JP2004017632A

JP2004017632A - 造形ディスプレイシステム及び試作方法

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Publication number: JP2004017632A
Application number: JP2002180317A
Authority: JP
Inventors: Hideo Fujimoto; 藤本　英雄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】各種製品の実寸大模型を簡易かつ迅速に造形して可視表示させることができ、特に大型製品の造形に適した造形ディスプレイシステムを提供する。
【解決手段】造形ディスプレイシステム１は、造形対象物５０の造形に発泡材を用い、これを実寸大で造形する。このため、従来の木材等の除去加工によりクレイモデルを作製する場合はもちろん、例えば樹脂材を用いた光造形の場合よりも素早い造形を実現することができる。特に大型製品を対象とするほど、その造形期間短縮の効果は一層大きくなる。そして、製品設計の過程で造形ディスプレイシステム１を用いて試作された造形対象物５０を、実寸大にてデザイン的又は機能的に評価することで、設計者の感性に合致した製品を造りだすことができるとともに、その設計期間の短縮化が図れる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種製品の模型を成形して可視表示させる造形ディスプレイシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来より、ＣＡＤ・ＣＡＭ等のコンピュータシステムにおいては、設計された製品の形状・寸法データに基づいて、その完成品の心証を得るために、当該製品の形状をディスプレイ上に三次元表示する所謂試作模型の作成が行われている。
【０００３】
この試作模型の作成に際しては、ディスプレイ画面の表示範囲の都合や或いは細部形状の確認等の観点からスケーリング、つまり拡大や縮小が行われる。このスケーリングが製品の形状等を理解する上で、その効果を発揮することも多い。
しかし、逆に、製品そのものの大きさ、つまり実寸大での表示が意味をもつ場合もある。例えばスケーリングされた模型のデザイナの感性への影響など、特に大きさと形，模様，色との関係を考慮する必要がある場合には、実寸大模型の必要性が大きくなる。また、機械を試作してその機能を検討したい場合に、設計者が実寸大の粗い模型をダンボール等で作ってその心証を得るといった慣例もある。さらに、自動車等を設計した際には、その最終工程において木材等でクレイモデルを作成し、全体的なデザインの心証を得ることが行われている。
【０００４】
しかしながら、このようなクレイモデルの作成は、木材等の切削加工（所謂除去加工）等に長時間を要し、また、複数種類の加工工具又は装置が必要となり、大きなものを対象とするほど装置も大がかりとなる。このため、例えば自動車よりも大きなものについてクレイモデルを作成することは、時間的にもコスト的にも極めて困難になる。また、工作機械等による除去加工では例えば孔形状等の加工が困難である等、形状的に加工できる限界があるといった問題がある。
【０００５】
また、例えばホログラフィにより製品の実寸大形状を表示する技術も考えられるが、暗所を用意する等使用できる環境が限られており、また試作品の持ち運びは不可能である。
こうした中、近年ではかかる除去加工ではなく、所謂付加加工の技術が進展している。所謂ＲＰシステム（Ｐａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ：高速造形システム）がそれである。
【０００６】
このＲＰシステムの代表的なものとしては、例えば３次元ＣＡＤデータをＲＰデータ用に編集し、樹脂材を用いて光造形を行うものが挙げられる。この技術は、一般的に、造形槽の中に満たされた光硬化性樹脂に対してＲＰデータに従ってレーザ光を露光し、光硬化樹脂の液面に集光されたレーザー光が製品断面形状通りに露光硬化させ、レーザの硬化を繰り返すことにより所望形状の光造形品を成形するものである。かかる技術により、上記除去加工では困難な形状を比較的容易に加工することができ、また、加工時に切り屑等の不要物が発生を抑制又は防止することができるようになった。
