JP2015208873A - ３次元造形データ生成装置、３次元造形データ生成方法、及び、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】分割後の造形物の強度不足を回避し、造形物の破損を防止する３次元造形データ生成装置を提供する。【解決手段】所定の造形装置で造形物を形成するための３次元形状データを生成する３次元形状データ生成手段と、造形物を分割する分割位置を３次元形状データ上に指定する分割位置指定手段と、分割位置指定手段により指定された分割位置における分割面の強度を判定する強度判定手段と、強度判定手段により判定された分割面の強度が予め定められた閾値以下のとき、指定された分割位置が不適当であると判定する分割位置判定手段と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、３次元造形データ生成装置、３次元造形データ生成方法、及び、プログラムに関する。

従来から、製品開発においては、設計段階や試作段階にていくつかの試作品を作成し、外観や性能の評価を行っている。また、昨今、試作品の造形データを３次元ＣＡＤで作成し、このＣＡＤデータを用いて試作モデルを作成する「ラピッドプロトタイピング」という技術が知られている。そして、ラピッドプロトタイピングの１つとして、対象物の３次元ＣＡＤデータからスライス状のデータを１層ずつ積層して立体物を形成する「積層造形法」が知られている。

上記に関し、特許文献１には、内部構造を観察する目的で、目的とする立体物をあたかも一体物として作成しつつ、当該一体物を分割可能ならしめるように３次元ＣＡＤデータを生成するＣＡＤデータ生成装置が開示されている。特許文献１では、建築物や構造物の一体物の３次元ＣＡＤデータについて指定された分割指示面により作り出される分割面に対し、パターンデータや嵌合物を設けるように３次元ＣＡＤデータの加工が行われている。

しかし、特許文献１に記載されたように単に分割支持面を指定するのみでは、分割指示面により作り出される分割面について所望の厚みや形状等が得られない場合、造形後のオブジェクトの強度が不足し、破損しやすいという問題が起こり得る。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、分割後の造形物の強度不足を回避し、造形物の破損を防止する３次元造形データ生成装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の３次元造形データ生成装置は、所定の造形装置で造形物を形成するための３次元形状データを生成する３次元形状データ生成手段と、造形物を分割する分割位置を３次元形状データ上に指定する分割位置指定手段と、分割位置指定手段により指定された分割位置における分割面の強度を判定する強度判定手段と、強度判定手段により判定された分割面の強度が予め定められた閾値以下のとき、指定された分割位置が不適当であると判定する分割位置判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、分割後の造形物の強度不足を回避し、造形物の破損を防止することが可能となる。

本発明の実施形態における３次元造形システムの全体概略図である。 本発明の実施形態における３次元造形装置の概略機構図である。 本発明の実施形態における３次元造形装置の動作手順を示す模式図である。 本発明の実施形態における３次元造形データ生成装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態において３次元形状から生成されるスライスデータについて説明する模式図である。 本発明の実施形態における３次元形状データ生成手順について説明するフローチャートである。 本発明の実施形態において分割位置の初期指定位置の決定について説明する模式図である。 本発明の実施形態における分割面の強度判定について説明する模式図である。 本発明の実施形態における分割面の強度判定について説明する模式図である。 本発明の実施形態における分割面の形状決定について説明する模式図である。 本発明の実施形態における分割面の形状決定について説明する模式図である。 本発明の実施形態における分割形状データの再配置について説明する模式図である。 本発明の実施形態における分割形状データの再配置について説明する模式図である。

本発明の実施形態の３次元造形データ生成装置に関し以下図面を用いて説明するが、本発明の趣旨を越えない限り、何ら本実施形態に限定されるものではない。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。

本実施形態における３次元造形データ生成装置を含む３次元造形システムの概略について図１を参照して説明する。本実施形態における３次元造形システムは、例えば、３次元造形データ生成装置としてのパーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」という。）１と造形装置としての３次元造形装置２とが所定のネットワークを介して接続されたものとして構成されたシステムである。

なお、ネットワークは、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）であってよく、また、有線で無線の何れであってもよい。

また、ここでは３次元造形装置２として、供給槽と造形槽からなる粉末積層部のみを示している。ただし、これは、粉末積層法を利用する造形システムに係る３次元造形装置であることをイメージして表現したものにすぎず、３次元造形装置２が実際に粉末積層部のみからなることを示しているわけではない。

さらに、ＰＣ１には、例えばＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）ソフトのようなプログラムがインストールされ、これによって３次元形状データを生成するものであってよい。ユーザはＣＡＤソフトで造形物をデザインし、作成された３次元形状データが、３次元造形装置２が解釈可能なデータフォーマットに変換され、３次元造形装置２に送信される。

