JP2017056574A - 立体造形装置、立体造形方法及び立体造形装置の制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】粉末材料を選択的に凝固させた層を積層することにより立体物を形成する造形装置において、立体物の位置確認を行う方法の提供。
【解決手段】入力された情報に基づいて成形材の層を積層させて造形を行う立体造形装置２であって、立体物の形状の情報に基づいて生成される層情報を造形ステージ２１１に映し出す投影情報２０３に変換し、造形ステージ２１１上に形成された平面状の粉末材料の層に対し、層情報に基づいて凝固剤を吐出２０１し、さらに、凝固剤が吐出される画素に投影情報に基づいて画像の投影２０３を行う方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、立体造形装置、立体造形方法及び立体造形装置の制御プログラムに関し、特に、粉末中に埋没した状態で形成されている造形物の位置確認に関する。

近年、ラピッドプロトタイピング等の分野において三次元造形という技術が用いられている。かかる三次元造形によって得られた立体物は、商品開発段階等において最終製品の外観や性能の評価を行うための試作品、または展示品等として利用されることが多い。

このような三次元造形の技術の１つとして、立体物を輪切りにした形状を造形して積層していくことにより目的の立体物を形成する積層法が知られている。そして、そのような積層法を用いる三次元造形装置の１つとして、粉末等の成形材料を成形部分に対応する位置に供給し、後から成形材料を凝固させるための液体を供給することで層を形成する粉末積層造形プリンタがある。

このような粉末積層造形プリンタにおいては、造形対象の立体物が未硬化の粉末材料に埋没した視認性の悪い状態で形成される。これに対して、視認性の悪い状態で形成される目的の立体物の三次元画像をコンピュータを用いて確認する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された方法では、粉末積層造形プリンタに接続されたコンピュータに立体物の三次元画像を表示させ、造形過程における立体物の形状を確認することが出来る。しかし、粉末材料を供給した際に造形済みの立体物が粉末材料に覆われるため、造形ステージ上における立体物の位置を確認することが出来ない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、粉末材料を選択的に凝固させた層を積層することにより立体物を形成する造形装置において、立体物の位置確認を行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、入力された情報に基づいて成形材の層を積層させて前記立体物を造形する際に造形される立体物の画像を投影する立体造形装置であって、平面状の粉末材料を鉛直方向に堆積させるように供給する粉末材料供給部と、前記立体物の形状を示す情報が前記成形材の層に相当するように分割されて生成された層情報を取得する層情報取得部と、平面状に供給された前記粉末材料に対して、前記粉末材料を凝固させるための凝固剤を、前記層情報に基づいて決定される位置に選択的に吐出して、前記粉末材料を凝固させることにより前記成形材の層を形成する凝固剤吐出部と、前記層情報に応じて生成される投影情報に基づき、前記平面状の粉末材料の面に対して画像を投影する画像投影部とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、粉末材料を選択的に凝固させた層を積層することにより立体物を形成する造形装置において、立体物の位置確認を行うことが出来る。

本発明の実施形態に係るシステムの運用形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る情報処理装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る３Ｄプリンタの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る粉末供給の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る３Ｄプリンタの機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るＰＣの機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る光学レンズと造形ステージとの距離を算出する際の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る投影スライスデータの生成についての説明図である。 本発明の実施形態に係るスライスデータの投影動作の例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る輪切り処理部の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る複数のスライスデータの合成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る合成したスライスデータの投影態様を示す図である。 本発明の実施形態に係るスライスデータを合成して投影する動作の例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るスライスデータの選択を例示した図である。 本発明の実施形態に係るスライスデータを選択して投影する動作の例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る最大値をとるスライスデータを例示した図である。 本発明の実施形態に係る最大値をとるスライスデータを投影する動作の例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る投影スライスデータから進捗率の算出する際の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係るスライスデータと進捗率を投影する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るスライスデータの投影後に造形を実行する動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態においては、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データなどの立体物の形状を示す３Ｄデータを受信し、そのデータに基づいて成形材の層を堆積させることにより立体物を形成する３Ｄプリンタと、３Ｄプリンタに３Ｄデータを送信するＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）とによって構成されるシステムを例として説明する。

図１は、本実施形態に係る立体造形システムの運用形態を示す図である。本実施形態に係る立体造形システムは、入力された３Ｄデータを解析してデータを変換した上で立体造形装置である３Ｄプリンタに立体造形出力を実行させるＰＣ１と、ＰＣ１の制御に従って立体造形出力を実行する３Ｄプリンタ２とを含む。従って、３Ｄプリンタ２が立体物の製造装置としても用いられる。ここで、ＰＣ１のハードウェア構成について図２を参照して説明する。

図２に示すように、本実施形態に係るＰＣ１は、一般的な情報処理装置と同様の構成を含む。即ち、本実施形態に係るＰＣ１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３０、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）４０及びＩ／Ｆ５０がバス８０を介して接続されている。また、Ｉ／Ｆ５０にはＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）６０及び操作部７０が接続されている。