【０００７】
しかしながら、樹脂材による成形品は、その成形時に硬化するための時間を要し、特に大きなものを造形する場合には、依然として長時間を要するといった問題があった。また、樹脂等の成形品は比較的重量が大きいため、その持ち運びが困難であるといった問題や、不要になった場合の処理に手間がかかるといった問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、各種製品の実寸大模型を簡易かつ迅速に造形して可視表示させることが可能であり、特に大型製品の造形に適した造形ディスプレイシステムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み、請求項１に記載の造形ディスプレイシステムは、硬化性発泡材料液を貯蔵したタンクと、このタンクから発泡材料液を抽出し、発泡材として噴射する噴射ノズルと、この噴射ノズルを予め設定した造形スペース内で移動させる移動手段と、入力された造形対象物の三次元形状データに基づき、造形対象物を造形スペース内に設定した三次元空間座標系に実寸大で造形するための造形制御データを演算する演算手段と、この演算手段が演算した造形制御データに基づき、移動手段を移動制御すると共に、噴射ノズルによる発泡材の噴射制御を行う制御手段とを備え、発泡材により造形対象物を三次元の実寸大にて造形し、可視表示させることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、かかる構成では、例えばＣＡＤ・ＣＡＭシステム等による造形対象物の三次元形状データを取得して、演算手段がこれを実際の三次元空間に実寸大で造形するための造形制御データを演算する。尚、ここでいう「造形制御データ」とは、発泡材の噴射により造形対象物（立体物）を造形する場合にその造形制御に用いられるデータであり、例えば造形対象物の外形状を構成する要素（点）の位置データ，噴射ノズルの移動経路（造形順序）及び移動速度，発泡材の噴射量等を意味する。尚、この造形に際して、造形対象物の形状の特定は、その上面を上、底面を下、といったように本来の使用態様に即して特定する必要はなく、迅速な造形処理を実現できる場合には、例えば底面が上、上面が下、といったように、造形順序として都合がよいように特定してもよい。
【００１１】
そして、制御手段が、この造形制御データに基づき、移動手段を移動制御すると共に、噴射ノズルによる発泡材の噴射制御を行う。尚、ここでいう「移動手段」としては、後述する実施例に示したマニピュレータによるものでもよいし、特に造形対象物が大型の場合には、噴射ノズルを含む噴射装置の部分を格子状のガイド手段に沿ってアクチュエータ駆動した上で、その噴射ノズルを予め設定した３軸（ロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸）周りに回転駆動可能とするものでもよく、その他種々の態様が考えられる。また、「噴射ノズル」は一つに限られず、造形対象物の大きさ等により複数設けることもできる。
【００１２】
かかる構成によれば、自動車や家具などの自由形状をもつ大型製品を造形対象物として実寸大で造形することもできる。このため、上述のようにコンピュータシステム等のディスプレイ上にスケーリングされ表示されたモデルよりも、デザイン上、より実製品に近い心証を得ることができる。その結果、実寸大の造形物を評価するデザイナの便宜の向上及びその育成等を図ることができる。
【００１３】
また、かかる構成は、付加加工を行う上記ＲＰシステムにおける材料として発泡材を採用したものと言え、従来の木材等の除去加工によりクレイモデルを作製する場合よりも、その造形期間を大幅に短縮することができる。また、発泡材を採用したため、同じＲＰシステムである光造形の樹脂材よりもその硬化速度がかなり速く（発泡材料液の種類や混合の割合等にもよるが、一般には１／１０〜１／１００のオーダであると考えられる）、一層造形対象物を素早く造形することができる。このため、特に従来ＲＰシステムの適用が困難とされていた大型製品を対象とするほどその効果は一層大きくなり、製品設計の最終段階にて作製される実寸大モデルを短期間に得ることができる。その結果、大型製品の設計効率の向上に大きく寄与することができる。
【００１４】
