JP2017105101A - 三次元造形物、並びにこれを生成する三次元造形装置及び方法 - Google Patents

三次元造形物、並びにこれを生成する三次元造形装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えを維持可能な三次元造形物、並びにこれを生成する三次元造形装置及び方法を提供する。【解決手段】三次元造形物10は、隣接角度θをなして隣接する第1外表面18及び第2外表面22を有する造形基体16と、第1外表面上18に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層20と、第2外表面22上に形成され、透明材を第1色と異なる第2色で着色してなる第2着色層24と、第1着色層20の側面と第2着色層24の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色、第1色及び第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層26を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、少なくとも最外表面が着色された三次元造形物、並びに、該三次元造形物を生成する三次元造形装置及び方法に関する。
近時、スライス単位の層状体(以下、単位層)を固化させながら鉛直方向に沿って順次積層することで、三次元形状の造形物を生成する三次元造形装置(いわゆる、3Dプリンタ)が開発されている。例えば、この造形物の最外表面に対して着色を施すための技術が種々提案されている。
特許文献1では、造形用樹脂を吐出する造形用ノズルと、複数色の着色剤を吐出する着色用ノズルを備える三次元造形装置が提案されている。そして、内側にある非着色部位が外部に露呈するのを防止すべく、着色領域が最外表面から所定幅分だけ内側に形成された三次元造形物が記載されている。
特開2000−280256号公報([0055]、図4等)
ところで、本発明者の鋭意検討によれば、着色された最外表面側から三次元造形物を視認するとき、別の最外表面に付された色が混合して知覚され得ることを見出した。この混色は、両方の最外表面がなす頂部の近傍を視認する際に、特に知覚され易くなる傾向がある。なぜならば、頂部の近傍では三次元造形物を横切る光路長が相対的に短くなり、観察者は、複数の最外表面に関する色成分を同時に知覚するためである。
しかしながら、特許文献1には、上記した混色の発生及び問題について何ら記載されていない。すなわち、観察者は、特許文献1に記載された三次元造形物を視認するとき、最外表面の色が局所的に異なることに違和感を覚えてしまう。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えを維持可能な三次元造形物、並びにこれを生成する三次元造形装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明に係る「三次元造形物」は、隣接角度をなして隣接する第1外表面及び第2外表面を有する造形基体と、前記造形基体の前記第1外表面上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層と、前記造形基体の前記第2外表面上に形成され、透明材を前記第1色と異なる第2色で着色してなる第2着色層と、前記第1着色層の側面と前記第2着色層の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第1色及び前記第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層を備える。
このように、第1着色層の側面と第2着色層の側面の間に、無彩色或いは第2色の不透明な仕切り層を配置したので、三次元造形物の外部から第1着色層に入射した外光が、第2着色層を透過して外部に出射されるのを低減又は防止可能となる。また、外部から第2着色層に入射した外光は、可視光領域にて略均一な分光反射率、或いは、第2着色層に類似する分光反射率を有する仕切り層にて反射可能となる。これらにより、三次元造形物の第2着色層を視認する際に第1着色層及び/又は仕切り層の色成分が知覚されない遮光効果が得られ、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。なお、三次元造形物の第1着色層を視認する場合についても、上記と同様の原理により色の見映えが維持される。
また、前記第1着色層の側面は、厚み方向の外表側にある接触部位にて前記第2着色層の側面と面接触し、前記仕切り層は、前記接触部位に対して前記厚み方向の内側に配置されることが好ましい。第1着色層又は第2着色層と異なる色の仕切り層が外部に露呈するのを防止可能となり、三次元造形物の見映えが維持される。
また、前記仕切り層は、前記第1着色層及び前記第2着色層と比べて低い光透過率を有することが好ましい。これにより、仕切り層による遮光効果が一層高まる。
また、前記仕切り層は、前記隣接角度が大きいほど相対的に高い光透過率を有することが好ましい。隣接角度が大きくなるにつれて、仕切り層を外側から視認できる角度範囲(以下、視認角という)が拡大する傾向を考慮し、隣接角度が大きいほど仕切り層の光透過率を高くする。これにより、仕切り層の表面を反射する光量を低減可能となり、その結果、三次元造形物の外側から仕切り層の存在が視認され難くなる。
