える三次元造形システムであって、前記三次元
データが、テクスチャマッピングにおいて用いられる、
前記立体物の表面の彩色を定義する画像データを含み、
前記データ処理装置が、前記三次元データより、前記断
面体ごとに彩色を施す彩色領域を指定する領域データを
求める領域算出手段と、前記断面体ごとに、前記領域デ
ータと、前記画像データとに基づいて彩色を決定する彩
色決定手段とを有することを特徴とする。

【０００７】また、請求項２の発明は、請求項１に記載
の三次元造形システムであって、前記彩色決定手段が、
前記断面体ごとに、前記画像データが定義する表面の彩
色のうち前記彩色領域に対応する彩色のみを前記領域デ
ータに基づいて抽出するフィルタ手段を有することを特
徴とする。

【０００８】また、請求項３の発明は、請求項２に記載
の三次元造形システムであって、前記データ処理装置
が、前記断面と、前記画像データが定義する表面画像と
が平行でない場合に、前記断面と、前記表面画像とが平
行となるように前記画像データを変換する画像データ変
換手段を備えることを特徴とする。

【０００９】また、請求項４の発明は、請求項１に記載
の三次元造形システムであって、前記彩色決定手段が、
前記彩色領域の各点について、前記画像データを参照す
ることにより、彩色を決定することを特徴とする。

【００１０】また、請求項５の発明は、請求項１から請
求項４のいずれかに記載の三次元造形システムであっ
て、前記データ処理装置が、前記立体物の表面の彩色の
精細さを維持しつつ、前記立体物を変倍するように、三
次元データを変換する三次元データ変換手段を有するこ
とを特徴とする。

【００１１】また、請求項６の発明は、三次元造形シス
テムのデータ処理装置に設けられたコンピュータによっ
て実行されることにより、前記三次元造形システムを、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の三次元造形シ
ステムとして機能させるデータ処理用のプログラムであ
ることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００１３】＜第１実施形態＞＜三次元造形システムの要部構成＞図１は、本発明に係
る三次元造形システム１００の要部構成の一例を示す図
である。

【００１４】三次元造形システム１００は、制御部１０
と、薄層形成部２０と、バインダ付与部３０と、造形部
４０とを備えて構成されており、制御部１０の制御に基
づいて、薄膜形成部２０、バインダ付与部３０、および
造形部４０において、断面体を積み重ねることによって
三次元形状を有する立体物を造形する。

【００１５】制御部１０は、データ処理用コンピュータ
１１と、データ処理用コンピュータ１１と電気的に接続
する駆動制御部１２とを備えている。

【００１６】データ処理用コンピュータ１１は、内部に
ＣＰＵやメモリ等を備えて構成される一般的な卓上型コ
ンピュータ等であり、内部のハードディスクまたは外部
からの記録媒体等に記憶されたデータ処理用のプログラ
ムにしたがって、種々のデータ処理を行う。このデータ
処理用コンピュータ１１は、三次元形状の立体物を形状
データとしてデータ化するとともに、立体物の表面の彩
色を画像データとしてデータ化し、それらのデータを処
理して、平行な幾層もの薄い断面体にスライスして得ら
れる断面データを駆動制御部１２に対して出力する。

【００１７】駆動制御部１２は、薄層形成部２０とバイ
ンダ付与部３０と造形部４０とをそれぞれに駆動する制
御手段として機能する。駆動制御部１２は、データ処理
用コンピュータ１１から断面データを取得すると、その
断面データに基づいて上記の各部に対して駆動指令を与
えることにより造形部４０において粉末材料の供給およ
び伸展を行わせ、造形部４０に粉末の結合体を一層ごと
に順次形成していくように統括制御する。

【００１８】また、駆動制御部１２は、断面データに基
づいて粉末材料を結合させる選択領域を特定して、薄層
形成部２０において粉末材料の薄層を一層分形成するご
とに結合剤となるバインダを層表面の所定領域に吐出す
るように駆動制御する。

【００１９】薄層形成部２０は、層形成手段として機能
する伸展ローラ２１と、粉末供給機構２２と、例えばモ
ータを有する駆動部２９とを備えて構成される。この薄
層形成部２０は駆動部２９によってＸ方向に沿って往復
移動可能となっている。

【００２０】伸展ローラ２１および粉末供給機構２２
は、Ｙ方向に長く伸びており、駆動部２９によるＸ方向
に沿った１回の動作で、造形部４０に粉末材料の薄層形
成を行うことができるように構成されている。

【００２１】粉末供給機構２２は、薄層形成部２０が＋
Ｘ方向に移動する場合に、伸展ローラ２１の進行方向前
方側（すなわち、進行方向の下流側）に位置するように
配置されている。そして、薄層形成部２０が＋Ｘ方向に
移動する際には、伸展ローラ２１と粉末供給機構２２と
が能動化され、粉末供給機構２２が伸展ローラ２１の移
動方向前方側に粉末材料を供給する。