ＣＰＵ１０は演算手段であり、ＰＣ１全体の動作を制御する。ＲＡＭ２０は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性の記憶媒体であり、ＣＰＵ１０が情報を処理する際の作業領域として用いられる。ＲＯＭ３０は、読み出し専用の不揮発性記憶媒体であり、ファームウェア等のプログラムが格納されている。ＨＤＤ４０は、情報の読み書きが可能な不揮発性の記憶媒体であり、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や各種の制御プログラム、アプリケーション・プログラム等が格納される。

Ｉ／Ｆ５０は、バス８０と各種のハードウェアやネットワーク等を接続し制御する。ＬＣＤ６０は、ユーザがＰＣ１の状態を確認するための視覚的ユーザインタフェースである。操作部７０は、キーボードやマウス等、ユーザがＰＣ１に情報を入力するためのユーザインタフェースである。

このようなハードウェア構成において、ＲＯＭ３０に格納されたプログラムや、ＨＤＤ４０若しくは図示しない光学ディスク等の記憶媒体からＲＡＭ２０にロードされたプログラムに従ってＣＰＵ１０が演算を行うことにより、ソフトウェア制御部が構成される。このようにして構成されたソフトウェア制御部と、ハードウェアとの組み合わせによって、本実施形態に係るＰＣ１の機能を実現する機能ブロックが構成される。

次に、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２の構成について図３を参照して説明する。本実施形態に係る３Ｄプリンタ２は、立体物を成形するために成形材を積層していくための造形ステージ２１１、造形ステージ２１１上に粉末材料を供給する粉末供給基盤２１２、粉末供給基盤２１２上の粉末材料を造形ステージ２１１側へ供給するリコーター２１３、造形ステージ２１１側に供給された粉末材料を凝固させるためのバインダー液Ｐを吐出するＩＪ（ＩｎｋＪｅｔ）ヘッド２０１及びＩＪヘッド２０１を支持し、造形ステージ２１１上の空間においてＩＪヘッド２０１を移動させるアーム２０２、造形ステージ２１１に向けて画像を投影する投影機２０３を含む。投影機２０３は３Ｄプリンタ２の筐体に固定されており、投影機２０３と造形ステージ２１１の基準位置との位置関係は固定されている。また、投影機２０３の位置情報は予めＰＣ１に送信され、ＰＣ１のＨＤＤ４０等の記憶媒体に記憶されている。

３Ｄプリンタ２は、上述したように、入力された３Ｄデータによって形状が表現される立体造形物を水平方向に輪切り状に分割にして生成される輪切り画像に応じてＩＪヘッド２０１からバインダー液Ｐを吐出する。吐出されたバインダー液Ｐが造形ステージ２１１上に供給された粉末材料を凝固させることにより一層分の成形が実行され、そのような層を積層していくことによって立体造形が行われる。さらに、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２は、投影機２０３を含み、造形ステージ２１１に対して輪切り画像を投影する。以下、図４（ａ）〜（ｆ）を参照して、本実施形態に係る一層分の成形動作について説明する。

図４（ａ）に示すように、粉末供給基盤２１２上には粉末材料が積載されている。リコーター２１３が移動して粉末供給基盤２１２上に積載された粉末材料を造形ステージ２１１側に押し出すことにより、図４（ｂ）に示すように造形ステージ２１１上に一層分の粉末材料が供給される。

図４（ｂ）に示すように造形ステージ２１１上に粉末材料が供給されると、図４（ｃ）に示すように、ＩＪヘッド２０１から輪切り状の画像データに応じた位置にバインダー液Ｐが吐出される。バインダー液Ｐとは、粉末材料を凝固させるための凝固剤である。これにより、図４（ｄ）に示すように、バインダー液Ｐが吐出された部分の粉末材料が、輪切り状の画像データに応じて選択的に凝固される。さらにこの時、投影機２０３によって、ＩＪヘッド２０１によってバインダー液Ｐが吐出される際に参照された輪切り状の画像データに基づいた投影データが造形ステージ２１１に対して投影される。即ち、ＩＪヘッド２０１及びアーム２０２が、平面状に供給された粉末材料に対して、成形対象の立体物の情報に基づいて決定される位置に選択的にバインダー液Ｐを吐出し、バインダー液Ｐと粉末材料との成形材の層を積層させる凝固剤吐出部として機能する。また、投影機２０３は輪切り状の画像データを投影する画像投影部として機能する。

図４（ｄ）に示すように一層分の成形が完了すると、図４（ｅ）に示すように造形ステージ２１１と粉末供給基盤２１２との高さを調整し、再度リコーター２１３を移動させることにより、図４（ｆ）に示すように、既に成形が完了した層の上に新たな層のための粉末材料の層を設ける。このような動作を繰り返すことにより、粉末材料が凝固した成形層を積層させていき、立体造形が行われる。また、投影機２０３の機能により、立体造形の過程において、成形層が造形ステージ２１１上のどの位置で積層しているかを視覚的に確認することが出来る。即ち、造形ステージ２１１、粉末供給基盤２１２及びリコーター２１３が、平面状の粉末材料を鉛直方向に堆積させるように供給する粉末材料供給部として機能する。