また、前記仕切り層は、前記隣接角度が閾値よりも小さい場合にのみ配置されることが好ましい。隣接角度が大きくなるにつれて、三次元造形物の頂部近傍を横切る光路長が長くなる一方、仕切り層の視認角が拡大する2つの傾向がある。そこで、これらの傾向を併せて考慮し、外側から視認され得る仕切り層を不必要に設けることを避ける。これにより、三次元造形物の見映えが却って悪くなることを防止できる。
また、前記第1外表面及び前記第2外表面は、不透明な無彩色であることが好ましい。これにより、第1着色層及び第2着色層を造形基体の外周から見た場合に、第1着色層及び第2着色層が想定された色表現となる。
本発明に係る「三次元造形装置」は、隣接角度をなして隣接する第1外表面及び第2外表面を有する造形基体と、前記造形基体の前記第1外表面上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層と、前記造形基体の前記第2外表面上に形成され、透明材を前記第1色と異なる第2色で着色してなる第2着色層を含む三次元造形物を、少なくとも前記第1色及び前記第2色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する装置であって、前記造形基体、前記第1着色層及び前記第2着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得するデータ取得部と、前記データ取得部により取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形物における前記第1着色層の側面と前記第2着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第1色及び前記第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層を配置させるデータ修正部を備える。
本発明に係る「三次元造形方法」は、隣接角度をなして隣接する第1外表面及び第2外表面を有する造形基体と、前記造形基体の前記第1外表面上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層と、前記造形基体の前記第2外表面上に形成され、透明材を前記第1色と異なる第2色で着色してなる第2着色層を含む三次元造形物を、少なくとも前記第1色及び前記第2色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する三次元造形装置を用いた方法であって、前記造形基体、前記第1着色層及び前記第2着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得する取得ステップと、取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形材における前記第1着色層の側面と前記第2着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第1色及び前記第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層を配置させる修正ステップを備える。
本発明に係る三次元造形物によれば、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。また、本発明に係る三次元造形装置及び方法によれば、上記した三次元造形物を生成することができる。
この実施形態に係る三次元造形物の斜視図である。 II−II線に沿った拡大断面図である。 図1に示す三次元造形物の概略透視図である。 図1〜図3に示す三次元造形物の視覚的特徴を説明する模式図である。 図1に示す三次元造形物を生成する三次元造形装置の全体構成図である。 図5に示すキャリッジ部の正面図である。 図5に示す三次元造形装置の動作説明に供されるフローチャートである。 仕切り層の配置を決定する方法に関する概略説明図である。 加色造形データの修正方法に関する概略説明図である。
以下、本発明に係る三次元造形物について、三次元造形装置及び三次元造形方法との関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
[三次元造形物10の説明]
<1.三次元造形物10の構造>
図1は、この実施形態に係る三次元造形物10の斜視図である。図2は、II−II線に沿った拡大断面図である。図3は、図1に示す三次元造形物10の概略透視図である。
図1に示すように、三次元造形物10は、正八面体からアスペクト比を僅かに変更した形状を有する物体である。二等辺三角形状である4つの最外表面12は、第1色(例えば、赤色)に着色されている。二等辺三角形状である4つの最外表面14は、第1色とは異なる第2色(例えば、青色)に着色されている。すなわち、三次元造形物10は、互いに隣接する最外表面12、14の色が異なるように、赤色及び青色の2色で加色装飾されている。
図2に示すように、三次元造形物10は、基礎となる造形基体16、1つ又は複数の第1外表面18上に形成された1つ又は複数の第1着色層20、1つ又は複数の第2外表面22上に形成された1つ又は複数の第2着色層24、及び、第1着色層20と第2着色層24の間に配された仕切り層26を含んで構成される。第1外表面18及び第2外表面22はいずれも、平面であっても曲面であってもよい。