【００２２】粉末供給機構２２の上部側は、石膏や澱粉
などの粉末材料を収容するための粉末容器２３として構
成されており、その粉末容器２３の下部側には多孔質の
供給ローラ２４が設けられる。

【００２３】供給ローラ２４の表面は多孔質となってお
り、粉末容器２３の粉末材料と接する部分の孔部には、
粉末材料が充填される。そして、この供給ローラ２４が
回転することにより、ローラ表面の孔部に充填された粉
体が粉末供給機構２２の最下部に形成された開口２２ｈ
側に導かれ、その開口２２ｈより粉末材料が落下するこ
とで、造形部４０に粉末材料が供給される。

【００２４】伸展ローラ２１は、この供給ローラ２４の
回転に連動して、回転するように構成されている。これ
により、粉末供給機構２２の開口２２ｈから落下した粉
末材料を適切に伸展できることとなる。

【００２５】粉末容器２３に収容される粉末材料につい
ては、発色を良くするため、白色のものを使用するのが
好ましい。白い用紙の上に印刷する場合などにおいて
は、彩色箇所のみ有色のインクを塗布することで下地の
白色とのバランスで色の階調表現が可能となるが、立体
物の彩色にも同様のことが言えるため、白色の粉末材料
を使用するのが望ましいこととなる。

【００２６】バインダ付与部３０は、タンク部３１と、
ヘッド部３４と、紫外線照射部３９とを備えている。

【００２７】タンク部３１は、４つのインクタンク３２
と、バインダタンク３３とを備えている。

【００２８】インクタンク３２ａ〜３２ｄ内には、それ
ぞれ異なる色成分、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マジェン
タ）、Ｃ（シアン）の三原色およびＷ（ホワイト）に着
色された液状インクが収容されている。なお、着色キャ
リアとして働く各インクは、粉末材料と結合しても変色
しないものであり、長時間経過しても変色・退色しない
ものを使用するのが望ましい。

【００２９】バインダタンク３３は、遮光性の素材で形
成されており、その中に液状の紫外線硬化樹脂が収容さ
れている。この紫外線硬化樹脂については、インクジェ
ットヘッドを用いて吐出が可能なように粘度の低いも
の、例えば分子量の低いアクリルモノマー系の樹脂を利
用するのが好ましい。なお、紫外線硬化樹脂として、エ
ポキシ系の樹脂などを利用しても良い。

【００３０】インクタンク３２ａ〜３２ｄ、バインダタ
ンク３３の各タンクにはチューブが敷設されており、タ
ンク内の液体がヘッド部３４に個別に導かれる。このバ
インダタンク３３からヘッド部３４に敷設されているチ
ューブは遮光性の素材で形成されている。

【００３１】図２は、ヘッド部３４の要部構成を示す図
である。

【００３２】ヘッド部３４は、ヘッド部本体３５と、ヘ
ッド部本体３５に連結する駆動部３６と、ヘッド部本体
３５の下部で突出する複数の吐出ノズル３７ａ〜３７ｅ
と、遮光板３８とを備えている。

【００３３】ヘッド部３４は、インクジェット方式等で
微小な液滴として上記各色のインクおよび紫外線硬化樹
脂を吐出ノズル３７ａ〜３７ｅから吐出（噴出）できる
ように構成されている。このヘッド部３４は、着脱自在
のピエゾ方式のインクジェットヘッド、すなわち圧電素
子のたわみ変形による体積変化によって吐出力を得ての
吐出を行うヘッドとして構成されるのが好ましい。この
ような構成のヘッド部３４により、バインダである紫外
線硬化樹脂の物性によらず安定して吐出できるととも
に、万が一、ヘッド部３４でバインダの硬化による吐出
ノズル３７の詰まり等のトラブルが発生しても着脱自在
で交換が容易にできるため、迅速な復旧が可能となる。

【００３４】駆動部３６は、Ｘ方向に伸びるガイドレー
ル（図示せず）に沿って、ヘッド部３４をＸ方向に移動
自在となっている。

【００３５】各吐出ノズル３７ａ〜３７ｅは、Ｙ方向に
複数のバインダ吐出孔を有するマルチノズル機構となっ
ており、駆動制御部１２が複数のバインダ吐出孔のうち
から粉末の結合体を形成するのに必要なバインダ吐出孔
を選択して、バインダ吐出を個別に制御することが可能
となっている。そして、各吐出ノズル３７ａ〜３７ｅか
ら吐出されるインクおよび紫外線硬化樹脂は、吐出ノズ
ル３７に対向する位置に設けられている造形部４０の粉
末層８２に付着する。

【００３６】遮光板３８は、吐出ノズル３７を矩形状に
覆うように形成されており、紫外線を含む光が吐出ノズ
ル３７ｅに到達するのを阻止する。この遮光板により、
吐出ノズル３７ｅの目詰まりが防止できる。

【００３７】紫外線照射部３９は、粉末層８２に付与さ
れた紫外線硬化樹脂を硬化させて粉末材料を結合するた
めに、粉末層８２に対して紫外領域の波長に係る光エネ
ルギーとしての紫外線を照射する部位である。

