JP2017164912A - カラー立体造形装置、及びカラー立体造形装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部等を着色したカラーの立体造形物を容易に製造可能にする。【解決手段】カラー立体造形装置１０は、演算処理部２３により、立体造形部１２での立体造形の途中で、立体造形を中断させる。そして、演算処理部２３は、搬送部１４により立体造形物１００を搬送させて着色部１３により立体造形物１００に着色させた後、立体造形物１００を、搬送部１４により搬送させて立体造形を再開させる。【選択図】図１

Description

本発明は、カラー立体造形装置、及びカラー立体造形装置の制御方法に関する。

入力データに基づいて立体造形物（三次元造形物とも称する）を造形する造形装置として、いわゆる３Ｄプリンターが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。この種の造形装置で造形された立体造形物は、人が着色することによって精密な色付けが可能であった。一方、立体物に着色する技術として、水圧転写の技術を利用した液圧転写装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１５−２０２５９７号公報 実開平６−８１７２７号公報 特開２００９−２６９３４２号公報

従来の液圧転写装置を使用する場合、３Ｄプリンターで立体造形した後に、液圧転写装置に立体造形物をセットし、着色しなければならない。このため、位置精度が要求される着色を行う場合、精密な位置決めが必要である。また、ユーザーが３Ｄプリンターで使用するデータと液圧転写装置で使用するデータとを作成し、各装置に読み込ませる必要もある。また、着色する面が、立体造形物の内部の面の場合、造形後の着色が難しい問題があった。
そこで、本発明は、内部等を着色したカラーの立体造形物を容易に製造可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、カラー立体造形装置であって、３Ｄオブジェクトのデータを、入力データとして取得するデータ取得部と、前記入力データから、前記３Ｄオブジェクトを多層に分割したときの各層の形状に関する第１データと、前記３Ｄオブジェクトの表面の色に関する第２データとを作成するデータ作成部と、前記第１データに基づいて前記３Ｄオブジェクトを立体造形する立体造形部と、前記立体造形部が立体造形した立体造形物を、搬送する搬送部と、前記搬送部により搬送された前記立体造形物に対し、前記第２データに基づき前記表面の色を着色する着色部と、前記立体造形部での立体造形の途中で、立体造形を中断させ、前記搬送部により前記立体造形物を搬送させて前記着色部により前記立体造形物に着色させた後、前記立体造形物を、前記搬送部により搬送させて立体造形を再開させる制御部と、を備えることを特徴とする。本発明によれば、内部等を着色したカラーの立体造形物を容易に製造可能になる。

本発明は、上記構成において、前記制御部は、前記立体造形物の所定の面が着色可能になると、前記立体造形部での立体造形の途中で中断させ、前記搬送部により前記立体造形物を搬送させて前記着色部により前記所定の面を着色させることを特徴とする。本発明によれば、立体造形の途中で着色可能になる面を着色することできる。

また、本発明は、上記構成において、前記所定の面は、前記３Ｄオブジェクトの立体造形後に着色困難な面であり、前記３Ｄオブジェクトの内部の面を含むことを特徴とする。本発明によれば、立体造形途中なので、内部の面を着色し易くなる。

また、本発明は、上記構成において、前記制御部は、前記入力データに基づき、前記所定の面を検索する検索処理を行い、前記所定の面が検索されない場合、前記立体造形部での立体造形を中断させないことを特徴とする。本発明によれば、迅速に立体造形を終了させることができる。

また、本発明は、上記構成において、前記制御部は、前記検索処理として、前記入力データに基づき、前記３Ｄオブジェクトの色が存在する部分のそれぞれの放線ベクトルを得、各放線ベクトルが、前記３Ｄオブジェクトの他の部分に衝突するか否かを判定し、衝突する放線ベクトルを有する部分を含む面を、前記所定の面として検出することを特徴とする。本発明によれば、立体造形後に着色困難な内部の面を高精度に検索することができる。

また、本発明は、上記構成において、前記搬送部は、前記立体造形物を回転可能であることを特徴とする。本発明によれば、立体造形物の向きを、立体造形部と着色部とでそれぞれ適切な向きにすることができる。また、内部の面と外部の面の両方に着色することができる。
また、本発明は、上記構成において、前記着色部は、水圧転写技術により前記立体造形物に着色することを特徴とする。本発明によれば、立体造形物の表面が曲面であっても容易に着色することができる。

また、本発明は、カラー立体造形装置の制御方法において、データ取得部により、３Ｄオブジェクトのデータを、入力データとして取得するステップと、データ作成部により、前記入力データから、前記３Ｄオブジェクトを多層に分割したときの各層の形状に関する第１データと、前記３Ｄオブジェクトの表面の色に関する第２データとを作成するステップと、立体造形部により、前記第１データに基づいて前記３Ｄオブジェクトの立体造形を開始し、立体造形の途中で、立体造形を中断するステップと、搬送部により、前記立体造形物を搬送し、着色部により、前記第２データに基づき前記立体造形物に着色した後、前記立体造形物を、前記搬送部により搬送させて立体造形を再開するステップと、を有することを特徴とする。本発明によれば、内部等を着色したカラーの立体造形物を容易に製造可能になる。

本発明は、上記制御方法において、前記立体造形の途中で立体造形を中断するステップは、前記立体造形物の所定の面が着色可能になった場合に立体造形を中断することを特徴とする。本発明によれば、立体造形の途中で着色可能になる面を着色することできる。
また、本発明は、上記制御方法において、前記所定の面は、前記３Ｄオブジェクトの立体造形後に着色困難な面であり、前記３Ｄオブジェクトの内部の面を含むことを特徴とする。本発明によれば、立体造形途中なので、内部の面を着色し易くなる。