ここで、造形基体16、第1着色層20、第2着色層24、及び仕切り層26は、物理的処理又は化学的処理を経て硬化する材料、例えば、光硬化樹脂或いは熱硬化樹脂からなる。紫外線(Ultra-Violet;UV)の照射により硬化する紫外線硬化樹脂の場合、ラジカル重合反応を起こして硬化するラジカル重合型、或いは、カチオン重合反応を起こして硬化するカチオン重合型の硬化性樹脂を用いることができる。ラジカル重合型の紫外線硬化樹脂には、ウレタンアクリレート、アクリルアクリレート、エポキシアクリレートが含まれる。
造形基体16は、三次元造形物10と同様に概略正八面体の形状を有すると共に、隣接角度θをなして隣接する第1外表面18及び第2外表面22を4組ずつ有する。造形基体16の少なくとも第1外表面18及び第2外表面22は、第1着色層20、第2着色層24と異なる色又は材料で形成されている。第1着色層20及び第2着色層24を造形基体16の外周から見た場合に、第1着色層20及び第2着色層24が想定された色表現となるように、第1外表面18及び第2外表面22は、例えば不透明な無彩色、白色を有することが好ましい。
ここで、「不透明」とは、非透光性を有することであり、JIS K 7375:2008にて規定する「プラスチックの全光線透過率」が20%以下(光学濃度が0.7D以上)であることを意味する。また、「無彩色」とは、HLS表色系における彩度(S)がゼロである「厳密な定義の無彩色」のみならず、微小の値(概ね10%以下)である「実質的な無彩色」も含まれる。
第1着色層20は、透明材を第1色に着色して構成される層であり、これに対応する第1外表面18の全体を一定の厚さで被覆する。第2着色層24は、透明材を第2色に着色して構成される層であり、これに対応する第2外表面22の全体を一定の厚さで被覆する。第1着色層20及び第2着色層24の厚さは、造形基体16のサイズが十分に大きい場合には50〜1000μmであり、より好ましくは200〜500μmである。
第1着色層20の側面は、最外表面12側(厚み方向の外表側)にある接触部位28にて、隣接する第2着色層24の側面と面接触する。接触部位28に対して第1外表面18側(厚み方向の内側)に、造形基体16と一体となった仕切り層26が配置されている。この仕切り層26は、不透明な無彩色、例えば造形基体16と同じ白色を有する。
仕切り層26は、光透過率が相対的に低い材料から構成されているので、第1着色層20及び第2着色層24と比べて低い光透過率を有する。これと併せて又はこれとは別に、仕切り層26は、層の厚みが相対的に大きく設けられているので、第1着色層20及び第2着色層24と比べて低い光透過率を有する。
図3に示すように、4つの仕切り層26は、三次元造形物10の稜線30(二点鎖線で図示)に沿って該稜線30の僅か内側に設けられている。仕切り層26は、一定の幅を有する帯状であり、且つ、長さ方向の中間位置にて概略L字状に屈曲している。4つの仕切り層26は、一端側にて相互に連結されると共に、他端側にて相互に連結される。
ここで、頂点Pに隣接する頂点をそれぞれQ1、Q2、Q3、Q4とする。最外表面12をなす平面Q1PQ2と、最外表面14をなす平面Q1PQ3の間の隣接角度はθ=90度である。また、最外表面12をなす平面Q1PQ2と、最外表面14をなす平面Q3PQ4の間の隣接角度はθ=120度である。
仕切り層26は、隣接角度θと閾値θth(例えば100度)の間の大小関係に応じて設けられる。具体的には、隣接角度θ=90度である稜線30(辺PQ1、辺PQ4)の近傍に配置される一方、隣接角度θ=120度である稜線30(辺PQ2、辺PQ3)の近傍に配置されない。換言すれば、隣接角度θが閾値θthよりも小さい場合にのみ、仕切り層26が配置される点に留意する。
<2.三次元造形物10の視覚的特徴>
この実施形態に係る三次元造形物10は、以上のように構成される。続いて、図1〜図3に示す三次元造形物10の視覚的特徴について図4を参照しながら説明する。
図4(a)は、仕切り層26が存在しない物体(従来の三次元造形物)の頂部を最外表面14側から視認した際の、光学的現象を説明する模式図である。観察者は、目32に受光される外光34の分光特性及び位置分布に基づいて、この物体の色及び形状を認識する。例えば、最外表面14側に入射された外光34は、最外表面14又は接触部位28にて反射され、青色の光を多く含む反射成分36として受光される。
ところで、頂部又はその近傍を横切る光路は、他の部位と比べて相対的に短くなっており、しかも不透明(非透光性)の造形基体16を全く横切らない。つまり、第2着色層24側に入射される外光34は、分光反射率が可視光領域で不均一である接触部位28にて反射され、青色の光が相対的に少ない反射成分38として受光されることがある。また、最外表面12側に入射される外光34は、第1着色層20及び第2着色層24を順次通過し、緑色の光を多く含む透過成分38として受光されることがある。
この位置関係下にて物体を最外表面14側から視認するとき、最外表面14とは別の最外表面12に付された色が混合して知覚され得る。具体的には、観察者は、反射成分36のみを受光した領域を「青色」と視認し、反射成分36及び透過成分38を同時に受光した領域を「青緑色」と視認する。その結果、観察者は、最外表面14の色が局所的に異なることに違和感を覚えることがある。
図4(b)は、仕切り層26が存在する三次元造形物10の頂部を最外表面14側から視認した際の、光学的現象を説明する模式図である。図4(a)の場合と同様に、最外表面14側に入射された外光34は、青色の光を多く含む反射成分36として受光される。
