JP2015030211A - 自然な方向にそって印刷する３次元印刷方法および３ｄプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】積層型 3D 印刷において 3D オブジェクトの各部分が自然な方向をもっているとき，方向を記述可能な 3D モデルの記述法とモデリングの方法を確立し，方向を表現した 3D モデルをスライスする技術を確立し，従来の 3D プリンタがもつ印刷方向に関する制約をとりのぞくことにより，自然な方向をもつ 3D オブジェクトの造形を可能にすること．
【解決手段】第 1 に 3D モデリングにおいて物体内の各点における自然な方向をベクトルとして表現してソリッド・モデルに付加した拡張ソリッド・モデルを使用し， 3 次元のペイント・ツールを使用して拡張ソリッド・モデルを生成し，第 2 にオブジェクトをスライスする際にオブジェクト分割処理，射出量調整処理，分割粒度調整処理，印刷可能化処理をおこない，第 3 に針状ノズル印刷法またはノズル回転印刷法を使用して 3D プリンタによる印刷をする．
【選択図】図７

Description

本発明は熱によって溶解または固化する材料を層状につみかさねることによって 3 次元形状を造形する積層型 3D プリンタに関する．

ABS 樹脂，PLA 樹脂等の熱によって溶解する材料を糸状のフィラメントにしてそれを集積することによって 3 次元形状を造形するタイプの 3D プリンタすなわち熱溶解型 3D プリンタの基本は，特許文献１に記述されている．また，逆に常温ではゲル状だが熱や光によって固化する材料をフィラメントにして使用するタイプの 3D プリンタもある．これらの技術においては，印刷すなわち造形するべき物体 (モデル) を層状にスライスし，フィラメントを水平方向にならべることによって各層を形成し，それを積層することによって造形する．そのため，通常，印刷された物体においてそのフィラメントの方向を確認することができる．ただし，疎な印刷においてはフィラメントはほぼ射出時のままの形状になるが，密な印刷においては隣接するフィラメントと接合され，比較的わずかな筋が確認されるだけになる．しかし，印刷の方向が水平であるために，フィラメントや筋の方向は水平方向に限定される．

Richard Helinski: 米国特許 US 5136515

印刷によって表現するべき 3D オブジェクト・モデルを構成する各部分が自然な方向をもっている場合がある．自然な方向の例として，つぎのようなものがある．まず，生物においては方向のある毛髪や体毛をともなうもの，繊維や葉脈のような方向のある構造をもつもの，人工的なものにおいても方向のある繊維をたばねたものや書のように筆の方向がかすれなどのかたちで反映されたものなどがある．このようにモデルが自然な方向をもつとき，フィラメントが自然な方向に一致していれば印刷物において自然な方向を表現することができる．しかし，自然な方向が水平でないとき，従来の方法で印刷すると，その自然な方向とはことなる方向にスライスされる結果として，自然な方向を表現することがさまたげられるという問題がある．

この問題を解決するには印刷の方向を自然な方向と一致させればよい．しかし，そのために解決する必要がある 3 つの課題がある．第 1 の課題は，自然な方向を記述することができる 3D オブジェクト・モデルの記述法およびモデリングの方法を確立することである．従来の 3D 印刷においては 3D オブジェクトをソリッド・モデルとして定義し，それをスライスすることによって 3D 印刷できるようにしていた．しかし，ソリッド・モデルにおいては自然な方向が記述されない．自然な方向を表現することができるモデリングをおこなうことが必要である．

第 2 の課題は，自然な方向を表現した 3D オブジェクト (モデル) をスライスする技術を確立すること，とくに自然な方向がオブジェクト内の場所によってことなるときにも印刷できるようにスライスすることである．自然な方向がすべての場所で一致していれば，フィラメントを並行にならべる，すなわち，ずらしながら反復して射出することによって造形することができる．しかし，この自然な方向を場所ごとにことなるベクトルとして表現したとき，図 1 のように，近接するベクトルが拡散する方向を向いているとき (図 1(a)) と収縮する方向を向いているとき (図 1(b)) とがある．また，ある方向には拡大しそれと直角をなしベクトルに垂直な方向には収縮する方向を向いていることもある (図 1(c))．これらの場合でもすきまなく，また材料があまることなく，印刷できるようにする必要がある．

第 3 の課題は，自然な方向を表現するため，従来の 3D プリンタがもつ印刷の方向に関する制約をとりのぞくことである．従来の 3D プリンタのヘッドは上下に移動させることはできる．しかし，ノズルは比較的横にひろがる形状である．そのため，ノズルを水平方向に対して急角度で移動すなわち上昇または下降させながら積層しようとすると，ノズルが既存の層と衝突するため既存の層からノズルを距離をおかざるをえず，正確かつ密に印刷することができない (図 1(d))．そのために水平方向に対する角度が比較的ゆるくおさえられる．この制約をとりのぞく必要がある．