なお、ＰＣ１は、少なくとも、上記のＣＡＤソフトを実行するのに必要な、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）のような記憶媒体や、ハードディスクや、各種通信インタフェース等を備える。

次に、本実施形態における３次元造形装置２の概略構成について図２を参照して説明する。なお、ここでは、３次元造形装置２を粉末積層部と主走査部のキャリッジのみで表現しているが、３次元造形装置２が図２に示す構成であると限定する趣旨で表現したものではない。

３次元造形装置２は、インクジェットヘッド（以下、「ＩＪヘッド」という。）２１と、リコーター２２と、粉末積層部を構成する供給槽２３及び造形槽２４を含み、構成されている。

ＩＪヘッド２１は粉末材料を結合して硬化させるためのバインダー液を吐出する。リコーター２２は粉末積層部上の粉末を均すように移動し、供給槽２３から造形槽２４へ粉末材料を供給する。供給槽２３が底面に備える供給ステージや、造形槽２４が底面に備える造形ステージは不図示のモータによって上下動するように構成されている。ＩＪヘッド２１は、造形槽２４側の上部に設置され、主走査方向Ａ、副走査方向Ｈに移動可能に構成されている。

次に、本実施形態における３次元造形装置２による造形手順について図３を参照して簡単に説明する。前提として、ここでは、供給槽２３から造形槽２４に粉末が供給されているものとする。

まず、造形槽２４側の粉末面上にＩＪヘッド２１からバインダー液Ｂが滴下される（工程［１］）。その後、バインダー液Ｂが滴下された箇所の粉末が凝固される（工程［２］）。

その後、供給槽２３の供給ステージを矢印Ｕ方向へ上昇させるとともに、造形槽２４の造形ステージを矢印Ｄ方向へ下降させる。その結果、供給槽２３の上部に現れた造形槽２４との差分としての粉末をリコーター２２で造形槽２４側へ移動させ、造形槽２４側の表面を平らに均す（工程［３］）。そして、造形槽２４側に新たな粉末層が形成される（工程［４］）。なお、このとき形成される粉末層の厚みは１００μｍ以下であることが望ましい。

次に、本実施形態における３次元造形データ生成装置５０の機能ブロックについて図４を参照して説明する。本実施形態における３次元造形データ生成装置５０は、機能ブロックとして、入力部５１と、３次元形状データ生成部５２と、表示部５３と、分割位置指定部５４と、強度判定部５５と、分割位置判定部５６と、通信部５７と、分割形状データ再配置部５８を含み、構成されている。

入力部５１は、例えばマウス等の入力デバイスを使用したユーザ操作などにより造形対象となる３次元ＣＡＤデータの入力を受け付ける。表示部５３は、例えばモニタに出力された３次元ＣＡＤデータや、生成した造形データの３Ｄグラフィックスを表示する。

３次元形状データ生成部５２は、例えば本実施形態における３次元造形装置２で造形物を形成するための３次元形状データを生成する３次元形状データ生成手段である。

分割位置指定部５４は、造形物を分割する分割位置を３次元形状データ上に指定する分割位置指定手段である。

強度判定部５５は、分割位置指定部５４により指定された分割位置における分割面の強度を判定する強度判定手段である。強度判定部５５は、分割面の強度を判定する際、例えば、分割面の厚みや、分割面の断面積に基づいて判定する。また、強度判定部５５は、指定された分割位置における分割面が２以上現れるか否かに基づいて分割面の強度を判定してもよい。

分割位置判定部５６は、強度判定部５５により判定された分割面の強度が予め定められた閾値以下のとき、指定された分割位置が不適当であると判定する分割位置判定手段である。本処理についての詳細は後述する。

分割位置指定部５４は、分割位置判定部５６により、指定された分割位置が不適当であると判定されたとき、指定された分割位置を基準として３次元形状データが分割される方向に沿って指定された分割位置から所定距離移動した移動分割位置を指定する。本処理についての詳細は後述する。

また、３次元形状データ生成部５２は、指定された分割位置において３次元形状データから分割される２以上の分割形状データのうち、高さの低い分割形状データの分割面に、少なくとも高さの高い分割形状データの高さを越えない高さの突出部を設けるように、３次元形状データを生成してもよい。本処理についての詳細は後述する。

また、３次元形状データ生成部５２は、指定された分割位置において３次元形状データから分割される２以上の分割形状データの何れか１の分割面に、２以上の分割形状データに基づいて形成される２以上の分割造形物が所定の接着剤により接着される際に接着剤を収容する空間を設けるように３次元形状データを生成してもよい。本処理についての詳細は後述する。

