JP2004034298A

JP2004034298A - 複製品の作製方法、複製品作製受託サービス提供方法およびデータ処理プログラム

Info

Publication number: JP2004034298A
Application number: JP2002190068A
Authority: JP
Inventors: Taro Takagi; 高木　太郎; Shohei Numata; 沼田　祥平; Hiroshi Kamimura; 上村　博
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】積層造形法を用いて軽量な複製品を作製する。
【解決手段】軽量複製品の作製方法は、複製対象品の３次元形状データを処理するデータ処理ステップ２００、このデータ処理ステップで生成されたデータに基づいて積層造形を行なう造形ステップ３００を含み、そしてそのデータ処理ステップは、複製対象品の内部を空洞にする空洞化ステップ２０１、この空洞化ステップで得られた空洞に、多数の空隙で占められた軽量化用の内部構造パターンを形成するパターン形成ステップ２０２を含んでいる。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複製品の作製に関し、特に複製対象品よりも軽量にした複製品を作製する方法および複製品作製受託サービスの提供方法、並びにこれらの方法で用いられるデータ処理プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元形状データから物品を作製する技術の一つとして積層造形法がある。積層造形法は、層状に硬化させた材料を積み重ねることによって３次元形状を造形して物品を作製する手法の総称であり、ＳＬＳ法（選択的レーザ焼結法）、光造形法、シート積層法、ＦＤＭ法、インクジェット法などが知られている。そのうちのＳＬＳ法を例にとると、作製しようとする物品の３次元形状データを基に制御したレーザ光の照射により粉末材料を所定のパターンで焼結させて形成する薄い単位造形層を順次積層しながら造形を行ない、さらにこの造形工程で得られた積層造形物に所定の処理を加えることで物品の作製がなされる。このようなＳＬＳ法は、樹脂の他に金属も材料として利用できることから、特に注目されている手法である。なおＳＬＳ法については、例えば特公表平１１−５０８３２２号公報にその例が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
積層造形法は、３次元形状データに基づいて造形を行なうことができること、それに、どのように複雑な形状や内部構造を有した物品でも容易に作製可能であることが、その大きな特徴である。こうした積層造形法は、高機能な機械部品の製造、あるいは意匠性の高い工業製品について設計形状の適否を検討するためのプロトタイプの製造などにおいて広く用いられている。しかし積層造形法の上記のような特徴は、既存の物品を軽量にして複製する場合において、さらに有効に活かすことができると考えられる。本発明はこのような観点からなされたものであり、積層造形法を用いて軽量な複製品を作製する複製品の作製方法の提供を目的とし、またそれを応用した複製品作製受託サービス提供方法の提供を目的とし、さらにこれらの方法で用いられるデータ処理プログラムの提供を目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記一つの目的を達成するために本発明では、複製対象品の外形を模した複製品を前記複製対象品よりも軽量にして作製する複製品の作製方法において、前記複製対象品の３次元形状データを処理するデータ処理ステップ、このデータ処理ステップで生成されたデータに基づいて積層造形を行なう造形ステップを含み、そして前記データ処理ステップは、前記複製対象品の内部を空洞にする空洞化ステップ、この空洞化ステップで得られた空洞に、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンを形成するパターン形成ステップを含んでいることを特徴としている。
【０００５】
また上記他の目的を達成するために本発明では、顧客からの依頼を受けて複製品作製受託サービス業者が複製対象品の外形を模した複製品を前記複製対象品よりも軽量にして作製し、この複製品を顧客に引き渡すようになっている複製品作製受託サービス提供方法において、顧客からの複製対象品の提供を受けて、当該複製対象品から形状データ化装置により３次元形状データを取得するか、または顧客から複製対象品の３次元形状データの提供を受けるデータ取得ステップ、前記３次元形状データを処理するデータ処理ステップ、このデータ処理ステップで生成されたデータに基づいて積層造形を行なう造形ステップ、この造形ステップで得られた複製品を顧客に引き渡すステップを含み、そして前記データ処理ステップは、前記複製対象品の内部を空洞にする空洞化ステップ、この空洞化ステップで得られた空洞に、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンを形成するパターン形成ステップを含んでいることを特徴としている。