自然な方向つきのモデリング法を確立するという上記の第 1 の課題は，3D モデリングにおいて物体内の各点における自然な方向をベクトルとして表現し，それを従来のソリッド・モデルに付加した拡張ソリッド・モデルを使用し，拡張ソリッド・モデルを生成するための 3 次元のペイント・ツールを使用することによって解決される．印刷対象の拡張ソリッド・モデルにおける「自然な方向」は一種の「場」(磁場のようなもの) だとかんがえることができる．この「場」を「印刷場」とよぶ．モデル内の各点においてベクトルが定義されることは，磁場における各点において磁力線 (方向) および磁力 (おおきさ) がきまるのと同様である．

拡張ソリッド・モデルの生成のためにはつぎの 2 種類の方法を使用することができる．第 1 の方法は 3D CAD において印刷場を付加した部品を用意する方法である．3D CAD においては用意された部品をくみあわせ，加工してモデルを生成するが，その部品においてあらかじめ印刷場が記述されていれば，モデルの各部分において自然な方向を表現することができる．第 2 の方法は時刻ごとに 3 次元空間上の位置を入力する 3 次元ポインティング・デバイスを使用した 3 次元のペイント・ツールを使用することにより，3D モデルを記述する方法である．この 3D モデルにポインティング・デバイスの移動方向を付加することによって，印刷場をともなう 3D モデルを生成し，拡張ソリッド・モデルに変換することができる．

自然な方向つきのモデルのスライス技術を確立するという上記の第 2 の課題は，オブジェクトをスライスする際につぎの 4 つの処理をくみあわせることによって解決される．第 1 の処理「オブジェクト分割処理」は，スライス開始点においてノズル先端の穴の直径から層のあつさおよびフィラメント (糸状の部分) の幅を決定し，そこから方向ベクトルをつなぎあわせることによってえられる曲面によってオブジェクトを多数の糸状の部分に分割する処理である．ただし，糸のふとさは場所によって変化する．

第 2 の処理「射出量調整処理」は，ノズルからのフィラメントの射出量を糸状の部分の各部分の断面積に比例する値とすることである．すなわち，オブジェクトをスライスすることによって生成される G-Code などによって記述された NC プログラムにおいて，断面積が既定の値をこえて変化するごとに射出量を変化させる．または，一定の距離だけ移動するごとに射出量を変化させる．

第 3 の処理「分割粒度調整処理」は，上記のようにスライス面が曲面であることによってフィラメントの厚さと幅は場所によって変化するが，その厚さが既定の値をこえるときはスライス枚数を変更し，幅が既定の値をこえるときは横方向のフィラメントの個数 (糸の本数) を変更する処理である．

第 4 の処理「印刷可能化処理」は，ノズルの形状や回転可能性 (後述する 3 軸か 5 軸かというプリンタ種別など) にしたがってスライスが分割せずに印刷可能であるかどうかを判定し，可能でないときはオブジェクトを印刷可能な形状になるように分割して，分割された小オブジェクトごとに印刷することにより，部分的に印刷順序を変更する処理である．

これらの処理によって，印刷場をふくむモデルをスライスして，NC プログラムを生成することが可能になる．

ノズルを急角度で移動しながら印刷できるようにするという上記の第 3 の課題は，つぎの 2 方法のうちのいずれかまたは両方をおこなうことによって解決される．第 1 の方法「針状ノズル印刷法」は，急角度で移動しながら印刷できるようにプリント・ヘッドとくにその先端であるノズルの形状を改良する方法である．ノズルの先端を針にちかい形状にすることによって，急角度の印刷が可能になる．ただし，細い形状にするとフィラメントがそこを通過するあいだに冷却されるため，ノズルを先端付近まで断熱材によって被覆するか，十分に高温に加熱してからノズルをとおす必要がある．ノズルの先端において射出材料が適度な粘度になるようにノズル先端付近に温度センサを設置して温度を制御することにより，急角度で印刷することができるようになる．

第 2 の方法「ノズル回転印刷法」は，ノズルの角度を印刷方向と垂直またはそれにちかい角度になるようにプリント・ヘッドを回転させる方法である．従来の 3D プリンタは 3 軸の工作機械であり，ヘッドを回転させることはできない．しかし，フライス盤等の工作機械に適用されているのと同様に 5 軸にすることにより，プリント・ヘッドを水平軸 (x 軸および y 軸) に関して回転させることができるようになり，急角度の印刷を可能にすることができる．