尚、３Ｄプリンタ２も、図２において説明した構成に準ずる情報処理機能を含む。そして、そのような情報処理機能によってＰＣ１からの制御を受け付けると共に、情報処理機能によって実現される制御部によって、造形ステージ２１１と粉末供給基盤２１２との高さの調節、リコーター２１３の移動、アーム２０２の移動やＩＪヘッド２０１からの成形材の吐出及び投影機２０３からの画像の投影が制御される。

次に、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２の制御構成について図５を参照して説明する。図５に示すように、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２は、粉末供給基盤２１２及びリコーター２１３によって構成される粉末供給部２１０、ＩＪヘッド２０１及び投影機２０３に加えて、それらを制御するコントローラ２２０を含む。

コントローラ２２０は、主制御部２２１、ネットワーク制御部２２２、粉末供給部ドライバ２２３、ＩＪヘッドドライバ２２４及び投影機ドライバ２２５を含む。主制御部２２１は、コントローラ２２０において全体を制御する制御部であり、ＯＳやアプリケーション・プログラムに従ってＣＰＵ１０が演算を行うことにより構成される。ネットワーク制御部２２２は、３Ｄプリンタ２がＰＣ１等の他の機器と情報をやり取りするためのインタフェースであり、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）やＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）インタフェースが用いられる。従って、ネットワーク制御部２２２と主制御部２２１とが、ＰＣ１から輪切りデータを取得する層情報取得部として機能する。

粉末供給部ドライバ２２３及びＩＪヘッドドライバ２２４は、夫々粉末供給部２１０、ＩＪヘッド２０１を駆動制御するためのドライバソフトウェアであり、主制御部２２１の制御に従って夫々粉末供給部２１０、ＩＪヘッド２０１を駆動制御する。また、投影機ドライバ２２５はＰＣ１から３Ｄプリンタ２に送信される画像データを投影機２０３から投影させるためのドライバソフトウェアである。このようなソフトウェアが実行する駆動制御によって、図４（ａ）〜（ｆ）において説明した動作が実現される。

次に、本実施形態に係るＰＣ１の機能構成について図６を参照して説明する。図６に示すように、本実施形態に係るＰＣ１は、図２において説明したＬＣＤ６０及び操作部７０に加えて、コントローラ１００及びネットワークＩ／Ｆ１０１を含む。ネットワークＩ／Ｆ１０１は、ＰＣ１がネットワークを介して他の機器と通信するためのインタフェースであり、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）やＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）インタフェースが用いられる。

コントローラ１００は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって構成され、ＰＣ１全体を制御する制御部として機能する。図６に示すように、コントローラ１００は、本実施形態の要旨に係る機能として、立体データアプリ１１０、３Ｄデータ変換処理部１２０及びＰＣ１が３Ｄプリンタ２を制御するための機能を提供する３Ｄプリンタドライバ１３０を含む。

立体データアプリ１１０は、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）ソフト等、物体の３次元的形状を表現するデータを処理するソフトウェアアプリケーションである。

３Ｄデータ変換処理部１２０は、入力された３Ｄデータを取得して変換処理を行う立体情報処理部である。即ち、３Ｄデータ変換処理部１２０を実現するためのプログラムが、立体情報処理プログラムとして用いられる。３Ｄデータ変換処理部１２０への３Ｄデータの入力は、ネットワークを介してＰＣ１に入力されたデータを３Ｄデータ変換処理部１２０が取得する場合や、操作部７０に対するユーザの操作によって指定されたファイルパスのデータを３Ｄデータ変換処理部１２０が取得する場合等がある。

３Ｄデータ変換処理部１２０は、そのように取得した３Ｄデータに基づき、３Ｄデータによって形作られる立体物を輪切り状にした各層の層情報（以降、「輪切りデータ」とする）を生成する。また、本実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部１２０は、本実施形態の要旨に係る処理として、造形ステージ２１１に対して投影される情報である投影データを輪切りデータに基づいて生成する。この処理についての詳細は後述する。

３Ｄプリンタドライバ１３０は、ＰＣ１から３Ｄプリンタ２を動作させるためのソフトウェア・モジュールであり、３Ｄデータ変換処理部１２０によって生成された輪切りデータや投影データに基づき、３Ｄプリンタ２を動作させるためのジョブを生成して３Ｄプリンタ２に送信する。従って、輪切りデータは分割された立体物を造形する造形情報に相当する。

次に、本実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部１２０に含まれる機能について図７を参照して説明する。図７に示すように、本実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部１２０は、３Ｄデータ取得部１２１、輪切り処理部１２２、投影距離算出部１２３、投影情報生成部１２４及び変換データ出力部１２５を含む。

