JP2008006827A - 物体層に吹き付けられる吐出材料の濃度を変化させることによって三次元自由造形で物体を製造する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】三次元自由造形において、効率よく滑らかな輪郭を持つ物体を製造する。
【解決手段】三次元自由造形技術によって物体を製造する方法であって、個々の物体層３０２、３０４を形成するために吹き付けられる吐出材料の濃度を変化させることを含む方法。さらに、流体吐出処理を使用し、それによって製造中の前記物体の連続的な層３０２、３０４を形成する三次元自由造形システムによって製造される物体の視覚的及び構造上の段丘形成効果を補正する方法であって、段が付いた層の間の層の移行部３０６に、該層のバルク材料領域３１２に吹き付けるより少ない吐出材料３１０−３２０を吹き付けることを含む物体の視覚的及び構造上の段丘形成効果を補正する方法。
【選択図】図３ｂ

Description

本発明は、三次元自由造形に関する。

三次元自由造形は、三次元物体、たとえば、試作品、模型及び加工工具を製造する処理である。三次元自由造形は、電子データによって記述される物体を母材(base materials)から、通常は一層ずつ、自動的に製造する加法処理である。

三次元自由造形の幾つかの主要形式は、液体吐出工程を伴う。液体吐出を使用する三次元自由造形には２つの主形式、すなわち、バインダー噴射システム及びバルク噴射システムがある。

バインダー噴射システムは、バインダーを粉末状構成材料の平坦床上に吐出することによって物体を作成する。各粉末層は、乾燥粉末またはスラリとして定量供給されるか、広げられるであろう。バインダーが粉末層内に選択的に吐出される場所のすべてで、粉末が結合して、形成中の物体の横断面または層になる。

バルク噴射システムは、固化性構成材料(solidifiable build material)及び固化性支持材料をプラットフォーム（基板）上に吐出することによって、物体を生成する。支持材料は、一時的な性質のものであり、定量分配されて物体内の張り出しを可能にし、それは物体と同一または異なった材料にすることができる。

いずれの場合も、製造は一般的に一層ずつ行われ、各層が最終所望物体の異なる横断面(cross section)を表す。隣接層が所定パターンで互いに接着されて、所望物体を作り上げる。

所望物体の各層を選択的に形成するのに加えて、三次元自由造形システムは、物体の各層に色または色パターンを与えることができる。バインダー噴射システムでは、バインダーを着色して、結合及び着色の機能を一体化することができる。バルク噴射システムでは、構成材料を着色することができる。

複数の異なった色のインクを液体吐出装置のノズルから選択的に吐出して、構成材料上で混合することによって、全色スペクトルを与えるインクジェット技術を用いることができる。個々の層で、従来型二次元マルチパスカラー技法及びハーフトーンアルゴリズムを使用して、欠点を隠して広範囲の所望の色調を達成することができる。

上記の三次元自由造形技法に常に伴う欠陥の１つは、離的な層で物体を形成することによって、完成品において依然として層がはっきり見えることである。このことは、縦方向に輪郭を持つ表面を有する物体で特に問題になり、その物体では、輪郭は複数層にわたって広がって積層アーチファクトを生成する。これは一般に、「段丘形成(terracing)」として説明される。段丘形成効果は、輪郭に沿ったひと続きの層のそれぞれに視覚的に目立つ構造上の「階段状段差」を残す。

この効果が、図１ａ〜図１ｃに示されている。図１ａに示されているように、物体の滑らかな輪郭を持つ外面（１００）を形成することが望まれるであろう。しかし、輪郭を持つ表面は、構成材料の積層で作られなければならない。したがって、通常の自由造形技法は、所望表面（１００）輪郭を近似するか、輪郭に一致しようと試みる離散的な層（１０２）を作成する。図１ｂに示されているように、構成層（１０２）は、所望の表面輪郭（１００）を近似しようとして、階段のように配置される。

したがって、従来の自由造形技法の分解能は、層（１０２）の厚さ（Ｔ）によって制限される。表面の実際の形状（１０４、図１ｃ）は、所望される滑らかな輪郭ではなく、著しく段丘形成した１組の個別層（１０２）であろう。

段丘形成の問題の１つの解決策は、より薄い層を用いて物体を作ることである。層が薄くなるほど、段丘が浅くなり、従って、さほどはっきり目立たなくなる。しかし、追加層を加えることによって、システムの処理能力が低下し、物体製造速度が大幅に低下する。製品を作るために必要な層の数が増えるほど、その製品を作るのに多くの時間がかかる。