また、本発明は、上記制御方法において、前記着色部は、水圧転写技術により前記立体造形物に着色することを特徴とする。本発明によれば、立体造形物の表面が曲面であっても容易に着色することができる。

本発明の第１実施形態に係るカラー立体造形装置のブロック図。 ３Ｄデータのデータ内容を模式的に示した図。 着色部の構成を模式的に示した図。 立体造形物を下方に移動させた状態を示した図。 転写後の立体造形物を示した図。 造形装置の基本動作を示すフローチャート。 着色面特定処理を示すフローチャート。 着色面特定処理の説明に供する図。 着色面特定処理の説明に供する図。 着色面特定処理の説明に供する図。 内部に空洞部を有する３Ｄオブジェクトの断面図。 検索処理を示すフローチャート。 図１１に示した３Ｄオブジェクトと転写槽とを示した図。 変形例の説明に供する図である。

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。
図１は、本発明の実施形態に係るカラー立体造形装置のブロック図である。
カラー立体造形装置（以下、造形装置と言う）１０は、制御部１１と、立体造形部１２と、着色部１３と、搬送部１４とを備える。この造形装置１０は、制御部１１の制御の下、立体造形部１２により立体造形物を造形し、造形した立体造形物を、搬送部１４により着色部１３に搬送し、着色部１３により立体造形物を着色する装置である。
以下、立体造形物に関し、立体造形部１２に位置する場合は符号１００Ａを付して示し、着色部１３に位置する場合は符号１００Ｂを付して示す。また、立体造形物の位置を特に区別する必要がない場合、立体造形物１００と表記する。

制御部１１は、造形装置１０の各部を制御する部分であり、データ取得部２１と、記憶部２２と、演算処理部２３と、操作入力部２４、データ作成部２５と、と、報知部２６とを備える。データ取得部２１は、３Ｄオブジェクトのデータ（以下、３Ｄデータ）ＤＡを、入力データとして取得するインターフェースである。データ取得部２１は、例えば、パーソナルコンピューター、又は外部記憶媒体等からなる外部の装置から直接、或いはインターネット等の通信ネットワークを介して３ＤデータＤＡを取得する。

ここで、３Ｄオブジェクトは、立体物を示し、３次元オブジェクト、又は３Ｄオブジェクトモデルとも称する。３Ｄオブジェクトは、表面の色を有する。その色は、色分け、線又は図形からなる模様、及び文字を含み、テクスチャーとも称する。
３ＤデータＤＡは、例えばＳＴＬ、ＯＢＪ、ＩＧＥ等の公知のフォーマットで立体物を表現したデータであり、３次元コンピューターグラフィックス（３ＤＣＧ）、又は３次元ＣＡＤのソフトウェアによって作成される。また、３Ｄオブジェクトの色は、これらソフトウェアによって３ＤデータＤＡに追加できる情報である。

３ＤデータＤＡが例えばＳＴＬフォーマットのファイルである場合、３ＤデータＤＡは、３つの頂点（座標値）を有する多角形（ポリゴンに相当）の集合により立体が表現される。ここでいう座標値とは、互いに直交する３軸により定義された座標空間における座標値である。ポリゴンは例えば三角形である。また、各多角形は面法線ベクトルを有し、各面法線ベクトルが向く方向は立体物の表面が向く方向を示す。

記憶部２２は、造形装置１０が処理する各種のデータやプログラム等を記憶する。この記憶部２２は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、又はＳＳＤ（Solid State Drive）等である。
演算処理部２３は、記憶部２２に記憶されたプログラムを実行することにより、造形装置１０の各部を制御するマイクロコンピューターとして機能する。より具体的には、演算処理部２３は、マイコン、ＳＯＣ（System-on-a-chip）又はＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成される。

操作入力部２４は、キーボード等の入力デバイスを介してユーザー指示を入力し、ユーザー指示に対応する信号を演算処理部２３に出力する。これによって、演算処理部２３は、ユーザー指示に基づき各種処理を行うことができる。報知部２６は、ユーザーに対して各種情報を報知する装置であり、例えば、各種の情報を表示する表示機能と、各種の音声を報知する音声出力機能などを有している。

データ作成部２５は、演算処理部２３の制御の下、データ取得部２１を介して取得した３ＤデータＤＡにデータ変換処理を行うブロックである。このデータ作成部２５は、第１データ作成部２５Ａと第２データ作成部２５Ｂとを備える。
第１データ作成部２５Ａは、３ＤデータＤＡから、３Ｄオブジェクトを多層に分割したときの各層の形状に関する第１データＤ１を得るデータ変換処理を行う。また、第２データ作成部２５Ｂは、３ＤデータＤＡから、３Ｄオブジェクトの色に関する第２データＤ２を得るデータ変換処理を行う。

このデータ変換処理について一例を挙げて説明する。
図２は３ＤデータＤＡのデータ内容を模式的に示した図である。なお、図２に示す３ＤデータＤＡは人の頭部を示している。３ＤデータＤＡは、頭部（３Ｄオブジェクトに相当）の形状を示す形状データＤＡ１と、頭部の色を示す色データＤＡ２、つまり、目、眉毛、唇の色を示す色データＤＡ２とを含んでいる。肌の色は立体造形物の地の色を採用するので、色データＤＡ２には含まれていないが、地の色と異なる場合は含んでいてもよい。なお、色データＤＡ２はテクスチャーデータとも称する。
第１データ作成部２５Ａは、３ＤデータＤＡから形状データＤＡ１を抽出し、形状データＤＡ１に基づき頭部を多層に分割した各層の断面形状を演算により取得する。各層の断面形状を表した２次元データのそれぞれが第１データＤ１である。なお、第１データＤ１は、スライスデータとも称する。
頭部の３ＤデータＤＡの場合、頭部の上下方向において所定のスライス幅の間隔で、断面形状を示す複数の第１データＤ１を作成する。このスライス幅は、立体造形部１２が積層可能な各層の厚さを満たす範囲内であれば良く、スライス幅は一定でなくても良い。このようにして、立体造形部１２に立体造形させる第１データＤ１が作成される。