本図から理解されるように、頂部又はその近傍を横切る光路の間には、不透明な無彩色の仕切り層26が配置されている。つまり、第2着色層24側に入射される外光34は、可視光領域にて略均一の分光反射率を有する仕切り層26にて反射され、青色の光を多く含む透過成分38として受光される。また、最外表面12側に入射される外光34は、第1着色層20を通過するが、その全部又は大半が仕切り層26にて反射される。
これにより、三次元造形物10の第2着色層24を視認する際、第1着色層20及び仕切り層26の色成分が知覚されない遮光効果が得られる。これと同様に、三次元造形物10の第1着色層20を視認する際、第2着色層24及び仕切り層26の色成分が知覚されない遮光効果が得られる。これにより、観察者は、視認の位置が頂部であるか否かにかかわらず、第1着色層20の全領域を「赤色」と視認できると共に、第2着色層24の全領域を「青色」と視認できる。
<3.三次元造形物10による効果>
以上のように、三次元造形物10は、隣接角度θをなして隣接する第1外表面18及び第2外表面22を有する造形基体16と、造形基体16の第1外表面18上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層20と、造形基体16の第2外表面22上に形成され、透明材を第2色で着色してなる第2着色層24と、第1着色層20の側面と第2着色層24の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色の不透明な仕切り層26を備える。
このように、第1着色層20の側面と第2着色層24の側面の間に、無彩色の不透明な仕切り層26を配置したので、三次元造形物10の外部から第1着色層20に入射した外光34が、第2着色層24を透過して外部に出射されるのを低減又は防止可能となる。また、外部から第2着色層24に入射した外光は、可視光領域にて略均一な分光反射率を有する仕切り層26にて反射可能となる。これらにより、三次元造形物10の第2着色層24を視認する際に第1着色層20及び仕切り層26の色成分が知覚されない遮光効果が得られ、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。なお、三次元造形物10の第1着色層20を視認する場合についても、上記と同様の原理により色の見映えが維持される。
また、第1着色層20の側面は、厚み方向の外表側にある接触部位28にて第2着色層24の側面と面接触し、仕切り層26は、接触部位28に対して厚み方向の内側に配置されてもよい。第1着色層20又は第2着色層24と異なる色の仕切り層26が外部に露呈するのを防止可能となり、三次元造形物10の見映えが維持される。
また、仕切り層26は、第1着色層20及び第2着色層24と比べて低い光透過率を有することが好ましい。これにより、仕切り層26による遮光効果が一層高まる。
また、仕切り層26は、隣接角度θが閾値θthよりも小さい場合にのみ配置されてもよい。隣接角度θが大きくなるにつれて、三次元造形物10の頂部近傍を横切る光路長が長くなる一方、仕切り層26を外側から視認できる角度範囲(以下、視認角という)が拡大する2つの傾向がある。そこで、これらの傾向を併せて考慮し、外側から視認され得る仕切り層26を不必要に設けることを避ける。これにより、三次元造形物10の見映えが却って悪くなることを防止できる。
<4.変形例>
なお、三次元造形物10の形態はこれに限られず、任意の形状、色彩又は模様を付与できることは言うまでもない。特に、上記の遮光効果を有効に発揮させるため、仕切り層26の形態を種々変更してもよい。
[1]例えば、仕切り層26の色は、白色、灰色、黒色又はこれらに近い無彩色に限られず、第1色及び第2色のうちいずれか1色であってもよい。例えば、第1色の仕切り層26を設けた場合、第1着色層20側に入射された外光34は、第2着色層24に類似する分光反射率を有する仕切り層26にて反射され、第1色の色成分を多く含む反射成分36として受光される。つまり、仕切り層26を第1色(又は第2色)に着色することで、第1着色層20(又は第2着色層24)の色再現性に影響を与え難くなるという利点がある。
これにより、三次元造形物10の第1着色層20を視認する際に第2着色層24の色成分が知覚されない遮光効果が得られ、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。或いは、第2色の仕切り層26を設けた場合、三次元造形物10の第2着色層24を視認する際に、上記と同様の原理により色の見映えが維持される。
[2]また、隣接角度θがθ≧θthを満たす場合であっても、第1着色層20の側面と第2着色層24の側面の間に仕切り層26を設けてもよい。このとき、隣接角度が大きくなるにつれて仕切り層26の視認角が拡大する傾向を考慮し、隣接角度θが大きいほど仕切り層26の光透過率を高くすればよい。これにより、仕切り層26の表面を反射する光量を低減可能となり、その結果、三次元造形物10の外側から仕切り層26の存在が視認され難くなる。
[三次元造形装置100の説明]
続いて、上記した三次元造形物10を生成する三次元造形装置100について、図5〜図9を参照しながら説明する。
<1.要部の説明>
図5は、この実施形態に係る三次元造形装置100の要部を示す概略図である。より詳しくは、図5(a)は三次元造形装置100の概略側面図であり、図5(b)は三次元造形装置100の概略平面図である。本図では、生成途中の三次元造形物10である積層構造体50が表記されている。