印刷するべきオブジェクトを構成する各部分が自然な方向をもつとき，かつその方向が水平でないときでも，自然な方向にそって印刷することによって自然な方向を表現することができる 3D プリンタの実現を可能にする．

発明が解決しようとする課題の説明図であり，近接するベクトルの拡散と収縮をあらわしている． 本発明の実施形態における 3D 印刷とそのためのモデリングのながれを示す図である． オブジェクト各部における自然な方向をあらわす印刷場を付加された 3D モデルの例を示す図である． 本発明の実施形態におけるソリッド・モデリングにおいて使用する部品を示す図である． 本発明の実施形態における，従来の 3D モデルを「磁化」することによって印刷場つきの 3D モデルを生成する方法を示す図である． 本発明の実施形態における，3 次元ポインティング・デバイスを使用して印刷場つきの 3D モデルを生成する方法を示す図である． 本発明の実施形態における，印刷場つきの 3D モデルをスライスして自然な方向の印刷のための NC プログラムを生成する拡張スライス処理 203 の方法を示す図である． 本発明の実施形態における，急角度で移動しながら印刷するためのプリント・ヘッドの構造図である． 本発明の実施形態における，急角度で移動しながら印刷するためのプリント・ヘッドを回転させるための機構を示す図である．

[モデリングと印刷の手順]

図 2 を使用して自然な方向の表現を可能にする 3D 印刷とそのためのモデリングのながれを説明する．まず拡張ソリッド・モデリング処理 201 において拡張ソリッド・モデル 202 を生成する．つぎに，拡張スライス処理 203 において，拡張ソリッド・モデル 202 を入力してスライスし，G-Code による NC プログラム 204 を出力する．さらに，拡張 3D 印刷処理 205 において，NC プログラム 204 を入力して 3D オブジェクト 206 を造形出力する．なお，拡張ソリッド・モデリング処理 201 と拡張スライス処理 203 との関係として，拡張・ソリッド・モデル 202 の出力が終了した後に入力するバッチ処理方式と，出力中に既出力部分を入力するパイプライン処理方式 (リアルタイム処理方式) のうちのいずれかを選択することができる．拡張ソリッド・モデル 202 に関してもバッチ処理とパイプライン処理のうちのいずれかを選択することができる．なお，拡張ソリッド・モデル 202 のかわりに，方向が付加された他の種類の 3D モデルたとえばワイヤフレーム・モデルを使用することも可能である．

以下，拡張ソリッド・モデリング処理 201， 拡張スライス処理 203， 拡張 3D 印刷処理 205 をこの順に説明する．

[モデリング]

第 1 に，拡張された 3D モデルとそのための拡張ソリッド・モデリング処理 201 の方法についてのべる．まず，拡張ソリッド・モデルに関してのべる．従来のソリッド・モデルにおいては物体がもつ自然な方向を表現することができなかった．自然な方向を表現するには，物体内の各点における方向をベクトルとして表現し，それを従来のソリッド・モデルに付加すればよい．図 3 には 3 次元の文字のような複雑な形状のオブジェクトを方向つきの拡張ソリッド・モデルによって表現したものを図示している．図 3 においてはオブジェクト内の各点において向きのあるベクトル値が定義されているが，3D 印刷されたオブジェクトにおいては向きやベクトルのおおきさ (絶対値) が表現されないため，各点においては向きとおおきさはかならずしも必要なく，方向だけがわかればよい．

つぎに，モデリングの方法についてのべる．上記のような拡張ソリッド・モデルの生成のためには，3D CAD において印刷場を付加した部品を用意する第 1 の方法「印刷場つき部品合成法」と，印刷場をもたないオブジェクトやその部品を「磁化」することによって方向を付与する第 2 の方法「ソリッド・モデル磁化法」と，3 次元のペイント・ツールを使用する第 3 の方法「方向つき 3D ペイント法」という 3 種類の方法を使用することができる．

まず第 1 の方法「印刷場つき部品合成法」について説明する．3D CAD においては用意された部品をくみあわせ，加工してモデルを生成する．くみあわせる方法としては，union, intersection, difference などの演算が使用される．その部品においてあらかじめ印刷場が記述されていれば，モデル全体に印刷場をあたえることができる．ただし，union および intersection をとる際には，部品が重複する空間の各部分において両方の部品のベクトルの和をとる方法と，いずれか一方のベクトルを演算結果におけるベクトルとする方法とがある．部品 A と B の差 A B においては，のベクトルを演算結果におけるベクトルとする．自然な方向の表現においては，ベクトルの向きやおおきさは必要なかったが，これらの演算の差には向きやおおきさによって演算結果のベクトルの方向が影響される．