３Ｄデータ取得部１２１は、３Ｄデータ変換処理部１２０に入力された３Ｄデータを取得する。上述したように、３Ｄデータとは造形するべき目的物の三次元的形状を示す目的物立体情報である。輪切り処理部１２２は、３Ｄデータ取得部１２１が取得した３Ｄデータに基づいて輪切りデータを生成する。この時、夫々の輪切りデータは、粉末材料の一回の供給分に相当する厚さに分割され生成される。

投影距離算出部１２３は、図８に示すような、ＰＣ１に予め入力されている投影機２０３の位置情報及び造形ステージ２１１の高さ情報に基づいて、投影機２０３のレンズと造形ステージ２１１の造形面との距離（以後、投影距離とする）を算出する。投影距離算出部１２３によって算出された投影距離は、投影データ生成における処理にて使用される。尚、本実施形態においては、造形ステージ２１１の中心と投影機２０３の光学レンズとを結んだ二点間の距離を投影距離として算出する。投影距離の算出についての詳細は投影データの生成についての説明と共に後述する。

投影情報生成部１２４は、輪切り処理部１２２が生成した輪切りデータ及び投影距離算出部１２３が算出した投影距離に基づいて投影データを生成する。ここで、投影データの生成態様について、図８及び図９を参照して説明する。図８は３Ｄプリンタ２の模式図、図９の左の図は輪切りデータを示し、図９の右の図は投影データをそれぞれ示す。本実施形態に係る投影情報生成部１２４は、投影距離ｄ、投影機２０３の光学レンズの焦点距離及び投影機２０３の投影解像度に基づいて輪切りデータの二次元画像情報に対して幾何学変換を実行し、投影データを生成する。投影データの生成に先立って、投影距離算出部１２３によって、投影距離が算出される。以下、図８を参照して、投影距離算出部１２３が実行する処理について説明する。

本実施形態において、投影機２０３の位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）は予めＰＣ１に記憶されている。投影距離算出部１２３は、位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、粉末材料の供給に伴う造形ステージ２１１のｚ方向の位置の変化及び粉末材料の積層幅とを参照して、図８に示すような造形ステージ２１１上の造形面から投影機２０３の光学レンズまでの高さｈを算出する。

さらに、投影距離算出部１２３は、位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）を参照して、図８に示すように造形ステージ２１１上における中心Ｏから点（ｘ_１，ｙ_１）間の距離ａを算出する。距離ａを算出すると、図８に示すように距離ａ、投影距離ｄ、高さｈの三辺から成る直角三角形が形成される。この時、直角三角形における辺の長さの性質を利用して、ｄ^２＝ｈ^２＋ａ^２より、投影距離ｄを算出することが出来る。

次に、図９を参照して、投影データの生成態様について説明する。投影情報生成部１２４は、まずＰＣ１に予め記憶されている投影機２０３のレンズの焦点距離ｆと、投影距離算出部１２３によって算出された投影距離ｄを参照して、造形ステージ２１１に投影される画像の大きさである投影領域サイズを算出する。この時の投影領域サイズは、結像公式を用いて、（投影距離ｄ−焦点距離ｆ）／焦点距離ｆ＝（投影領域サイズ／投影機２０３の投影デバイスサイズ）から求めることができる。尚、ここで投影機２０３の投影デバイスサイズとは、一般的なプロジェクタに搭載されているＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や液晶ディスプレイ等の表示素子の大きさを示す。また、本実施形態において、投影領域は正方形である。

投影領域サイズの対角線をＤとすると、長さＤ及び投影機２０３の投影解像度から、造形ステージ２１１に投影される画像の解像度（以後、「ステージ解像度Ｓ」とする）を求めることが出来る。ステージ解像度Ｓは、直角二等辺三角形の性質を利用してステージ解像度Ｓ＝（投影機２０３の投影解像度）／（長さＤ／√２）によって算出する。この時の投影機２０３の投影解像度とは、先述した表示素子の解像度に相当する。さらに、造形時にバインダー液Ｐを吐出する画素の情報である輪切りデータの解像度を「輪切り解像度Ｒ」とすると、輪切り解像度Ｒとステージ解像度Ｓとの比Ｎは、Ｎ＝Ｓ／Ｒとして求めることが出来る。このようにして求めた比Ｎを利用して、輪切りデータを縦横にＮ倍に幾何学変換し、造形ステージ２１１に投影すると、輪切りデータによって造形される立体物の一層に相当する大きさの画像を映し出すことが出来る。従って、投影情報生成部１２４は輪切りデータを縦横にＮ倍に幾何変換して投影データを生成する。

変換データ出力部１２５は、輪切り処理部１２２が生成した輪切りデータ及び投影情報生成部１２４が生成した投影データを３Ｄプリンタドライバ１３０に対して出力する。これにより、３Ｄプリンタドライバ１３０が、輪切りデータ及び投影データに基づいて３Ｄプリンタ２を動作させるためのジョブを生成して３Ｄプリンタ２に送信する。