積層構造体50は、三次元造形物10の原料・素材であるモデル材52(造形材)と、モデル材52を外側又は内側から支持するサポート材54とから構成される。つまり、積層構造体50は、モデル材52及び/又はサポート材54を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層してなる。以下、積層構造体50の最上面を「単位層面56」と称する場合がある。
三次元造形装置100は、積層構造体50を載置する載置部60、モデル材52及びサポート材54の吐出機構を搭載するキャリッジ62、及び、キャリッジ62をX方向及びY方向に駆動させるキャリッジ駆動部64を含んで構成される。
載置部60は、平坦な作業面66を有する載置台68と、作業面66の法線方向(Z方向)に載置台68を移動させるステージ駆動部70を有する。キャリッジ駆動部64は、X方向に沿って平行に延びる一対のガイドレール72、72(Xバー)と、各ガイドレール72に沿って移動可能な2つのスライダ74、74と、2つのスライダ74、74間に架け渡されると共にY方向に延びるキャリッジレール76(Yバー)を有する。
キャリッジ62は、該キャリッジ62を取り付けたキャリッジレール76に沿って、又は、キャリッジレール76と一体的に各ガイドレール72、72に沿って移動可能に構成される。これにより、キャリッジ62及び載置台68は、互いに交差するX方向、Y方向、Z方向に対してそれぞれ相対的に移動可能である。この実施形態では、X方向及びY方向は「水平方向」に、Z方向は「鉛直方向」にそれぞれ一致し、3つの方向は互いに直交する関係下にある。
キャリッジ62には、流動性のモデル材52及び流動性のサポート材54(以下、総称して「液滴78」ともいう)を作業面66に向けて吐出する吐出ユニット80と、単位層面56を平坦化する平坦化ローラ82と、単位層面56上の液滴78を硬化する硬化ユニット84がそれぞれ搭載される。
吐出ユニット80の吐出面86は、作業面66或いは単位層面56に対向する位置関係下にある。吐出ユニット80は、同一の又は異なる色のモデル材52を吐出する複数の吐出ヘッド88、及び、サポート材54を吐出する1つの吐出ヘッド90を含んで構成される。吐出ヘッド88、90による液滴78の吐出機構として種々の方式を採ってもよい。例えば、圧電素子を含んで構成されるアクチュエータの変形によって液滴78を吐出する方式を適用してもよい。また、ヒータ(発熱体)を介してモデル材52又はサポート材54を加熱することで気泡を発生させ、その圧力で液滴78を吐出する方式を適用してもよい。
各吐出ヘッド88、90の吐出面86側には、配列方向(本図例ではX方向)に沿って複数のノズル92を並べたノズル列94が形成されている。吐出ユニット80に6つの吐出ヘッド88が設けられている場合、例えば、6つの吐出ヘッド88は、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、ブラック(K)、クリア(CL)、ホワイト(W)に着色されたモデル材52の液滴78をそれぞれ吐出する。
硬化ユニット84は、各種エネルギーを付与することでモデル材52の液滴78を硬化させる装置である。例えば、モデル材52が紫外線硬化樹脂である場合、硬化ユニット84は、光エネルギーとしての紫外線を照射する紫外光源を含んで構成される。また、モデル材52が熱硬化樹脂である場合、硬化ユニット84は、熱エネルギーを付与する加熱装置、必要に応じて積層構造体50を冷却する冷却装置を含んで構成される。
なお、紫外光源として、希ガス放電灯、水銀放電灯、蛍光灯ランプ、LED(Light Emitting Diode)アレイ等を用いることができる。また、サポート材54は、三次元造形物10を変質させずに除去可能な材料、例えば、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等からなる。
<2.電気ブロック図>
図6は、この実施形態に係る三次元造形装置100の電気ブロック図である。三次元造形装置100は、図5にそれぞれ示したキャリッジ駆動部64、ステージ駆動部70、吐出ユニット80及び硬化ユニット84の他、制御部102、画像入力I/F104、入力部106、出力部108、記憶部110、三次元駆動部112、及び駆動回路114を含んで構成される。
画像入力I/F104は、シリアルI/F、パラレルI/F、USB I/F、又はイーサネット(登録商標)I/Fで構成され、三次元造形物10を示す画像情報を含む電気信号を図示しない外部装置から受信する。入力部106は、マウス、キーボード、タッチセンサ又はマイクロフォンを含んで構成される。出力部108は、ディスプレイ又はスピーカを含んで構成される。
記憶部110は、非一過性であり、且つ、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体で構成される。ここで、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM、フラッシュメモリ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、この記憶媒体は、短時間に且つ動的にプログラムを保持するものであっても、一定時間プログラムを保持するものであってもよい。
三次元駆動部112は、載置台68及び吐出ユニット80の少なくとも一方を駆動することで、載置台68に対して吐出ユニット80を三次元方向に相対移動させる。この実施形態では、三次元駆動部112は、吐出ユニット80をX方向及びY方向に移動させるキャリッジ駆動部64と、載置台68をZ方向に移動させるステージ駆動部70とから構成される。