もっとも基本的な部品を図 4 にしめす．図 4(a) は一様な印刷場をもつ直方体である．各点における印刷場のベクトルのおおきさは直方体のサイズと同様にパラメタとして指定することができる．また，ベクトルの向きの有無も同様に指定することができる．ベクトルのおおきさは一様にするかわりに 1 次元または 2 次元の勾配をもたせることも可能であり，そのためのパラメタ指定もサイズと同様の方法で指定することができる．

図 4(b) は一様な印刷場をもつ円柱である．この円柱においても，直方体におけるのと同様にベクトルのおおきさや勾配をパラメタとしてあたえることができる．図 4(c) は同心円状の向きをもつ円柱である．この円柱においてもベクトルのおおきさをあたえることができる．また，中心から外部にむかってのベクトルの勾配や頂点にむかっての勾配も同様にあたえることができる．

図 4(d) は頂点にむかう印刷場をもつ円錐である．ここでもベクトルのおおきさや勾配をパラメタとしてあたえることができる．また図 4(e) は同心円状の印刷場をもつ円錐である．この円錐においてもベクトルのおおきさをあたえることができる．また，中心から外部にむかってのベクトルの勾配や頂点にむかっての勾配も同様にあたえることができる．

図 4(f) は地球の磁場のように南極からわきだして北極へしずむ向きの印刷場をもつ球である．この球においてもベクトルのおおきさをあたえることができる．また，中心から球の外部にむかってのベクトルの勾配や頂点にむかっての勾配も同様にあたえることができる．同心円状の印刷場をもつ球もあたえることができる．

図 4(g) は中心線の方向のベクトルをもつトーラスである．同心円状のベクトルをもつトーラスもあたえることができる．

これらの部品をくみあわせることにより，部品ごとにことなる方針によってきめられた印刷場をもつオブジェクトを生成することができる．

つぎに図 5 を使用して第 2 の方法「ソリッド・モデル磁化法」について説明する．従来のモデリング手法によって作成された印刷場をもたないオブジェクトや，従来のモデリング手法において使用する印刷場をもたない部品を，図 5 のように空間全体でベクトルが指定された印刷場におき，指示をあたえると部品に印刷場がうつしとられる (「磁化」される) ようにする．印刷場として，一様な印刷場と軸のまわりを回転する印刷場がある．

最後に，図 6 を使用して第 3 の方法「方向つき 3D ペイント法」について説明する．パーソナル・コンピュータにおいては 2 次元のポインティング・デバイスを使用する 2 次元のペイント・ツールがひろく使用されているが，同様の方法によって印刷場をともなう 3D モデルが記述できる 3 次元のペイント・ツールを実現することができる．3D ペインと・ツールを構成するためにはつぎの 2 の方法がある．第 1 の方法は人間の手を 3 次元ポインティング・デバイスとして使用し，Microsoft Kinect 等の人体追跡・処理装置 604 をその処理装置として使用する方法 (図 6(a)) である．第 2 の方法は加速度センサなど，位置や動作を検出することができるセンサ 601 を搭載したリモコン 602 またはモバイル端末，スマートフォンなどを 3 次元ポインティング・デバイスとして使用し，任天堂 Wii 等のセンサ処理装置 603 をその処理装置として使用する方法 (図 6(b)) である．これらの方法によって 3 次元の位置や動作を検出し，その軌跡および移動中の各点における動作方向・動作速度を追跡・保存することによって，印刷場をともなう 3D モデルが記述できる 3 次元のペイント・ツールを実現することができる．

図 6 にしめすように，2 次元ポインティング・デバイスのポインタに 1 次元または 2 次元のひろがりをもたせることができる 2 次元のペイント・ツールによって 2 次元の図形を記述することができるのと同様に，3 次元のペイント・ツールにおいてもポインティング・デバイスのポインタに 2 次元または 3 次元の形状をもたせることにより，3 次元の図形すなわち 3D モデルを記述することができる．ポインタ形状をもたせることにより，1 回の移動でその軌跡によってよりひろい範囲をカバーし，すくない移動回数で 3 次元空間をうめ，3D モデルを入力することができる．ポインタの幅や形状の指示は人体追跡・処理装置 604 またはセンサ処理装置 603 においておこなう．