第２データ作成部２５Ｂは、３ＤデータＤＡから色データＤＡ２を抽出し、この色データＤＡ２に対応する画像を、着色部１３の転写面に平面展開した画像に変換する。この変換後の画像を示すデータが、第２データＤ２である。この着色部１３は、水圧転写により転写画像を転写するので、転写面は水面である。
すなわち、第２データ作成部２５Ｂは、形状データＤＡ１が示す３Ｄオブジェクトに、水圧転写により色データＤＡ２に対応する画像を転写できる転写画像を生成し、この転写画像を表すデータを、第２データＤ２として作成する。これにより、着色部１３に水圧転写させる第２データＤ２が作成される。これら第１データ作成部２５Ａ及び第２データ作成部２５Ｂのデータ変換処理には、公知の変換処理を広く適用可能である。

立体造形部１２は、引き上げ造形型であり、造形が進むにつれ、立体造形物１００Ａは搬送部１４によって上方に引き上げられる。図１及び後述の各図において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、造形装置１０の方向を示す空間軸である。より具体的には、これらＸ〜Ｚ軸は、互いに直交する３軸であり、Ｚ軸は、鉛直方向に沿った方向（Ｚ方向）に延びる軸であり、鉛直下向きの方向が−Ｚ方向であり、鉛直上向きの方向が＋Ｚ方向である。また、Ｚ軸に垂直な面がＸＹ平面であり、ＸＹ平面は水面と平行である。

立体造形部１２は、制御部１１の制御の下、搬送部１４と連係して動作することにより、光造形方式の積層造形装置として機能する。この立体造形部１２は、立体造形物１００Ａを造形するための作業面として機能するステージ３１と、ステージ３１に立体造形物の各層を積層する造形ユニット３２と、造形ユニット３２を駆動する造形駆動部３３とを備える。
立体造形部１２において、ステージ３１の下面が作業面であり、作業面はＸＹ平面に沿った面である。このステージ３１は、Ｚ軸に沿って上下に移動可能であり、且つ、搬送部１４によって着色部１３等へ移動したり、回転したりすることができる。
造形ユニット３２は、ステージ３１の下方に設けられた不図示の樹脂槽内の造形材料に光を照射する。造形材料は、光で硬化する光硬化樹脂である。これによって、造形ユニット３２の光が照射された部分が硬化する。造形駆動部３３は、制御部１１の演算処理部２３の制御の下、造形ユニット３２の照射位置の制御等を行う。

立体造形部１２は、３Ｄオブジェクトを分割した各層の形状に関する第１データＤ１に基づき、造形ユニット３２により、各層の形状（単位層）を形成した後、＋Ｚ方向にステージ３１を単位層の厚さだけ引き上げて次の単位層を形成する。これによって、３Ｄオブジェクトに相当する立体造形物１００Ａが造形される。
引き上げ造形型を用いることにより、ステージ３１の上下移動量を大きく確保し易くなる。また、ステージ３１を立体造形部１２の他の箇所から独立して移動させ易く、ステージ３１を、着色部１３等へ移動させる構成が容易に実現可能である。なお、引き上げ造形型、及び光造形方式の構成は、公知の３Ｄプリンターの構成を広く適用可能である。また、立体造形部１２は、上記構成に限定されず、熱融解積層方式、粉末焼結方式、インクジェット方式等の公知の３Ｄプリンターに使用される構成を適用しても良い。

搬送部１４は、搬送機構４１と回転機構４２とを備える。搬送機構４１は、ステージ３１を介して立体造形物１００を搬送する機構であり、立体造形物１００を、立体造形部１２、着色部１３及び出力トレイ５１などに搬送可能である。
回転機構４２は、ステージ３１を介して立体造形物１００を回転する機構であり、立体造形物１００を任意の向きに回転可能である。この回転機構４２により、着色部１３で水圧転写する際に、立体造形物１００を、転写対象の面（着色面に相当）を下向きにした姿勢に変更できる。搬送部１４は、３ＤデータＤＡから作成された形状に関する第１データＤ１と色に関する第２データＤ２とを使用して立体造形物１００を搬送及び回転するので、着色部１３で水圧転写する際に、高精度な位置決めをすることができる。
例えば、搬送機構４１には、レールを用いた機構が適用され、回転機構４２には、ロータリーテーブルを用いた機構が適用される。これら機構４１、４２には、公知の機構を広く適用可能である。また、多軸のロボットアームを用いることにより、搬送機構４１と回転機構４２とを同じロボットアームで兼用することができる。

次いで、着色部１３を説明する。
着色部１３は、制御部１１の制御の下、搬送部１４と連係して動作することにより、水圧転写技術を用いて立体造形物１００Ｂに着色する水圧転写装置として機能する。図３は着色部１３の構成を模式的に示した図である。
着色部１３は、転写槽６１と、印刷ヘッド６２と、印刷駆動部６３（図１）と、定着部６４とを備える。転写槽６１は、上方が開口し、内部に水（液体）を貯留する。貯留される水は、増粘材等が配合されていても良い。また、水に代えて高比重の液体を用いても良い。