さらに、薄い層を用いて物体を製造することによって、製造システムに送出しなければならないデータが増加する。たとえば、層厚さを半分に減少させると、層（及びそれらの層を定義するデータ）の数が二倍になる。

場合によっては、薄い層の効率的な製造を可能にするのに十分に高速にデータを製造装置に送ることができない。したがって、薄い層を用いて段丘形成状態を軽減することを決定しても、効率的な物体製造をもたらすほど十分な高速でデータを流体エジェクタに送ることができない場合がある。このような場合、データを転送できるように製造装置が低速化されるか、あるいは、同データが誤って用いられて、複数層が形成されるかのいずれかであろう。

本発明は、三次元自由造形において、効率よく滑らかな輪郭を持つ物体を製造する方法を提供する。

多くの可能な実施形態の１つでは、本発明は、個々の物体層を形成するために吹き付けられる吐出材料の濃度を変化させることによって、三次元自由造形で物体を製造する方法を提供している。

添付の図面は、本発明のさまざまな実施形態を示し、明細書の一部である。図示の実施形態は、本発明の例にすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。

全図面を通して、同一参照番号が、必ずしも同一ではないが同様の部材を示す。

本明細書は、上記段丘形成効果を軽減しながら、好ましくは流体吐出技術を使用した三次元自由造形システムによって物体を形成する技法を記載する。本明細書及び添付の特許請求の範囲に使用される時、「吐出材料」という用語は、幅広い意味で使用されて、製造中の物体の一部の着色、結合または形成を行うために流体吐出ヘッドによって吐出される任意の物質を意味する。したがって、「吐出材料」には、制限的ではないが、インク、着色剤、トナー、バインダー、構成材料及び支持材料が含まれる。「インク」という用語は、自由造形システムにおける物体または構成材料に着色するための任意の材料を意味するために使用される。「インク」は、制限的ではないが、インク、印刷流体(printing fluid)、トナー、着色剤などを含む。「バインダー」という用語は、接着剤か、あるいは構成材料を選択的に互いに結合して所望の製品にするために吐出される任意の他の物質である。「構成材料」は、自由造形システムが所望の製品を形成できるようにする任意の材料であり、粉末状構成材料か、または噴射構成材料、たとえば、噴射ポリマーを含むことができる。「ボクセル」という用語は、ｘ、ｙ及びｚ座標に長さを有するアドレス指定可能な体積である体積ピクセル(volumetric pixel)のことである。「サブボクセル」という用語は、ボクセルのサブセットのことであり、ボクセルは多くのサブボクセルによって構成される。 たとえば、１つのボクセルを３軸すべてで半分に分割すると、８個のサブボクセルが生じるであろう。サブボクセルからなるボクセルは、スーパーボクセルと呼ぶこともできる。また、「小さい」及び「大きい」という用語は、互いの相対的な大きさを表し、いずれかの特定の寸法、体積、質量または形状を表すことはない。

次に図面を参照すると、特に図２では、液体吐出技術を使用した１つの三次元自由造形システムが記載されている。本発明の実施形態は、図示の自由造形システムに組み込まれることができる。上述したように、自由造形システムは、バインダー噴射システム、またはバルク噴射システムでもよい。簡単にするために、ここではバインダー噴射システムの場合で図２の三次元自由造形システム（２００）を説明する。

図２の三次元自由造形システム（２００）では、バルク粉末物質(bulk powder substance)などの構成材料を使用して、所望物体の個々の層が形成される。各層を形成するために、一定量の粉末が供給室から与えられる。好ましくは可動ステージ（２０３）内に組み込まれたローラが、作製室（２０２）の上部で粉末を分散させて所望厚さまで圧縮する。

１つの液体吐出装置（たとえば、ドロップオンデマンド液滴吐出装置(drop-on-demand liquid ejection apparatus)など）を三次元自由造形システム（２００）の可動ステージ（２０３）内に収容することができる。あるいは、三次元自由造形システム（２００）は、多数の液体吐出装置を備えて、その各々が個別に１つまたは複数の吐出流体を収容してもよい。一部の実施形態によれば、プリントヘッドを可動ステージ（２０３）から分離させてもよい。

可動ステージ（２０３）が粉末を分配してから、流体吐出装置が接着剤またはバインダーを作製室（２０２）内の粉末上に二次元パターンで付着させる。この二次元パターンは、作製中の所望物体の横断面である。

