JP2020001295A - 造形予測システム、情報処理装置、プログラムおよび造形予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 造形物の造形予測を行うための造形予測システムを提供すること。【解決手段】本造形予測システムは、造形物を造形するための層毎の造形データと造形条件設定とを取得する取得手段３２１を含む。造形予測システムは、また、造形条件設定および層毎の造形データに基づいて、造形物の造形を開始してからの層毎の変形の時系列を予測する予測手段３２４を含む。造形予測システムは、さらに、層毎の変形の時系列に基づき、層毎の補正データを計算する計算手段３２７を含む。【選択図】 図５

Description

本開示は、造形予測に関し、より詳細には、造形物の造形予測を行うための造形予測システム、情報処理装置、プログラムおよび造形予測方法に関する。

入力された立体形状モデルデータに基づいて、立体的な造形物を作製する造形装置が開発されている。造形装置は、溶融した材料を用いて１層ずつ形成することにより造形する。このとき、溶融した状態で形状を付与し、冷却とともに固化させるが、冷却の過程で収縮が生じて、所望の形状、すなわちモデルデータと、実際に造形された立体造形物との間に差異が生じて造形される場合がある。このため、立体形状モデルデータに基づいて、造形物を製作する際に、造形結果を予測する技術の開発も試みられている。

例えば、特開２０１７−０７７６７１号公報（特許文献１）は、３Ｄプリンタによる高品質な造形を実現する目的とした技術を開示する。特許文献１の従来技術では、造形時に発生するそり変形や残留応力を事前に計算し、そり変形量または残留応力量が許容範囲に収まるまで、造形条件を変更しながら繰り返し造形シミュレーションを実行することで、最適な造形条件を導き出している。

しかしながら、特許文献１を含む従来技術では、変形が収束した後の変形を対象としているのみであり、造形中および造形後の経時的な変形を考慮するものではない。そのため、最適化の観点の効率性の観点から、充分なものとは言えなかった。

本開示は、上記点に鑑みてなされたものであり、造形を開始してからの形状の経時的な変化を予測し、最適化された補正情報を生成することが可能な造形予測システムを提供することを目的とする。

本開示によれば、上記課題を解決するために、下記特徴を有する造形予測システムが提供される。本造形予測システムは、造形物を造形するための層毎の造形データと造形条件設定とを取得する取得手段を含む。本造形予測システムは、また、造形条件設定および層毎の造形データに基づいて、造形物の造形を開始してからの層毎の変形の時系列を予測する予測手段を含む。本造形予測システムは、さらに、層毎の変形の時系列に基づき、層毎の補正データを計算する計算手段を含む。

上記構成により、造形を開始してからの形状の経時的な変化を予測し、最適化された補正情報を生成することが可能となる。

造形システムの構成例を示した図。 情報処理装置のハードウェア構成の一例を示した図。 造形装置のハードウェア構成の一例を示した図。 情報処理装置および造形装置の機能構成の一例を示したブロック図。 造形システムにおいて、造形ジョブの作成から、更新、発行までのデータフローを説明した図。 造形ジョブファイルのデータ構造を示した図。 形状変化の時系列の計算から補正データの計算までの処理を説明した図。 補正データの他の計算方法を説明した図。 造形ジョブファイルの造形予測に基づく更新が要求される場合の造形処理全体の流れを示すフローチャート。 造形ジョブの発行から造形処理を完了させるまでのデータフローを説明する図。 好適な実施形態における造形システムおよび予測システムを含むクラウドシステムの構成を説明する図。

図１は、立体物を造形する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、立体物を造形する造形装置２０とを含む。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（Local Area Network）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。

この例では、造形システムは、２つの装置から構成されているが、１つの装置または３以上の装置から構成されていてもよい。例えば、造形システムは、１つの筐体内に、情報処理装置１０が備える機能と、立体物を造形する造形手段とが収納されたものであってもよいし、情報処理装置１０が備える機能を２以上の装置に分散し、造形手段を備える装置を含め、３以上の装置から構成されていてもよい。

情報処理装置１０は、造形手段、この例では造形装置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を生成する。そして、情報処理装置１０は、複数の断面情報に基づき、造形材を供給する複数の経路を決定し、決定した複数の経路の経路データに基づき、造形データを生成する。

造形データは、どこからどこへ造形材（材料）としての樹脂を供給するかという情報のほか、樹脂を溶融させる温度や吐出手段としての造形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。なお、材料を供給できれば、吐出手段は造形ヘッドに限定されるものではない。

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、造形ヘッドを移動させ、造形ヘッドから材料を供給して１層ずつ積み重ねるように形成していき、目的の立体物を造形する。造形は、造形ヘッドを移動させつつ、造形ヘッドから材料を線状に吐出することにより行われる。ちなみに、線の幅は、造形ヘッドの吐出ノズルの口径、吐出量、造形ヘッドの移動速度により変化する。