印刷ヘッド６２は、インクジェット方式の印刷ヘッドであり、転写槽６１の水面に向けて複数色のインクを微適化して吐出する。このインクは、紫外線からなる光で硬化するインク、つまり、光硬化型のインクである。また、インク粒子としては、油性のインク粒子、或いは、疎水性の保護膜で被覆されたインク粒子が適用される。なお、インクは、光硬化型に限定する必要はなく、水圧転写に適した公知のインクを広く適用可能である。

印刷駆動部６３（図１）は、制御部１１の演算処理部２３の制御の下、印刷ヘッド６２の駆動として、印刷ヘッド６２の吐出制御と、印刷ヘッド６２の移動制御（図３にはＸ方向への移動を矢印で示している）とを行う。この印刷駆動部６３は、第２データＤ２に基づき印刷ヘッド６２を駆動することにより、第２データＤ２に対応する画像を転写槽６１の水面に印刷する。なお、図３中、符号１３Ｇは水面に印刷された転写画像を示している。
印刷ヘッド６２を、転写槽６１の幅（Ｙ方向の長さ）の略全体に渡ってインクを吐出可能な構成にすることにより、印刷ヘッド６２をＸ方向のみに移動する構成にすることができる。また、印刷ヘッド６２を小型に形成し、転写槽６１の幅（Ｙ方向の長さ）の略全体に渡ってインクを吐出できない構成にする場合、印刷ヘッド６２をＸ方向及びＹ方向に移動する構成にすれば良い。

印刷駆動部６３は、印刷ヘッド６２を図３中左側に移動することにより、印刷ヘッド６２を、転写画像１３Ｇから離れた待避位置（図３に二点鎖線で示す位置）に移動させることができる。
なお、着色部１３は、水（水面）を印刷媒体として印刷する構成に限定されず、水圧転写用フィルムを印刷媒体として印刷しても良い。水圧転写用フィルムは、例えば、水面に浮かべられ、立体造形物１００Ｂが押し当てられることによってフィルム上の画像を立体造形物１００Ｂに転写することができる。水圧転写用フィルムには、水溶性または水膨潤性を有するフィルムなどの公知のフィルムを広く適用可能である。

制御部１１は、印刷された画像の位置情報を用いて搬送部１４を制御する。図３に示すように、搬送部１４は、立体造形物１００Ｂを、転写槽６１の上方に移動し、そこから転写槽６１に向けて下方に移動させることができる。つまり、搬送部１４は、着色部１３にて立体造形物１００Ｂを下降及び上昇させる昇降機構として機能する。また、搬送部１４は、回転機構４２により、立体造形物１００Ｂを転写に適した向きに回転する。図３では、立体造形物１００Ｂの向きを、立体造形部１２で造形された向きから９０度異ならせ、顔を下向きにした姿勢に回転させた場合を示している。

図４は、立体造形物１００Ｂを下方に移動させた状態を示している。立体造形物１００Ｂを下方に移動させることにより、立体造形物１００Ｂを、転写画像１３Ｇを有する水面に浸漬させることができ、つまり、転写位置に移動させることができる。
また、図５は、転写後の立体造形物１００Ｂを示した図である。転写後の立体造形物１００Ｂは、搬送部１４により上方に移動させられ、定着部６４により、転写画像１３Ｇを定着させる定着処理が施される。

定着部６４は、定着処理として、立体造形物１００Ｂに、紫外線（光）を照射して印刷画像のインクを硬化させる処理を行う。なお、インクが光硬化型でない場合などは、定着部６４は、定着処理として、熱風を立体造形物１００Ｂに噴射して乾燥によりインクを定着させる処理を行う。クリアインクなどのオーバーコートを塗布してもよい。なお、定着処理は、インクに応じた公知の処理を広く適用可能である。

続いて、造形装置１０の動作を説明する。
図６は、造形装置１０の基本動作を示すフローチャートである。
まず、制御部１１の演算処理部２３は、３ＤデータＤＡを入力データとして取得する（ステップＳ１）。次に、演算処理部２３は、データ作成部２５の第１データ作成部２５Ａに、３ＤデータＤＡから形状に関する第１データＤ１を作成させるとともに、第２データ作成部２５Ｂに、３ＤデータＤＡから色に関する第２データＤ２を作成させる（ステップＳ２）。
演算処理部２３は、第１データＤ１を立体造形部１２に出力させることにより、立体造形部１２に、第１データＤ１に基づいて立体造形物１００を造形させる（ステップＳ３）。

立体造形物１００の造形が完了すると、演算処理部２３は、立体造形物１００を、搬送部１４により着色部１３に搬送させ（ステップＳ４）、第２データＤ２に基づく着色処理を開始させる（ステップＳ５）。この着色処理では、演算処理部２３は、立体造形物１００の複数の面を、まとめて着色可能にする面（以下、着色面）を特定する処理（着色面特定処理）を行う。その後、演算処理部２３は、特定した着色面の画像（転写画像に相当）を、転写面となる水面に印刷させる処理、及び、印刷された転写画像を立体造形物１００に転写させる処理を行う。着色面特定処理については後述する。

立体造形物１００に転写した後、演算処理部２３は、搬送部１４により立体造形物１００を定着位置に移動させ、定着部６４により定着処理を行う（ステップＳ６）。定着処理が終了すると、演算処理部２３は、搬送部１４により立体造形物１００を出力トレイ５１（図１）に搬送させる。