【００３８】図１に戻り、説明を続ける。

【００３９】造形部４０は、中央に凹状部を有する造形
部本体４１、造形部本体４１の凹状部の内部に設けられ
ている造形ステージ４２、造形ステージ４２をＺ方向に
移動させるＺ方向移動部４３と、Ｚ方向移動部４３を駆
動する駆動部４４を備えている。

【００４０】造形部本体４１は、三次元形状を有する立
体物を生成するための作業領域を提供する役目を果たし
ている。

【００４１】造形ステージ４２は、ＸＹ断面において矩
形型の形状を有し、その側面が造形部本体４１における
凹状部の垂直内壁４１ａと接している。そして、この造
形ステージ４２と造形部本体４１の垂直内壁４１ａとで
形成される直方体状の三次元空間が、立体物を生成する
ための造形空間として機能する。すなわち、吐出ノズル
３７ｅから吐出されたバインダにより、造形ステージ４
２上にて粉末を接合させて立体物が作成されることとな
る。

【００４２】Ｚ方向移動部４３は、造形ステージ４２と
連結する支持棒４３ａを有している。そして、支持棒４
３ａが、駆動部４４によって垂直方向に昇降駆動される
ことにより、支持棒４３ａと連結する造形ステージ４２
のＺ方向の移動が可能となっている。

【００４３】＜三次元造形システム１００の動作＞図３
は、三次元造形システム１００の基本的な動作を示すフ
ローチャートである。以下、同図を参照して、その基本
動作を説明する。

【００４４】ステップＳ１では、データ処理用コンピュ
ータ１１が、当該データ処理用コンピュータ１１に入力
された三次元データをもとに、立体物を造形する際にお
ける粉末の積層厚さ（断面データ作成の際のスライスピ
ッチ）、断面体作成時の断面体（スライス）の数、拡大
縮小データ、造形時の積層方向等の各種パラメータを設
定し、粉末の積層厚さ、および断面体の数については、
データ処理用コンピュータ１１から駆動制御部１２に入
力される。なお、スライスするピッチは、所定範囲内
（粉末を結合可能な厚みの範囲）で変更可能である。と
ころで、ここでは、データ処理用コンピュータ１１に入
力される三次元データのデータフォーマットには、ＣＧ
ソフトで主に作成されるＶＲＭＬ等を使用することがで
きる。ＶＲＭＬでは、立体物の表面の色彩を、テクスチ
ャマッピングで用いられる画像データとして定義するこ
とができ、立体物の形状については形状データとして定
義する。このように画像データによって立体物の表面の
色彩を定義することにより、従来の造形システムで用い
られているポリゴンごとに色を定義する方法に比べて、
少ないデータ量で、立体物の表面の色彩をより精細に定
義することができる。

【００４５】ステップＳ２では、ステップＳ１で求めた
パラメータに基づいて、形状データや画像データの変換
等を行う。通常、三次元データは、独自の座標系にした
がって定義され、また、画像データは、形状データによ
って定義される立体物の形状に対して画像の貼り付け方
向が定義される姿勢情報と、貼り付け位置が定義される
貼り付け位置情報とを持っている。

【００４６】まず、形状データの変換について説明す
る。図４は、造形部４０において、立体物を造形する際
の断面体の積み重ねについて説明する図である。図４に
示すように、造形部４０では、断面体４ｘ，４ｙ，４ｚ
を積み重ねていく方向をＺ軸にとり、断面をＸ−Ｙ平面
にとる。これは、造形部４０で扱うデータは、薄い断面
体の集合となるため、断面をＸ−Ｙ平面に定義した方が
記述が簡単になるからである。したがって、ステップＳ
２では、形状データを定義するための独自の座標系と、
造形部４０で扱う座標系とが異なる場合には、造形部４
０で扱う座標系によって形状データが定義されるように
形状データを変換する。なお、形状データを定義する座
標系と、造形部４０で扱う座標系とが同一の場合は、形
状データは変換しない。

【００４７】次に画像データの変換について説明する。
ここでは、断面体ごとに表面の彩色を決定しなければな
らないので、断面と、画像データが定義する平面画像と
が平行でない場合は、断面と表面画像とが平行となるよ
うに画像データを変換する。

【００４８】図５は、画像データの変換について説明す
る図である。図中には、造形部４０で扱う座標系である
直交座標系を示しており、画像データが、データ処理用
コンピュータ１１内において変換される過程を、仮想的
に図形および画像で示している。図５には、画像データ
が定義する表面画像ＳＰ１、形状データが定義する立体
像を仮想的に表現した三次元オブジェクトＴＤＯ、およ
び変換後の画像データが定義する表面画像ＳＰ２を示し
ている。ここでは、図５に示すように表面画像ＳＰ１
は、”Ａ”という文字の形状をした平面画像がＸ−Ｙ平
面に対して角度θの角度を持っているものであり、表面
画像ＳＰ１のａ１，ｂ１，ｃ１の位置と、三次元オブジ
ェクトＴＤＯのａ２，ｂ２，ｃ２の位置とが重なるよう
にマッピングされる画像として定義されている。ここで
は、まず、画像データを変換するために、表面画像ＳＰ
１を、三次元オブジェクトＴＤＯの表面にマッピングす
る。その後、造形部４０で扱う直交座標系におけるＸ−
Ｙ平面に投影することによって、表面画像ＳＰ２を得
る。

