JP2019142054A - 情報処理装置、造形システムおよびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 造形途中における立体物の変形を防止できる装置等を提供する。【解決手段】 この装置は、立体物の三次元形状を表す三次元形状情報に基づき、該立体物を所定の間隔で切断して得られる断面形状を表す複数の断面情報を生成する第１の生成手段と、生成された複数の断面情報に基づき、吐出手段を移動させる経路を表す複数の経路情報を生成する第２の生成手段と、を有する。吐出手段を移動させる経路は、造形材を吐出しながら吐出手段を移動させる第１の経路と、造形材を吐出しないで吐出手段を移動させる第２の経路とを含む。第２の生成手段は、第２の経路を、造形される立体物の上部を通過する距離が最小となるように生成する。【選択図】 図４

Description

本発明は、立体物を造形する造形装置を制御するための制御情報を生成する情報処理装置、情報処理装置と造形装置とを含む造形システムおよび制御情報を生成する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。

立体物を造形する造形装置として、立体物の基礎データである三次元データに基づき、樹脂、粉体、鋼板、紙等を順次積層することにより立体物を造形する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、コンピュータの画面上で任意の姿勢に設定し、設定された姿勢に基づき、高さ方向に平行な複数の面で切断した断面毎のデータ（二次元データ）を生成し、各層に関する二次元データに基づき、樹脂等を積層している。

このような樹脂等で立体物を造形する造形装置では、熱や樹脂等の積層厚さのムラにより、造形された立体物に歪みや反りが発生する場合がある。また、このような造形装置では、二次元データに基づき決定された樹脂等を吐出する吐出手段の経路情報に基づき、樹脂等を吐出しながら吐出手段を移動させるが、経路の行き止まりでは、次に吐出を開始する位置に到達するまで樹脂等を吐出せずに移動する。

造形途中において立体物に歪みや反りがあると、樹脂等を吐出せずに移動する際、吐出手段と立体物とが接触し、また、吐出手段内部の溶融した樹脂等が立体物上に垂れ落ち、立体物が変形するという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、造形途中における立体物の変形を防止することができる装置、システムおよびプログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、立体物を造形する造形装置を制御する情報処理装置であって、
立体物の三次元形状を表す三次元形状情報に基づき、該立体物を所定の間隔で切断して得られる断面形状を表す複数の断面情報を生成する第１の生成手段と、
複数の断面情報に基づき、吐出手段を移動させる経路を表す複数の経路情報を生成する第２の生成手段と、を有し、
吐出手段を移動させる経路は、造形材を吐出しながら吐出手段を移動させる第１の経路と、造形材を吐出しないで吐出手段を移動させる第２の経路とを含み、
第２の生成手段は、第２の経路を、造形される立体物の上部を通過する距離が最小となるように生成する、情報処理装置を提供する。

本発明によれば、造形途中における立体物の変形を防止することができる。

造形システムの構成例を示した図。 造形装置のハードウェア構成の一例を示した図。 情報処理装置のハードウェア構成の一例を示した図。 情報処理装置の機能構成の一例を示したブロック図。 従来の断面データと経路データの一例を示した図。 図４に示す情報処理装置により生成される断面データと経路データの一例を示した図。 経路を決定する方法について説明する図。 境界箱について説明する図。 境界箱を使用して経路を生成する方法について説明する図。 情報処理装置が実行する処理の流れを示したフローチャート。

図１は、造形システムの構成例を示した図である。図１に示す造形システムは、情報処理装置１０と、造形装置２０とを含んで構成される。情報処理装置１０と、造形装置２０とは、ケーブル等を使用して有線により、または無線LAN等を使用して無線により接続される。なお、情報処理装置１０と、造形装置２０とは、ネットワークを介して接続されていてもよい。

情報処理装置１０は、造形装置２０に対して、造形装置２０を制御するための制御情報として造形データを送信する。造形装置２０は、情報処理装置１０から造形データを受信し、造形データに基づき、立体物を造形する。