制御部102は、三次元造形装置100を構成する各部の制御を司る演算装置であり、例えば、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)又はMPU(Micro-Processing Unit)によって構成されている。制御部102は、記憶部110に格納されたプログラムを読み出し実行することで、三次元造形物10の形態を示す加色造形データに対して所望の画像処理を施すデータ処理部116を含む各機能を実現可能である。
データ処理部116は、画像入力I/F104を介して加色造形データ150(図9)を取得するデータ取得部118、加色造形データ150を修正するデータ修正部120、及び、液滴78の吐出の有無及び吐出位置を示す中間データ(以下、吐出データ)を作成するデータ作成部122を有する。
駆動回路114は、制御部102と電気的に接続されると共に、各ユニットを駆動することで造形処理を実行させる電気回路である。この実施形態では、駆動回路114は、吐出ユニット80の吐出制御を司る吐出制御部124と、硬化ユニット84の硬化制御を司る硬化制御部126とから構成される。
吐出制御部124は、制御部102から供給される吐出データに基づき、吐出ヘッド88、90が備えるアクチュエータの駆動波形信号を生成し、この波形信号を吐出ユニット80側に向けて出力する。硬化制御部126は、各種エネルギーを付与するための駆動信号を生成し、この駆動信号を硬化ユニット84側に向けて出力する。
<3.三次元造形装置100の動作>
この実施形態に係る三次元造形装置100は以上のように構成される。続いて、三次元造形装置100の動作について、図7のフローチャート、図8及び図9を参照しながら説明する。
ステップS1において、制御部102(データ取得部118)は、画像入力I/F104を介して、3D−CAD(Computer Aided Design)データを含む加色造形データを取得する。この加色造形データは、三次元造形物10と外観が等しい元の加色造形物を示すデータである。例えば、ワイヤフレームモデルの加色造形データは、三次元造形物10の三次元フレームを示す形状モデルデータ、及び、最外表面12、14上の画像を示す表面画像データの組み合わせからなる。なお、加色造形データの表現方式は、ワイヤフレームモデルに限られず、サーフェスモデル又はソリッドモデルであってもよい。
ステップS2において、データ作成部122は、ステップS1で取得されたベクトルデータ形式の加色造形データに対してラスタライズ処理を実行する。この処理に先立ち、データ作成部122は、フレーム内の色(例えばホワイト)を特定し、公知のテクスチャマッピング手法を用いてフレーム面上に表面画像を配置する。その後、データ作成部122は、X方向、Y方向及びZ方向の三次元解像度に応じたラスタデータに変換する。以下、説明の便宜上、データ形式を変更した場合であっても、データの描画内容が実質的に等価であることを条件に、変わらず「加色造形データ」と称する。
ステップS3において、制御部102(データ修正部120)は、ステップS1で取得された加色造形データを解析することで、仕切り層26の要否及び配置を決定する。具体的には、データ修正部120は、形状モデルデータに含まれるフレーム情報(頂点及び結合関係)を用いて幾何学的計算を実行することで、最外表面12、14の隣接角度θをそれぞれ求める。また、データ修正部120は、表面画像データの画素値を解析することで、最外表面12、14の色をそれぞれ求める。
図8は、仕切り層26の配置を決定する方法に関する概略説明図である。本図は、予め定義された三次元作業領域140内に、加色造形データ150(図9)が示す仮想オブジェクト142を配置した状態を表記している。図3で既に説明した通り、最外表面12をなす平面Q1PQ2と、最外表面14をなす平面Q1PQ3の間の隣接角度はθ=90度である。これにより、辺PQ1、辺PQ4の近傍に仕切り層26を配置することが決定される。
仮想オブジェクト142の重心をOとするとき、仕切り層26は、線分OPの一部を含んで配置される点に留意する。ここで、外端点Roは、頂点Pから特定の距離(稜線30からの深さ)だけ内側に離れた線分OP上の点である。また、内端点Riは、外端点Roから特定の距離(仕切り層26の幅)だけ内側に離れた線分OP上の点である。
データ修正部120は、頂点Pを除く他の頂点に関して同様に演算し、外端点Ro及び内端点Riをそれぞれ特定する。そして、隣接する外端点Ro或いは内端点Riを順次結ぶことで、図3に示す仕切り層26の配置領域が決定される。
ステップS4において、データ修正部120は、ステップS2にてラスタライズ処理がなされた加色造形データ150を修正することで、ステップS3での決定結果に従って仕切り層26を配置させる。この修正方法について図9を参照しながら詳細に説明する。
図9(a)は、修正前の加色造形データ150を構成する画素値を示す図であり、図4(a)の描画内容に概ね対応する。本図の左側には、カラーチャンネルがC(シアン)である連続調スライスデータ151が表記されている。各画像領域を示す正方形内の数字は画素値(8ビット階調)を示し、「255」が階調の最高レベルに、「0」が階調の最低レベルにそれぞれ相当する。
連続調スライスデータ151の描画内容から理解されるように、第1着色層20に対応する画素値は「c1」(第1色)であり、第2着色層24に対応する画素値は「c2」(第2色)である。また、造形基体16に対応する画素値は「0」(無彩色)であり、余白部に対応する画素値は「0」(無色)である。