【０００６】
また本発明では上記各方法における、複製対象品の３次元形状データから複製品の３次元形状データを作成する処理をデータ処理装置で実行させるためのデータ処理プログラムとして、前記複製対象品の内部を前記複製対象品の３次元形状データについて空洞にする空洞化ステップを実行させる命令、この空洞化ステップで得られた空洞に、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンを形成して前記複製品の３次元形状データを作成するパターン形成ステップを実行させる命令を含んでなるデータ処理プログラムを提供する。
【０００７】
また本発明では、上記データ処理プログラムについて、その空洞化ステップには、複製対象品の外形パターンＡにオフセット処理を施してパターンＢを得る処理、前記パターンＡと前記パターンＢの差分を求めることで、外形輪郭層を残して内部に空洞部を有するパターンＣを得る処理を含ませ、そのパターン形成ステップには、前記パターンＣの前記空洞部に領域拡張処理を施して前記空洞部に対応するパターンＤを抽出する処理、前記パターンＤに、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンをタイリング処理により形成してパターンＥを得る処理、前記パターンＥを前記パターンＣに加算して複製品の３次元形状データを得る処理を含ませるものとしている。
【０００８】
また本発明では、上記データ処理プログラムについて、外形輪郭層の厚みの選択、軽量化用の内部構造パターンの種類の選択、複製対象品に対する複製品の軽量化率の選択の少なくとも何れか一つを行なえるようにしている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態とともに、より具体的に説明する。本発明による複製品の作製方法を実施する一つの形態では複製品作製受託サービスの形態をとる。図１に、複製品作製受託サービスのシステム構成を示す。顧客Ｕは何らかの手法で作製された物品Ｑをすでに所有しており、これを基に軽量化した製品を複製することを望んでいる。その複製対象品Ｑは、例えばロボットの骨格部材や身体障害用の義装具、あるいは自動車の開発などで用いられるクレイモデル（粘土で成型したモデル）などである。これらの物品には共通した特徴がある。その一つは、ロボットの骨格部材や義装具であれば、必要な強度を発揮できる範囲で、できるだけ軽量であることがその機能性から望ましく、またクレイモデルについても、その重量が取り扱いなどにおいて大きな障害になっており、やはりその軽量化が強く望まれるというように、何れもその機能性を高める上で軽量化が強く望まれるということである。他の一つは、その機能を外面形状に負っているということである。つまりその複製においては、外形を模すだけでよく、内部構造については高い自由度があるということである。
【００１０】
本発明ではこのような特徴を有する様々な物品についてその複製品を作製するのに積層造形法を有効に活用する。すなわち積層造形法における、３次元形状データに基づいて造形を行なうことができ、また複雑な内部構造も容易に造形可能であるという特徴を複製対象品における内部構造の自由性に活かすことで軽量化用の内部構造を与え、これにより複製品の軽量化を図る。
【００１１】
顧客Ｕは、その複製対象品Ｑの軽量複製品の作製を必要とする場合に、それを複製品作製受託サービス業者Ｍに依頼する。この依頼に際しては二通りの形態が可能である。一つは、複製対象品Ｑを複製品作製受託サービス業者Ｍに渡す形態であり、他の一つは、顧客Ｕが複製対象品Ｑについて、Ｘ線ＣＴ装置や超音波ＣＴ装置などのように物品からその３次元形状データを得ることのできる形状データ化装置で取得した３次元形状データを持っているか、あるいはＣＡＤデータを持っている場合に、これらの３次元形状データを複製品作製受託サービス業者Ｍに提供する形態である。
【００１２】
複製品作製受託サービス業者Ｍは、顧客Ｕから複製対象品Ｑについての複製品の作製を依頼されると、まず複製対象品Ｑの３次元形状データを取得する（データ取得ステップ１００）。３次元形状データの取得の形態は顧客Ｕの側の対応により異なる。顧客から３次元形状データの提供を受けた場合には、そのことが３次元形状データの取得になる。一方、顧客から複製対象品Ｑを渡された場合には、その複製対象品Ｑをまず受け取る（複製対象品受領ステップ１０１）。それから形状データ化装置を用いて複製対象品の３次元形状データを取得する（複製対象品撮像ステップ１０２）。形状データ化装置には、より高精度な３次元形状データを得られる産業用Ｘ線ＣＴ装置を用いるのが好ましい。Ｘ線ＣＴ装置を用いる場合には３次元形状データとして３次元ビットマップデータが得られる。ここで、３次元ビットマップデータは、等間隔の直行格子に沿って配列した小体積（ボクセルと呼ばれる）の集合として記述されるデータである。