造形装置２０は、造形ヘッドを二次元方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向）に移動させ、立体物を載せるステージを鉛直方向（ｚ軸方向）に移動させることにより材料の層を積層して立体物を造形する。具体的には、造形ヘッドを二次元方向に移動させ、１つの層を造形した後、ステージを１段階下げることで、造形した層上に次の層を造形する。なお、造形装置２０は、これに限らず、ｘｙ軸方向への移動をステージの移動により行い、ｚ軸方向への移動を造形ヘッドの移動により行ってもよい。

材料として樹脂を使用した造形では、熱によって溶融した状態で形状を付与し、冷却とともに固化させる。この冷却の過程で、造形された立体物は収縮する。この収縮では、特に、樹脂が結晶性樹脂の場合、どのような温度変化があったか、あるいはどの程度の応力がかかるかによって結晶化度が変化し、収縮の割合が異なる。また、造形された立体物の形状は、造形中に加えて造形後も、時間の経過とともに変化する。以下、このような造形中の各段階および造形後の各時点の形状の変化を時系列として予測し、造形精度の向上を図る技術について説明する。

はじめに、図２を参照して、情報処理装置１０のハードウェア構成について説明する。情報処理装置１０は、一般的なパーソナル・コンピュータ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。また、ＨＤＤ１４は、不揮発性の記憶装置であれば、ＳＳＤ（Solid State Drive）等のいかなる記憶装置であってもよい。

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)や各種のプログラム、各種のデータ等を格納する。

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を含むことができる。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。なお、機能部は、全部がプログラムの実行により実現されてもよいし、一部がプログラムの実行により実現され、その他が回路等のハードウェアにより実現されてもよいし、全部がハードウェアにより実現されてもよい。

次に、図３を参照して、造形装置２０のハードウェア構成について説明する。造形装置２０も、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３と、ＨＤＤ２４と、Ｉ／Ｆ２５とを含み、さらに、造形ユニット２６と、センサ２７とを備える。なお、ＣＰＵ２１とＲＯＭ２２とＲＡＭ２３とＨＤＤ２４とＩ／Ｆ２５と造形ユニット２６とセンサ２７とは、バス２８を介して互いに接続されている。また、ＨＤＤ２４は、不揮発性の記憶装置であれば、ＳＳＤ等のいかなる記憶装置であってもよい。

ＣＰＵ２１は、演算手段であり、造形装置２０の動作を制御し、所定の処理を実行する。ＲＯＭ２２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。ＲＡＭ２３は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性記憶媒体で、ＣＰＵ２１が情報を処理する際の作業領域として使用される。ＨＤＤ２４は、情報の読み書きが可能な不揮発性記憶媒体で、ＯＳやアプリケーション・プログラム、設定情報等を格納する。

Ｉ／Ｆ２５は、バス２８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／Ｆ２５は、造形装置２０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を含むことができる。ネットワークＩ／Ｆとしては、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）やＵＳＢインタフェース等を用いることができる。

造形ユニット２６は、造形材を供給して目的の立体物を造形する装置で、造形材を供給する造形ヘッドや、造形材が供給されて立体物が造形されるステージ等を備える。造形方式として熱溶融積層(ＦＦＦ)方式を採用する場合、造形材を溶融する加熱機構等を備える。造形方式として粉末焼結積層造形(ＳＬＳ)方式を採用する場合、レーザ光源等を備える。

センサ２７は、造形される立体物の形状を測定するセンサや、立体物の特性、例えば温度等を測定するセンサとされる。立体物の形状を測定するセンサは、立体物の水平方向（x軸方向、y軸方向）と鉛直方向（z軸方向）の寸法等を測定する。形状を測定するセンサとしては、赤外線センサ、カメラ、３Ｄスキャナ等を用いることができる。温度センサとしては、サーモグラフィ等を用いることができる。

センサ２７は、造形ヘッドによる造形動作に連動して、造形する層の形状や特性を測定することができる。なお、この測定は、１つの層が造形されるごとに行うことができ、測定タイミングやその範囲は、１つの層毎に造形層の形状や特性を測定することができれば、いかなるタイミングや範囲であってもよい。センサ２７は、形状を測定するセンサのみであってもよいし、特性を測定するセンサのみであってもよいし、その両方のセンサを用いてもよい。特性を測定するセンサは、材料の収縮に影響を与える特性であれば温度に限定されるものではなく、温度以外の特性を測定するセンサであってもよい。

造形装置２０は、ＲＯＭ２２に格納されたプログラムや、ＨＤＤ２４や図示しないＳＤカード等の記憶媒体からＲＡＭ２３に読み出されたプログラムに従ってＣＰＵ２１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。なお、機能部は、全部がプログラムの実行により実現されてもよいし、一部がプログラムの実行により実現され、その他が回路等のハードウェアにより実現されてもよいし、全部がハードウェアにより実現されてもよい。

図４は、造形システムを構成する情報処理装置１０および造形装置２０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、機能部として、造形ジョブ生成部３０と、造形データ生成部３１と、造形予測部３２と、記憶部３４とを備える。造形装置２０は、機能部として、造形部４１と、測定部４２と、好ましくは造形データ補正部４３とを備える。