本図の右側には、カラーチャンネルがW(ホワイト)である連続調スライスデータ152が表記されている。この描画内容から理解されるように、第1着色層20に対応する画素値は「0」(第1色)であり、第2着色層24に対応する画素値は「0」(第2色)である。また、造形基体16に対応する画素値は「255」(無彩色)であり、余白部に対応する画素値は「0」(無色)である。
ここで、データ修正部120は、連続調スライスデータ151に対して、仕切り層26に対応する画素値を「c1」から「0」に、「c2」から「0」にそれぞれ上書き更新する。また、データ修正部120は、連続調スライスデータ152に対して、仕切り層26に対応する画素値を「0」から「255」に上書き更新する。
図9(b)は、修正後の加色造形データ150、すなわち修正済み造形データ160を構成する画素値を示す図であり、図4(b)の描画内容に概ね対応する。本図の左側にはC(シアン)の連続調スライスデータ161が、右側にはW(ホワイト)の連続調スライスデータ162がそれぞれ表記されている。
ステップS5において、データ作成部122は、ステップS4で修正された修正済み造形データ160に対して種々の画像処理を施すことで、液滴78の吐出制御に供される吐出データを作成する。この画像処理には、例えば、ディザ法を含むハーフトーン処理、同系色/異系色間の分版処理、ドットサイズ(液滴量)の割り付け処理、打滴数の制限処理が含まれる。
ステップS6において、三次元造形装置100は、ステップS5で作成された吐出データに基づいて造形処理を実行する。具体的には、三次元造形装置100は、載置台68及び吐出ユニット80を三次元方向に相対移動させながら、モデル材52及びサポート材54を含む単位層をZ方向に沿って順次積層する。つまり、[1]吐出ユニット80による液滴78の吐出、[2]平坦化ローラ82による単位層面56の平坦化、[3]硬化ユニット84による液滴78の硬化、及び[4]積層構造体50の成長、を順次実行することで、積層構造体50の完成状態である造形中間物を得る。
ステップS7において、ステップS6にて得られた造形中間物に対してサポート材54の除去処理を施すことで、図1に示す三次元造形物10を生成する。この除去処理は、サポート材54の性質に応じた物理的処理又は化学的処理、具体的には、水溶、加熱、化学反応、水圧洗浄、電磁波の照射によって実現できる。
<4.三次元造形装置100による効果>
以上のように、三次元造形装置100は、隣接角度θをなして隣接する第1外表面18及び第2外表面22を有する造形基体16と、造形基体16の第1外表面18上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層20と、造形基体16の第2外表面22上に形成され、透明材を第2色で着色してなる第2着色層24を含む三次元造形物10を、少なくとも第1色及び第2色の色再現が可能である複数種類のモデル材52を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する。
そして、三次元造形装置100は、造形基体16、第1着色層20及び第2着色層24を含む、元の加色造形物を示す加色造形データ150を取得するデータ取得部118と、取得された加色造形データ150を修正することで、元の加色造形物における第1着色層20の側面と第2着色層24の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、第1色及び第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層26を配置させるデータ修正部120を備える。
また、この三次元造形装置100を用いた三次元造形方法は、元の加色造形物を示す加色造形データ150を取得する取得ステップ(S1)と、取得された加色造形データ150を修正する修正ステップ(S4)を備える。このように構成しているので、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される三次元造形物10(図1〜図4)が得られる。
[備考]
なお、この発明は、上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
例えば、三次元造形装置100は、仕切り層26の配置情報を設定可能に構成されてもよい。この場合、制御部102は、作業者による入力部106を介した操作に応じて配置情報を取得し、この配置情報に応じて修正済み造形データ160を作成する。この配置情報には、具体的に、仕切り層26の形態(例えば、厚さ、幅、位置、色)又は配置有無の判定条件(例えば、閾値θth、配置の要否)が含まれる。
この実施形態では、データ修正部120はラスタデータ形式の加色造形データ150を修正しているが、修正処理の実行はこのタイミングに限られない。例えば、ハーフトーン処理後の段階にて多階調データを修正してもよいし、ラスタライズ処理前の段階にてベクトルデータを修正してもよい。
この実施形態では、載置台68及び吐出ユニット80の両方とも移動可能であるが、一方が固定された状態下に他方が移動可能であってもよいし、3つの移動方向(X方向、Y方向、Z方向)の組み合わせは任意である。
この実施形態では、主にインクジェット方式の三次元造形装置100について説明したが、この造形方式に限られない。例えば、熱融解積層方式、光造形方式、粉末焼結方式、プロジェクション方式、インクジェット粉末積層方式にも適用できる。
10‥三次元造形物 12、14‥最外表面