とくに，動的にポインタの幅や形状を変化させるために，つぎの 2 つのうちのいずれかの方法を使用することができる．第 1 の方法は人体追跡・処理装置 604 を使用する方法である．人体追跡・処理装置 604 において複数の指や人体各部の複数の点の軌跡を並行してもとめて，複数個の点のあいだの距離や複数個の点によって形成されるかたちによって軌跡の幅や形状をきめることにより，動的に軌跡の幅や形状を変化させることもできる (図 6(a))．複数個の点から 2 次元形状をきめる方法としては，それらの点を直線でむすぶのがもっとも容易だが，ほかにスプライン関数による方法がよく知られている．また，2 次元図形の移動によって生成される軌跡を 3D モデルとして記述する方法には，おおくの 3D CAD において使用されている既知の方法を使用することができる．

第 2 の方法はセンサ 601 を搭載したリモコン 602 を使用する方法である．図 6(c) に記述したように，リモコン 602 に 1 個から 3 個の圧力センサ 611 を付加し，使用時に圧力センサ 611 に 1 〜 3 本の指をのせて使用する．圧力センサ 611 が検知した圧力にしたがって軌跡の幅や形状を変化させることによって動的にそれらを変化させることができる．親指と中指による第 1 の圧力がつよいときは x 軸方向の幅をせまくし，人さし指による第 2 の圧力がつよいときは y 軸方向の幅をせまくする．ただし，このとき，z 軸は移動方向に一致するものし，x 軸，y 軸は z 軸と直行する軸とする．

これによって，前記の第 1 および第 2 の圧力を調整することにより，場合によってはより太くて少ない数の軌跡によって生成することができ，場合によってはより細くて多い数の軌跡によって生成することができる．なお，これらの方法は自然な方向を検知し出力する必要がないとき，すなわち通常の 3D モデルを生成するときも使用することができる．

2 次元のペイント・ツールによって描写した図形は 2 次元のディスプレイによって完全に確認することができ，図形の描写中にそれをただしく描写できたかどうかをフィードバックすることができる．しかし，3 次元のペイント・ツールによって生成した 3D モデルは 2 次元のディスプレイによって十分に表現することができないため，ただしく 3D モデルを生成することができたかどうかを確認することが困難である．3D CAD においては3D モデルを回転させることによって 3 次元形状をより正確に把握することができるが，3 次元ポインティング・デバイスの使用中にそれによって入力したのとはことなる方向に 3D モデルを回転させるのは混乱をまねく．そのため，2 次元のディスプレイを使用するかわりに，3 次元ポインティング・デバイスによって指示している空間にその軌跡を AR (augmented reality) 表示することができる 3 次元のディスプレイ (すなわちヘッド・マウント・ディスプレイ等) を使用する．すなわち，あらたに軌跡が生成されるごとに，それを AR 表示する．

[スライス]

第 2 に，図 7 を使用して拡張スライス処理 203 の方法について説明する．まず，2 つのステップから構成される第 1 の処理すなわち「オブジェクト分割処理」についてのべる．第 1 のステップとして，印刷するべき印刷場つきのオブジェクト (3D モデル) の適当な点をとり，ノズル先端の穴の直径から層の厚さおよびフィラメントの幅の初期値を決定する．穴の直径が 0.5 mm であれば，それよりわずかにちいさい 0.4 mm 程度にするのが適当である．すなわち，ノズル先端から射出される直径約 0.4 mm の円柱状のフィラメントが直方体の形状に変形したときにちょうど隣接するフィラメントとのあいだにすきまがなくなるように射出されるように厚さと幅をきめる．ノズルの直径はあらかじめきまっているから，この厚さと幅は拡張スライス処理 203 の開始前にきめることも可能である．

第 2 のステップとして，オブジェクトをこの厚さと幅で切断する．すなわち，図 7(a) のように切断点における方向ベクトルにそって切断していく．図 7(b), (c) のように切断点の方向ベクトルの方向が変化するときは，それにそって切断点を変化させる．

図 7 (b), (c) においてはフィラメントの断面積が場所によって変化する．その変化が比較的ちいさいあいだは第 2 の処理すなわち「射出量調整処理」によって射出量を調整する．すなわち，(1) ノズルからの射出速度は一定のままノズルの移動速度を変化させるか，(2) ノズルの移動速度は一定のままでノズルからの射出速度を変化させるか，(3) ノズルからの射出速度とノズルの移動速度の両方を変化させるかのいずれかの方法をとることによって，フィラメントの量に過不足がないように，すなわち，指定された厚さおよび幅がフィラメントによってちょうどうめられるようにすることができる．