なお、図４に示す実装形態は、一例であり、図４に示す特定の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態では、造形装置２０が備える一部の機能部（例えば造形データ補正部など）を情報処理装置１０上で構成してもよい。さらに他の実施形態では、情報処理装置１０が備える機能を２以上の装置に分散し、造形手段を備える装置を含め、３以上の装置から構成されていてもよい。例えば、特定の実施形態では、造形装置と、該造形装置に接続される情報処理装置と、該情報処理装置とインターネットなどを介して接続されるクラウドシステムのコンピュータとに各機能部が分散実装されてもよい。

図５は、本造形システムにおいて、造形ジョブの作成から、造形ジョブの更新、造形ジョブの発行までのデータフローを説明する。図６は、造形ジョブファイルのデータ構造を示す図である。以下、図５および図６を併せて参照しながら、図４に示した各機能部で行われる各処理の詳細について説明する。

造形ジョブ生成部３０は、立体形状（３Ｄ）モデルデータ（以下、単にモデルデータという。）３４０に基づいて、造形ジョブファイル（以下、造形ジョブファイル（Ａ）と参照する。）３０２を生成する。造形ジョブ生成部３０は、例えば外部設定された、造形部４１の造形方式に応じた造形条件設定データ３０１を保持しており、上述したモデルデータ３４０に加えて、造形条件設定データ３０１が用いられて造形ジョブファイル（Ａ）３０２が生成される。生成された造形ジョブファイル（Ａ）３０２は、記憶部３４により記憶される。

図６（Ａ）は、本実施形態において、造形ジョブ生成部３０により生成される造形ジョブファイル（Ａ）３０２のデータ構造を示す。造形ジョブファイルは、コンテナフォーマットであり、複数の種類のデータをまとめて保持することができるように構成されている。造形ジョブ生成部３０により生成される造形ジョブファイル（Ａ）３０２は、モデルデータ３０２ａと、造形条件設定データ３０２ｂとを含む。

モデルデータ３０２ａは、上述したモデルデータ３４０と同一のものであり、限定されるものではないが、例えば３次元形状を小さな三角形などの図形単位の集合体として表現したデータである。例えば、モデルデータ３０２ａとしては、ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）ファイルといった、ＣＡＤ（Computer Aided Design）／ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）で用いられている種々の形式のファイルを挙げることができる。

造形条件設定データ３０２ｂは、造形ジョブ生成部３０が保持する造形条件設定データ３０１と同じデータである。造形条件設定データ３０２ｂに含まれる情報としては、例えば、材料温度や環境温度などの温度条件や、造形速度条件、材料の溶融温度などの物性などの情報を挙げることができる。

再び図５に戻る。造形データ生成部３１は、造形ジョブファイル（Ａ）３０２を読み出し、ファイル（Ａ）３０２内の造形条件設定データ３０２ｂに基づいて、ファイル（Ａ）内のモデルデータ３０２ａをレンダリングし、層毎の造形データを生成する。造形データ生成部３１は、造形ジョブファイル（Ａ）３０２に層毎の造形データを含めて、造形ジョブファイル（以下、造形ジョブファイル（Ｂ）と参照する）３１２を生成する。生成された造形ジョブファイル（Ｂ）３１２は、記憶部３４により記憶される。

図６（Ｂ）は、本実施形態において、造形データ生成部３１により生成される造形ジョブファイル（Ｂ）３１２のデータ構造を示す。造形ジョブファイル（Ｂ）３１２は、モデルデータ３１２ａと、造形条件設定データ３１２ｂと、生成された造形データ３１２ｃとを含む。ここで、造形データ３１２ｃは、上述したように、モデルデータ３１２ａにより規定される３次元形状を輪切りにして構成された、複数の層にわたる層毎のデータを含む。造形データは、例えば、ＦＦＦ方式であれば、ＧＣｏｄｅなどのフォーマットのデータを挙げることができる。

造形ジョブそのままの使用が指定される場合は、図５に点線で示すように、造形データ生成部３１により生成された造形ジョブファイル（Ｂ）は、造形部４１に渡される。造形部４１は、造形データ生成部３１により生成されたファイル（Ｂ）を取得し、ファイル（Ｂ）内の造形条件設定データ３１２ｂおよび造形データ３１２ｃに基づいて、所定の造形方式に従って造形動作を実行し、所望の形状の立体造形物を造形する。

造形部４１の造形方式としては、特に限定されるものではないが、ＦＦＦ（Fused Filament Fabrication、熱溶解フィラメント製造法）、ＳＬＳ（Selective Laser Sintering、粉末焼結積層造形法）、ＭＪ（Material Jetting、マテリアルジェッティング）、ＥＢＭ（Electron Beam Melting、電子ビーム溶解法）、ＳＬＡ（Stereolithography Apparatus、光造形法）などを挙げることができる。