情報処理装置１０は、CAD（Computer Aided Design）等のプログラムを使用して作成されたCADデータ等の立体物の三次元形状を表す三次元形状情報（３Ｄデータ）に基づき、上記の造形データを生成し、造形装置２０に送信する。このとき、情報処理装置１０は、３Ｄデータから、立体物を所定方向に所定の間隔で切断（輪切り）して得られる断面形状を表す複数の断面情報（断面データ）を生成する。また、情報処理装置１０は、各断面データに基づき、立体物の造形に使用される造形材を吐出する吐出手段としてのヘッドを移動させる経路を表す各経路情報（経路データ）を生成する。これらのデータを生成した後、情報処理装置１０は、生成した複数の断面データと複数の経路データとに基づき、造形データを生成する。なお、吐出手段としてのヘッドは一例であるので、これに限定されるものではない。

造形データには、造形材を吐出しながらヘッドをどこからどこへ移動させるか、造形材を吐出しないでどこからどこへ移動させるかという情報が含まれる。また、造形データには、造形材としての樹脂を溶融させるための造形装置２０が備える加熱ブロックの温度やヘッドの移動速度等の造形に必要なパラメータが含まれる。

造形装置２０は、情報処理装置１０から受信した造形データに基づき、ヘッドを移動させ、ヘッドから造形材を吐出して１層ずつ造形し、目的の立体物を造形する。

図２を参照して、造形装置２０の構成について簡単に説明する。造形装置２０は、一般的な液滴吐出式の３Ｄプリンタと同様の構成を有する。このため、造形装置２０は、立体物を造形するために造形材を積層していくための基盤２１と、造形材を吐出するヘッド２２と、ヘッド２２を支持し、基盤２１上の空間においてヘッド２２を移動させるアーム２３とを備える。

造形装置２０は、造形データに基づき、ヘッド２２から造形材を吐出し、１層分の造形を行い、それを繰り返して、造形材の層を積層していくことにより立体物を造形する。その際、造形装置２０は、立体物の各部のうち、積層する方向である鉛直方向が空間で、基盤２１に接していないことから、支持が必要な部分（要支持部）を造形するため、要支持部の鉛直下方の空間に相当する部分に造形材とは異なる材質のサポート材を吐出する。このため、ヘッド２２は、立体物を造形するための造形材を吐出する吐出口と、サポート材を吐出する吐出口とを備える。

造形材としては、熱可塑性樹脂を用いることができ、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネートやアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）樹脂等を挙げることができる。これらは一例であるので、樹脂はこれらに限定されるものではない。なお、造形材としては、樹脂以外に、粉体等を使用することも可能である。サポート材も、熱可塑性樹脂が用いられるが、造形材とは異なる種類の樹脂とされる。サポート材は、立体物を造形した後、溶解等の方法により除去される。

次に、図３を参照して、情報処理装置１０の構成について説明する。情報処理装置１０は、一般的なPCと同様の構成を有する。このため、情報処理装置１０は、CPU(Central Processing Unit)１１と、ROM(Read Only Memory)１２と、RAM(Random Access Memory)１３と、HDD(Hard Disk Drive)１４と、I/F１５と、LCD(Liquid Crystal Display)１６と、操作部１７とを含む。なお、CPU１１とROM１２とRAM１３とHDD１４とI/F１５とは、バス１８を介して互いに接続されている。

CPU１１は、演算手段であり、情報処理装置１０全体の動作を制御する。ROM１２は、読み出し専用の不揮発性記憶媒体で、ブートプログラムやハードウェアを制御するためのファームウェア等のプログラムを格納する。RAM１３は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性記憶媒体で、CPU１１が情報を処理する際の作業領域として使用される。HDD１４は、情報の読み書きが可能な不揮発性記憶媒体で、OS(Operating System)や各種の制御プログラム、アプリケーション・プログラム等を格納する。

I/F１５は、バス１８と各種のハードウェアやネットワーク等を接続し、情報の入出力や送受信等を制御する。I/F１５は、情報処理装置１０がネットワークを介して他の機器と通信するためのネットワークI/Fを含み、ネットワークI/Fとしては、Ethernet（登録商標）やUSB(Universal Serial Bus)インタフェース等を用いることができる。LCD１６は、ユーザが情報処理装置１０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、操作部１７は、キーボードやマウス等のユーザが情報処理装置１０に情報を入力するためのユーザインタフェースである。