逆に、発泡材による造形であるためその発泡の際に膨張し、例えば光造形と比較すると完成した造形品の寸法精度は若干劣る場合もある。このため、細かな寸法が要求される小型の造形対象物には不向きであると考えることもできる。しかし、例えば自動車や家具など人体の大きさ程度以上（例えば２ｍ以上）の大型の製品については、そのデザインの心証を得るための造形品に対してそれ程の精度は要求されないといった実情に鑑みると、特に大型の造形対象物について素早く造形でき、製品の設計期間を短縮させるという本願発明の効果は極めて大きい。
【００１５】
また、発泡材により造形された造形物は、樹脂等で造形されたものよりもかなり軽量であるため、持ち運びにも都合がよいといった利点もある。そして、特に大型の造形物であるほどその利点は大きくなる。
すなわち、一般に比較的小型の製品についてはその精度が要求される傾向にあるため、精度を重視する従来の光造形等のＲＰシステムの用途に合致するところがあった。その際、小型であるために造形にそれほどの時間を要することもなく、このＲＰシステムによって造形品を作製するのにそれなりの意義があった。しかし、このような小型の製品に、本発明のように発泡材によるＲＰシステムを適用しようとすると、その精度が十分に得られなかったため、従来そのような発想になかなか到らなかった。
【００１６】
逆に、比較的大型の造形対象物に対してこの従来のＲＰシステムを適用すると時間がかかるため、当該ＲＰシステムにより大型の製品の造形物を作製するといった発想にも到らなかった。
本願発明は、いわばその発想の転換を図ったものといえる。すなわち、例えば上述した自動車のクレイモデルなどの大型の製品の造形物であって、ある程度精度が制限されてもデザインの心証にそれほどの影響を受けないものがある。一方、これらの製品は、設計期間の都合上その造形品をできるだけ迅速に、その都度必要に応じて得たいという要請がある。本発明はかかる点に着目し、大型の造形物を多少粗くても短期間に作製できる方法として、ＲＰシステムに発泡材を適用したシステムを考案したのである。このため、請求項１記載の造形ディスプレイシステムは、その造形対象物が大型であるほど、その効果を大きく発揮する。
【００１７】
こうした観点から、請求項２に記載のように、上記移動手段は、造形対象物として人体の大きさ程度以上（例えば２ｍ以上）のものが造形可能となるように、その移動範囲が設定されているのが好ましい。
また、このようにして得られた造形物は、そのデザインの検討が終了した後に不要になる。特に造形物が大きいものについてはなおさらである。
【００１８】
そこで、請求項３に記載のように、消去手段が、造形対象物の造形物（結果物）を粉砕又は溶かして消去可能に構成するのが好ましい。
ここでいう「消去手段」は、採用する上記発泡材料液の種類によっても異なり、例えば発泡材料液が一液性のものであれば、再利用のために水溶性の溶解剤により溶かす手段が考えられる。また、例えば発泡材料液が二液性（或いはそれ以上）のもので、これを溶かした液材から元の各発泡材料液に分離困難な場合には、粉砕等して消去する手段が考えられる。尚、二液性（或いはそれ以上）のものでも、これを溶かした液材から元の各発泡材料液に分離できる場合には、造形物を溶かして消去してもよいことはいうまでもない。
【００１９】
尚、造形物を溶かして消去する場合には、例えば外部から所定の入力を行うことにより、その造形物に対して溶解剤を噴射して溶かす手段が考えられる。尚、環境保護の観点からは、溶解剤として化学反応等を起こさないものを用いることが好ましい。またこの場合には、もちろん造形物全体を溶かして消去してもよいが、設計変更などを考慮してその一部を部分的に消去するものでもよい。具体的構成としては、例えばこれらの消去用液材を上記発泡材料液と同様に別のタンクに貯蔵し、噴射ノズルにより噴射制御する等の構成が考えられる。このように構成することで、必要なときに造形対象物を造形して空間に表示させ、不要になったらその造形物を消去するというディスプレイ装置としての機能を有効に発揮することができる。
【００２０】
そして、このとき溶かされてできた液材は、そのまま廃棄することも考えられるが、請求項４に記載のように、上記再生手段が、消去手段により造形対象物を溶かして得た液材を、上記発泡材料液として再生してリサイクルするようにすると、当該造形ディスプレイシステムを低コストで運用することができる。