【００４９】なお、ここでは、断面と、画像データが定
義する表面画像とが平行でない場合には、断面と表面画
像とが平行となるように画像データを変換するが、もと
もと断面と表面画像とが平行である場合には、断面と表
面画像とが平行となるような画像データの変換は実施し
ない。例えば、図５において、画像データが定義する表
面画像が、もともと表面画像ＳＰ２であったような場合
である。

【００５０】また、ステップＳ２では、ステップＳ１に
おいて設定されたパラメータの一つである拡大縮小デー
タに基づいて形状データおよび画像データを変換する。
図６は、立体物を変倍する際の表面の彩色の変化につい
て説明する模式図である。なお、図６では、説明を簡単
とするために、図形の輪郭線のみを示しており、輪郭線
が滑らかでないのは、後述するステップＳ３において、
断面データを二次元画像のビットマップと同様に扱い、
各色ごとのビットマップ情報に変換することに対応させ
たものである。

【００５１】図６（ａ）は、拡大前の彩色を示してお
り、図６（ｂ）は、拡大後の彩色を示している。ここで
は、一例として画像データをベクトルデータとした場合
を示しており、画像データが定義する表面画像を拡大し
ても画像解像度が劣化することがないため、立体物を拡
大しても輪郭線が粗くなることがない。なお、ここで
は、画像データをベクトルデータとした場合について示
したが、これに限られるものではなく、画像データをビ
ットマップデータとした場合に、立体物を拡大する際に
も、輪郭等が粗くならないように画像データに対して補
間を施すようにしても良い。したがって、ここでは、立
体物の彩色の精細さを維持しつつ、立体物を変倍するよ
うに、三次元データを変換する。

【００５２】ステップＳ３では、データ処理用コンピュ
ータ１１内で、形状データに基づいた立体像を表現した
三次元モデルデータが作成され、三次元モデルデータを
水平方向にスライスした断面体ごとの断面形状データを
生成する。このとき、断面体ごとに画像データが定義す
る表面画像に基づいて彩色を決定する。ここでは、三次
元モデルデータから積層する粉末の一層分の厚みに相当
するピッチ（層厚ｔ）でスライスされた断面体を切り出
し、断面形状データおよび彩色データを作成する。以
下、彩色データの作成について詳述する。

【００５３】図７は、彩色データを作成するための領域
データが定義する彩色領域の決定方法を説明する図であ
る。図７では、説明を簡単にするために、便宜的に三層
の断面体ａ，ｂ，ｃとして切り出された三次元モデルデ
ータを示す模式図である。図７（ａ）は、立体物の平面
図であり、図７（ｂ）は、三次元モデルデータの正面図
である。なお、図中には、造形部４０で用いられる直交
座標系を示している。断面体ｂに注目すると、一層上の
断面体ｃと断面体ｂとの差分をとる演算が行われ、断面
体ｂが外側に露出する部分を彩色領域ＣＲとする。この
ような演算をすべての断面体について行い、すべての断
面体ごとに彩色領域を求める、領域データを作成する。

【００５４】図８は、断面体ごとの彩色領域に対する彩
色の決定についてのデータ処理内容を仮想的に示した図
である。図８では、説明を簡単にするために、便宜的に
一層の断面体に対する彩色の決定について示している。
図８（ａ）は彩色領域ＣＲを示す図であり、図８（ｂ）
は彩色領域ＣＲに対してマッピングするための画像デー
タが定義する表面画像ＳＤを示す図であり、図８（ｃ）
は決定された彩色ＤＣを示す図である。なお、図中に
は、造形部４０で用いられる直交座標系を示している。
図８に示すように、図８（ａ）に示す彩色領域ＣＲと、
図８（ｂ）に示す表面画像ＳＤとを重ね合わせることに
よって、表面画像ＳＤのうち、彩色領域ＣＲと表面画像
ＳＤとが重なり合う部分を彩色領域ＣＲの彩色ＤＣとし
て抽出し、断面体ごとに彩色データを作成する。ここで
は、領域データが指定する彩色領域をフィルタとして、
断面体ごとに、画像データの定義する表面の色彩のう
ち、彩色領域に対応する彩色のみを抽出することによ
り、テクスチャマッピングに用いられる立体物の表面の
彩色を定義する画像データに基づいて、立体像の表面の
彩色を決定することができる。

【００５５】図９は、ステップＳ３で生成される断面デ
ータの一例を示す図である。図９に示すように、三次元
モデルデータから断面体を切り出し、上述したように彩
色データを作成し、断面形状データと彩色データとに基
づいて、断面体の形状と彩色とを含む断面データが決定
される。そして、断面データを二次元画像のビットマッ
プと同様に扱い、各色ごとのビットマップ情報に変換す
る。このビットマップ情報は階調等を考慮した情報とな
っている。ここでは、断面体の彩色領域がＹＣＭＷの色
情報を有している。