【００１３】
複製対象品の３次元形状データが得られたら、これをデータ処理装置で処理する（データ処理ステップ２００）。データ処理装置には、後述するような処理を行なうための適切なアプリケーションプログラム（データ処理プログラム）が組み込まれたコンピュータを用いる。３次元形状データが３次元ビットマップデータである場合であれば、データ処理プログラムとしては、例えば３次元ビットマップデータを扱えるようにした一種のＣＡＤソフトウエアである、株式会社日立製作所製の“ＣｅｌｌＣＡＤ”（商標）と呼ばれるソフトウエアをベースにして後述のような処理を実行させるようにしたプログラムを用いるのが好ましい。
【００１４】
データ処理ステップでは、複製対象品の３次元形状データを加工して作製対象の複製品の３次元形状データを作成し、さらにこの３次元形状データから積層造形用のスライスデータを作成する。複製品の３次元形状データを作成するについての要点は、画像処理の手法を用いて内部に軽量化用の構造パターンを形成することである。図２〜図５に、データ処理ステップでなされる３次元形状データ作成処理の好ましい一例についての内容をイメージ化して示す。なお、これらの図では処理の内容を２次元で表してあるが、実際になされるのは３次元の処理である。以下、これらの図に基づいて処理の内容を説明する。
【００１５】
まず、３次元形状データに関して複製対象品の内部を空洞にする（空洞化ステップ２０１；図２、図３）。内部を空洞化するには、まず複製対象品の外形パターンＡにオフセット処理、つまり外形パターンＡをやせさせる処理を施してパターンＢを得る（図２）。それからパターンＡとパターンＢの差分をセル演算で求める、「（パターンＡ）−（パターンＢ）」の処理を行なう。この結果、所定の厚みの外形輪郭層ｒを残して内部に空洞部ｈを有するパターンＣが得られる（図３）。外形輪郭層ｒの厚みは複製品に要求される強度などに応じて適切に設定する。これについては、データ処理プログラムに、外形輪郭層ｒの厚みを指定するためのインタフェースを設けるようにするのが好ましい。
【００１６】
次に、空洞部ｈに、軽量化用の内部構造パターンを形成する（パターン形成ステップ２０２）。軽量化用の内部構造パターンは、その基本として空隙を有している。通常は、後述の例のように、空隙を多数有しており、その多数の空隙で占められた状態になる。ただ、強度的に問題のない場合であれば、一つの空隙で占められた状態のパターンもあり得る。軽量化用の内部構造パターンを形成するには、まず領域拡張処理、つまりパターンＣの内部に任意の位置で一つの点Ｐを設定し、この点Ｐから周囲に順次領域を拡張してゆくことで空洞部ｈを埋め尽くす処理を行なって空洞部ｈに対応するパターンＤを抽出する（図４）。それからパターンＤについてタイリング処理を行なう（図５）。具体的には、意図する軽量化用内部構造パターンの単位パターンＴをパターンＤに稠密にはめ込む処理である。このことから分かるように、軽量化用内部構造パターンは、広い空隙部Ｔｈとそれを囲むようにした線状または面状の中実部Ｔｓからなる単位パターンＴを連続的に展開したパターンとなるのが通常となる。そして最後に、タイリング処理で得られたパターンＥをパターンＣにセル演算で加算して複製品の形状パターン、つまり複製品の３次元形状データを得る。
【００１７】
ここで、軽量化用の内部構造パターンの設計ないし単位パターンの設計においては、複製品に必要な強度を満足させる範囲で空隙率をできるだけ大きくして軽量性を高めること、それに積層造形をやりやすいパターンであること、つまり例えば積層造形としてＳＬＳ法を用いる場合であれば未焼結の粉末材料をパターン中から排出させる必要があるが、この排出をしやすいパターンであることが望ましい。そのようなパターンとしては、例えばハニカム構造的なパターン、トラス構造的なパターン、あるいは結晶学でいう最密充填格子的なパターンなどを代表的なものとして挙げることができる。
【００１８】
本発明をより好ましい形態で実施するには、このようなパターン設計について、主要なパターンのいくつかを予め保持させ、それらから選択できるように処理プログラムが作成される。また複製対象品に対する複製品の軽量化率について顧客から指定される場合も考えられるので、その軽量化率を選択できるように処理プログラムを作成するのも好ましいことである。こうした選択的要素をプログラムに含ませる場合には、外形輪郭層の厚み指定と同様に、選択のためのインタフェースをプログラムに設けることになる。
【００１９】
