JP2020035209A - 三次元形状データの生成装置、三次元造形装置、及び三次元形状データの生成プログラム - Google Patents

三次元形状データの生成装置、三次元造形装置、及び三次元形状データの生成プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】三次元形状の表面の滑らかさを維持しつつ、三次元形状の内部構造が定義された三次元形状データを得ることができる。【解決手段】三次元形状データの生成装置１０は、三次元形状の表面を複数の平面及び曲面の少なくとも一方で表した三次元形状データに基づいて、少なくとも１つ以上のボクセルで定義した基本ボクセル集合を、三次元形状の表面の形状に合わせて設定し、基本ボクセル集合に基づいて、三次元形状の表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状データの生成装置、三次元造形装置、及び三次元形状データの生成プログラムに関する。
特許文献１には、外部データ入力手段により対象物の境界表現データをコンピュータに入力し、データ変換手段により境界表現データを位相付き三角形パッチに変換し、関連付け手段により空間を境界平面が直交する直方体セルに分割しかつどのセルにどの三角形が含まれているかの関連付けを行い、分割配置手段により空間上に浮かんだ位相付き三角形パッチをセル面で分割し、全ての三角形がセルの内部及び境界上に配置される状態とし、稜線統合手段により位相の変更を行わない稜線統合を行い、セル割振手段により頂点の索引データを参考に、各三角形とその頂点をセルに割り振り、ラベリング手段により各セルの属性値を設定する、ことを特徴とする境界表現データからボリュームデータを生成する方法が開示されている。
特許文献２には、設計の段階で作成された３次元の第１の形状データを、ボクセルにより分割して第２の形状データに変換するためのボクセル分割手段と、前記第１の形状データの中から選択された部分の近傍のみの前記第２の形状データを表示する第２の形状データ表示手段と、該第２の形状データ表示手段により表示された前記第２の形状データの解析を行う第２の形状データ解析手段と、該第２の形状データ解析手段による前記第２の形状データの解析結果を、前記第１の形状データに投影して表示する第１の形状データ／解析結果表示手段とを備えることを特徴とする形状データ統合解析装置が開示されている。
特許文献３には、色材成分を含む液体を吐出するヘッドユニットと、前記ヘッドユニットから吐出された液体を硬化させてドットを形成する硬化ユニットと、を備え、造形すべき立体物の形状及び色彩を示すモデルを、所定の直方体形状を有するボクセルの集合で近似し、前記ボクセルに１または複数の前記ドットからなる単位造形体を形成し、複数の前記単位造形体を用いて前記立体物を造形可能な立体物造形装置であって、前記立体物を構成する前記複数の単位造形体は、前記モデルの示す色彩を表すために必要な量の前記色材成分を有する第１単位造形体と、前記モデルの示す色彩を表すために必要な量よりも少ない量の前記色材成分を有する第２単位造形体と、を含み、前記第２単位造形体は、当該第２単位造形体の表面を構成する６面のうち２以上の面が前記立体物の表面であり、当該第２単位造形体のうち前記モデルの内側部分の当該第２単位造形体に占める割合が第１基準値以下である、ことを特徴とする、立体物造形装置が開示されている。
特開２００５−０３８２１９号公報 特開２００１−３５７０７８号公報 特開２０１６−１５０５４９号公報
従来、滑らかな表面を造形するための三次元形状データとして、三角形等の多角形で表された複数のメッシュで三次元形状を表すメッシュデータがある。メッシュデータの場合、三角形等の多角形で表された複数のメッシュで表面のみを近似するため、内部構造を表現することはできない。
また、三次元形状の内部構造を造形するための三次元形状データとして、複数のボクセルで三次元形状を表すボクセルデータがある。ボクセルデータの場合、直方体等のボクセルの集合で三次元形状の表面及び内部構造を表現するため、滑らかな表面にするのが困難である。
そこで、メッシュデータ及びボクセルデータの両方を用いた三次元形状データとしてもよいが、データ量が増大したり、メッシュデータで表された三次元形状とボクセルデータで表された三次元形状との間で位置ずれが生じたりする場合がある。また、内部構造のデータに過不足が生じたりする場合がある。具体的には、例えば、表面を表すメッシュの内側にボクセルが存在しなかったり、表面を表すメッシュの外側にボクセルが飛び出したりする等の不具合が生じる場合がある。
本発明は、三次元形状の表面の滑らかさを維持しつつ、三次元形状の内部構造が定義された三次元形状データを得ることができる三次元形状データの生成装置、三次元造形装置、及び三次元形状データの生成プログラムを提供することを目的とする。
請求項１記載の発明の三次元形状データの生成装置は、三次元形状の表面を複数の平面及び曲面の少なくとも一方で表した三次元形状データに基づいて、少なくとも１つ以上のボクセルで定義した基本ボクセル集合を、前記表面の形状に合わせて設定する設定部と、前記基本ボクセル集合に基づいて、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する生成部と、を備える。
請求項２記載の発明は、前記設定部は、前記表面を包含する基本ボクセル集合を設定し、前記生成部は、前記表面の内側のボクセルを有効化することにより、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する。
請求項３記載の発明は、前記設定部は、前記表面の内側の形状よりも小さい基本ボクセル集合を設定し、前記生成部は、前記基本ボクセル集合を展開することにより、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する。