【００５６】次のステップＳ４以降については、駆動制
御部１２が各部を制御することによって行われる動作で
ある。図１０は、これらの動作を説明する概念図であ
る。以下では、同図を参照しながら説明する。

【００５７】ステップＳ４では、造形ステージ４２にお
いて粉末の第Ｎ層目（Ｎ＝１，２，…）の結合体を形成
するために、造形ステージ４２がＺ方向移動部４３によ
り、データ処理用コンピュータ１１から入力された上記
層厚ｔに基づき、その厚さに相当する距離だけ下降され
て保持される。初期状態では、造形ステージ４２は造形
部４０の上端位置と同一の高さ位置に位置しており、そ
こから層厚ｔに応じた距離だけ下降することとなる。そ
して、造形ステージ４２は、粉末材料による１層分形成
ごとに順次層厚ｔに応じた距離だけ段階的に下降する。
これにより、造形ステージ４２上に粉末材料が堆積さ
れ、バインダによる必要な結合が完了した粉末層の上方
に、新たな粉末の層を一層分形成するためのスペースを
形成することができる。

【００５８】ステップＳ５では、薄層形成部２０を＋Ｘ
方向に向かう移動を行うことにより、立体物の造形にお
いて材料となる粉末の供給を行いつつ粉末材料の一層分
の薄層形成を行うとともに、ヘッド部３４から所定領域
に、紫外線硬化樹脂の吐出を行うことで粉末材料の必要
な部分の結合を行う。

【００５９】図１０(ａ)に示すように、薄層形成部２０
が＋Ｘ方向に移動する際には、伸展ローラ２１の最下点
が造形部４０の上端部と同一高さ位置となるように下降
し、その状態で＋Ｘ方向への移動が行われることで、粉
末供給機構２２と伸展ローラ２１とによる粉末材料の均
一な薄層形成が正確に行われる。

【００６０】粉末供給機構２２から１層分形成時（Ｘ方
向に沿った１回の移動を行う間）に供給される粉末材料
の量は、１層分形成に必要な量よりも若干多めに設定さ
れ、造形空間内の任意の位置において粉末不足が生じる
ことを回避している。このため、１層分形成後は粉末材
料が余ることとなるが、余った粉末材料は回収して、再
度利用可能である。

【００６１】また、ヘッド部３４も薄層形成部２０の移
動と一体となって＋Ｘ方向に移動し、駆動制御部１２か
らの制御信号に基づいて吐出ノズル３７ｅから伸展され
た粉末層に対して紫外線硬化樹脂のバインダを吐出す
る。このとき、駆動制御部１２は、断面データの形状デ
ータ(図８参照)に基づいてヘッド部３４に対して制御信
号を与えることにより、造形すべき選択領域に対してバ
インダが塗布される。

【００６２】ステップＳ６では、ヘッド部３４と一体と
なって移動する紫外線照射部３９によって粉末材料の薄
層に対して紫外線を照射する。これにより、粉末材料の
薄層に塗布された紫外線硬化樹脂のバインダが硬化され
ることとなる。その結果、粉末層ごとに粉末材料の結合
体が生成されるとともに、バインダが塗布されない領域
の粉末材料は個々に独立した状態を保つこととなる。

【００６３】そして、薄層形成部２０が図１０(ｂ)に示
すような位置に到達すれば、１回の粉末材料の結合動作
が終了し、１層分の造形が完了することとなる。

【００６４】ステップＳ７では、−Ｘ方向に向かってヘ
ッド部３４の移動を行い、紫外線照射によりバインダが
硬化し形成された粉末材料の結合体に、吐出ノズル３７
ａ〜３７ｄから各色のインクを吐出する。このとき、駆
動制御部１２は、断面データにおけるＹＣＭＷの彩色デ
ータ(図９参照)に基づいてヘッド部３４に対して制御信
号を与えることにより、立体物の表面近傍となる彩色領
域に対してインクが塗布される。これにより、立体物に
対して、所望の彩色が施せることとなる。なお、この際
には、粉末層８２に塗布された紫外線硬化樹脂の硬化を
確実にするため、紫外線照射部３９から紫外線を照射す
るのが好ましい。

【００６５】一般に、彩色を行うためにはＹ、Ｍ、Ｃの
三原色を混色すれば良いが、色の濃淡（階調）を表現す
るためには、三原色に加えて白色のバインダを吐出し混
色することが有効となる。一般のプリンタ等では白色の
紙にインク、トナー等で字、画像をプリントしていくた
め、基材となる紙の白色を利用すれば白色インクは必要
でなく、Ｙ、Ｍ、Ｃの三色を使用するだけで原理的に各
色成分の濃淡を表現することができる。しかしながら、
三次元造形の材料となる粉末の色が白色でないような場
合には、白色のバインダを使用することが特に有効とな
る。