図７は着色面特定処理を示すフローチャートである。
この着色面特定処理は、３Ｄオブジェクトの色が存在する面が複数の面の場合に、複数の面をまとめて水圧転写可能な平面を、着色面として特定する処理である。ここで、図８〜図１０は、着色面特定処理の説明に供する図である。図８〜図１０では、３Ｄオブジェクト（立体造形物１００）が、４つの面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを有する三角錐であり、面Ａ，Ｂ，Ｃに色が存在し、面Ｄには色が存在しない場合を示している。

まず、演算処理部２３は、３ＤデータＤＡに基づき、色が存在する面のそれぞれの法線ベクトル（面法線ベクトルに相当、図８〜図１０に矢印ＶＡ，ＶＢ，ＶＣで示す）を得る（図７に示すステップＳ１Ａ）。なお、面Ｄには色が存在しないので、面Ｄの法線ベクトル（図８等に矢印ＶＤで示す）は不要である。
法線ベクトルは、３ＤデータＤＡに含まれる場合はその情報を得れば良く、３ＤデータＤＡに含まれない場合は、３ＤデータＤＡに含まれる座標情報に基づいて算出可能である。

次に、演算処理部２３は、転写面である水面に垂直な水面ベクトルＶｋを設定し、水面ベクトルＶｋと各法線ベクトルＶＡ，ＶＢ，ＶＤとの内積をそれぞれ求める（図７に示すステップＳ２Ａ）。図８では、三角錘（立体造形物１００）の面Ａ，Ｂ，Ｃで共通の頂点Ｐ１が、＋Ｚ方向に向くように水面ベクトルＶｋを設定した場合を示している。また、図９では、上記頂点Ｐ１が、−Ｚ方向に向くように水面ベクトルＶｋを設定した場合を示している。また、図１０は図９の下方から見た図である。

ベクトルの内積は、両ベクトルがどれほどお互いに近いかの程度を示すスカラー量であるので、各法線ベクトルＶＡ〜ＶＤが単位ベクトルだとすると、内積が大きいほど、同じ方向を向いている度合が高いことを示している。
同じ方向を向いているのであれば、まとめて転写（着色）可能な面であるので、ベクトルの内積の値に基づいて、まとめて転写可能な面か否かを判定することができる。
演算処理部２３は、この判定を行うことにより、色が存在する面Ａ，Ｂ，Ｃのうち、まとめて転写可能な面数ＭＮを求める（図７に示すステップＳ３Ａ）。図８の場合、面Ａ，Ｂ，Ｃは転写できない。また、図９の場合、転写可能な面は３つの面Ａ，Ｂ，Ｃであるので、色が存在する全ての面をまとめて転写可能である。

演算処理部２３は、色が存在する面の数と転写可能な面数ＭＮが一致しない場合（ステップＳ４Ａ；NO）、異なる水面ベクトルＶｋ（ｋ＝１〜ｎ：ｎは整数）について転写可能な面数ＭＮを計算済みの場合を除き（ステップＳ５Ａ；YES）、次の処理を行う。
この場合、演算処理部２３は、水面ベクトルＶｋを異なるベクトルに変更し（ステップＳ６Ａ）、ステップＳ２Ａ〜Ｓ４Ａの処理を行う。これにより、色が存在する面の数と転写可能な面数ＭＮが一致しない場合、異なる水面ベクトルＶ１〜Ｖｎのそれぞれについて転写可能な面数ＭＮが計算される。

一方、演算処理部２３は、色が存在する面の数と転写可能な面数ＭＮが一致した場合（ステップＳ４Ａ；YES）、一回の水圧転写で着色が完了するので、ステップＳ７Ａの処理へ移行する。また、演算処理部２３は、異なる水面ベクトルＶｋについて転写可能な面数ＭＮを全て計算済みの場合も（ステップＳ４Ａ；YES）、ステップＳ７Ａの処理へ移行する。

ステップＳ７Ａの処理では、演算処理部２３は、面数ＭＮが最も多い水面ベクトルＶｋに従って複数の面に転写可能な平面（着色面）を特定する（ステップＳ）。続いて、演算処理部２３は、第２データ作成部２５Ｂにより、上記転写面に平面展開した転写画像を印刷させる印刷データを、第２データＤ２として作成させる（ステップＳ８Ａ）。

例えば、上記三角錘（立体造形物１００）の場合、図１０に示す、面Ａ，Ｂ，Ｃを一度で転写可能な転写画像を印刷させる第２データＤ２が作成される。これにより、３Ｄオブジェクトの色が存在する複数の面をまとめて転写可能にする第２データＤ２が作成される。以上が着色面特定処理である。
なお、この着色面特定処理を、演算処理部２３と第２データ作成部２５Ｂとが協働して行う場合を説明したが、これに限らず、第２データ作成部２５Ｂが単独で行っても良い。

着色面特定処理の後、演算処理部２３は、第２データＤ２を着色部１３に出力させるとともに、搬送部１４により、立体造形物１００の向きを転写に合わせた向きに調整することで、着色部１３により着色（画像の転写・定着処理）させる。なお、一回の転写だけで色を有する面を全て着色できない場合、演算処理部２３は、残りの面に対し、上記着色面特定処理を実行し、残りの面の着色を効率良く行う。この着色面特定処理を行うことにより、転写回数を低減することができる。従って、時間の短縮化が可能である。