一方、造形予測に基づく造形ジョブファイルの更新が要求される場合は、造形データ生成部３１により生成された造形ジョブファイル（Ｂ）は、造形予測部３２に渡される。造形予測部３２は、設定されている造形条件によって、モデルデータを造形した場合に造形される、立体造形物の形状を予測する手段である。図５には、造形予測部３２の具体的な構成が示されている。図５に示すように、本実施形態による造形予測部３２は、予測入力データ生成部３２１と、予測部３２４と、造形データ補正情報生成部３２６と、造形ジョブ更新部３２８とを含み構成される。

予測入力データ生成部３２１は、造形予測部３２に渡された造形ジョブファイル（Ｂ）を取得する。予測入力データ生成部３２１は、予測条件設定データ３２２を保持している。ここで、予測条件設定データ３２２は、予測計算のための拘束点情報、温度条件設定や、シミュレーションで並列計算を行うか否か、並列計算を行う場合にはさらに使用するＣＰＵコアやスレッドの数などシミュレーションに関する情報を含む。予測条件設定データ３２２は、プログラム内部で定義されていてもよいし、外部から設定させることとしてもよい。

予測入力データ生成部３２１は、ファイル（Ｂ）内の造形条件設定データ３１２ｂおよび造形データ３１２ｃ、並びに自身が保持する予測条件設定データ３２２に基づいて、予測部３２４が処理可能な入力ファイル（以下、予測入力データ）３２３を作成する。予測入力データ３２３は、コンテナフォーマットであり、モデルデータ、造形条件設定データ、造形データおよび予測条件設定データを含む。生成された予測入力データ３２３は、記憶部３４により記憶される。予測入力データ生成部３２１は、本実施形態による取得手段を構成する。

ここで、上述したように、造形方式としては、ＦＦＦ、ＳＬＳ、ＭＪ、ＥＢＭ、ＳＬＡなどの種々の方式が存在する。特定の実施形態において、予測入力データ３２３は、それぞれが対応する造形方式に従った複数のシミュレーション方式の入力データとして成立し得る、共通するフォーマットを有するものとすることができる。

予測部３２４は、造形プロセスにおいて吐出された材料の温度変化とそれに伴う収縮、内部応力の発生、構造の変形等をモデル化している。予測部３２４は、所定の造形方式で、設定されている造形条件によって、モデルデータを造形した場合に、如何なる形状の立体造形物が造形されるか、その形状が時間の経過とともにどのように変形して行くのかを予測する手段である。

予測部３２４は、より具体的には、予測入力データ３２３内の造形条件設定データ、予測条件設定データおよび造形データに基づいて、造形物の造形を開始してからの造形中および造形後の層毎の変形の時系列を予測し、予測結果データ３２５を生成する。生成された予測結果データ３２５は、記憶部３４により記憶される。

特定の実施形態において、予測部３２４は、複数のシミュレーション方式を備えることができる。造形方式としては、上述したように、ＦＦＦ、ＳＬＳ、ＭＪ、ＥＢＭ、ＳＬＡなどの種々の方式が存在するところ、それぞれ異なる造形方式毎にシミュレーション方式が準備されている。また、同一の造形方式に対して複数の解析計算方式がある場合もあるので、造形方式および解析計算方式の組み合わせ毎にシミュレーション方式が準備されてもよい。特定の実施形態による予測部３２４は、複数のシミュレーション方式のうちの所定の造形方式に対応するシミュレーション方式を選択し、予測入力データ３２３を入力として、層毎の変形の時系列を予測結果データ３２５として取得する。ここで、対応するシミュレーション方式としては、所定の造形方式に対応するものが選択され、複数の解析計算方式がある場合には、さらに、指定された解析計算方式に応じたものが選択される。

なお、説明する実施形態では、予測部３２４が、複数のシミュレーション方式を備えるものとして説明するが、これに限定されるものではない。造形部４１の造形方式が特定の方式（造形方式および解析計算方式）に固定されている場合は、予測部３２４は、対応する方式に応じた単一または複数（解析計算方式の種類に応じたもの）のシミュレーション方式を備えていればよい。予測部３２４は、本実施形態による予測手段を構成する。

なお、予測部３２４によるシミュレーションは、造形予測部３２を備える情報処理装置１０上で動作するものとして示されているが、この実施形態に限定されるものではない。他の実施形態では、シミュレーションの演算の一部または全部が、他のコンピュータ・システム上で実行され、予測部３２４は、他のコンピュータ・システム上のシミュレーション部に予測入力データ３２３を送信し、シミュレーション結果である予測結果データ３２５を受信する態様としてもよい。また、シミュレーションにおいては、形状に加えて、残留応力量が計算されてもよい。なお、予測部３２４による造形中および造形後の層毎の変形の時系列の予測については、詳細を後述する。