別法として、流体吐出装置が噴射ポリマーなどの構成材料を選択的に付着させて、所望製品または所望製品の横断面を形成することもできる。バインダーまたは構成材料は、インク、トナーまたは他の製品で着色して、所望製品の個々の横断面に所望の色または色パターンを設けてもよい。

バインダーを粉末状構成材料内で用いている場合、バインダーを付着させた領域内で粉末が結合し、それによって所望製品の三次元層が形成される。作製室（２０２）内で新しい粉末層を前の層の上部に吹き付けるようにして、この処理が繰り返される。次に、新しい粉末層にバインダーを吐出することによって、所望製品の次の横断面を形成することができる。作製中の製品の各横断面層を形成するのに加えて、接着バインダーは隣接または連続層を互いに結合することもできる。

バインダーを粉末状構成材料内に吐出するか、流体構成材料を吐出する場合のいずれでも、所望物体が作製室（２０２）内で完全に形成されるまで、処理が継続する。結合しない余剰粉末、または吐出された支持材料をすべて除去することができ、作製された物体だけが残る。ユーザが製造工程を制御できるように、ユーザインターフェースまたは操作盤（２０４）が設けられている。

三次元自由造形システム（２００）の可動ステージ（２０３）は、所望物体の層の形成または着色用に材料を吐出するために、インクジェット技術、たとえば、ドロップオンデマンド液滴吐出装置を備える場合が多い。ドロップオンデマンド滴技術(drop-on-demand technology)を用いる場合、可動ステージ（２０３）は、作製中の物体を形成するために、透明または着色材料滴を選択パターンで吐出するための（上述したような）１つまたは複数のドロップオンデマンドプリントヘッドを含むことができる。

粉末状構成材料内へのバインダーの選択的吐出を使用する自由造形システムの例では、作製中の物体の層を形成しようとする構成材料の各単位体積に均一量のバインダーを吐出することが一般的なやり方であった。本明細書で使用する時の「濃度」という用語とは、構成材料の単位体積に添加するバインダーの量のことである。本明細書に開示されている原理によれば、構成材料の単位体積に添加されるバインダーの濃度は変化することができる。

たとえば、従来型自由造形処理は、物体層のすべての位置の１平方ミリメートル当たり一定量のバインダーを吐出することができる。それから、バインダーは均一にある量の構成材料に染み込んでそれを結合する。あるいは、従来型システムは、物体層のすべての位置で一定量の構成材料を吐出することができる。本明細書に開示されている原理によれば、物体層全体に添加されるバインダーまたは構成材料の量を変化させて、段丘形成効果を軽減することができる。

好ましくは、吹き付けられるバインダーまたは構成材料の濃度の変化は、形成中の物体の連続層の間の移行領域（３０６）全体で連続的または累進的である。「連続的」または「累進的」変化とは、作製中の物体の層全体で３種類以上の材料吐出密度が見られることである。

付着させるバインダーまたは構成材料の量を変化させることによって、その地点での層の厚さが、標準層厚さ（Ｔ、図１）より増加または減少する。したがって、段丘形成効果が軽減する。

図３ａ及び図３ｂは、構成材料に対するバインダーの吹き付け濃度を変化させるか、物体層のさまざまな部分に付着させる構成材料の量を変化させた結果を示す。図３ａは、連続段丘形成層（３０８）間の移行領域（３０６）でバインダー濃度を変化させない場合の物体（３００）の隣接層（３０２及び３０４）を示す。反対に、図３ｂは、連続変化するバインダー濃度または構成材料量を吹き付けた同移行領域（３０６）を示す。

図３ｂに示されたバインダー吹き付けの変化は、連続段丘形成層（３０８）間の移行領域（３０６）全体で上層（３０２）の形成時に行われるバインダー濃度低下による。移行領域は、制限的ではないが、図示の２層（３０２及び３０４）などの隣接した物体層の外側曲面または形状を構成する物体部分を含む。

たとえば、図３ｂに示されているように、上層（３０２）の第１移行領域（３１０）に吹き付けられる吐出材料の濃度は、物体のバルク領域(bulk regions)（たとえば、３１２）に吹き付けられる濃度の７０〜９０％にすることができる。第２移行領域（３１４）では、吐出材料濃度をバルク濃度の４０〜６０％までさらに低下させる。また、第３移行領域（３１６）では、吐出材料濃度をバルク濃度の５〜３０％まで低下させる。これらの範囲は例示にすぎず、個々の用例に最良に適するように他の範囲を選択することができる。