G-Code のような NC プログラムによって射出を制御するときには，連続的に射出速度を変化させることができない．そのため，フィラメントの断面積が一定値以上になったとき，あるいは一定値以下になったときにコマンドを生成して射出速度を変化させる．たとえば，断面積が初期値の 1.1 倍になったときに射出速度も 1.1 倍にし，断面積が 0.92 倍になったときに射出速度も 0.92 倍にする．G-Code を使用するとき，1 個の G-Code のコマンドによってフィラメントを充填するべき範囲が x = α0, y = β0, z = γ0 から x = α2, y = β2, z = γ2 であり，絶対位置によって指定されるフィラメントの初期位置が e = δ0，初期位置における断面積のときに単位長さあたりに必要なフィラメントの長さ (量) が εであり，位置 x = α1, y = β1, z = γ1 において断面積が初期値の 1.1倍になったとすれば，生成するべきコマンドはつぎのようになる．

G1 Xα0 Yβ0 Zγ0 E δ0 … (1)

G1 Xα1 Yβ1 Zγ1 E δ1 … (2)

G1 Xα2 Yβ2 Zγ2 E δ2 … (3)
ただし，ここで δ1, δ2 はつぎの式をみたす値とする．

δ1 = δ0 + ε sqrt((α1 − α0)^2 + (β1 − β0)^2 + (β1 − β0)^2)

δ2 = δ1 + 1.1 ε sqrt((α2 − α1)^2 + (β2 − β1)^2 + (β2 − β1)^2)
コマンドの実行開始時点ですでにヘッドが x = α0, y = β0, z = γ0 の位置にあるときはコマンド (1) を生成する必要はない．

あるいは，断面積の増加・減少を検出するかわりに，一定距離ごとに NC コマンドを生成してフィラメントの射出速度を変化させることもできる．

しかし，厚さや幅がおおきく変化してノズルの穴の直径よりはるかにおおきくなるか，またはそれよりちいさくなると，うまく造形することができなくなる．このときに必要になるのが第 3 の処理すなわち「分割粒度調整処理」である．上記のようにスライス面が曲面であることによってフィラメントの厚さと幅は場所によって変化するが，第 3 の処理においては，(1) 図 7(d) のようにその厚さが既定の値をこえるときはスライス枚数 (縦方向のフィラメント層の数) を変更し，(2) 図 7(e) のように幅が既定の値をこえるときは横方向のフィラメントの個数 (横方向のフィラメント層の数) を変更する．図 7(d)，7(e) のいずれにおいても，太線がオブジェクトを分割した線 (実際には厚さがあるので面) である．

厚さと幅がともに拡大するときは縦横ともフィラメント数を増加させ，厚さと幅がともに縮小するときは縦横ともフィラメント数を減少させればよい．また，厚さ，幅の一方が拡大するとともに他方は縮小するときは，前者に関してはフィラメント数を増加させ，後者に関してはフィラメント数を減少させればよい．ただし，この場合にはつぎのようなあつかいをすることも可能である．図 7(f) のように横方向には収縮し縦方向には拡張するときには，隣接するフィラメント (空間) をねじって，一方の端では横にならんだフィラメントが反対側の端では縦にならぶようにすることができる．

さらに，上記の方法をすべて適用しても印刷不能な形状が存在する．図 7(g) の左の図は 2 個のリングからなるつぎめのないチェーンは印刷不能な形状である．すなわち，これらのリングのうちの 1 個を自然な方向にそって印刷したのちにもう 1 個のリングを印刷しようとしても，すでに印刷したリングがじゃまするために印刷できない．この問題はノズルをどのような形状にしても解決することができない．そこで，第 4 の処理として印刷不能なオブジェクトを印刷可能になるように分割する処理すなわち「印刷可能化処理」を導入する．図 7(g) の右の図のように 2 個のリングがかさなる点のうちのいずれか一方の付近で一方のリングを分割することにより，印刷可能にすることができる．図に記述した番号が印刷順序をあらわす．すなわち，まず分割したリングのうちの一方を印刷し，もうひとつのリングの全体を印刷してから，分割したリングののこりの部分をすでに印刷した部分にかさねる．この方法によって印刷不能なオブジェクトすべてが印刷可能になるわけではないが，印刷可能な範囲を拡大することができる．

[印刷]

第 3 に，拡張 3D 印刷処理 205 の方法について説明する．急角度で移動しながら印刷することができるようにするため，2 つの方法のいずれかをとることができる．

図 8 を使用して第 1 の方法について説明する．この方法はプリント・ヘッドとくにその先端であるノズルの形状を改良する方法である．すなわち，ノズルの先端を図 8(a) または図 8(b) のように針にちかい形状にする．これによって，急角度の印刷が可能になる．

ただし，細い形状にするとフィラメント 801 がそこを通過するあいだに冷却されるため，ノズルの先端において射出材料が適度な粘度になるように温度を制御する必要がある．それを可能にするためにつぎの 2 つの方法 A, B のうちのいずれかをとる．