造形データ補正情報生成部３２６は、予測部３２４により計算された層毎の変形の時系列に基づいて、造形データに対する層毎の補正データ（補正情報）を計算する。ここで、層毎の補正データは、造形部４１による材料の吐出を制御する情報とすることができる。また、シミュレーションの結果、造形条件設定を変更することにより造形物の変形が抑制できることが判明する場合もあるので、造形データ補正情報生成部３２６は、好ましくは、補正データの計算とともに、または、補正データの計算に代えて、層毎の変形の時系列に基づき、補正された造形条件設定を計算することができる。造形データ補正情報生成部３２６は、本実施形態における計算手段を構成する。なお、造形データ補正情報生成部３２６による造形中および造形後の層毎の変形の時系列に基づく補正情報の生成については、詳細を後述する。

造形ジョブ更新部３２８は、渡された造形ジョブファイル（Ｂ）３１２に対し、計算した層毎の補正データを加えるか、渡された造形ジョブファイル（Ｂ）３１２内の造形条件設定データ３１２ｂを補正された造形条件設定にて更新するか、または、これらの両方を行うことで、更新された造形ジョブファイル（以下、造形ジョブファイル（Ｃ）と参照する）３２９を生成する。

図６（Ｃ）は、本実施形態において、造形ジョブ更新部３２８により更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９のデータ構造を示す。造形ジョブ更新部３２８により更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９は、モデルデータ３２９ａと、更新された造形条件設定データ３２９ｂと、造形データ３２９ｃと、計算された層毎の補正データ３２９ｄ〜３２９ｚとを含む。更新された造形条件設定データ３２９ｂには、例えば、補正された温度条件や補正された造形速度条件などが含まれる。

再び図５を参照すると、更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９は、造形部４１に渡される。つまり、造形予測に基づく造形ジョブファイルの更新が要求される場合は、造形データ生成部３１により生成された造形ジョブファイル（Ｂ）は、造形予測部３２に渡されて、上述したように更新された後、図５に実線で示すように、造形部４１に渡される。

造形部４１は、造形ジョブ更新部３２８により更新されたファイル（Ｂ）を取得し、ファイル（Ｂ）内の更新された造形条件設定データ３２９ｂ、造形データ３２９ｃおよび層毎の補正データ３２９ｄ〜３２９ｚに基づいて、所定の造形方式に従って造形動作を実行し、所望の形状の立体造形物を造形することになる。

以下、図７および図８を併せて参照しながら、図４に示した予測入力データ生成部３２１で行われる層毎の形状変化の時系列の予測および予測された形状変形の時系列に基づく補正データの算出方法について、より詳細について説明する。図７は、形状変化の時系列の計算から補正データの計算までの処理を説明する図である。

予測部３２４は、まず、モデルデータを図７（Ａ）に示すような６面体メッシュの集合の形に変換し、造形されるべき造形物の理想の形状である基準形状を生成する。ここで、基準形状は、略均一な大きさの６面体の集合で表され、６面体メッシュの高さは、典型的には、積層厚に対応する。そして、造形中および造形後の層毎の変形の時系列は、造形物の造形中および造形後の複数時点での、各立体メッシュの各頂点の基準形状からの位置座標の変位として計算することができる。

ここで、予測結果データは、モデルデータを６面体メッシュに変換したデータとして表現できる。このため、３次元形状を小さな三角形などの図形単位を集合体として造形物の面を表現したデータであるモデルデータとは異なり、予測結果データは、モデルデータの内部の変形の情報も保持している。変形の時系列としては、造形中については、例えば、各層の形成完了時点毎の形成済みの層各々の予測される変形の時系列が保持される。造形後については、造形後の任意の時点毎の造形物全体を構成する層各々の予測される変形の時系列が保持される。

ここで、図７（Ａ）に示すような、ｚｙｚ軸の座標系において、６面体メッシュの集合として表される立体形状を考える。図７（Ｂ）は、当該立体形状をｙ軸方向から観察した場合のｚｘ平面の図である。図７（Ｂ）には、６面体メッシュの注目する１頂点が黒丸で示してある。

図７（Ｃ）は、１層目の積層時の予測形状を示す。形成済みの１層目を実線で示し、その上に形成される予定の２層目を破線で示す。図７（Ｄ）は、２層目の積層時の予測形状を示し、実線は、形成済みの１層目および２層目の予測形状を表し、点線は、１層目および２層目の基準形状を表す。図７（Ｅ）は、造形完了してからｔ時間経過後の予測形状を示し、実線は、形成済みの１層目および２層目の実際の予測形状を表し、点線は、１層目および２層目の基準形状を表す。

図７（Ｃ）〜（Ｅ）において、黒丸で示す頂点の位置に注目すると、その位置座標は、簡便には、図７（Ｆ）で示すように経時的に変化する。ここで、図７（Ｅ）に対応する造形後ｔ時間経過後に黒丸で示す頂点の座標移動が収束したとする。この場合、図７（Ｅ）に点線で示す基準形状と、実線で示すｔ時間経過後の予測される変形形状との差異を考慮し、変形を抑える変形または逆変形を元の基準形状に適用して、図７（Ｇ）のような形状となるように造形の制御を行うと、収束状態において最終的に理想的な基準形状の造形物を得ることができるということになる。