また、図８に示すように、投影機２０３の光軸と造形ステージ２１１とは垂直ではないため、造形ステージ２１１に投影される画像には歪みが生じる。この歪みは、図８に示す辺ａと辺ｄとの角度θに応じて投影機ドライバ２２５によって補正が行われる。

次に、ジョブを受信した３Ｄプリンタ２の動作について、図１０を参照して説明する。主制御部２２１は、ＰＣ１から輪切りデータ及び投影データを含むジョブを受信すると（Ｓ１００１）、粉末供給部ドライバ２２３を制御して造形ステージ２１１を１層の輪切りデータにより造形される層の厚みに相当する分だけ下降させる（Ｓ１００２）。造形ステージ２１１を下降させると、主制御部２２１は粉末供給部ドライバ２２３を制御してリコーター２１３を動作させることにより、粉末供給基盤２１２から造形ステージ２１１に粉末材料を供給する（Ｓ１００３）。次に、主制御部２２１は、ＩＪヘッドドライバ２２４を制御してアーム２０２を移動させることによりＩＪヘッド２０１を各画素の位置に移動させる。

ＩＪヘッド２０１を移動させた後、主制御部２２１は輪切りデータ及び投影データを参照する。主制御部２２１は、参照した投影データを投影機ドライバ２２５に送信し造形ステージ２１１に供給された粉末材料に対して投影させる。さらに、輪切りデータにおいて、ＩＪヘッド２０１の位置が造形対象の立体物の一部であればバインダー液Ｐを吐出させる制御を実行する（Ｓ１００４）。この時、主制御部２２１は、ＩＪヘッド２０１の位置が造形対象の立体物の一部ではない場合には、バインダー液Ｐの吐出を行わない制御を実行する。主制御部２２１は、一層分について処理を完了するまでＳ１００４の処理を繰り返す。

そして、一層分の処理を完了したら、主制御部２２１は、すべての層について処理を完了するまで、新たな層の粉末材料の供給から処理を繰り返し（Ｓ１００５／Ｎｏ）、すべての層について処理を完了すると（Ｓ１００５／Ｙｅｓ）、処理を終了する。このような処理により、ジョブを受信した３Ｄプリンタ２の動作が完了する。

以上説明したように、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２は、造形が行われる領域を粉末材料に対して投影させることで、造形ステージ２１１上における立体物の位置を確認することが出来る。これにより、積層した粉末材料における立体物の位置を視覚的に確認して、例えば、造形済みの立体物の取り出しの際に発生する破損を低減させることが出来る。

また、立体物の大きさによっては、複数の立体物を同時に造形するような場合も考えられる。そのような場合３Ｄプリンタ２は、輪切り処理部１２２において実現される機能によって生成された複数の立体物の輪切りデータを造形ステージ２１１に対して投影する。

ここで、図１１を参照して、輪切り処理部１２２に含まれる各種の機能について説明する。図１１に示すように、輪切り処理部１２２は、データ合成部１２６、データ選択部１２７、データ記憶部１２８、進捗率算出部１２９を含む。

データ合成部１２６は、複数の立体物を同時に造形するような場合に、３Ｄデータ変換処理部１２０に入力される３Ｄデータから生成された輪切りデータの合成を行う。データ選択部１２７は、ＰＣ１からユーザが行う操作の情報を受け付けて、操作の情報に対応する投影データの選択を実行する。データ記憶部１２８は、ＲＡＭ２０やＨＤＤ４０等に投影済みの投影データを記憶する。進捗率算出部１２９は、輪切りデータと３Ｄデータとを比較して、夫々の輪切りデータに造形プロセスにおける進捗率の情報を付加する。以下、輪切り処理部１２２に含まれる機能によって実行可能な処理について、詳細を説明する。

図１２は、複数の立体物の３Ｄデータを例示した図である。図１２に示すように、３Ｄプリンタ２に複数の立体物の造形を同時に実行させる場合、データ合成部１２６は、同一の粉末材料の層において造形が行われる複数の立体物の夫々の輪切りデータを合成する。そして、図１３に示すように、３Ｄプリンタ２は合成された輪切りデータに基づいて造形及び粉末材料への投影を実行する。

図１４は、３Ｄデータ変換処理部１２０において複数の立体物の輪切りデータを合成する際の動作を示すフローチャートである。まず、立体データアプリ１１０から３Ｄデータ変換処理部１２０に複数の立体物の３Ｄデータが入力される（Ｓ１４０１）。３Ｄデータ取得部１２１は、３Ｄデータを受信すると、未入力の３Ｄデータが存在しないか否かを判断する（Ｓ１４０２）。未入力の３Ｄデータが存在する場合（Ｓ１４０２／Ｙｅｓ）、３Ｄデータ取得部１２１は、３Ｄデータが再び入力されるまで、待機し、３Ｄデータが全て入力されるまで、Ｓ１４０１、Ｓ１４０２の処理を繰り返し行う。３Ｄデータが全て入力された場合（Ｓ１４０２／Ｎｏ）、３Ｄデータ取得部１２１は、入力された３Ｄデータを輪切り処理部１２２に送信する。輪切り処理部１２２は、３Ｄデータ取得部１２１から受信した３Ｄデータ夫々に対して輪切り処理を行い、データ合成部１２６に送信する。データ合成部１２６は、生成された輪切りデータを合成し、一層分の輪切りデータを生成する（Ｓ１４０３）。