【００２１】
そして、請求項５に記載のように、種々の製品（特に人体の大きさ程度以上の大型の製品）の試作方法において、以上のような造形ディスプレイシステムにより造形対象物を観察して、実寸大でこの造形対象物のデザイン上又は機能上の評価を行うようにすると、実製品に近い心証が得られ、その設計の質の向上及び設計期間の短縮化が図れる等、極めて有用な効果が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を一層明確にするため、本発明の好適な実施例を図面とともに説明する。
［第１実施例］
本実施例は、本発明の造形ディスプレイシステムを、１〜２メートル程度の壷の造形物の作製に適用したものであり、図１は当該造形ディスプレイシステムの概略構成を表す説明図である。
【００２３】
同図に示すように、造形ディスプレイシステム１は、三次元ＣＡＤシステムを備えた制御用コンピュータ１０と、コンピュータ１０により駆動制御されるマニピュレータ２０と、造形用の二種類の発泡材料液の夫々を貯蔵したタンク３１，３２とから構成されている。
【００２４】
コンピュータ１０には、後述する造形処理を実行するための造形処理プログラムが格納されており、外部から入力された造形対象物５０の三次元形状データに基づき、造形対象物５０を造形するための後述する造形制御データを演算する。そして、通信線Ｌにて接続されたマニピュレータ２０に対してこの造形制御データに基づく駆動信号を出力し、このマニピュレータ２０を駆動制御する。
【００２５】
マニピュレータ２０は、予め定める造形スペースでの６自由度運動を実現するための複数の関節部を有するアームを有し、そのアームの内部にこの関節部を夫々回動させるための複数のアクチュエータを備える。また、アームの先端部には、上記発泡性材料液を噴射するための噴射装置２１が設けられており、コンピュータ１０からの駆動信号を受けて噴射装置２１の噴射ノズル２２を、設定位置に移動制御するようになっている。
【００２６】
タンク３１，３２には発泡材料液が夫々貯蔵されており、本実施例においては、タンク３１に貯蔵された発泡材料液Ａと、タンク３２に貯蔵された発泡材料液Ｂと、空気とを混合することにより、発泡材を生成できるようになっている。これら発泡材料液Ａ，Ｂは例えばウレタン系の液材からなり、二種類混合することにより反応して硬化するものである。
【００２７】
これら、発泡材料液Ａ，Ｂは、夫々供給用チューブ３３，３４を介して噴射装置２１に接続され、電源が投入されると、図示しないポンプにより所定の圧力で噴射装置２１内に供給される。噴射装置２１内には図示しない複数の弁機構が設けられ、その弁の開度を調節して発泡材料液Ａ，Ｂの夫々の供給量（混合量）や噴射ノズル２２からの噴射量を制御できるようになっている。
【００２８】
次に、本実施例の造形方法について図２に基づいて説明する。
同図（ａ）に示すように、本実施例では、上述した二種類の発泡材料液Ａ及びＢに空気を混合して得た発泡材Ｍを噴射ノズル２２から噴射し、同図のような棒状又はリング状等のエレメント（ｅｌｅｍｅｎｔ）を形成する。そして同図（ｂ）に示すように、このエレメントを造形対象物５０の断面形状に沿って重ねていくことで、その三次元立体形状を造形していく。このような手法により、造形対象物５０が徐々に形成されていき、最終的に図１に示すような内部空間（空洞部分）を有する壷形の造形物が完成する。
【００２９】
次に、本実施例の造形処理においてコンピュータ１０が実行する処理について、図３のフローチャートに基づいて説明する。
まず、外部から三次元ＣＡＤシステムに入力され内部メモリに格納された造形対象物５０の三次元形状データを読み込み（Ｓ１１０）、マニピュレータ２０の動作範囲において予め設定した三次元造形スペースに造形対象物５０についての三次元空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を指定する（Ｓ１２０）。そして、この三次元空間座標系に、三次元形状データを実寸大で展開するための造形制御データを演算する（Ｓ１３０）。
【００３０】
この造形制御データは、三次元形状データから得られる造形対象物５０の外形状を構成する要素（点）の位置データ，この外形状を実現するのに好適な上記エレメントのタイプ，噴射ノズル２２の移動経路（造形順序）及び移動速度、発泡材の噴射量及び噴射タイミング等を表すデータである。