さまざまな量の吐出材料を付着させると、それに対応してさまざまな量の固化構成材料が生じる。さまざまな量のバインダーを吐出することによって、さまざまな量の粉末状構成材料が結合されるであろう。さまざまな量の吐出構成材料が固化して、さまざまな高さの固化構成材料になるであろう。いずれの場合も、吐出材料が累進的に変化する結果、図３ｂに示された、より累進的な段丘形成状態になる。図３ｂの段丘形成状態は、図３ａの段丘形成状態ほど目立たず、また、それより所望の表面輪郭をよりよく近似している。しかし、これらの原理は、ＸまたはＹのいずれかに同時変化しない、高さ（Ｚ）のトポグラフィ変化(topographical variation)に制限されない。したがって、Ｘ−ＺまたはＹ−Ｚのいずれか、あるいはこれら２つを組み合わせた表面変化を考慮して濃度を変化させることができる。したがって、図３ｂの平面上に示されるバインダー濃度の変化は、この平面に直交する（紙面の内外方向の）平面上で同時に高さ（Ｚ）の変化がある場合、その直交平面でも生じ得るであろう。

作製中の物体層の単位面積に吐出されるバインダーまたは構成材料の濃度を変化させる方法は少なくとも２つある。第１の方法は、吐出中の吐出材料の滴の体積を変化させることである。第２の方法は、製造中の物体層の単位面積当たりの吐出材料滴の量を変化させて選択的に付着させることである。

可変量の滴を吐出する場合、範囲内の単位面積内に吐出滴を広げるために、吐出ヘッドのディザリングすなわち変調(modulate)を行うことが好ましい。したがって、その量の吐出材料を移行領域（３０６）全体でディザリングすなわち変調することによって、段丘形成効果をあまり目立たなくし、したがって、より滑らかな物体表面にすることができる。図４ａ〜図４ｅは、変調すなわちディザリングされたバインダー濃度低下パターン(binder-reduction pattern)がどのようなものであるかを上面図で示す。図４ａ〜図４ｅにおいて、暗領域は、作製中の物体層の所与の領域にバインダーまたは構成材料を付着させる領域を表す。図４ａは、１００％濃度、すなわちバインダーまたは構成材料が単位面積全体に吹き付けられることを上面図で示す。これは、物体のバルク領域（すなわち３１２、図３ｂ）の場合が多いであろう。図４ｂは、図３ｂの第１移行領域（３１０）に対応する７０〜９０％吐出材料濃度領域を示す。同様に、図４ｃは、第２移行領域（３１４）に対応する４０〜６０％吐出材料濃度領域を示し、図４ｄは、第３移行領域（３１６）に対応する１５〜３０％吐出材料濃度領域を示し、図４ｅは、０％吐出材料濃度領域を示す。０％吐出材料濃度は、移行部または段丘形成領域（たとえば、３０６）の完全縁部(absolute edges)（３２０）に使用することができる。

しかし、移行領域（３０６、図３ｂ）に吹き付けられる吐出材料の濃度は、例示の図面及び上記の割合に制限されない。任意数の移行領域を設けることができ、各領域に対する吐出材料濃度の範囲に制限はない。

移行領域（３０６）全体で上層（３０２）の吐出材料濃度を低下させることによって、低分解能の段丘形成状態よりも良好に移行領域を画定する緩やかな段差にすることが容易になる。したがって、移行領域に吹き付けられる吐出材料濃度の変化により、物体表面において物体の個々の層（３０２及び３０４）が益々目立たなくなる。バインダーを粉末状構成材料内に使用している場合、バインダーの可変濃度の効果をまねるように用いられる別法として、可変結合効力を有する複数の液体を吹き付けることができる。たとえば、異なった界面エネルギ、粒子充填量(particulate loadings)または異なった結合成分濃度を有する複数の液体を用いることができる。特定寸法の滴に結合する材料の量がこれらの複数の液体間で異なる場合、その効果は、可変寸法滴によって得られる効果に似るであろう。

上述したように、吐出材料の量の変化は、単位面積当たりに吐出される滴の量を制限し、材料の吐出時に流体吐出装置をディザリングすることによって行うことができる。あるいは、さまざまな滴寸法を生じることができる流体吐出装置によって、吐出材料の量を変化させることもできる。たとえば、圧電ドロップオンデマンド滴エジェクタが市販されており、単一オリフィスから異なった滴寸法を吐出することができる。あるいは、多数の流体吐出装置を設けて、一定の装置を一定の滴寸法に割り当てることもできる。