方法 A は図 8(a) のようにノズルを先端付近まで断熱材 805 によって被覆する方法である．フィラメント 801 はノズル 804 を通過するときに冷却されるが，温度低下が十分にすくなくなるだけの量の断熱材を使用して，フィラメントを十分に加熱する．ノズル 804 じたいには断熱材は使用せず金属などの伝熱材料を使用するが，その理由はフィラメント 801 の停止時にも加熱できるようにし，フィラメントが固化するのを防止するためである．方法 A においては，従来と同様にヒーター 802 付近に温度制御のためのサーミスタ 803 を設置することができる．断熱材 805 があるために，サーミスタ 803 によって計測した温度とノズル先端の温度におおきな差がつくのをさけることができる．

方法 B は，図 8(b) のように，断熱材は使用しないが伝熱材で形成されたノズル 804 の先端付近にサーミスタ 803 を設置する方法である．断熱材がないためにヒーター付近でのフィラメント 801 の温度とくらべるとノズル 804 先端の温度は低下することがさけられないが，ノズル先端の温度によって温度制御することにより，適切な温度で印刷することができる．

これらの方法のいずれかを使用することによって，急角度で印刷することができるようになる．

図 9 を使用して第 2 の方法について説明する．この方法はノズルの角度を印刷方向と垂直またはそれにちかい角度になるようにプリント・ヘッドを回転させる方法である．フライス盤等の工作機械に適用されているのと同様に，平行移動用の 3 個のステッピング・モータのほかに x 軸 (回転) ステッピング・モータ 901 によってプリント・ヘッド 903 を x 軸のまわりに回転させることを可能にし，y 軸 (回転) ステッピング・モータ 902 によってプリント・ヘッド 903 を y 軸のまわりに回転させることを可能にしている．回転させるのは，そうしなければノズルが射出ずみのフィラメントなどに衝突して印刷が継続できない場合である．こういう場合には，衝突する原因が x 軸にあるときは y 軸に関して回転させることによって衝突が発生しないようにする．また，衝突する原因が y 軸にあるときは x 軸に関して回転させることによって衝突が発生しないようにする．さらに，衝突する原因が x 軸，y 軸の両方にあるときは x 軸および y 軸に関して回転させることによって衝突が発生しないようにする．これによって，急角度で移動しながら印刷することができるようになる．

201 … 拡張ソリッド・モデリング処理
202 … 拡張ソリッド・モデル
203 … 拡張スライス処理
204 … NC プログラム
205 … 拡張 3D 印刷処理
206 … 3D オブジェクト
501 … 印刷場なし 3D モデル
502 … 印刷場つき 3D モデル
602 … リモコン
603 … センサ処理装置
604 … 人体追跡・処理装置
611 … 圧力センサ
801 … フィラメント
802 … ヒーター (抵抗器)
803 … サーミスタ
804 … ノズル (伝熱材)
805 … 断熱材
901 … x 軸ステッピング・モータ
902 … y 軸ステッピング・モータ
903 … プリント・ヘッド

Claims (16)