さらに、分割形状データ再配置部５８は、指定された分割位置において３次元形状データから分割される２以上の分割形状データに基づいて２以上の分割造形物を形成する際の造形装置の動作時間が最小となるように２以上の分割形状データを再配置する分割形状データ再配置手段である。本処理についての詳細は後述する。

通信部５７は、３次元造形データ生成装置５０により生成された３次元形状データを３次元造形装置２へ送信する通信インタフェースである。

次に、本実施形態における３次元形状から生成されるスライスデータについて図５を参照して説明する。ここでは、例えば、ある造形物が全体としてＮ層で構成されるものとする。スライスデータの作成は、本図に示すように３次元ＣＡＤで入力された形状データをＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データに変換し、ＳＴＬデータをＮ層にスライスすることにより、スライスデータを作成する。

次に、本実施形態における３次元形状データ生成手順について図６を参照して説明する。まず、分割位置指定部５４は、３次元形状データを分割する初期位置を求める（ステップＳ１）。分割する初期位置の求め方についての詳細は後述する。

次に、分割位置判定部５６は、分割位置指定部５４により指定された分割位置の適否を、強度判定部５５により判定された分割面の強度に基づいて判定する（ステップＳ２）。分割位置判定部５６により分割位置が適切であると判定されたとき（ステップＳ２、ＹＥＳ）、指定された位置での分割面の形状を決定する（ステップＳ６）。その後、分割形状データ再配置部５８により、分割形状データが再配置される（ステップＳ７）。

他方、分割位置判定部５６により分割位置が不適当であると判定されたとき（ステップＳ２、ＮＯ）、分割位置指定部５４は、分割を指定する位置を初期位置から移動させる（ステップＳ４）。このとき、３次元形状データの重心方向に分割指定位置を移動させることが望ましい。

その後、分割位置判定部５６により移動後の分割位置が許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ５）。そして、分割位置判定部５６により移動後の分割位置が許容範囲内でないと判定されたとき（ステップＳ５、ＮＯ）、その後の分割は行わずに処理を終了する。なお、初期位置を次に短い寸法方向に対して設定し、再度、上述した手順を実行してもよい。

一方、分割位置判定部５６により移動後の分割位置が許容範囲内であると判定されたとき（ステップＳ５、ＮＯ）、再度、分割位置判定部５６により指定された分割位置の適否を判定する（ステップＳ２）。

上述した分割する初期位置の求め方の詳細について図７を参照して説明する。図７（Ａ）は、立方体形状の３次元形状データにおける最大面積の面の一方を下側にした場合に、３次元形状データの厚さ方向、あるいは短手方向がｚ方向となるものである。また、図７（Ｂ）は、立方体形状の３次元形状データにおける最小面積の面の一つを下側にした場合に、３次元形状データの厚さ方向、あるいは短手方向がｘ方向となるものである。

本実施形態では、図７（Ａ）（ａ）、図７（Ｂ）（ａ）に示すように、初期位置を、３次元形状データのｘ、ｙ、ｚ方向の寸法のうち、最も短い寸法方向の中点に対して垂直に位置付ける。ここでは、最も短い寸法方向は共に厚さ方向であるため、厚さ方向であるｚ方向、ｘ方向のそれぞれの中点に対して垂直な位置を分割する初期位置とする。

そして、例えば、分割された２つの分割形状データ（以下、「分割オブジェクト」という。）を、最大面積の面を下側として、厚さ方向、あるいは短手方向をｚ方向として、ｘ方向に並べるように再配置する。これにより、ｚ方向、つまり高さ方向の寸法を小さくできるので、キャリッジの走査回数が減り、造形時間を短縮することができる。

次に、本実施形態における分割面の強度判定について図８及び図９を参照して説明する。上述したように、本実施形態では分割面の強度判定を、分割面の厚み及び断面積、並びに分割面が２以上現れるか否かに基づいて行う。

図８（ａ）は、分割面の厚みに基づいて強度判定を行う場合について説明する模式図である。例えば、図８（ａ）に示すように分割面の形状において記号ｍや記号ｎで示す最小肉厚が現れるとする。最小肉厚の部分を有する造形物が形成された際、形成された造形物の強度は低下してしまう。そこで、本実施形態では、例えば記号ｍや記号ｎで示される最小肉厚が予め定められた閾値以下であるとき、分割位置判定部５６は指定された分割位置が不適当であると判定する。なお、上記閾値を、３次元造形装置の分解能の数倍に設定することが望ましい。