上記例は、上層（３０２）が移行領域（３０６）と交差する時に上層（３０２）用に吐出される材料の量を累進的連続減少させることを示している。移行領域（３０６）全体での吐出材料吹き付け濃度の連続低下は、好ましくは、製造中の物体の下面（底面）または上り勾配段丘形成部を形成する移行領域だけに使用される。しかし、一部の態様では、吐出材料の連続減少を、物体の上面（頂部）または下り勾配段丘形成部を形成する移行領域にも使用することができる。

次に図５ａ及び図５ｂを参照すると、吐出材料の吹き付けを変更することができる別の方法が示されている。上述した例は、上層（３０２）が移行領域（３０６）と交差する時に上層（３０２）用に吐出される材料の量を累進的連続減少させることを示している。図５ａ及び図５ｂの例は、下層（５０４）用に吐出される材料の量を連続増加させることを示す。

比較のため、図５ａは、連続段丘形成層（５０８）間の移行領域（５０６）で吐出材料濃度を変化させない場合の物体（５００）の隣接層（５０２及び５０４）を示す。しかし、図５ｂの実施形態によれば、移行領域（５０６）の下層（５０４）に吹き付けられる吐出材料の量が変化している。

図５ｂに示された吐出材料吹き付け量の変化は、移行領域（５０６）に沿った段丘形成部（５０８）の下層（５０４）の吐出材料濃度の増加による。図３ａの場合のように上層（５０２）での吐出材料濃度の減少ではなく、連続的に増加する量の吐出材料が、移行領域（５０６）全体にわたって下層（５０４）に吹き付けられる。バインダーの量を追加してから、下層（５０４）全体に追加の構成材料を吹き付けることによって、図５ｂに示された緩やかな段差構造が形成され、これは所望の表面形状にさらに近づく。下層（５０４）の構成材料をバインダーで過飽和させることができ、それにより、上層（５０２）にバインダーを個別に吹き付けることによって粉末が結合する以外に、上層（５０２）用の構成材料の吹き付けによって粉末の吸収及び結合が容易になる。同様に、バインダーではなく構成材料を吐出するシステムでは、下層（５０４）用に付着させる構成材料の増量が、同じ効果を生じる。

図５ｂの例示的な実施形態では、下層（５０４）の第１移行領域（５１０）に吹き付けられる吐出材料の濃度が、物体（５００）のバルク領域（５１２）に吹き付けられる濃度の約１５０〜４００％である。第１移行領域（５１０）は、段丘形成領域移行点（５１８）で始まる。第２移行領域（５１４）も、増加吐出材料濃度を有するが、その程度は第１移行領域（５１０）より低い。たとえば、第２移行領域は、バルク領域（５１２）の濃度の約１２０〜１４０％の吐出材料濃度を有するであろう。また、第３移行領域（５１６）は、バルク領域（５１２）の濃度の約１００．１〜１１５％の吐出材料濃度を有するであろう。ここで使用する１００．１％とは、１００％より大きい任意の割合を表す。段丘形成領域（５０６）の完全縁部（５２０）では、吐出材料濃度がバルク濃度の約１００％程度と低いであろう。

もちろん、物体の移行領域（５０６）に吹き付けられる吐出材料の濃度は、例示の図面及び上記の割合に制限されない。任意数の移行領域を設けることができ、各領域のバインダー濃度の割合の範囲に制限はない。

移行領域（５０６）で吐出材料濃度を増加させることによって、層（５０２及び５０４）間の移行領域（５０８）を画定する、はるかに細かい段差にすることが容易になる。したがって、下層（５０４）に吹き付けられる吐出材料濃度の変化により、物体表面において物体の個々の層（５０２及び５０４）が益々目立たなくなる。また、図３ｂ及び図５ｂの実施形態は、左から右に小さくなる段だけを示しているが、段の大きさはどのように変化させることもでき、図示のように最大から最小までの先細形だけである必要はないことを理解されたい。