16‥造形基体 18‥第1外表面
20‥第1着色層 22‥第2外表面
24‥第2着色層 26‥仕切り層
28‥接触部位 30‥稜線
50‥積層構造体 52‥モデル材(造形材)
54‥サポート材 56‥単位層面
60‥載置部 62‥キャリッジ
64‥キャリッジ駆動部 66‥作業面
68‥載置台 70‥ステージ駆動部
72‥ガイドレール 74‥スライダ
76‥キャリッジレール 78‥液滴
80‥吐出ユニット 82‥平坦化ローラ
84‥硬化ユニット 88、90‥吐出ヘッド
100‥三次元造形装置 102‥制御部
112‥三次元駆動部 114‥駆動回路
116‥データ処理部 118‥データ取得部
120‥データ修正部 122‥データ作成部
124‥吐出制御部 126‥硬化制御部
150‥加色造形データ 160‥修正済み造形データ

Claims (8)

  1. 隣接角度をなして隣接する第1外表面及び第2外表面を有する造形基体と、
    前記造形基体の前記第1外表面上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層と、
    前記造形基体の前記第2外表面上に形成され、透明材を前記第1色と異なる第2色で着色してなる第2着色層と、
    前記第1着色層の側面と前記第2着色層の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第1色及び前記第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層と
    を備えることを特徴とする三次元造形物。
  2. 前記第1着色層の側面は、厚み方向の外表側にある接触部位にて前記第2着色層の側面と面接触し、
    前記仕切り層は、前記接触部位に対して前記厚み方向の内側に配置される
    ことを特徴とする請求項1に記載の三次元造形物。
  3. 前記仕切り層は、前記第1着色層及び前記第2着色層と比べて低い光透過率を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元造形物。
  4. 前記仕切り層は、前記隣接角度が大きいほど相対的に高い光透過率を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の三次元造形物。
  5. 前記仕切り層は、前記隣接角度が閾値よりも小さい場合にのみ配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の三次元造形物。
  6. 前記第1外表面及び前記第2外表面は、不透明な無彩色であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の三次元造形物。
  7. 隣接角度をなして隣接する第1外表面及び第2外表面を有する造形基体と、
    前記造形基体の前記第1外表面上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層と、
    前記造形基体の前記第2外表面上に形成され、透明材を前記第1色と異なる第2色で着色してなる第2着色層と
    を含む三次元造形物を、少なくとも前記第1色及び前記第2色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する三次元造形装置であって、
    前記造形基体、前記第1着色層及び前記第2着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得するデータ取得部と、
    前記データ取得部により取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形物における前記第1着色層の側面と前記第2着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第1色及び前記第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層を配置させるデータ修正部と
    を備えることを特徴とする三次元造形装置。
  8. 隣接角度をなして隣接する第1外表面及び第2外表面を有する造形基体と、
    前記造形基体の前記第1外表面上に形成され、透明材を第1色で着色してなる第1着色層と、
    前記造形基体の前記第2外表面上に形成され、透明材を前記第1色と異なる第2色で着色してなる第2着色層と
    を含む三次元造形物を、少なくとも前記第1色及び前記第2色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する三次元造形装置を用いた三次元造形方法であって、
    前記造形基体、前記第1着色層及び前記第2着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得する取得ステップと、
    取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形材における前記第1着色層の側面と前記第2着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第1色及び前記第2色のうちいずれか1色の不透明な仕切り層を配置させる修正ステップと
    を備えることを特徴とする三次元造形方法。
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