複製品の３次元形状データが得られたら、これから積層造形用のスライスデータを作成する（スライスデータ作成ステップ２０３）。具体的には、３次元形状データを処理することで、例えば１００μ程度の厚さに複製品を仮想的にスライスして多数のスライスデータを作成する。積層造形用のスライスデータが得られたら、次に積層造形を行なう（造形ステップ３００）。
【００２０】
本実施形態では積層造形法としてＳＬＳ法を用いている。図６に、ＳＬＳ法で用いる選択的レーザ焼結装置の一例を示す。この選択的レーザ焼結装置は、焼結台ピストン１、粉末材料供給ピストン２、展延ローラ３、レーザ４、レーザ４からのレーザ光５の照射制御を行なうミラー６、およびレーザ光５のビームを収束させるレンズ系７を備えている。そしてその焼結台ピストン１と粉末材料供給ピストン２は温度制御を可能とされたチャンバー８の内部に設けられている。このような選択的レーザ焼結装置による積層造形作業は以下のようになされる。
【００２１】
まず粉末材料供給ピストン２を所定高さだけ上昇させることで焼結台ピストン１に供給すべき粉末材料９の計量がなされ、展延ローラ３がその計量分の粉末材料９を焼結台ピストン１の上に所定の厚みで展延させる。その展延厚は、上記した複製品の仮想的スライスにおけるスライス厚に基づいて制御され、スライス厚が１００μであれば、展延厚も１００μとなる。それからこの粉末材料の薄層にレーザ光を照射する。レーザ光の照射は、上記のスライスデータに基づいて図外の制御系でミラー６を制御することによりなされる。つまりレーザ光の照射は、複製品の仮想的なスライスにおける各スライス面の形状に対応するパターンでなされる。
【００２２】
粉末材料９には、例えばステンレス鋼やチタンなどの金属微粒子に合成樹脂バインダーや低融点金属バインダーをコーティングしたものを用いるのが一般的である。この粉末材料の薄層にレーザ光を照射すると、その照射部位において粉末材料が熱融合して焼結し、これによりレーザ光の照射パターンに対応する形状パターンを有した一つの単位造形層１０が形成される。一つの単位造形層１０の形成を終えたら、その厚み分だけ焼結台ピストン１を下降させ、それに続いて以上と同じ作業を繰り返す。これら一連の作業を数繰り返すことで単位造形層１０、１０、……が順次積層され、その積層数が所定数つまり作製しようとする複製品のスライス数に達すれば複製品の一次中間体（積層造形物）が得られる。
【００２３】
次いで、この一次中間体に加熱炉で本焼結を施す。これにより、ブラウンパーツとも呼ばれる二次中間体が得られる。この二次中間体は金属微粒子間に隙間が残る多孔質体であり、強度的に不十分な場合が多い。そこで、溶浸材の溶浸により強度を高める仕上げ処理を施して最終的な複製品とするのが通常である。
【００２４】
以上のようにして作製された複製品Ｒは複製品作製受託サービス業者Ｍから顧客に引き渡される（製品引渡しステップ４００）。そして複製品Ｒの引渡しを受けた顧客Ｕはその代金を複製品作製受託サービス業者Ｍに支払う。この支払いは、図１では省略してあるが、銀行などの金融機関を介してなされるのが通常である。また図１では省略してあるが、複製対象品Ｑや複製品Ｒの搬送には運送業者が介在するのが通常である。
【００２５】
本発明による複製品の作製方法を以上のようにして複製品作製受託サービスの形態で実施する場合、複製品作製受託サービス業者は、上述のデータ処理ステップ２００でなされるデータ処理、つまり複製対象品の３次元形状データから複製品の３次元形状データを作成するデータ処理に関するプログラムを必要とする。また本発明による複製品の作製方法は、複製対象品を所有する企業が自社内でその複製品を内製するような場合にも用いることができるが、このような場合にも同様なデータ処理プログラムを必要とする。したがって本発明にあっては、上述のような複製品の作製方法の骨格となるデータ処理における各処理についての命令が記述されたデータ処理プログラムを複製品作製受託サービス業者などに提供する形態もある。データ処理プログラムの提供は、当該プログラムを記録した記録媒体を介して行なうことも可能であり、またインターネットなどを介して行なうことも可能である。
【００２６】
この場合のデータ処理プログラムは、上述の空洞化ステップ２０１、つまり複製対象品の内部を複製対象品の３次元形状データについて空洞にする空洞化ステップを実行させる命令と、上述のパターン形成ステップ２０２、つまり空洞化ステップで得られた空洞に、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンを形成して複製品の３次元形状データを作成するパターン形成ステップを実行させる命令を少なくとも含み、より実際的には、パターン形成ステップで得られた複製品の３次元形状データから積層造形用のスライスデータを作成するスライスデータ作成ステップをさらに含むことになる。