移行領域（５０６）で吹き付けられる吐出材料の増量は、滴体積を大きくした吐出材料の吹き付け、流体吐出装置を多数回発射させること、または、任意の他の従来方法によって行うことができる。さらに、移行領域（５０６）での吐出材料濃度の増加は、上面または下り勾配の段丘を形成する移行領域で行われることが好ましい。物体上面で追加量の吐出材料を使用することは、段丘形成効果を軽減するのに特に効果的である。しかし、吐出材料の増量は、下面または上り勾配段丘形成部を形成する移行領域でも使用することができる。

また、構成材料のある部分をバインダーで未飽和にすること及び構成材料のある部分をバインダーで過飽和にすることの両方の組み合わせ、あるいは、製造工程に構成材料を増量する地点を表すこと及び構成材料を減量する地点を表すことの両方の組み合わせを用いることも可能である。たとえば、図３ａ及び図３ｂを参照しながら上述したように上層に吹き付けられる吐出材料の量を減少させ、また、図５ａ及び図５ｂを参照しながら記載したように下層で吹き付けられる吐出材料の量を増加させることによって、個々の位置で構成材料の量を変化させることができる。

上述したように、バインダーを粉末状構成材料に吹き付ける三次元自由形状システムに加えて、本明細書に記載される原理は、流体吐出装置から物体及び支持材料のすべてを吐出する三次元自由造形システムにも適用することができる。たとえば、本明細書に記載した技法は、流体吐出装置から１００％の物体構成材料及び／または支持材料を与えるいずれの噴射固化性材料システムにも適用することができる。噴射固化性または硬化性材料には、制限的ではないが、プレポリマー、ポリマー及びワックスが含まれる。したがって、固化性材料三次元自由造形システムは、異なった濃度の吐出材料を使用して、固化性材料滴の可変吹き付け形態を、物体を製造するための所定層パターンで吹き付けることを含むことができる。物体の各層には、第１形態で吹き付けられた第１組の固化性材料滴と、物体の段丘形成領域での異なった形態の第２組または後続組の固化性材料滴とがあるであろう。また、支持材料濃度も（滴の減少及び／またはディザリング技法などによって）変化させることによって、より滑らかな支持構造を生じて、その上に物体を形成することができる。図３ｂに示されているように、物体の段丘形成領域での第２組または後続組の固化性材料滴の濃度は、バルク領域でのものより低いであろう。低濃度形態は、単位面積当たりの固化性材料の滴の数を減少させるか、または段丘形成領域で小さい滴の質量を使用することによって達成することができる。さらに、低濃度形態は、段丘形成領域において、バルク領域での濃度よりわずかに少ない（＜１００％）任意値からゼロ濃度形態まで、連続的に可変である。

背景技術で述べたように、三次元自由造形によって製造する物体を画定する電子データセットのサイズが、製造システムで効率的に使用するには大きすぎる場合が多い。また、一部の小さいデータセットでは、物体の、特に段丘形成層間の分解能が低く、物体表面に望ましくない顕著な視覚的及び構造上の効果が残る。さらに、任意サイズのデータセットの分解能を増加させることが望ましいだけの場合もある。

したがって、本明細書に記載の技法によれば、三次元自由造形で製造しようとする物体の層を表すデータセットを分解能エンハンスメント技法（ＲＥＴ）で処理することができる。そのような技法では、システム（１００、図１）へのデータ流れが追加の特定層データに対応することができない時でも、あるいは、原データがＺ軸（製造中の物体の厚さ）方向に低分解能である時でも、製造システム（１００、図１）が層間を自動的に補間して、追加の層特徴を形成することができる。

本明細書で記載するＲＥＴ方法は、概念的には分解能エンハンスメント技法（たとえば、参照によって本明細書に援用される米国特許第５，６５０，８５８号）を含む書き込みシステムに似ている。しかし、Ｚ軸分解能エンハンスメント技法（ＺＲＥＴ）の場合、エンハンスメントはＺ方向である。

制御コンピュータから三次元自由造形システム（２００、図２）へのデータ転送速度の制約のため、あるいは（たとえば、ラスタ化、カラーマッピングまたはハーフトーン中の）システム（１００、図１）自体内部でのデータ転送限界から、ＺＲＥＴの１つの適用例は、高分解能物体データセットを低分解能データ転送で送出することを含む。