本実施形態の造形装置１０は、データ取得部２１により、データ取得部２１により、３Ｄオブジェクトを表す３ＤデータＤＡを、入力データとして取得し、データ作成部２５により、３ＤデータＤＡから形状に関する第１データＤ１と３Ｄオブジェクトの表面の色に関する第２データＤ２とを作成する。次に、造形装置１０は、立体造形部１２により第１データＤ１に基づいて３Ｄオブジェクトを立体造形し、搬送部１４により、立体造形した立体造形物１００を搬送し、着色部１３により、立体造形物１００に対し第２データＤ２に基づき着色する。この構成及び制御方法によれば、カラーの立体造形物１００を容易に製造することができる。３ＤデータＤＡから作成された形状に関する第１データＤ１と色に関する第２データＤ２とを使用して、立体造形および着色を実行するので、着色時の位置決めを高精度に実現できる。よって立体造形物１００に対し高精度な着色を施すことができる。

また、着色部１３は、水圧転写技術により立体造形物１００に着色するので、立体造形物１００の表面が曲面であっても容易に着色することができる。
また、データ作成部２５は、演算処理部２３と協働することによって、或いは、データ作成部２５だけで、着色面特定処理を行う。つまり、３ＤデータＤＡから色が存在する面の法線ベクトルをそれぞれ取得し、各面に着色可能な平面を特定し、この特定した平面に平面展開した転写画像を表す第２データＤ２を作成する。これにより、立体造形物１００が有する面を着色することができる。この場合に、上記平面として、３Ｄオブジェクトが有する複数の面に着色可能な平面を特定することにより、立体造形物１００が有する複数の面を効率良く着色することができる。

また、着色部１３は、インクジェット技術を用いた印刷ヘッド６２を用いて転写画像を作成するので、公知の印刷ヘッドを用いて高品質な転写画像を作成し易くなる。また、搬送部１４は、立体造形物１００を回転可能であるので、立体造形部１２と着色部１３とで立体造形物１００の向きを変えることができる。従って、立体造形物１００の向きを、立体造形部１２と着色部１３とでそれぞれ適切な向きにすることができる。また、着色部１３で、一回の水圧転写で全ての着色が終了しなくても、立体造形物１００の向きを変えて別の箇所を着色することができる。このように、立体造形物１００の向きを変えて水圧転写を繰り返すことにより、立体造形物１００が複雑な形状であっても印刷が可能である。また、内部の面と外部の面の両方に着色することができる。

ところで、３Ｄオブジェクトの形状によっては立体造形後に着色困難な面が存在する。例えば、図１１に示す、内部に空洞部を有する３Ｄオブジェクト（立体造形物１００）の場合、内部の面Ｍ１０に色を有していても、立体造形後に着色困難である。なお、図１１は断面構造を示している。
そこで、本実施形態の造形装置１０は、立体造形の途中で内部の面Ｍ１０（所定の面）が着色可能になると、立体造形を中断させ、着色部１３により内部の面Ｍ１０に着色させた後、立体造形を再開させる処理（以下、途中着色処理）ようにしている。

この途中着色処理を行うべく、制御部１１の演算処理部２３は、まず、立体造形を開始する前（上記ステップＳ３の開始前）に、立体造形後では着色困難な面（以下、着色困難面）ＭＭを検索する検索処理を行う。
図１２は、検索処理を示すフローチャートである。また、図１３は、検索処理の説明に供する図である。図１３は、図１１に示した３Ｄオブジェクトと転写槽６１の水面（転写面）との位置関係を示し、３Ｄオブジェクトに対し、Ｚ軸の−方向から水圧転写する条件としている。また、３Ｄオブジェクトは、図１３中の上端から下端に向かって造形される。

まず、演算処理部２３は、３ＤデータＤＡに基づき、３Ｄオブジェクトの色が存在する部分（ポリゴンに相当）のそれぞれの法線ベクトルを得る（ステップＳ１１）。この法線ベクトルは、３ＤデータＤＡに含まれる座標情報に基づいて求めれば良い。ここで、図１３中、符号ＰＧは、内部の面Ｍ１０に存在するポリゴンを示し、符号ＶＰは、各ポリゴンＰＧの法線ベクトルを示す。

次に、演算処理部２３は、各法線ベクトルが、３Ｄオブジェクトの他の部分に衝突するか否かを判定する（ステップＳ１２）。衝突する場合（ステップＳ１２；YES）、３Ｄオブジェクトの内部の面を形成する部分（ポリゴン）と判定できる。このため、演算処理部２３は、法線ベクトルＶＰが衝突するポリゴンＰＧを含む面（内部の面Ｍ１０）を、着色困難面ＭＭに特定する（ステップＳ）。
この場合、演算処理部２３は、この着色困難面ＭＭとして、転写面（水面）に平行な方向（Ｙ方向又はＸ方向の少なくともいずれか）に連続する面全体を特定する。これによって、図１３に符号ＡＲ１で示す領域の面Ｍ１０の全体を、着色困難面ＭＭに特定することができる。

続いて、演算処理部２３は、立体造形の中断位置ＺＭを求める（ステップＳ）。具体的には、演算処理部２３は、立体造形部１２での積層方向（−Ｚ方向）において、着色困難面ＭＭの造形終了位置に相当する座標値ＺＭを特定する。その後、演算処理部２３は、ステップＳ１２の処理に移行することにより、他の着色困難面ＭＭを検索する。従って、色を有する内部の面が他にあれば、その面も着色困難面ＭＭに特定する。

ステップＳ１２の判定が否定結果の場合、つまり、３Ｄオブジェクトに色を有する内部の面が存在しない場合、演算処理部２３は、検索処理を終了する。以上が検索処理である。
なお、この検索処理を、演算処理部２３が単独で行う場合を説明したが、演算処理部２３と第２データ作成部２５Ｂとが協働して行っても良いし、第２データ作成部２５Ｂが単独で行うようにしても良い。