【００３１】
そして、この造形制御データに基づいてマニピュレータ２０に駆動信号を出力し、噴射ノズル２２を所定の噴射開始位置に移動させる（Ｓ１４０）。
そして、マニピュレータ２０との通信により噴射ノズルが噴射開始位置にセットされたと判断すると（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、続いて、ノズル駆動信号，発泡材噴射信号，及びマニピュレータ移動信号等を出力し、造形対象物５０の外形状のデータに従ってエレメントを追加していき、造形対象物５０の造形物を形成していく。
【００３２】
そして、Ｓ１３０〜Ｓ１６０の処理を繰り返し、マニピュレータ２０との通信により造形が完了したと判断すると（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、ノズルの駆動を停止して噴射装置２１を初期の設定位置に移動させ、一連の処理を終了する。
以上に説明したように、本実施例の造形ディスプレイシステム１によれば、造形対象物５０を実寸大で製作できる。このため、コンピュータシステム等のディスプレイ上にスケーリングされ表示されたモデルよりも、デザイン上、より実製品に近い心証を得ることができる。その結果、この造形対象物５０を観察して設計の評価等を行うようにすると、実寸大の造形物を評価するデザイナの便宜の向上及びその育成等を図ることができる。
【００３３】
また、造形ディスプレイシステム１は、付加加工を行うＲＰシステムにおいて発泡材を採用しており、従来の木材等の除去加工によりクレイモデルを作製する場合はもちろん、同じＲＰシステムである樹脂材を用いた光造形の場合よりも素早い造形を実現することができる。特に大型製品を対象とするほどその造形期間短縮の効果は大きくなる。このため、製品設計の過程で造形ディスプレイシステム１を用いて得られた造形対象物５０を評価することで、設計の質の向上及び設計期間の短縮化が図れる等極めて有用な効果が得られる。
【００３４】
また、発泡材により造形された造形対象物５０の造形物は、樹脂等で造形されたものよりもかなり軽量であるため、持ち運びにも都合がよいといった利点もある。そして、特に大型の造形物であるほどその利点は大きくなる。
尚、本実施例において、マニピュレータ２０が移動手段に該当し、コンピュータ１０が演算手段及び制御手段に該当する。
［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例について説明する。本実施例は、本発明の造形ディスプレイシステムを、２メートルを超える自動車の造形物の作製に適用したものであり、図４は当該造形ディスプレイシステムの概略構成を表す説明図である。尚、本実施例の造形ディスプレイシステムは特に大型の製品の造形を対象とし、そのために噴射装置の移動手段が第１実施例とは異なる。しかし、それ以外は上記第１実施例とほぼ同様の構成を有するため、同様の構成部分については同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
同図に示すように、造形ディスプレイシステム２０１においては、噴射装置２２１の移動手段として、造形スペースの上方に複数の長尺状のガイドレール２２３が水平かつ互いに直角方向に交差するように配設され、格子状のガイド領域を形成している。
【００３６】
一方、噴射装置２２１には、このガイドレール２２３に沿って走行するための図示しない複数のローラと、各ローラを駆動するための複数のアクチュエータが設けられている。また、噴射ノズル２２２は、噴射装置２２１の本体の下方に延出し、その上端部に噴射装置２２１の本体に対して上下に伸縮可能な伸縮機構が設けられている。このため、噴射ノズル２２２は、ガイドレール２２３に沿って水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動可能であると共に、鉛直方向（Ｚ方向）にも移動可能となっている。
【００３７】
そして、上記第１実施例と同様に、コンピュータ１０からのノズル駆動信号，発泡材噴射信号，及び噴射装置２２１の移動信号等を受けて、噴射ノズル２２２を移動すると共に、造形対象物２５０の断面データに従ったエレメントを追加していき、造形対象物２５０の造形物を形成していく。