1. 内部の各点において自然な方向が指定された拡張 3D オブジェクト・モデルを入力して，フィラメントをかさねて 3D オブジェクトを造形する 3 次元印刷方法であって，入力した前記の拡張 3D オブジェクト・モデルを前記の自然な方向にそって糸状の部分に分割し，前記の糸状の部分にそって移動することを指示する NC プログラムを出力する拡張スライス処理と，前記の NC プログラムを入力し 3D プリンタのノズルを前記の糸状の部分にそって移動しフィラメントによって充填することによって 3D オブジェクトを造形し出力する拡張 3D 印刷処理とで構成されることを特徴とする 3 次元印刷方法．
2. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
   前記の拡張スライス処理にさきだって，時刻ごとに 3 次元空間上の 1 個または複数個の位置を入力する 3 次元ポインティング・デバイスの動作軌跡と動作方向を蓄積することにより，前記の拡張 3D オブジェクト・モデルを生成する拡張ソリッド・モデリング処理をおこなうことを特徴とする 3 次元印刷方法．
3. 請求項２の 3 次元印刷方法において，
   前記の 3 次元ポインティング・デバイスに前記の動作軌跡の幅および形状の指定手段を使用し，前記の動作軌跡と動作方向とあわせて幅または形状を蓄積することにより，前記の拡張 3D オブジェクト・モデルを，場合によってはより少ない数の軌跡によって生成することができ，場合によってはより多い数の軌跡によって生成することを特徴とする 3 次元印刷方法．
4. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
   内部の各点において方向が指定された 3D モデル部品をくみあわせることによって前記の拡張 3D オブジェクト・モデルを生成することを特徴とする 3 次元印刷方法．
5. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
   前記の自然な方向に前記のノズルが進行するにつれて前記の糸状の部分の断面積が拡大するとき，拡大した部分を複数の糸状の部分に分割することにより，分割後の第 2 の糸状の部分の断面積を一度にフィラメントによって充填することができるようにして，前記の第 2 の糸状の部分を充填することを特徴とする 3 次元印刷方法．
6. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
   前記の自然な方向に前記のノズルが進行するにつれて前記の糸状の部分の断面積が縮小するとき，縮小した部分において複数の糸状の部分を統合して断面積を拡大した第 2 の糸状の部分を生成し，前記の第 2 の糸状の部分をフィラメントによって一度に充填することを特徴とする 3 次元印刷方法．
7. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
   前記の自然な方向に前記のノズルが進行するにつれて前記の糸状の部分の幅と高さのうちの一方が縮小し他方が拡大するとき，進行前においては水平方向にならんだ 2 つの糸状の部分が進行するにつれてねじれて，進行後は垂直方向にならぶように変形することにより，射出を停止することなく幅と高さが変化する前記の糸状の部分をフィラメントによって充填することを特徴とする 3 次元印刷方法．
8. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
   フィラメントを射出する前記のノズルの先端を細くすることにより，前記の糸状の部分が急角度で上昇または下降していても，前記のノズルを前記の糸状の部分にそって移動させながら前記の糸状の部分をフィラメントで充填することを特徴とする 3 次元印刷方法．
9. 請求項８の 3 次元印刷方法において，
   サーミスタを使用して射出するフィラメントの温度を制御するとき，
   前記のノズルを断熱材によって被覆することによって，前記のノズルの先端と前記のサーミスタの温度差をおさえることを特徴とする 3 次元印刷方法．
10. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
    前記の 3D プリンタがプリント・ヘッドを水平軸に関して回転させる機構を有し，
    前記の糸状の空間が急角度で上昇または下降していても，前記のプリント・ヘッドを回転させることによりノズルが前記の 3D オブジェクトのすでに印刷した部分に衝突することなく，前記のノズルを前記の空間にそって移動させながら前記の空間をフィラメントで充填することができることを特徴とする 3 次元印刷方法．
11. 請求項１の 3 次元印刷方法において，
    前記の拡張 3D オブジェクト・モデルを印刷する際に前記の 3D オブジェクトの既印刷部分に衝突するとき，前記の拡張 3D オブジェクト・モデルを複数の部分に分割し，各部分の印刷順序を変更することによって，既印刷部分に衝突することなく印刷することを可能にすることを特徴とする 3 次元印刷方法．
12. 内部の各点において自然な方向が指定された拡張 3D オブジェクト・モデルを入力して，フィラメントをかさねて 3D オブジェクトを造形する 3D プリンタであって，
    前記の自然な方向が水平でないときも前記の拡張 3D オブジェクト・モデルに対応する空間を前記の自然な方向にそってフィラメントによって充填し， 3D オブジェクトを造形することを特徴とする 3D プリンタ．
13. 請求項１２の 3D プリンタにおいて，
    前記の自然な方向が急角度で上昇または下降していても，フィラメントを射出するノズルの先端を針状にすることにより，前記のノズルが射出ずみのフィラメントと衝突することなく，前記の自然な方向に移動させながら前記の空間をフィラメントで充填することを特徴とする 3D プリンタ．
14. 請求項１３の 3D プリンタにおいて，
    サーミスタを使用して射出するフィラメントの温度を制御するとき，
    前記のノズルを断熱材によって被覆することによって，前記のサーミスタと前記の射出するフィラメントの温度差をおさえて正確な温度制御を実現することを特徴とする 3D プリンタ．
15. 請求項１３の 3D プリンタにおいて，
    サーミスタを使用して射出するフィラメントの温度を制御するとき，
    前記のノズルの先端付近に前記のサーミスタを設置することにより，前記のノズルの上下で温度差があるときでも前記のサーミスタと前記の射出するフィラメントの温度差をおさえて正確な温度制御を実現することを特徴とする 3D プリンタ．
16. 請求項１２の 3D プリンタにおいて，
    前記の自然な方向が急角度で上昇または下降していても，フィラメントを射出するノズルを回転させることにより，前記のノズルが射出ずみのフィラメントと衝突することなく，前記の自然な方向に移動させながら前記の空間をフィラメントで充填することを特徴とする 3D プリンタ．

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