検索処理が終了すると、演算処理部２３は、立体造形部１２により立体造形を開始させる。この場合、３Ｄオブジェクトに着色困難面ＭＭが存在しなかった場合、演算処理部２３は立体造形を中断させない。
これに対し、３Ｄオブジェクトに着色困難面ＭＭが存在した場合、演算処理部２３は、着色困難面ＭＭの造形終了位置に相当する座標値ＺＭまで立体造形されたか否かを監視する。そして、座標値ＺＭまで立体造形されると、演算処理部２３は、立体造形部１２による立体造形を中断させる。その後、演算処理部２３は、途中まで造形された立体造形物１００を、搬送部１４により着色部１３に搬送させ、着色部１３に、着色困難面ＭＭに対応する画像を着色させる。つまり、造形途中の立体造形物１００は、着色困難面ＭＭが外部に露出しているので、着色部１３によって容易に着色可能である。

ここで、座標値ＺＭまで立体造形させる制御としては、演算処理部２３が、座標値ＺＭのタイミングで、立体造形の中断を指示する方法、又は、座標値ＺＭまでの立体造形を予め指示する方法がある。また、例えば、第１データ作成部２５Ａにより、第１データＤ１として、座標値ＺＭまで立体造形させるデータと、座標値ＺＭ以降を立体造形させるデータとを別々に作成させ、座標値ＺＭまで立体造形させるデータに基づき立体造形させても良い。

なお、着色困難面ＭＭの画像を印刷させる印刷データは、上記検索処理の後、演算処理部２３が、第２データＤ２として、第２データ作成部２５Ｂに作成させる。
着色困難面ＭＭの印刷が終了すると、演算処理部２３は、搬送部１４により、立体造形物１００を立体造形部１２に搬送させ、立体造形部１２により立体造形を再開させる。そして、立体造形物１００の造形が完了すると、演算処理部２３は、立体造形物１００を、搬送部１４により着色部１３に搬送させ、着色部１３により残りの部分を着色させる。これによって、立体造形後では着色困難な内部の面Ｍ１０及び外部の面等を着色した立体造形物１００が製造される。

以上説明したように、本実施形態の造形装置１０は、演算処理部２３により、立体造形部１２での立体造形の途中で、立体造形を中断させる。そして、演算処理部２３は、搬送部１４により立体造形物１００を搬送させて着色部１３により立体造形物１００の表面に色を着色させた後、立体造形物１００を、搬送部１４により搬送させて立体造形を再開させる。この構成及び制御方法によれば、内部を着色したカラーの立体造形物１００を容易に製造することができる。
この場合、演算処理部２３は、立体造形物１００の内部の面Ｍ１０である着色困難面ＭＭ（所定の面）が着色可能になると、立体造形部１２での立体造形の途中で中断させ、搬送部１４により立体造形物１００を搬送させて着色部１３により着色困難面ＭＭを着色させる。これにより、立体造形の途中で着色可能になった着色困難面ＭＭを着色することができる。

ここで、内部の面Ｍ１０は、３Ｄオブジェクトの立体造形後に着色困難な面であっても、立体造形途中なので着色し易くなる。
また、演算処理部２３は、入力した３ＤデータＤＡに基づき着色困難面ＭＭを検索する検索処理を行い、着色困難面ＭＭが検索されない場合、立体造形部１２での立体造形を中断させない。これにより、迅速に立体造形を終了させることができる。

また、演算処理部２３は、検索処理として、３ＤデータＤＡに基づき、３Ｄオブジェクトの色が存在する部分のそれぞれの法線ベクトルを得、各法線ベクトルが、３Ｄオブジェクトの他の部分に衝突するか否かを判定する。この判定結果に基づき、演算処理部２３は、衝突する法線ベクトルを有する部分を含む面を、着色困難面ＭＭとして検出する。これにより、立体造形後に着色困難な内部の面Ｍ１０を高精度に検索することができる。

また、演算処理部２３は、立体造形部１２での積層方向（−Ｚ方向）において、着色困難面ＭＭの造形終了位置に相当する位置を、立体造形の中断位置ＺＭとする。これにより、着色困難面ＭＭが外部に露出する状態で立体造形を中断させることができ、着色し易くなる。

なお、上述した実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形、及び応用が可能である。
例えば、上述の実施形態では、着色困難面ＭＭ（所定の面）として、内部の面Ｍ１０を検索する場合を説明したが、内部の面以外の面を含めても良い。例えば、着色困難面ＭＭに、立体造形後に着色し難い面を含めることによって、その面が外部に露出した位置で着色することができ、着色し易くなる。

また、上述の実施形態において、着色部１３が立体造形物１００に着色して得られる表面層を多層構造にしても良い。ここで、図１４は、多層構造の表面層の一例を示した図である。図１４に示す表面層２００は、立体造形物１００側の層を構成する第１層２０１と、第１層２０１に対して立体造形物１００と反対側に設けられる第２層２０２とを備えている。各層２０１，２０２は、印刷ヘッド６２により水面又は水圧転写用フィルムに、第２層２０２の上に第１層２０１を重ねて印刷して多層の転写画像を形成する方法、又は、１層毎に水圧転写により立体造形物１００に転写する方法のいずれでも良い。

第１層２０１、及び第２層２０２のうち、いずれかの層が第２データＤ２に基づき色を着色したカラー層とされる。また、カラー層以外は、以下のように構成すれば良い。
第１層２０１に対して立体造形物１００と反対側に設けられる第２層２０２を、カラー層にした場合、第１層２０１を、白色系、グレー系、黒系、金属色系、透明色のクリアー系のいずれかの色にすることが好ましい。白色系にした場合、発色の向上、及び色再現域の拡大が可能である。また、グレー系、又は、黒系にした場合、立体造形物１００の素材の色による影響を抑えることができる。また、金属色系にした場合、金属光沢感を再現できる。また、クリアー系にした場合、カラー層の定着を改善し易くなる。