【００３８】
以上に説明したように、本実施例の造形ディスプレイシステム２０１によれば、造形対象物５０を製品の実寸大で製作できる。このため、上記第１実施例と同様の効果を得ることができる。そして、造形ディスプレイシステム２０１によれば、特に大型の造形対象物２５０の作製が可能となり、従来技術と比較してその造形期間の短縮及び持ち運びの便宜への効果が一層大きくなる。
【００３９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
例えば、本発明の造形対象物は上記各実施例にて挙げたものに限られず、種々のものが造形対象物になり得る。例えば第２実施例と同様のシステムにより、邸宅、家具，イベント用のセットその他の各種大型の対象物を造形することができることはもちろんである。
【００４０】
また、上記各実施例にて得られた造形物は、そのデザインの検討が終了した後に不要になる場合がある。
そこで、発泡材からなる造形物を溶かして消去する水溶性の溶解剤等を、上記発泡材料液と同様に別のタンクに貯蔵し、外部入力により噴射装置の噴射ノズルを介して噴射制御するようにしてもよい。このように構成することで、必要なときに造形対象物を造形して空間に表示させ、不要になったら消去するというディスプレイ装置としての機能を有効に発揮することができる。この場合、コンピュータ１０及び噴射装置が消去手段に該当する。
【００４１】
またその際、溶かされてできた液材から上記発泡材料液を分離し、タンク３１，３２の戻してリサイクルする再生装置を設けると、システムの運用コストが下がり好ましい。この場合、再生装置が再生手段に該当する。
また、上記実施例では、発泡材料液Ａ，Ｂとして二液性のものを使用したが、一液性のものを使用してもよいことはもちろんである。
【００４２】
さらに、発泡材料液として着色したものを用いることにより、造形対象物に色を付すことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る造形ディスプレイシステムの概略構成を表す説明図である。
【図２】第１実施例に係る造形方法を表す説明図である。
【図３】第１実施例に係る造形処理を表すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施例に係る造形ディスプレイシステムの概略構成を表す説明図である。
【符号の説明】
１，２０１・・・造形ディスプレイシステム、　１０・・・制御用コンピュータ、
２０・・・マニピュレータ、　２１，２２１・・・噴射装置、
２２，２２２・・・噴射ノズル、　３１，３２・・・タンク、
５０，２５０・・・造形対象物、　２２３・・・ガイドレール、
Ａ，Ｂ・・・発泡材料液、　Ｍ・・・発泡材

Claims

硬化性発泡材料液を貯蔵したタンクと、
該タンクから前記発泡材料液を抽出し発泡材として噴射する噴射ノズルと、
該噴射ノズルを予め設定した造形スペース内で移動させる移動手段と、
入力された造形対象物の三次元形状データに基づき、該造形対象物を前記造形スペース内に設定した三次元空間座標系に、実寸大で造形するための造形制御データを演算する演算手段と、
該演算手段が演算した造形制御データに基づき、前記移動手段を移動制御すると共に、前記噴射ノズルによる前記発泡材の噴射制御を行う制御手段と、
を備え、
前記発泡材により前記造形対象物を三次元の実寸大にて造形し、可視表示させることを特徴とする造形ディスプレイシステム。
前記移動手段は、当該造形ディスプレイシステムにより前記造形対象物として人体の大きさ程度以上の大きさのものが造形可能となるように、その移動範囲が設定されていることを特徴とする請求項１記載の造形ディスプレイシステム。
請求項１又は請求項２に記載の造形ディスプレイシステムにおいて、さらに、
前記造形対象物の造形物を、粉砕又は溶かして消去可能な消去手段を備えたことを特徴とする造形ディスプレイシステム。
請求項３記載の造形ディスプレイシステムにおいて、さらに、前記消去手段により前記造形物を溶かして得た液材を、前記発泡材料液として再生してリサイクルする再生手段を備えたことを特徴とする造形ディスプレイシステム。
請求項１〜４のいずれかに記載の造形ディスプレイシステムにより実寸大にて可視表示された造形物を観察して、前記造形対象物のデザイン上又は機能上の評価を行うことを特徴とする試作方法。