情報処理装置１０は、ROM１２に格納されたプログラムや、HDD１４や図示しない光学ディスク等の記憶媒体からRAM１３に読み出されたプログラムに従ってCPU１１が演算を行うことにより各種の機能を実現する各機能部が構成される。

図４は、情報処理装置１０の機能構成の一例を示したブロック図である。情報処理装置１０は、通信部３０と、入力受付部３１と、読出部３２と、記憶部３３と、断面データ生成部３４と、経路データ生成部３５と、造形データ生成部３６とを含む。なお、造形データ生成部３６は、情報処理装置１０から造形装置２０を動作させるためのソフトウェア・モジュールである３Ｄプリンタドライバの実行により実現される。

通信部３０は、I/F１５の１つであるネットワークI/Fにより実現され、ネットワークと接続してネットワークに接続された外部機器から３Ｄデータを受信する。入力受付部３１は、操作部１７により実現され、ユーザ操作により指定された経路（ファイルパス）の情報等を受け付ける。読出部３２は、入力受付部３１が受け付けたファイルパスに基づき、記憶部３３に記憶された３Ｄデータを読み出し取得する。

断面データ生成部３４は、通信部３０または読出部３２により取得された３Ｄデータを解析し、３Ｄデータにより表現される立体物を所定方向に所定の間隔で切断して複数の断面を表す断面データを生成する。所定方向は、例えば、立体物のモデルを所定の姿勢にしたときの鉛直方向とすることができる。

経路データ生成部３５は、断面データ生成部３４により生成された断面データから、造形材を吐出するヘッド２２を移動させる経路を表す経路データを生成する。経路は、造形材を吐出しながらヘッド２２を移動させる第１の経路を含み、必要に応じて、造形材を吐出しないでヘッド２２を移動させる第２の経路を含む。第２の経路は、第１の経路が離間して２以上存在する場合に必要となる。

造形データ生成部３６は、断面データ生成部３４により生成された複数の断面データと、経路データ生成部３５により生成された複数の経路データとに基づき、造形装置２０を制御するための制御データとしての造形データを生成する。このとき、造形データ生成部３６は、断面を二次元平面とし、任意の方向をx軸方向とし、x軸方向に対して垂直方向をy軸方向とし、x軸やy軸に対する角度やxｙ座標を用いて、ヘッド２２を移動させる方向、造形材を吐出しながらヘッド２２をどこからどこへ移動させるか、造形材を吐出しないでどこからどこへ移動させるか等を示す造形データを生成する。

ここで、図５を参照して、従来の断面データと経路データについて説明する。グレーで示した線が、造形材を吐出しながらヘッド２２を移動させる第１の経路４０を示し、黒色で示した線が、造形材を吐出しないでヘッド２２を移動させる第２の経路４１を示す。

最初に、断面データに基づき、１つの第１の経路４０を生成する。図５に示す例では、例えば向かって左上の角部の地点から開始し、右方向、下方向、左方向、上方向、…と移動させる経路を生成する。生成した第１の経路４０において行き止まりになると、次の第１の経路４０の開始地点を検索する。図５に示す例では、第１の経路４０の開始地点まで戻ると、行き止まりになる。検索して見つかった地点を目的地とし、ヘッド２２の移動元としての行き止まりの地点とヘッド２２の移動先としての目的地とを直線的に結び、その経路を第２の経路４１として生成する。これを繰り返すことにより、経路データが生成される。

ところで、このように行き止まりの地点と開始地点とを直線的に結んで経路を生成する場合、実際の造形処理において、既に造形材を吐出して造形した立体物上を横切ることになる。すなわち、第１の経路４０に基づき、造形材を吐出して造形した立体物の層の上部を、第２の経路４１に基づき、造形材を吐出しないが、ヘッド２２が通過することになる。

ヘッド２２は、造形材を吐出しないで移動する際も、造形材が垂れ落ちる場合があり、また、既に吐出して造形した立体物と接触する場合もある。すると、垂れ落ちた造形材により、また、ヘッド２２の接触により、造形途中における立体物が変形してしまう。