３Ｄデータ変換処理部１２０は、データ合成部１２６によって合成された輪切りデータに基づいて投影データを生成し、３Ｄプリンタドライバ１３０に送信する（Ｓ１４０４）。３Ｄプリンタドライバ１３０は、合成済みの輪切りデータ及び投影データに基づき、３Ｄプリンタ２を動作させるためのジョブを生成して３Ｄプリンタ２に送信する。ＰＣ１における３Ｄデータの処理によって、図１３に示すように複数の投影データを造形ステージ２１１上の粉末材料に同時に投影することが出来る。

尚、立体物の３Ｄデータは、立体データアプリ１１０において、ユーザが行うＰＣ１の操作を受け付けて配置が決定される。従って、図１２のように円柱と三角錐を同時に造形する場合に、ユーザが任意に指定した位置に夫々の立体物を配置することが出来る。

図１５は、立体物の輪切りデータの選択を行う例を示した図である。図１５に示すような形状の立体物を造形する場合、粉末積層造形を行う装置においては、造形される立体物が未固定の粉末材料に埋もれてしまう。従って、頂点が造形される時には輪切りデータの面積が小さく、投影範囲が小さくなるため、ユーザに対して立体物の埋没位置を効果的に提示することが出来ない。そこで、本実施形態においては図１５に示すように、立体物の輪切りデータを選択して、選択した輪切りデータに基づいて生成された投影データを造形ステージ２１１上に映し出し、立体物の埋没位置を提示する。立体物の輪切りデータの選択は、図１６のフローチャートに示すように、ユーザが行うＰＣ１の操作を受け付けて、その受付信号に基づいてどの輪切りデータを投影するかデータ選択部１２７によって選択される（Ｓ１６０１）。選択された輪切りデータは、投影情報生成部１２４によって投影データに変換され、３Ｄプリンタドライバ１３０から３Ｄプリンタ２に送信され（Ｓ１６０２）、造形ステージ２１１上に投影される。

本実施形態においては、ユーザが任意に指定した輪切りデータを造形ステージ２１１に映し出すことが出来る。例えば、粉末材料の色を変えて造形が行われている場合には、ユーザが任意に指定した造形層の投影データを造形ステージ２１１に映し出すため、造形過程においてユーザの指定する造形層の位置の詳細を確認することが出来る。

図１７は、立体物の３Ｄデータに含まれる輪切りデータを例示した図である。図１７に示すような立体物を造形する場合、輪切りデータが造形過程において大きく変化する。そこで本実施形態においては、立体造形の終了後に最も大きい投影データを造形ステージ２１１上に自動的に映し出すように制御を実行する。

図１８は、造形後に最も大きい投影データを投影する動作を示すフローチャートである。図１８に示す処理においてはまず、３Ｄデータ変換処理部１２０に入力された３Ｄデータを輪切り処理部１２２が分割して輪切りデータの生成を行う際に、輪切りデータの大小を判定する（Ｓ１８０１）。輪切り処理部１２２は、新規に生成された輪切りデータが最も大きい場合（Ｓ１８０１／Ｙｅｓ）、データ記憶部１２８に新規に生成された輪切りデータを記憶させる（Ｓ１８０２）。この時、既に記憶済みの輪切りデータが存在する場合、輪切り処理部１２２は、新規に生成された輪切りデータを最も大きい輪切りデータとして更新し、データ記憶部１２８に記憶させる。従って、輪切り処理部１２２は、記憶済みの輪切りデータよりも新規に生成された輪切りデータが小さい場合には、輪切りデータの更新を行わない（Ｓ１８０１／Ｎｏ）。

次に、輪切り処理部１２２は、輪切りデータに基づく造形処理が全て実行され、立体物の造形が完了したか否か判定する（Ｓ１８０３）。立体物の造形が完了していない場合（Ｓ１８０３／Ｎｏ）、輪切り処理部１２２は、造形されていない３Ｄデータの輪切り処理を実行し、再度Ｓ１８０１から処理を行う。立体物の造形が完了している場合（Ｓ１８０３／Ｙｅｓ）、輪切り処理部１２２は、データ記憶部１２８を参照し、最も大きい輪切りデータを投影する処理を実行する（Ｓ１８０４）。この処理において、最も大きい輪切りデータの投影は、造形ステージ２１１上の粉末材料の上に行われる。従って、投影距離算出部１２３は、造形完了時点における投影距離の算出を実行する。算出された投影距離は、投影情報生成部１２４に送信され、輪切りデータから投影データへの幾何学変換の際に用いられるデータとなる。幾何学変換により生成した投影データは、３Ｄプリンタドライバ１３０によって、投影機２０３から造形ステージ２１１へ投影される。