【００６６】ステップＳ８では、立体物の造形が完了し
たかを判定する。ここで、造形が完了していない場合に
は、ステップＳ４に戻り、第Ｎ層目の上側に第Ｎ＋１層
目の新たな粉末の結合体を形成する動作が行われる。そ
して、立体物の造形が完了すると、バインダが付与され
ていない独立した個々の粉末材料を分離することによ
り、バインダで結合された粉末材料の結合体（立体物）
を取り出すことができる。なお、結合されなかった粉末
材料は回収して、再度粉末材料として利用しても良い。

【００６７】このように、図１０(ａ)〜(ｃ)に示す動作
を積層数だけ繰り返すことにより、造形ステージ４２上
に一層ごとのカラー化された結合体が順次積層されてい
き最終的に造形対象物の立体物が造形ステージ４２上に
造形されることとなる。

【００６８】以上のような三次元造形システム１００に
より、立体物の表面の彩色を定義する画像データを含む
三次元データより、断面体ごとに彩色を施す領域を指定
する領域データを求め、領域データと、画像データとに
基づいて、断面体ごとに彩色を決定することによって、
少ないデータ量で、精細に彩色された立体像を造形する
ことができる。

【００６９】＜第２実施形態＞第１実施形態では、デー
タ処理用コンピュータ１１において、断面体ごとに、彩
色領域と表面画像とを重ね合わせ、表面画像のうち、彩
色領域と表面画像とが重なり合う部分を彩色として抽出
することによって、断面体ごとに彩色データを作成した
が、他の方法によっても、断面体ごとに彩色データを作
成することができる。以下、他の方法の一例について説
明する。

【００７０】第２実施形態に係る三次元造形システム１
００の基本的な動作を示すフローチャートは図３におい
て示したフローチャートと同様となるため、図３に示す
フローチャートを参照し、第１実施形態と異なるデータ
処理について主に説明する。なお、ここでは、ステップ
Ｓ１およびステップＳ４〜Ｓ８については、第１実施形
態と同様となるため説明を省略し、以下、第１実施形態
と異なるステップＳ２およびステップＳ３について主に
説明する。

【００７１】ステップＳ２では、ステップＳ１で求めた
パラメータに基づいて、形状データの変換等を行う。こ
こでは、三次元データのうちの形状データについては、
第１実施形態と同様に、形状データを定義する独自の座
標系が、造形部４０で扱う座標系と異なる場合には、造
形部４０で扱う座標系によって形状データが定義される
ように形状データを変換する。なお、ここでも、形状デ
ータを定義する座標系と造形部４０で扱う座標系とが同
一の場合は、形状データを変換しない。一方、画像デー
タについては、第１実施形態では、立体物の断面と、画
像データが定義する平面画像とが平行でない場合は、断
面と平面画像とが平行となるように画像データを変換す
るが、ここでは、画像データについてはデータの変換は
行わない。

【００７２】また、ステップＳ２では、第１実施形態と
同様に、ステップＳ１において設定されたパラメータの
一つである拡大縮小データによって拡大縮小が指定され
ている場合には、拡大縮小データに基づいて形状データ
および画像データを変換する。

【００７３】次に、ステップＳ３では、第１実施形態と
同様に、形状データに基づいた三次元モデルデータを作
成し、三次元モデルデータを水平方向にスライスした断
面体ごとの断面形状データを生成する。このとき、断面
体ごとに画像データに基づいて彩色も決定する。ここで
は、三次元モデルデータから積層する粉末の一層分の厚
みに相当するピッチ（層厚ｔ）でスライスされた断面体
を切り出し、断面形状データおよび彩色データからなる
断面データを作成する。第２実施形態では、第１実施形
態とは異なり、断面体ごとに求めた彩色領域の各点につ
いて画像データを参照することによって彩色を決定す
る。以下、具体的な例を挙げて説明する。

【００７４】図１１は、断面体ごとの彩色領域の各点に
対する彩色の決定について説明する図であり、図中に
は、造形部４０で扱う座標系である直交座標系を示して
いる。図１１は、第１実施形態の図５と同様に、三次元
データが、データ処理用コンピュータ１１内において処
理される過程を、仮想的に図形および画像で示してい
る。また、図５において説明したように、画像データが
定義する表面画像ＳＰ１は、”Ａ”という文字の形状を
した平面画像がＸ−Ｙ平面に対して角度θの角度を持っ
ており、表面画像ＳＰ１のａ１，ｂ１，ｃ１の位置と、
三次元オブジェクトＴＤＯのａ２，ｂ２，ｃ２の位置と
が重なるようにマッピングされる画像として定義されて
いる。ここでは、三次元オブジェクトＴＤＯにおいて、
一点鎖線ＣＬの位置にあたる断面体ＣＰの彩色領域上の
点Ｐについて、表面画像ＳＰ１を三次元オブジェクトＴ
ＤＯに対してマッピングさせるのとは全く逆に、点Ｐを
表面画像ＳＰ１の対応する位置へ投影する。ここでは、
点Ｐを表面画像ＳＰ１に投影した点Ｑの彩色を点Ｐの彩
色として決定する。同様なデータ処理を断面体ごとの彩
色領域の各点について行い、断面体ごとの彩色領域に対
する彩色を決定する。このように、断面体ごとに、彩色
領域の各点について、画像データを参照することによ
り、テクスチャマッピングに用いられる立体物の表面の
彩色を定義する画像データに基づいて、立体像の表面の
彩色を決定することができる。