そこで、行き止まりの地点から開始地点までを最小距離で直線的に繋ぐのではなく、図６に示すような立体物上を横切る距離が最小になるように、ヘッド２２を造形された立体物の外側を回り込むように移動させる。これにより、造形材が垂れ落ちる可能性や、既に吐出して造形した立体物と接触する可能性を低くして、造形材が垂れ落ちるのを防ぎ、立体物との接触も防ぐことができる。その結果、造形途中における立体物の変形を防止することが可能となる。

図６に示すような経路データを生成するために、図７を参照して、どの方向にヘッド２２を移動させれば、横切る距離が最小になるかを決定する方法について説明する。

造形材を吐出しながらヘッド２２を移動させ、第１の経路４０の行き止まりの地点Aに辿り着いた場合、まだ吐出していない箇所を検索し、見つかった地点を目的地とする。この例では、見つかった地点を目的地Bとする。

最初に、地点Aから目的地Bまでヘッド２２が直線的に移動する際に立体物上を通過する距離を計算する。ヘッド２２を直線的に移動させる経路は、経路４１ａであり、立体物上の通過する距離は、距離Cと距離Dとを加算した値となる。

次に、地点Aからx軸、y軸の正負の各方向について造形された立体物上を通過する距離を算出する。この例では、xと記載された矢線で示す方向をx軸の正の方向とし、yと記載された矢線で示す方向をy軸の正の方向とする。

距離の算出後、算出した距離が最も小さい方向を方向１とし、その方向における距離を距離１として決定する。この例では、x軸の負の方向またはy軸の負の方向が、立体物上を通過することがなく、距離が０で、最も小さいので、いずれかの方向を方向１とし、距離１は０として決定する。図７に示す例では、x軸の負の方向の経路４１ｂを実線で示し、y軸の負の方向の経路４１ｃを破線で示している。

このように２以上の方向が方向１として決定される場合、いずれの方向を採用してもよいが、目的地Bまでの移動距離が短い方を採用することが望ましい。造形時間を短くすることができるからである。移動距離が短い方を判定する方法としては、例えば、地点Aから目的地Bを直線で繋ぎ、その直線に対するその方向の角度が小さい方を、短い方として判定することができる。これは一例であるので、その他の方法を採用してもよい。この例では、x軸の負の方向の方が、移動距離が短い方であるため、x軸の負の方向を方向１として決定することができる。

同様に、目的地Bからx軸、y軸の正負の各方向について造形された立体物上を通過する距離を算出する。算出した距離が最も小さい方向を方向２とし、その方向における距離を距離２として決定する。この例では、x軸の負の方向が最も小さくなるので、x軸の負の方向を方向２とし、その方向において立体物上を通過する距離Eを距離２として決定する。

決定した距離１と距離２とを加算して得られた値と、最初に求めた直線的に移動する際の距離（C+D）とを比較する。比較結果で加算して得られた値の方が大きい場合、目的地Bまで直線的に移動させる経路４１ａを、第２の経路４１として生成する。その後、同様にして、目的地を検索し、行き止まりの地点と目的地とを繋いで経路を生成していき、経路データを生成する。

なお、決定した距離１と距離２とを加算して得られた値が、最初に求めた直線的に移動する際の距離（C+D）より小さくなる場合は、経路４１ｂを第２の経路４１として生成するが、その経路の生成に際し、以下の処理を行う。

行き止まりの地点Aから方向１に向かって境界箱(Boundary Box)まで最小距離で移動させる経路を生成する。境界箱４２は、図８に示すように、立体物４３の上下左右、前後に最も突出した部分が隣接する６つの面を境界として有する、破線で示される立方体または直方体である。図９に示すように、地点Aから二次元方向の方向１に向かって境界箱４２まで最小距離で移動させる経路F、すなわち立体物を取り囲む境界箱４２の４つの面のうちの最も近い１つの面まで移動させる経路は、地点Aから方向１に向かって直線を延ばし、境界箱４２の面と交差する地点までの経路である。