図８（ｂ）は、分割面の断面積に基づいて強度判定を行う場合について説明する模式図である。例えば、図８（ｂ）に示すように分割面の断面積ｓが予め定められた閾値以下であるとき、このまま形成される造形物の強度が低下してしまう。そこで、本実施形態では、分割面の断面積ｓが予め定められた閾値以下であるとき、分割位置判定部５６は指定された分割位置が不適当であると判定する。なお、分割面の断面積に代えて、分割面におけるバインダー液の総量を基準にして強度判定を行ってもよい。

図９は、分割面が２以上現れるか否かに基づいて強度判定を行う場合について説明する模式図である。例えば、生成される３次元形状データが図９（ａ）に示すような断面視略凹形状の立体形状データであるとき、上方に突出した部分における任意の位置を指定して分割すると、図９（ｂ）に示すように２つの分割面が現れることになる。

この場合、本実施形態では、分割位置判定部５６は、２つの分割面が現れるような分割位置は不適当であると判定する。分割面は造形後、所定の接着剤にて接着されることが多い。本例のように分割面が複数現れると、その分、分割面を接着する接着面も増加することとなり、接着面は強度が低下してしまうからである。

次に、本実施形態における分割面の形状決定処理について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、指定された分割位置において分割された２つの分割オブジェクトのうち、高さが低い方の分割オブジェクトの分割面に、高さの高い方の分割オブジェクトの高さを越えない高さの突出部を設ける例を示したものである。ここでは、突出部として２つの分割オブジェクトを嵌合するための凸形状を高さの低い分割オブジェクトに付加している（図１０（ｂ）参照）。

通常、指定される分割位置は、３次元形状データにおける高さの中間点であることが望ましい。一方、その中間点を分割位置に指定されたときに形成される分割面が上述のように不適当であると判定される場合、その中間点から分割位置を移動しなければならない（図１０（ａ）参照）。

例えば、図１０（ａ）に示すように、中間点より下方へ下がった位置を分割位置として指定したとする。そして、図１０（ｂ）に示すように、分割オブジェクトに基づく分割造形物を強固に結合させるための凸形状を高さの低い方の分割オブジェクトに形成する。これにより、分割オブジェクトを再配置して分割造形物を形成する際に、凸形状が形成された高さの低い方の分割オブジェクトの高さが、高さの高い方の分割オブジェクトの高さに近似する。

このため、キャリッジにより高さの高い方の分割オブジェクトに基づく分割造形物だけを走査するといった無駄な動作をなくすことができ、結果として造形時間を短縮することができる。これは、高さの高い分割オブジェクトに基づく分割造形物の高い方の造形に合わせて、高さの低い分割オブジェクトに基づく分割造形物及びそれに付加された凸形状を造形することになるからである。

図１１は、２以上の分割オブジェクトの何れか１の分割面に、２以上の分割オブジェクトに基づいて形成される２以上の分割造形物が所定の接着剤により接着される際に接着剤を収容する空間を設ける例について示したものである。これにより、分割オブジェクトに基づいて形成される分割造形物を接着する際、接着剤の厚みにより接着後の寸法が変化しないようにすることができる。

３次元形状データを分割する場合、造形後に分割造形物を接着剤等で接着することが多い。その際、造形物の寸法に接着剤分の厚みが加えられるため、入力した３次元形状データに対して寸法が異なってしまう。そこで、本実施形態では、造形後に塗布される接着剤の厚みが造形物の寸法に影響を与えないように分割面を加工する。

具体的には、例えば、図１１（ａ）に示すように、分割面に対し、分割造形物同士が嵌合するような凹凸形状を設ければよい。その際、図１１（ｂ）に示すように、接着面において、接着剤の厚みを吸収するような空間を設けることが望ましい。このようにすることで、造形後の分割造形物を接着する際、接着剤の厚みが造形物の寸法に影響を与えることを回避することができる。

次に、本実施形態における分割オブジェクトの再配置について図１２を参照して説明する。図１２は、ＩＪヘッド２１の副走査方向に対してＩＪヘッド２１の走査量が最小となるように、分割オブジェクトを再配置する例について説明する模式図である。

つまり、図１２（ａ）のように分割された分割オブジェクトを、図１２（ｂ）に示すように、分割オブジェクトの長手方向をＩＪヘッド２１の主走査方向に沿わせるように並列させる。これにより、副走査方向へのＩＪヘッド２１の走査回数を減らすことができる。副走査方向へのヘッド走査回数が減る分、主走査方向に対するヘッドの加減速回数が少なくなり、ヘッド走査の平均速度が速くなる。このため、造形物の造形時間を短縮することができる。