このようにして、最も大きい輪切りデータを造形ステージ２１１上に投影させると、粉末材料に埋もれていても立体物の大きさを視認することが出来る。そのため、造形完了後に立体物の取り出しを行う際に発生する破損を低減させることが出来る。尚、本実施形態においては、造形物の位置を表す画素領域の大小を比較して投影データの大小を判断する。

図１９は、造形過程における進捗率の情報を付加させた投影データの態様を例示した図である。以下、図１９及び図２０を参照して、造形過程における進捗率の情報を付加させた投影データを投影する場合の動作について説明する。

輪切り処理部１２２は、入力された３Ｄデータに対して行う輪切り処理の際に生成した輪切りデータに対して、順番に番号を割り当てる（Ｓ２００１）。この時の番号の割り当ては、造形過程において成形材の層を形成するための情報として用いられる。

そして、進捗率算出部１２９は、輪切りデータに割り当てられた番号及び番号の最大値に基づいて、夫々の輪切りデータにおける進捗率を算出し、算出結果を付加する（Ｓ２００２）。このようにして進捗率を付加させた輪切りデータは、投影距離算出部１２３に送信され（Ｓ２００３）、輪切りデータ及び投影データとしてＳ１００４の処理において使用される。尚、輪切りデータに割り当てられた番号に基づいて進捗度を示す情報を付加する構成であってもよい。

進捗率を付加させた後の輪切りデータの態様としては、投影データにおいて進捗率を文字情報として表示させたり、輪切りデータに基づいて進捗率を３Ｄプリンタ２のディスプレイに表示させてもよい。

以上説明したように、本発明に係る輪切り処理部１２２において３Ｄデータの輪切り処理を実行する際に行われる処理において、造形物の詳細な位置を投影させたり、進捗率を反映させた投影データを生成する。また、複数の３Ｄデータの造形を同時に行う際に、夫々の輪切りデータを生成し、合成して造形ステージ２１１上に投影する。輪切り処理部１２２に含まれる機能によって実現されるこれらの処理は、夫々を独立して実行してもよいし、いくつかの処理を組み合わせて実行してもよい。輪切り処理部１２２にこのような処理を実行させることで、立体物の造形層夫々の造形時のみならず、造形前や造形完了後においても、造形ステージ２１１上における立体物の位置確認を行うことが出来る。

また、複雑な構造の立体物の造形を行う際には、造形ステージ２１１上のどの位置で造形が実行されるのか確認してから造形を実行することが望ましい。このような場合、造形ステージ２１１への投影データの投影が行われてから、ＰＣ１へのユーザの入力を受け付けて造形の実行可否を決定することが出来る。以下、図２１を参照して、投影後に造形実行の可否を決定する場合の動作について説明する。尚、図２１のフローチャートに示す処理においては、Ｓ１００３までは図１０と同様の処理を行うため説明を省略する。以下、輪切りデータ及び投影データが３Ｄプリンタ２に入力され、粉末材料が造形ステージ２１１に供給された後の処理から説明を行う。

造形ステージ２１１に粉末材料が供給されると、主制御部２２１は、投影データ及び輪切りデータを参照し、参照した投影データを投影機ドライバ２２５に送信する。投影機２０３は、造形ステージ２１１に供給された粉末材料に対して投影データを投影する（Ｓ２１０１）。投影機２０３による投影が行われると、主制御部２２１は、ネットワーク制御部２２２を介してＰＣ１に、輪切りデータに基づく造形の実行可否を判断する要求を送信する。ユーザは、ＰＣ１を操作して、造形ステージ２１１に映し出された輪切りデータに相当する領域の造形を行うか否かを入力する。

ユーザによるＰＣ１の操作を受け付けて、造形の実行が可である信号を受信した場合（Ｓ２１０２／Ｙｅｓ）、３Ｄプリンタドライバ１３０は、投影データに相当する輪切りデータに基づく造形を３Ｄプリンタ２に実行させるジョブを３Ｄプリンタ２に送信する。３Ｄプリンタ２は、ジョブに基づいて、投影データに相当する領域の造形を行う。３Ｄプリンタ２は、３Ｄデータに相当する全部の輪切りデータの造形が行われるまでＳ１００１〜Ｓ２１０３の処理を繰り返し実行する（Ｓ２１０４／Ｎｏ）。

ユーザによるＰＣ１の操作を受け付けて、造形の実行が不可である信号を受信した場合（Ｓ２１０２／Ｎｏ）、３Ｄプリンタドライバ１３０は、造形を中止し、全ての処理を終了させるジョブを３Ｄプリンタ２に送信する。尚、図２１に示すような投影処理後に造形実行の可否決定を行う処理は、先述した全ての実施形態において適用することが出来る。このように、造形が行われる前に実際の造形画像を造形ステージ２１１に映し出すことにより、新規に造形される層を確認して立体造形を実行することが可能になる。