次に、境界箱４２の面に沿って、目的地Bから方向２へ進み、境界箱４２と交差する地点までの最小距離で移動させる経路Gを生成する。そして、その交差する地点から目的地Bまでの経路Hを生成する。生成した経路F、G、Hを繋ぎ合わせて、行き止まりの地点Aから目的地Bまでの第２の経路４１を生成する。

図１０に、情報処理装置１０が実行する処理をまとめる。情報処理装置１０は、ステップ１０００から処理を開始し、ステップ１００５で、３Ｄデータを取得する。ステップ１０１０では、取得した３Ｄデータに基づき、立体物を所定の間隔で輪切りにして複数の断面データを生成する。

ステップ１０１５では、複数の断面データのうちの１つを選択し、その断面データを使用して１つの経路を生成する。最初に生成する経路は、立体物の輪郭またはその一部を造形する経路とされる。なお、これは一例であるため、その他の経路であってもよい。

ステップ１０２０では、決定した経路の行き止まりの地点Aを特定する。ステップ１０２５では、生成した経路を、造形材を吐出しながらヘッド２２を移動させた吐出済みの箇所とし、まだ生成されていない経路を、まだ吐出していない箇所として検索する。ステップ１０３０で、検索結果に基づき、まだ吐出していない箇所があるかを判定する。ステップ１０３０であると判定した場合、ステップ１０３５へ進み、見つかった地点を目的地Bとする。その箇所が複数存在する場合、行き止まりの地点Aから最も近い箇所を目的地Bとすることができる。ちなみに、図７に示す例で、行き止まりの地点がAである場合、まだと出していない箇所として、２つの箇所が検索される。

ステップ１０４０では、行き止まりの地点Aから目的地Bまで直線的に移動する際の立体物上を通過する距離Lを算出する。ステップ１０４５では、行き止まりの地点Aからx軸、y軸の正負の４つの方向について立体物上を通過する距離を算出する。そして、ステップ１０５０において、算出した４つの方向における距離が最も短い方向を方向１とし、その方向における距離を距離１として決定する。

ステップ１０５５では、ステップ１０４５と同様にして、目的地Bからx軸、y軸の正負の４つの方向について立体物上を通過する距離を算出する。そして、ステップ１０６０において、算出した４つの方向における距離が最も短い方向を方向２とし、その方向の距離を距離２として決定する。

ステップ１０６５では、距離１と距離２とを加算した値Mが、距離Lより大きいか否かを判定する。ステップ１０６５で大きいと判定した場合、ステップ１０７０へ進み、行き止まりの地点Aから目的地Bまで直線的に移動させる経路を生成する。

一方、ステップ１０６５で小さいと判定した場合、ステップ１０７５へ進み、行き止まりの地点Aから方向１に向かって立体物の境界箱４２まで移動させる経路Fを生成する。ステップ１０８０で、境界箱４２に沿って目的地Bから方向２に進み、境界箱４２と交差する地点までの経路Gを生成する。ステップ１０８５で、その交差する地点から目的地Bまでの経路Hを生成する。生成後、ステップ１０２５へ戻り、まだ吐出していない箇所を検索する。

ステップ１０３０でまだ吐出していない箇所がないと判定した場合、またはステップ１０７０で直線的に移動させる経路を生成した後、ステップ１０９０へ進み、選択していない断面データがあるかを判定する。ステップ１０９０で、あると判定した場合、ステップ１０１５へ戻り、まだ選択していない次の断面データにつき、経路データを生成する。ステップ１０９０で、ないと判定した場合、ステップ１０９５へ進み、生成された複数の断面データと複数の経路データとに基づき、造形データを生成する。そして、ステップ１１００で、造形装置２０に造形データを送信し、ステップ１１０５で処理を終了する。

このような処理を実行することで、造形された立体物上を通過する距離を最小にし、ヘッド２２が接触し、また、樹脂が層上に垂れ落ちるのを防ぎ、その結果、造形途中における立体物の変形を防止することができる。

これまで本発明を、情報処理装置、造形システムおよびプログラムとして上述した実施の形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。したがって、他の実施の形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。よって、本発明では、情報処理装置が実行する方法やそのプログラムが記録された記録媒体、そのプログラムを、ネットワークを介して提供するサーバ装置等も提供することができるものである。