【００７５】その後、第１実施形態と同様に、図９に示
すように、三次元モデルデータから断面体を切り出し、
上述したように彩色データを作成し、断面形状データと
彩色データとに基づいて、断面体の形状と彩色とを含む
断面データが決定される。そして、断面データを二次元
画像のビットマップと同様に扱い、各色ごとのビットマ
ップ情報に変換する。このビットマップ情報は階調等を
考慮した情報となっている。ここでは、断面体の彩色領
域がＹＣＭＷの色情報を有している。このように、ステ
ップＳ３においては、各断面体の断面データを作成して
ステップＳ４に進む。ステップＳ４以降については、上
述したように、第１実施形態と同様となるので、説明を
省略する。

【００７６】以上、第２実施形態に係る三次元造形シス
テム１００によっても、三次元データより、断面体ごと
に彩色領域を指定する領域データを求め、断面体ごと
に、彩色領域の各点について、画像データを参照するこ
とによって、立体像の表面の彩色を決定することができ
る。しがたって、少ないデータ量で、精細に彩色された
立体像を造形することができる。

【００７７】＜変形例＞上述した第１実施形態において
は、立体物の表面の彩色を示す画像データは、一枚の表
面画像を定義するものでしかなかったが、これに限られ
るものではなく、画像データが複数枚の表面画像を定義
するものであっても良い。このように、画像データが複
数枚の表面画像を定義するものとなった際は、立体像の
断面と、一方または両方の表面画像とが平行でない場
合、図３で示したステップＳ２において、断面と複数枚
の表面画像とが平行となるように、画像データを変換
し、複数枚の表面画像を貼り合わせて一枚の表面画像と
して定義される画像データとなり、ステップＳ３へ進
む。以上で述べたステップＳ２における画像データの変
換について、以下、具体的に説明する。

【００７８】図１２は、複数枚の表面画像を定義する画
像データによって立体像の表面の彩色が定義されている
三次元データについて説明する図である。なお、図１２
は、三次元データを仮想的に図形および画像として示し
た図である。ここでは、造形部４０で扱う座標系である
直交座標系を示しており、三次元オブジェクトＴＤＭの
面ＳＡおよび面ＳＢに対して、それぞれマッピングする
ための表面画像ＰＡ１および表面画像ＰＢ１が定義され
ている。

【００７９】ここでは、図１２に示すように表面画像Ｐ
Ａ１がＸ−Ｙ平面に対して角度θ１の角度を持ってお
り、表面画像ＰＡ１のａ１，ａ２，ａ３，ａ４の位置
と、三次元オブジェクトＴＤＭのｃ，ｄ，ｇ，ｈの位置
とが重なるように、マッピングされる画像として定義さ
れている。また、表面画像ＰＢ１がＸ−Ｙ平面に対して
角度θ２の角度を持っており、表面画像ＰＢ１のｂ１，
ｂ２，ｂ３，ｂ４の位置と、三次元オブジェクトＴＤＭ
のｄ，ｅ，ｆ，ｇの位置とが重なるように、マッピング
される画像として定義されている。ここでは、造形部４
０で扱う座標系のＸ−Ｙ平面（立体物の断面）と、表面
画像ＰＡ１，ＰＢ１とが平行でないため、Ｘ−Ｙ平面と
表面画像ＰＡ１，ＰＢ１とが平行となるように画像デー
タを変換する。

【００８０】図１３は、Ｘ−Ｙ平面と複数の表面画像と
が平行となるような画像データの変換を説明する図であ
る。なお、図１３は、三次元データが、データ処理用コ
ンピュータ１１内で処理される過程を仮想的に図形およ
び画像で示した模式図である。ここでは、造形部４０で
扱う座標系である直交座標系を示しており、画像データ
を変換するために、まず、表面画像ＰＡ１，ＰＡ２を、
それぞれ三次元オブジェクトＴＤＭにマッピングして、
その後、Ｘ−Ｙ平面に投影することによって、表面画像
ＰＡ２，ＰＢ２を得る。そして、表面画像ＰＡ２，ＰＢ
２を貼り合わせて一枚の表面画像として定義される画像
データを形成し、ステップＳ３へ進む。図１３では、画
像データが定義する表面画像が二枚の場合について説明
したが、画像データが定義する表面画像の枚数が三枚以
上となっても同様なデータ処理によって、画像データを
変換して、画像データが定義する複数枚の表面画像を一
枚の表面画像として扱うようにする。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
おいては、立体物の表面の彩色を定義する画像データを
含む三次元データより、断面体ごとに彩色を施す領域を
指定する領域データを求め、領域データと、画像データ
とに基づいて、断面体ごとに彩色を決定することによっ
て、少ないデータ量で、精細に彩色された立体像を造形
することができる。