そこで、造形データ補正情報生成部３２６は、図７（Ｇ）で示す造形を実現するような材料の吐出量を制制御するデータを生成する。図７（Ｇ）のように算出される６面体メッシュを補正メッシュと参照する。この補正メッシュの各層に対応する部分が、層毎の補正データとなる。なお、計算された補正メッシュを用いての造形による形状を再度予測し、基準形状との差に基づいて、許容範囲となるまで、補正メッシュの計算を繰り返すこともできる。

図８は、造形データの他の補正方法を説明する図である。図７を参照した説明では、主に、ステージの移動方向（ｚ軸方向）を含む平面ｘｚでの変形を中心に説明したが、図８は、例えばＦＦＦではノズルが走査されるｘｙ平面での変形に対する造形データの補正方法を説明するものである。

図８（Ａ）は、造形データの一例を示した図であり、立体物の形状の変化を分かりやすくするため、ここでは二次元形状で示している。造形データは、形状が矩形とされ、角部が角張っており、略９０°とされている。図８（Ａ）には、その一部が示されている。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す形状のものを造形しようとして、造形条件を設定し、変形を予測した結果を示した図である。予測の結果、角部が丸まっている。

図８（Ｃ）は、図８（Ａ）の造形データと、図８（Ｂ）の予測の結果とを比較し、どのように変形したかという形状の変化を示した図である。矢線は、変形の方向と、その大きさを示す変形ベクトルを表している。

図８（Ｄ）は、補正方法の一例を示した図である。補正方法としては、上記の変形ベクトルを反転させ、変形の大きさはそのままで、変形の方向を１８０°回転させた補正ベクトルを求め、図８（Ｂ）に示した造形データに適用する方法が挙げられる。なお、この方法は一例であるので、これに限定されるものではない。

図８（Ｅ）は、補正ベクトルが適用され、補正された造形データを例示した図である。補正ベクトルが適用された結果、最も大きく収縮する角部が大きく出っ張った形状に補正されている。

図８（Ｆ）は、補正された造形データに基づき、造形するものとして変形を予測し、どのような形状になるかを予測した図である。図８（Ｆ）に示した形状では、角部の丸みは残っているが、補正の効果により、その大きさは小さくなっている。角部の丸みは、誤差とされるが、この誤差が許容範囲内か否かを判定し、許容範囲内であれば、この形状のデータを補正後の造形データとし、造形を行う。

一方、許容範囲外の場合、図８（Ａ）に示す造形データと、図８（Ｆ）に示す補正後の形状予測データとを比較し、変形ベクトルを求め、変形ベクトルから補正ベクトルを求め、補正ベクトルを図８（Ｅ）に示す補正後の造形データにさらに適用して造形データを補正する。これを誤差が許容範囲内になるまで繰り返す。このように、補正データの生成と、補正データに基づく造形時の形状の変形の予測を繰り返すことにより、造形データを最適化することが可能となる。

次に、図９を参照しながら、本実施形態において、造形予測に基づく造形ジョブファイルの更新が要求される場合の造形処理全体の流れを説明する。図９に示す処理は、オペレータが、モデルデータを指定した、最適化を含めた造形処理の開始の指示に応答して、ステップＳ１００から開始される。

ステップＳ１０１では、造形ジョブ生成部３０は、モデルデータ３４０に基づいて、造形ジョブファイル（Ａ）３０２を生成する。

ステップＳ１０２では、造形データ生成部３１は、ファイル（Ａ）３０２内の造形条件設定データ３０２ｂおよびモデルデータ３０２ａに基づいて造形データを生成し、造形ジョブファイル（Ｂ）３１２を生成する。

ステップＳ１０３では、造形データ生成部３１は、造形予測部３２に対し、造形ジョブファイル（Ｂ）３１２を出力する。

ステップＳ１０４では、予測入力データ生成部３２１は、渡された造形ジョブファイル（Ｂ）３１２を取得する。

ステップＳ１０５では、予測入力データ生成部３２１は、造形ジョブファイル（Ｂ）３１２に基づいて、予測入力データ３２３を生成する。

ステップＳ１０６では、予測部３２４は、予測入力データ３２３に基づいて、造形物の造形を開始してからの造形中および造形後の層毎の変形の時系列を予測し、予測結果データ３２５を生成する。

ステップＳ１０７では、造形データ補正情報生成部３２６は、予測部３２４により計算された層毎の変形の時系列に基づいて、造形データに対する層毎の補正データおよび更新された造形条件設定データのいずれかまたは両方を計算する。

ステップＳ１０８では、造形ジョブ更新部３２８は、補正情報（層毎の補正データや更新された造形条件設定データ）に基づいて、渡された造形ジョブファイル（Ｂ）３１２から、更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９を生成する。

ステップＳ１０９では、造形ジョブ更新部３２８は、造形部４１に対し、更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９を出力する。