上記に代えて、図１３に示すように、分割オブジェクトのうち高さが最も高い分割オブジェクトをＩＪヘッド２１のホームポジションの近くに再配置することとしてもよい。これにより、造形終盤において、残りが当該オブジェクトのみの造形となったとき、ヘッドの移動量を小さくすることができる。このため、高さが最も高い分割オブジェクトをヘッドのホームポジション近くに配置しなかった場合と比べて、造形時間を短縮することができる。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。例えば、上述した本実施形態の３次元造形データ生成装置における各処理を、ハードウェア、又は、ソフトウェア、あるいは、両者の複合構成を用いて実行することも可能である。

なお、ソフトウェアを用いて処理を実行する場合には、処理シーケンスを記録したプログラムを、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ内のメモリにインストールして実行させることが可能である。あるいは、各種処理が実行可能な汎用コンピュータにプログラムをインストールして実行させることが可能である。

１ ＰＣ
２ ３次元造形装置
２１ ＩＪヘッド
２２ リコーター
２３ 供給槽
２４ 造形槽
５０ ３次元造形データ生成装置
５１ 入力部
５２ ３次元形状データ生成部
５３ 表示部
５４ 分割位置指定部
５５ 強度判定部
５６ 分割位置判定部
５７ 通信部
５８ 分割形状データ再配置部

特開２０１１−０３９６９５号公報

Claims (10)

1. 所定の造形装置で造形物を形成するための３次元形状データを生成する３次元形状データ生成手段と、
   前記造形物を分割する分割位置を前記３次元形状データ上に指定する分割位置指定手段と、
   前記分割位置指定手段により指定された分割位置における分割面の強度を判定する強度判定手段と、
   前記強度判定手段により判定された前記分割面の強度が予め定められた閾値以下のとき、前記指定された分割位置が不適当であると判定する分割位置判定手段と、
   を備えることを特徴とする３次元造形データ生成装置。
2. 前記分割位置指定手段は、前記分割位置判定手段により、前記指定された分割位置が不適当であると判定されたとき、前記指定された分割位置を基準として前記３次元形状データが分割される方向に沿って前記指定された分割位置から所定距離移動した移動分割位置を指定することを特徴とする請求項１記載の３次元造形データ生成装置。
3. 前記強度判定手段は、前記分割面の強度を前記分割面の厚みに基づいて判定することを特徴とする請求項１又は２記載の３次元造形データ生成装置。
4. 前記強度判定手段は、前記分割面の強度を前記分割面の断面積に基づいて判定することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の３次元造形データ生成装置。
5. 前記強度判定手段は、前記分割面の強度を、前記分割位置指定手段により指定された分割位置における分割面が２以上現れるか否かに基づいて判定することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の３次元造形データ生成装置。
6. 前記３次元形状データ生成手段は、前記指定された分割位置において前記３次元形状データから分割される２以上の分割形状データのうち、高さの低い分割形状データの分割面に、少なくとも高さの高い分割形状データの高さを越えない高さの突出部を設けるように、前記３次元形状データを生成することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の３次元造形データ生成装置。
7. 前記３次元形状データ生成手段は、前記指定された分割位置において前記３次元形状データから分割される２以上の分割形状データの何れか１の分割面に、前記２以上の分割形状データに基づいて形成される２以上の分割造形物が所定の接着剤により接着される際に前記接着剤を収容する空間を設けるように前記３次元形状データを生成することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の３次元造形データ生成装置。
8. 前記指定された分割位置において前記３次元形状データから分割される２以上の分割形状データに基づいて２以上の分割造形物を形成する際の前記造形装置の動作時間が最小となるように前記２以上の分割形状データを再配置する分割形状データ再配置手段を備えることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の３次元造形データ生成装置。
9. 所定の造形装置で造形物を形成するための３次元形状データを生成する工程と、
   前記造形物を分割する分割位置を前記３次元形状データ上に指定する工程と、
   前記指定された分割位置における分割面の強度を判定する工程と、
   前記判定された前記分割面の強度が予め定められた閾値以下のとき、前記指定された分割位置が不適当であると判定する工程と、
   を備えることを特徴とする３次元形状データ生成方法。
10. 所定の造形装置で造形物を形成するための３次元形状データを生成する処理と、
    前記造形物を分割する分割位置を前記３次元形状データ上に指定する処理と、
    前記指定された分割位置における分割面の強度を判定する処理と、
    前記判定された前記分割面の強度が予め定められた閾値以下のとき、前記指定された分割位置が不適当であると判定する処理と、
    をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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