立体造形物１００側の第１層２０１をカラー層にした場合、第２層２０２を、透明色のクリアー層にすることが好ましい。この場合、カラー層を保護できるとともに、表面光沢を得やすくなる。なお、透明色は、色を有する透明色を含む。例えば、第２層２０２をピンク色の透明色にすることが好ましい。また、表面層２００を３層以上に構成しても良い。

また、上述の実施形態では、インクジェット方式の印刷ヘッド６２を用いる場合を説明したが、これに限らず、公知の他の印刷ヘッドを用いても良い。また、水圧転写用フィルムに印刷する場合、フィルムへの印刷を転写槽６１から離れた箇所で行い、印刷後の水圧転写用フィルムを、搬送部１４により水面の決められた位置などに搬送しても良い。また、転写用部材６７を用いる場合、転写用部材を、印刷位置に移動する構成にしても良い。さらに、各図に示した機能ブロックは、ハードウェアとソフトウェアの協働により任意に実現可能であり、特定のハードウェア構成を示唆するものではない。

１０…カラー立体造形装置、１１…制御部、１２…立体造形部、１３…着色部、１４…搬送部、２１…データ取得部、２２…記憶部、２３…演算処理部、２４…操作入力部、２５…データ作成部、２５Ａ…第１データ作成部、２５Ｂ…第２データ作成部、２６…報知部、３１…ステージ、３２…造形ユニット、３３…造形駆動部、３７…転写用部材、４１…搬送機構、４２…回転機構、５１…出力トレイ、６１…転写槽、６２…印刷ヘッド、６３…印刷駆動部、６４…定着部、Ｍ１０…内部の面、ＭＭ…着色困難面（所定の面）。

Claims (11)

1. ３Ｄオブジェクトのデータを、入力データとして取得するデータ取得部と、
   前記入力データから、前記３Ｄオブジェクトを多層に分割したときの各層の形状に関する第１データと、前記３Ｄオブジェクトの表面の色に関する第２データとを作成するデータ作成部と、
   前記第１データに基づいて前記３Ｄオブジェクトを立体造形する立体造形部と、
   前記立体造形部が立体造形した立体造形物を、搬送する搬送部と、
   前記搬送部により搬送された前記立体造形物に対し、前記第２データに基づき前記表面の色を着色する着色部と、
   前記立体造形部での立体造形の途中で、立体造形を中断させ、前記搬送部により前記立体造形物を搬送させて前記着色部により前記立体造形物に着色させた後、前記立体造形物を、前記搬送部により搬送させて立体造形を再開させる制御部と、
   を備えることを特徴とするカラー立体造形装置。
2. 前記制御部は、前記立体造形物の所定の面が着色可能になると、前記立体造形部での立体造形の途中で中断させ、前記搬送部により前記立体造形物を搬送させて前記着色部により前記所定の面を着色させることを特徴とする請求項１に記載のカラー立体造形装置。
3. 前記所定の面は、前記３Ｄオブジェクトの立体造形後に着色困難な面であり、前記３Ｄオブジェクトの内部の面を含むことを特徴とする請求項２に記載のカラー立体造形装置。
4. 前記制御部は、前記入力データに基づき、前記所定の面を検索する検索処理を行い、前記所定の面が検索されない場合、前記立体造形部での立体造形を中断させないことを特徴とする請求項２又は３に記載のカラー立体造形装置。
5. 前記制御部は、前記検索処理として、前記入力データに基づき、前記３Ｄオブジェクトの色が存在する部分のそれぞれの法線ベクトルを得、各法線ベクトルが、前記３Ｄオブジェクトの他の部分に衝突するか否かを判定し、衝突する法線ベクトルを有する部分を含む面を、前記所定の面として検出することを特徴とする請求項４に記載のカラー立体造形装置。
6. 前記搬送部は、前記立体造形物を回転可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のカラー立体造形装置。
7. 前記着色部は、水圧転写技術により前記立体造形物に着色することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のカラー立体造形装置。
8. データ取得部により、３Ｄオブジェクトのデータを、入力データとして取得するステップと、
   データ作成部により、前記入力データから、前記３Ｄオブジェクトを多層に分割したときの各層の形状に関する第１データと、前記３Ｄオブジェクトの表面の色に関する第２データとを作成するステップと、
   立体造形部により、前記第１データに基づいて前記３Ｄオブジェクトの立体造形を開始し、立体造形の途中で、立体造形を中断するステップと、
   搬送部により、前記立体造形物を搬送し、着色部により、前記第２データに基づき前記立体造形物に着色した後、前記立体造形物を、前記搬送部により搬送させて立体造形を再開するステップと、
   を有することを特徴とするカラー立体造形装置の制御方法。
9. 前記立体造形の途中で立体造形を中断するステップは、前記立体造形物の所定の面が着色可能になった場合に立体造形を中断することを特徴とする請求項８に記載のカラー立体造形装置の制御方法。
10. 前記所定の面は、前記３Ｄオブジェクトの立体造形後に着色困難な面であり、前記３Ｄオブジェクトの内部の面を含むことを特徴とする請求項９に記載のカラー立体造形装置の制御方法。
11. 前記着色部は、水圧転写技術により前記立体造形物に着色することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載のカラー立体造形装置の制御方法。

Images