多くの三次元図面パッケージは、高速プロトタイピング用のファイル（ＳＴＬが高速プロトタイピング用の一般的なファイルフォーマットである）、あるいは、インターネット用のファイル（ＶＲＭＬがインターネット用の一般的なファイルフォーマットである）の作成時に、データセットを自動的に妥協させる。低分解能データセットは、ファイル圧縮の結果として段丘形成効果を誇張するであろう。したがって、段丘形成効果を自動的に軽減するために、ＺＲＥＴを適用することができる。しかし、ＺＲＥＴは、任意のデータセットに、また、物体表面をさらに改善するために高分解能のデータセットにも使用することができる。上記ＺＲＥＴ技法を実行することによって、大幅なデータの節減を行うことができるが、ＺＲＥＴはデータ圧縮に制限されない。ＺＲＥＴは、任意の三次元自由造形データセットをさらに向上させるために使用することができる。

図６ａ〜図６ｄを参照すると、１つのＺＲＥＴの説明が示されている。図６ａは、物体（６００）の低分解能ボクセルデータ表示を示す。図６ａの物体（６００）は、第１、第２及び第３層（６０２、６０４、６０６）を含み、これらはそれぞれ高さが１ボクセルである）。３層の間の段は非常に目立ち、粗く個別に見える層を生じるであろう。したがって、上記ＺＲＥＴ技法によれば、三次元自由造形システム（２００、図２）は、低分解能データセットに伴う段丘形成効果を自動的に軽減するようにプログラムすることができる。たとえば、３層（６０２／６０４／６０６）を自動的にスライスして、図６ｂに示されているようなサブ層にすることができる。任意数のサブ層を形成することができるが、図６ｂの例示的実施形態は、各層（６０２／６０４／６０６）に対して２つのサブ層（ａ及びｂ）だけを示す。

三次元自由造形システム（２００）は次に、任意の所定パラメータに従って、層またはサブ層から一定のサブボクセルを加算または減算することができる。システム（２００）は、親ボクセルに対して一定のサブボクセルを加算するか、減算するか、あるいは否かを決定するために、段丘に関するデータを考慮に入れるようにプログラムすることができる。たとえば、図６ｃの実施形態によれば、第１及び第２サブボクセル（６０８及び６１０）を第１及び第２層（６０６及び６０４）のサブ層（ｂ）に加え、第３サブボクセル（６１２）を第２層（６０４）のサブ層（ａ）から削除する。したがって、一定のサブボクセルの加算及び／または減算によって、段丘形成効果が軽減され、結果的に図６ｄに示された最終物体（６００）が得られる。

三次元自由造形システム（２００、図２）は、所定のパラメータでプログラムされて、それにより、層間の段丘形成部を測定して、層間のパラメータが満たされる時、一定層の一定サブボクセルを加算または減算する。それにより、薄い層を詳述する追加データを必要としないで、結果的に得られる物体（６００）の分解能が大幅に向上するであろう。また、上述したように、高分解能データセットでも、ＺＲＥＴを実行して物体の一定サブボクセルを加算または減算することによって、さらに向上させることができる。場合によってはＺＲＥＴの実行によってデータの節減を行うことができるが、ＺＲＥＴは、データの節減または圧縮をまったく行わないで、得られる物体の分解能を向上させるためだけに適用することもできる。

さらに、高分解能ファイルを低分解能データセットとしてセーブして、「見掛け」高分解能ファイルを作成することができる。上述したように、高分解能ファイルを低分解能データ転送で送出して、見掛け高解像度ファイルを作成することができる。その後、ＺＲＥＴを低分解能ファイルに適用して、高分解能物体（６００）を製造することができる。ＺＲＥＴは図示のものに制限されず、また任意のアルゴリズムを適用して、物体データの一定のサブボクセルを自動的に加算または減算し、それによって分解能を向上させ、三次元自由造形によって製造される物体の段丘形成状態を軽減することができることも、理解されるであろう。

以上の説明は、本発明の例示的な実施形態を図示して説明するために提供されているだけである。それは、網羅的でも、本発明を開示したまさにその形態に限定することも意図していない。上記教示に照らして、多くの変更形態及び変形形態が可能である。本発明の範囲は、添付の特許請求項によって定義されるものとする。

本発明は、以下の実施態様を含む。

＜１＞ 三次元自由造形によって製造される物体の層を表すデータセットを処理する方法であって、該データセットにＺ軸分解能エンハンスメント技法を適用することを含むことを特徴とする方法。

＜２＞ 前記Ｚ軸分解能エンハンスメント技法は、見掛け高分解能データセットを作成するために、高分解能物体データセットを低分解能データ転送によって送ることをさらに含み、前記見掛け高分解能データセットは、所定のパラメータを満たす時、物体層データに対して自動的に加算、減算、または加減と減算の両方が行われるサブボクセルを有することを特徴とする、上記＜１＞に記載の方法。