ステップＳ１１０では、造形装置２０は、更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９を取得する。

ステップＳ１１１では、造形装置２０は、更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９に基づいて、造形処理を実行し、ステップＳ１１２で本処理を終了させる。

以下、図１０を参照しながら、更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９を用いた造形処理について説明する。図１０は、造形ジョブの発行から造形処理を完了させるまでのデータフローを説明する図である。造形部４１は、造形予測部３２から更新された造形ジョブファイル（Ｃ）３２９を取得し、ファイル（Ｃ）内の造形物の層毎の造形データ、造形条件設定データ（適宜更新されたもの）、層毎の造形データおよび層毎の補正データに基づき、ステージ上に造形材を供給して、造形物４１１を層毎に造形する処理を実行する。

この際に、補正データに基づいて、造形データに応じた各層の造形を制御することができる。ここで、補正データに基づく造形を制御は、造形部４１が実行する造形の動作が変更されるように行われる。造形の動作を変更するとは、造形データに含まれるパラメータやアルゴリズムを変更することをいい、一例として、造形される立体物の形状、造形層ごとの寸法や高さ、造形データに基づく造形量、造形材の溶融温度、造形速度、積層ピッチ等が挙げられる。

補正データを用いて造形データに基づく造形を制御することにより、実際に造形するときの各層の描き方（材料の吐出圧や描画速度など）を最適化することが可能となる。例えば、図７（Ｇ）に示すような造形が行われるように造形データに基づく造形を制御することにより、収束状態において最終的に理想的な形状となる造形物を得ることができる。

特定の実施形態においては、造形装置２０は、造形部４１に加えて、さらに、測定部４２と、造形データ補正部４３とを含んで構成することができる。測定部４２は、造形部４１により造形された各層形成時の出力物の形状を測定し、Ｎ層測定データ４２１を生成する。造形データ補正部４３は、Ｎ層測定データ４２１に基づいて、次層以降の造形データを補正する。このとき、造形データ補正部４３は、次層以降の造形データの補正を、造形ジョブファイル（Ｃ）内の層毎の補正データに基づいて行うことができる。

より具体的には、造形データ補正部４３は、造形データおよび補正データから予測される予測形状に基づいて、造形データを補正することができる。造形データ補正部４３は、また、造形データおよび補正データに基づき造形された出力物の測定部４２による測定形状と、造形データおよび補正データに基づき予測される予測形状とを比較し、測定形状と造形予測との差を示す予測誤差を算出することができる。ここでの予測は、上述した造形予測部３２による予測と同じものであり、造形予測部３２に問い合わせて各形成時点の変形の予測結果を取得する形とすることができる。そして、計算される予測誤差は、予測に対し、測定結果がどの程度異なっているかを示す量である。造形データ補正部４３は、形状等の予測誤差が解消されるように、上述したシミュレーションのモデルを更新させることができ、その場合、更新されたモデルに基づいて次の層の予測が行われる。このように、測定部４２による各層形成時の測定結果を、次層以降の造形データの補正に反映させることにより、より精度の高い造形が可能となる。

なお、上述した実施形態においては、層毎の補正メッシュなどに基づいて、層毎の造形データに対し、材料の吐出圧や描画速度などを最適化する補正を行うことにより、造形精度を向上させるものとして説明した。しかしながら、補正方法は、これに限定されるものではなく、形状の変形の時系列に基づく補正情報を反映させることができるいかなる方法を用いることができる。他の実施形態では、補正メッシュに基づいて、変形を加味したモデルデータを再構成してから、それをスライスし、造形データを作り直すことにより、この作り直した造形データに基づいて造形を行ってもよい。

図１〜図１０を参照しながら、立体造形物の形状の変化の時系列を予測し、造形処理に反映させる構成について具体的な実施形態をもって説明した。以下、図１１を参照しながら、複数の造形システムに対して共通して造形予測および補正機能を提供する好適な実施形態について説明する。

図１１は、好適な実施形態における、複数の造形システム３００および予測システム４１０を含むクラウドシステム４００を説明する図である。

図１１に示すクラウドシステム４００は、それぞれ所定の造形方式を採用する造形装置１１０および情報処理装置１２０を含む複数の造形システム３００と、複数の造形システム３００にインターネット４０２を介して接続される予測システム４１０とを含み構成される。本実施形態において、造形装置１１０は、造形部４１と、測定部４２とを含んで構成される。また、情報処理装置１２０は、造形ジョブ生成部３０と、造形データ生成部３１と、造形データ補正部３５とを含んで構成される。

クラウド側の予測システム４１０は、造形予測部３２を含む。造形予測部３２は、図１〜図１０を参照して説明した実施形態と同様に、予測入力データ生成部３２１と、予測部３２４と、造形データ補正情報生成部３２６と、造形ジョブ更新部３２８とを含み構成される。各部の働きは、特段の説明をしない限り、図１〜図１０を参照して説明した実施形態と同様の働きを有する。