１０…情報処理装置
１１…CPU
１２…ROM
１３…RAM
１４…HDD
１５…I/F
１６…LCD
１７…操作部
１８…バス
２０…造形装置
２１…基盤
２２…ヘッド
２３…アーム
３０…通信部
３１…入力受付部
３２…読出部
３３…記憶部
３４…断面データ生成部
３５…経路データ生成部
３６…造形データ生成部
４０…第１の経路
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ…第２の経路
４２…境界箱
４３…立体物

特許第５８３０３２７号公報

Claims (9)

1. 立体物を造形する造形装置を制御する情報処理装置であって、
   前記立体物の三次元形状を表す三次元形状情報に基づき、該立体物を所定の間隔で切断して得られる断面形状を表す複数の断面情報を生成する第１の生成手段と、
   前記複数の断面情報に基づき、吐出手段を移動させる経路を表す複数の経路情報を生成する第２の生成手段と、を有し、
   前記吐出手段を移動させる経路は、造形材を吐出しながら前記吐出手段を移動させる第１の経路と、造形材を吐出しないで前記吐出手段を移動させる第２の経路とを含み、
   前記第２の生成手段は、前記第２の経路を、造形される前記立体物の上部を通過する距離が最小となるように生成する、情報処理装置。
2. 前記第２の生成手段は、前記吐出手段を移動元から移動先へ最小距離で移動させる場合に前記立体物の上部を通過する第１の距離を算出し、前記吐出手段を前記移動元から前記移動先へ前記立体物の外側を回り込むように移動させる場合に前記立体物の上部を通過する第２の距離を算出し、算出した前記第１の距離と前記第２の距離との比較結果に応じて、前記最小距離で移動させる経路または前記立体物の外側を回り込むように移動させる経路を、前記第２の経路として生成する、請求項１に記載の情報処理装置。
3. 前記第２の生成手段は、前記立体物が隣接する６つの面を境界として有する境界箱を適用し、前記立体物の外側を回り込むように移動させる前記第２の経路を、前記移動元から前記境界箱までの第３の経路と、前記移動先から前記境界箱までの第４の経路と、前記境界箱に沿って前記第３の経路と前記第４の経路とを結ぶ第５の経路とを繋いで生成する、請求項２に記載の情報処理装置。
4. 前記第２の生成手段は、前記吐出手段を前記移動元から二次元方向に移動させる際の前記境界箱の４つの面の各々に到達するまでに前記立体物の上部を通過する距離を算出し、算出した前記距離が最小となる第１の方向にある面までの経路を前記第３の経路として生成する、請求項３に記載の情報処理装置。
5. 前記第２の生成手段は、前記吐出手段を前記境界箱の４つの面の各々から前記移動先へ二次元方向に移動させる際の前記立体物の上部を通過する距離を算出し、算出した前記距離が最小となる第２の方向にある面からの経路を前記第４の経路として生成する、請求項４に記載の情報処理装置。
6. 前記第２の生成手段は、前記境界箱に沿って前記第３の経路と前記第４の経路とを最小距離で繋ぐ経路を前記第５の経路として生成する、請求項５に記載の情報処理装置。
7. 外部機器または前記情報処理装置が備える記憶手段から前記三次元形状情報を取得する取得手段を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の情報処理装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の情報処理装置と、前記情報処理装置により制御され、立体物を造形する造形装置とを含む、造形システム。
9. 立体物を造形する造形装置の制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記立体物の三次元形状を表す三次元形状情報に基づき、該立体物を所定の間隔で切断して得られる断面形状を表す複数の断面情報を生成するステップと、
   生成された複数の断面情報に基づき、吐出手段を移動させる経路を表す複数の経路情報を生成するステップと、を実行させ、
   前記吐出手段を移動させる経路は、造形材を吐出しながら前記吐出手段を移動させる第１の経路と、造形材を吐出しないで前記吐出手段を移動させる第２の経路とを含み、
   前記経路情報を生成するステップでは、前記第２の経路を、造形される前記立体物の上部を通過する距離が最小となるように生成する、プログラム。