【００８２】また、請求項２の発明においては、断面体
ごとに、画像データが定義する表面の彩色のうち、彩色
領域に対応する彩色のみを抽出することによって、テク
スチャマッピングに用いられる立体物の表面の彩色を定
義する画像データに基づいて、立体像の表面の彩色を決
定することができる。

【００８３】また、請求項３の発明においては、断面に
対して平行でない表面画像を、断面と平行になるように
画像データを変換することによって、表面画像と断面と
が平行でない場合にも、立体像の表面の彩色を決定する
ことができる。

【００８４】また、請求項４の発明においては、断面体
ごとに、彩色領域の各点について、画像データを参照す
ることにより、テクスチャマッピングに用いられる立体
物の表面の彩色を定義する画像データに基づいて、立体
像の表面の彩色を決定することができる。

【００８５】また、請求項５の発明においては、立体物
を変倍する際に、表面の彩色の精細さを維持できるよう
なデータフォーマットで画像データを定義することによ
って、特に立体像を拡大する場合に、彩色の精細さの劣
化を防止することができる。

【００８６】また、請求項６の発明によれば、請求項１
から請求項５のいずれかに記載の発明と同様の効果を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る三次元造形システ
ムの要部構成を示す図である。

【図２】ヘッド部の要部構成を示す図である。

【図３】三次元造形システムの基本的な動作を示すフロ
ーチャートである。

【図４】立体物を造形する際の断面体の積み重ねについ
て説明する図である。

【図５】画像データの変換について説明する図である。

【図６】立体物を変倍する際の表面の彩色の変化につい
て説明する模式図である。

【図７】彩色データを作成するための彩色領域の決定方
法を説明する図である。

【図８】断面体ごとの彩色領域に対する彩色の決定につ
いて説明する図である。

【図９】断面データの一例を示す図である。

【図１０】三次元造形システムの動作を説明する図であ
る。

【図１１】第２実施形態において、断面体ごとの彩色の
決定について説明する図である。

【図１２】複数枚の表面画像を定義する画像データによ
って立体像の表面の彩色が定義されている三次元データ
について説明する図である。

【図１３】複数枚の表面画像を定義する画像データの変
換を説明する図である。

【符号の説明】

１０データ処理用コンピュータ２０、６０薄層形成部３０バインダ付与部４０造形部１００三次元造形システムＣＲ彩色領域ＤＣ彩色ＳＰ１、ＳＰ２、ＰＡ１、ＰＡ２、ＰＢ１、ＰＢ２、Ｓ
Ｄ表面画像ＴＤＯ、ＴＤＭ三次元オブジェクト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4F213 AA44 WA25 WA97 WL02 WL12 WL25 WL82 WL85 WL96 4G052 AB26 AB42

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断面体を積み重ねることによって三次元
形状を有する立体物を造形する造形装置と、前記立体物
に係る三次元データを処理するデータ処理装置とを備え
る三次元造形システムであって、前記三次元データが、テクスチャマッピングにおいて用いられる、前記立体物
の表面の彩色を定義する画像データを含み、前記データ処理装置が、前記三次元データより、前記断面体ごとに彩色を施す彩
色領域を指定する領域データを求める領域算出手段と、前記断面体ごとに、前記領域データと、前記画像データ
とに基づいて彩色を決定する彩色決定手段と、を有する
ことを特徴とする三次元造形システム。
【請求項２】請求項１に記載の三次元造形システムで
あって、前記彩色決定手段が、前記断面体ごとに、前記画像データが定義する表面の彩
色のうち前記彩色領域に対応する彩色のみを前記領域デ
ータに基づいて抽出するフィルタ手段を有することを特
徴とする三次元造形システム。
【請求項３】請求項２に記載の三次元造形システムで
あって、前記データ処理装置が、前記断面と、前記画像データが定義する表面画像とが平
行でない場合に、前記断面と、前記表面画像とが平行と
なるように前記画像データを変換する画像データ変換手
段を備えることを特徴とする三次元造形システム。
【請求項４】請求項１に記載の三次元造形システムで
あって、前記彩色決定手段が、前記彩色領域の各点について、前記画像データを参照す
ることにより、彩色を決定することを特徴とする三次元
造形システム。
【請求項５】請求項１から請求項４のいずれかに記載
の三次元造形システムであって、前記データ処理装置が、前記立体物の表面の彩色の精細さを維持しつつ、前記立
体物を変倍するように、三次元データを変換する三次元
データ変換手段を有することを特徴とする三次元造形シ
ステム。
【請求項６】三次元造形システムのデータ処理装置に
設けられたコンピュータによって実行されることによ
り、前記三次元造形システムを、請求項１から請求項５
のいずれかに記載の三次元造形システムとして機能させ
るデータ処理用のプログラム。