＜３＞ 前記Ｚ軸分解能エンハンスメント技法は、所定のパラメータを満たす時、前記層を表す低分解能データセットに対してサブボクセルの加算、減算、または加減と減算の両方を行うことをさらに含み、それによって前記物体の分解能を向上させることを特徴とする、上記＜１＞に記載の方法。

＜４＞ 三次元自由造形によって製造される物体の層を表すデータセットを処理する方法であって、前記層をサブ層に分割すること、及び層間の所定条件が満たされる時、前記サブ層に対してサブボクセルの加算または減算を自動的に行うことを含むことを特徴とする方法。

＜５＞ 前記物体の対応する層を形成するために吹き付けられる吐出材料の量を変化させることによって、加算または減算サブボクセルを表すことをさらに含むことを特徴とする、上記＜４＞に記載の方法。

＜６＞ 前記サブボクセルの加算または減算は、ソフトウェアプログラムによって自動的に行われ、それによって見掛け高分解能データセットが作成されることを特徴とする、上記＜４＞に記載の方法。

本発明は、たとえば、試作品、模型及び加工工具の三次元自由造形に適用できる。

輪郭を有する表面を形成するために個別の有限厚さ層を使用する時の段丘形成部の一例を示す図である。 輪郭を有する表面を形成するために個別の有限厚さ層を使用する時の段丘形成部の一例を示す図である。 輪郭を有する表面を形成するために個別の有限厚さ層を使用する時の段丘形成部の一例を示す図である。 本発明の実施形態を実行するために使用することができる三次元自由造形システムの斜視図である。 本発明の一実施形態に従って輪郭を有する表面を形成するために使用される物体層の側面図である。 本発明の一実施形態に従って輪郭を有する表面を形成するために使用される物体層の側面図である。 図３ｂの物体層の上面図である。 図３ｂの物体層の上面図である。 図３ｂの物体層の上面図である。 図３ｂの物体層の上面図である。 図３ｂの物体層の上面図である。 本発明の別の実施形態に従って輪郭を有する表面を形成するために使用される物体層の側面図である。 本発明の別の実施形態に従って輪郭を有する表面を形成するために使用される物体層の側面図である。 本発明のデータ処理実施形態に従った一連の物体層の側面図である。 本発明のデータ処理実施形態に従った一連の物体層の側面図である。 本発明のデータ処理実施形態に従った一連の物体層の側面図である。 本発明のデータ処理実施形態に従った一連の物体層の側面図である。

符号の説明

２００ 三次元自由造形システム
２０２ 作製室
２０３ 可動ステージ
２０４ ユーザインターフェース
３００ 物体
３０２、３０４ 隣接層
３０６ 移行領域
３０８ 連続段丘形成層
３１０ 第１移行領域
３１２ バルク領域
３１４ 第２移行領域
３１６ 第３移行領域
３２０ 完全縁部

Claims (6)

1. 三次元自由造形によって製造される物体の層を表すデータセットを処理する方法であって、該データセットにＺ軸分解能エンハンスメント技法を適用することを含むことを特徴とする方法。
2. 前記Ｚ軸分解能エンハンスメント技法は、見掛け高分解能データセットを作成するために、高分解能物体データセットを低分解能データ転送によって送ることをさらに含み、前記見掛け高分解能データセットは、所定のパラメータを満たす時、物体層データに対して自動的に加算、減算、または加減と減算の両方が行われるサブボクセルを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記Ｚ軸分解能エンハンスメント技法は、所定のパラメータを満たす時、前記層を表す低分解能データセットに対してサブボクセルの加算、減算、または加減と減算の両方を行うことをさらに含み、それによって前記物体の分解能を向上させることを特徴とする、請求項１に記載の方法
4. 三次元自由造形によって製造される物体の層を表すデータセットを処理する方法であって、
   前記層をサブ層に分割すること、及び
   層間の所定条件が満たされる時、前記サブ層に対してサブボクセルの加算または減算を自動的に行うこと
   を含むことを特徴とする方法。
5. 前記物体の対応する層を形成するために吹き付けられる吐出材料の量を変化させることによって、加算または減算サブボクセルを表すことをさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記サブボクセルの加算または減算は、ソフトウェアプログラムによって自動的に行われ、それによって見掛け高分解能データセットが作成されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。

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