そして、より具体的には、その空洞化ステップ、パターン形成ステップ、スライスデータ作成ステップの各ステップに上述した各処理を含むことになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、積層造形法の特徴である、３次元形状データに基づいて造形を行なうことができること、また複雑な内部構造も容易に造形可能であるということを活用して複製品を作製するようにしているので、既存物品の大幅な軽量化が容易に可能となる。したがって本発明は、その軽量化が強く求められる、例えばロボットの骨格部材や身体障害用の義装具、あるいはクレイモデルなどを軽量化してその機能性をさらに高めるたりするのに寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複製品の作製方法を実施する場合の一形態である複製品作製受託サービスにおけるシステム構成を示す図である。
【図２】３次元形状データの処理におけるオフセット処理についての説明図である。
【図３】３次元形状データの処理において内部が空洞化されたパターンを求めるための処理についての説明図である。
【図４】３次元形状データの処理における領域拡張処理についての説明図である。
【図５】３次元形状データの処理におけるタイリング処理についての説明図である。
【図６】選択的レーザ焼結装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
１００　データ取得ステップ
２００　データ処理ステップ
２０１　空洞化ステップ
２０２　パターン形成ステップ
３００　造形ステップ
４００　製品引渡しステップ
Ｍ　複製品作製受託サービス業者
Ｑ　複製対象品
Ｒ　複製品
Ｕ　顧客

Claims

複製対象品の外形を模した複製品を前記複製対象品よりも軽量にして作製する複製品の作製方法において、
前記複製対象品の３次元形状データを処理するデータ処理ステップ、このデータ処理ステップで生成されたデータに基づいて積層造形を行なう造形ステップを含み、そして前記データ処理ステップは、前記複製対象品の内部を空洞にする空洞化ステップ、この空洞化ステップで得られた空洞に、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンを形成するパターン形成ステップを含んでいることを特徴とする複製品の作製方法。
顧客からの依頼を受けて複製品作製受託サービス業者が複製対象品の外形を模した複製品を前記複製対象品よりも軽量にして作製し、この複製品を顧客に引き渡すようになっている複製品作製受託サービス提供方法において、
顧客からの複製対象品の提供を受けて、当該複製対象品から形状データ化装置により３次元形状データを取得するか、または顧客から複製対象品の３次元形状データの提供を受けるデータ取得ステップ、前記３次元形状データを処理するデータ処理ステップ、このデータ処理ステップで生成されたデータに基づいて積層造形を行なう造形ステップ、この造形ステップで得られた複製品を顧客に引き渡すステップを含み、そして前記データ処理ステップは、前記複製対象品の内部を空洞にする空洞化ステップ、この空洞化ステップで得られた空洞に、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンを形成するパターン形成ステップを含んでいることを特徴とする複製品作製受託サービス提供方法。
複製対象品の外形を模した複製品を前記複製対象品よりも軽量にして作製する過程で前記複製対象品の３次元形状データから複製品の３次元形状データを作成する処理をデータ処理装置で実行させるためのデータ処理プログラムであって、
前記複製対象品の内部を前記複製対象品の３次元形状データについて空洞にする空洞化ステップを実行させる命令、この空洞化ステップで得られた空洞に、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンを形成して前記複製品の３次元形状データを作成するパターン形成ステップを実行させる命令を含んでなるデータ処理プログラム。
空洞化ステップは、複製対象品の外形パターンＡにオフセット処理を施してパターンＢを得る処理、前記パターンＡと前記パターンＢの差分を求めることで、外形輪郭層を残して内部に空洞部を有するパターンＣを得る処理を含み、パターン形成ステップは、前記パターンＣの前記空洞部に領域拡張処理を施して前記空洞部に対応するパターンＤを抽出する処理、前記パターンＤに、空隙を有する軽量化用の内部構造パターンをタイリング処理により形成してパターンＥを得る処理、前記パターンＥを前記パターンＣに加算して複製品の３次元形状データを得る処理を含んでいる請求項３に記載のデータ処理プログラム。
外形輪郭層の厚みの選択、軽量化用の内部構造パターンの種類の選択、複製対象品に対する複製品の軽量化率の選択の少なくとも何れか一つを行なえるようにされている請求項４に記載のデータ処理プログラム。