１ ＰＣ
２ ３Ｄプリンタ
１０ ＣＰＵ
２０ ＲＡＭ
３０ ＲＯＭ
４０ ＨＤＤ
５０ Ｉ／Ｆ
６０ ＬＣＤ
７０ 操作部
８０ バス
１００ コントローラ
１０１ ネットワークＩ／Ｆ
１１０ 立体データアプリ
１２０ ３Ｄデータ変換処理部
１２１ ３Ｄデータ取得部
１２２ 輪切り処理部
１２３ 投影距離算出部
１２４ 投影情報生成部
１２５ 変換データ出力部
１２６ データ合成部
１２７ データ選択部
１２８ データ記憶部
１２９ 進捗率算出部
１３０ ３Ｄプリンタドライバ
２０１ ＩＪヘッド
２０２ アーム
２０３ 投影機（プロジェクタ）
２１０ 粉末供給部
２１１ 造形ステージ
２１２ 供給ステージ
２１３ リコーター
２２０ コントローラ
２２１ 主制御部
２２２ ネットワーク制御部
２２３ 粉末供給部ドライバ
２２４ ＩＪヘッドドライバ
２２５ 投影機ドライバ

特開２００１−５８３５７号公報

Claims (7)

1. 入力された情報に基づいて成形材の層を積層させて前記立体物を造形する際に造形される立体物の画像を投影する立体造形装置であって、
   平面状の粉末材料を鉛直方向に堆積させるように供給する粉末材料供給部と、
   前記立体物の形状を示す情報が前記成形材の層に相当するように分割されて生成された層情報を取得する層情報取得部と、
   平面状に供給された前記粉末材料に対して、前記粉末材料を凝固させるための凝固剤を、前記層情報に基づいて決定される位置に選択的に吐出して、前記粉末材料を凝固させることにより前記成形材の層を形成する凝固剤吐出部と、
   前記層情報に応じて生成される投影情報に基づき、前記平面状の粉末材料の面に対して画像を投影する画像投影部とを含むことを特徴とする立体造形装置。
2. 前記層情報取得部は、複数の立体物についての成形材の層に相当する情報を含む前記層情報を取得し、
   前記凝固剤吐出部は、平面状に供給された前記粉末材料の異なる位置に対して、複数の立体物についての成形材の層に相当する情報に基づいて夫々前記凝固剤を吐出し、
   前記画像投影部は、複数の立体物についての成形材の層に相当する情報に応じて生成された投影情報に基づき、平面状に供給された前記粉末材料の面の異なる位置に対して画像を投影することを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記画像投影部は、前記立体造形装置に前記層情報を指定する信号が入力された場合に、前記指定された層情報に応じて生成される投影情報に基づいた画像を投影することを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形装置。
4. 前記画像投影部は、前記層情報のうち前記立体物の領域が最も大きい情報に応じて生成された前記投影情報に基づいた画像を投影することを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形装置。
5. 前記層情報取得部は、前記層情報について、前記成形材の層を形成するための情報として用いられる順番を示す情報を取得し、
   前記画像投影部は、取得された前記順番を示す情報に基づき、前記平面状の粉末材料の面に対して、前記立体物の造形の進捗度を投影することを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形装置。
6. 入力された情報に基づいて成形材の層を積層させて前記立体物を造形する際に造形される立体物の画像を投影する立体造形方法であって、
   平面状の粉末材料を鉛直方向に堆積させるように供給し、
   前記立体物の形状を示す情報が前記成形材の層に相当するように分割されて生成された層情報を取得し、
   平面状に供給された前記粉末材料に対して、前記粉末材料を凝固させるための凝固剤を、前記層情報に基づいて決定される位置に選択的に吐出して、前記粉末材料を凝固させることにより前記成形材の層を形成し、
   前記層情報に応じて生成される投影情報に基づき、前記平面状の粉末材料の面に対して画像を投影することを特徴とする立体造形方法。
7. 入力された情報に基づいて成形材の層を積層させて前記立体物を造形する際に造形される立体物の画像を投影する立体造形装置の制御プログラムであって、
   平面状の粉末材料を鉛直方向に堆積させるように供給させるステップと、
   前記立体物の形状を示す情報が前記成形材の層に相当するように分割されて生成された層情報を取得するステップと、
   平面状に供給された前記粉末材料に対して、前記粉末材料を凝固させるための凝固剤を、前記層情報に基づいて決定される位置に選択的に吐出して、前記粉末材料を凝固させることにより前記成形材の層を形成させるステップと、
   前記層情報に応じて生成される投影情報に基づき、前記平面状の粉末材料の面に対して画像を投影させるステップとを情報処理装置に実行させることを特徴とする立体造形装置の制御プログラム。