図４に示した実施形態において情報処理装置１０上にあった造形予測部３２は、図１１に示す実施形態においては、クラウド側の予測システム４１０上に設けられている。本実施形態における予測システム４１０は、それぞれ異なる造形方式を採用し得る複数の造形システム３００に対し共通して、造形される立体造形物の形状を予測する機能をクラウドサービスとして提供するものである。なお、説明する実施形態では、立体造形物の形状を予測する機能をクラウドサービスとして提供するものとして説明するが、必ずしもクラウドサービスに限定されるものではない。

以上説明した実施形態によれば、造形を開始してからの形状の経時的な変化を予測し、最適化された補正情報を生成することが可能な、造形予測システム、情報処理装置、プログラムおよび造形予測方法を提供することができる。

なお、上述した本発明の実施形態の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）等で記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ等の装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、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。

１０…情報処理装置、２０…造形装置、３０…造形ジョブ生成部、３１…造形データ生成部、３２…造形予測部、３４…記憶部３４、３５…造形データ補正部、４１…造形部、４２…測定部４２、４３…造形データ補正部、３２１…予測入力データ生成部、３２４…予測部３２４、３２６…造形データ補正情報生成部、３２８…造形ジョブ更新部、３０１…造形条件設定データ、３０２…造形ジョブファイル（Ａ）、３１２…造形ジョブファイル（Ｂ）、３２２…予測条件設定データ、３２３…予測入力データ、３２５…予測結果データ、３２９…造形ジョブファイル（Ｃ）、４１１…造形物、４２１…Ｎ層測定データ、４３１…補正造形データ

特開２０１７−０７７６７１号公報

Claims (10)

1. 造形予測システムであって、
   造形物を造形するための層毎の造形データと造形条件設定とを取得する取得手段と、
   前記造形条件設定および前記層毎の造形データに基づいて、前記造形物の造形を開始してからの層毎の変形の時系列を予測する予測手段と、
   前記層毎の変形の時系列に基づき、層毎の補正データを計算する計算手段と
   を含む、造形予測システム。
2. 前記計算手段は、さらに、前記層毎の変形の時系列に基づき、補正された造形条件設定を計算する、請求項１に記載の造形予測システム。
3. 前記造形物を造形するための層毎の造形データと前記造形条件設定とは、第１の造形ジョブとして与えられ、前記造形予測システムは、さらに、
   前記第１の造形ジョブに対し前記層毎の補正データを加えるか、前記第１の造形ジョブ内の前記造形条件設定を前記補正された造形条件設定にて更新するか、または、これらの両方を行うことで、第２の造形ジョブを生成する、請求項２に記載の造形予測システム。
4. 前記予測手段は、さらに、前記造形物の基準形状を、立体メッシュの集合の形で予測するものであり、前記層毎の変形の時系列は、前記造形物の造形中および造形後の複数時点での前記基準形状からの各立体メッシュの各頂点の変位を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の造形予測システム。
5. 造形物の層毎の造形データに基づき層毎に造形を行う造形手段と、
   前記造形手段により造形された各層形成時の出力物の形状を測定する測定手段と、
   測定された各層形成時の出力物の形状に基づいて、次層以降の造形データを補正する造形データ補正手段と
   をさらに含み、前記造形データ補正手段は、前記次層以降の造形データの補正を前記層毎の補正データに基づいて行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の造形予測システム。
6. 前記層毎の補正データは、前記造形手段による材料の吐出を制御する情報である、請求項５に記載の造形予測システム。
7. 前記取得手段は、前記層毎の造形データおよび前記造形条件設定に基づいて、少なくとも造形方式毎に準備された複数のシミュレーション方式に共通のフォーマットを有する入力データを作成し、
   前記予測手段は、前記複数のシミュレーション方式のうちの、所定の造形方式に対応するシミュレーション方式を選択して、前記入力データに基づいて前記層毎の変形の時系列を予測結果として取得する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の造形予測システム。
8. 情報処理装置であって、
   造形物を造形するための層毎の造形データと造形条件設定とを取得する取得手段と、
   前記造形条件設定および前記層毎の造形データに基づいて、前記造形物の造形を開始してからの層毎の変形の時系列を予測する予測手段と、
   前記層毎の変形の時系列に基づき、層毎の補正データを計算する計算手段と
   を含む、情報処理装置。
9. コンピュータを、
   造形物を造形するための層毎の造形データと造形条件設定とを取得する取得手段、
   前記造形条件設定および前記層毎の造形データに基づいて、前記造形物の造形を開始してからの層毎の変形の時系列を予測する予測手段、および
   前記層毎の変形の時系列に基づき、層毎の補正データを計算する計算手段
   として機能させるためのプログラム。
10. 造形予測方法であって、コンピュータが、
    造形物を造形するための層毎の造形データと造形条件設定とを取得するステップと、
    前記造形条件設定および前記層毎の造形データに基づいて、前記造形物の造形を開始してからの層毎の変形の時系列を予測するステップと、
    前記層毎の変形の時系列に基づき、層毎の補正データを計算するステップと
    を含む、造形予測方法。