請求項４記載の発明は、前記設定部は、前記表面の形状に合わせて複数の異なる前記基本ボクセル集合を設定し、前記生成部は、複数の異なる前記基本ボクセル集合に基づいて、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する。
請求項５記載の発明は、前記生成部は、前記基本ボクセル集合の最外郭のボクセルを、前記三次元形状の内側が全てボクセルで満たされるまで前記基本ボクセル集合の外側に向けて拡張することにより、前記基本ボクセル集合を展開する。
請求項６記載の発明は、前記生成部は、前記基本ボクセル集合を、前記三次元形状の内側が全てボクセルで満たされるまで前記基本ボクセル集合を繰り返し配置することにより、前記基本ボクセル集合を展開する。
請求項７記載の発明は、前記基本ボクセル集合を繰り返し配置した場合に、隣接する基本ボクセル集合間で隙間が生じる場合、前記生成部は、前記基本ボクセル集合の最外郭のボクセルの属性値を、前記隙間のボクセルに複製する。
請求項８記載の発明は、前記生成部は、前記三次元形状の表面から予め定めた厚みの第１の領域よりも内側の第２の領域のボクセルのみを有効化し、前記第１の領域は予め定めた属性のボクセルを設定する。
請求項９記載の発明は、前記生成部は、前記三次元形状の表面と交差するボクセルについては、前記ボクセルよりもサイズが小さいボクセルで細分化する。
請求項１０記載の発明の三次元造形装置は、請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置により生成された三次元形状データに基づいて三次元形状を造形する造形部を備える。
請求項１１記載の発明の三次元形状データの生成プログラムは、コンピュータを、請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置の各部として機能させるためのプログラムである。
請求項１、１０、１１記載の発明によれば、三次元形状の表面の滑らかさを維持しつつ、三次元形状の内部構造が定義された三次元形状データを得ることができる、という効果を有する。
請求項２記載の発明によれば、三次元形状を包含しない基本ボクセル集合を設定する場合と比較して、速やかに三次元形状の表面の内側にボクセルを設定することができる、という効果を有する。
請求項３記載の発明によれば、三次元形状の表面の内側の形状よりも大きい基本ボクセル集合を設定する場合と比較して、基本ボクセル集合のデータ量を抑制することができる、という効果を有する。
請求項４記載の発明によれば、設定する基本ボクセル集合が１つの場合と比較して、複数のボクセルを組み合わせた複雑な内部構造を容易に得ることができる、という効果を有する。
請求項５記載の発明によれば、最小限の基本ボクセル集合から、三次元形状の内側を設定するのに必要なボクセルを速やかに生成することができる、という効果を有する。
請求項６記載の発明によれば、ボクセルの属性に周期性を持たせることができる、という効果を有する。
請求項７記載の発明によれば、三次元形状の内側に属性が設定されない領域が生じるのを防ぐことができる、という効果を有する。
請求項８記載の発明によれば、三次元形状の表面から予め定めた厚みの第１の領域のボクセルの属性を、第１の領域よりも内側の第２の領域のボクセルの属性と異ならせることができる、という効果を有する。
請求項９記載の発明によれば、三次元形状の表面と交差するボクセルを細分化しない場合と比較して、三次元形状の表面を滑らかにすることができる、という効果を有する。
三次元造形システムの構成図である。 三次元形状データの生成装置の構成図である。 メッシュデータで表された三次元形状の一例を示す図である。 ボクセルデータで表された三次元形状の一例を示す図である。 ボクセルの属性について説明するための図である。 三次元造形装置の構成図である。 第１実施形態に係る三次元形状データの生成プログラムによる処理の流れを示すフローチャートである。 三次元形状を包含する基本ボクセル集合について説明するための図である。 三次元形状の内側のボクセルを有効化する場合について説明するための図である。 三次元形状をスライス面でスライスした状態を示す図である。 三次元形状をスライス面でスライスした平面形状を示す図である。 三次元造形装置の積層間隔とボクセルのサイズとの関係について説明するための図である。 第２実施形態に係る三次元形状データの生成プログラムによる処理の流れを示すフローチャートである。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 基本ボクセル集合の初期位置の設定方法の一例について説明するための図である。 球状の基本ボクセル集合について説明するための図である。 球状の基本ボクセル集合間の隙間のボクセルの属性の設定について説明するための図である。 第３実施形態に係る三次元形状データの生成プログラムによる処理の流れを示すフローチャートである。 複数の基本ボクセル集合を設定する場合について説明するための図である。 複数の基本ボクセル集合を延長により展開する場合について説明するための図である。 複数の基本ボクセル集合を延長により展開して三次元形状の内側のボクセルのみ有効化した場合の例について説明するための図である。 三次元形状の表面から予め定めた厚みの領域のボクセルについて予め定めた属性を設定する場合について説明するための図である。 三次元形状の表面から予め定めた厚みの領域のボクセルについて予め定めた属性を設定する場合について説明するための図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る三次元造形システム１の構成図である。図１に示すように、三次元造形システム１は、三次元形状データの生成装置１０及び三次元造形装置１００を備える。
次に、図２を参照して、第１実施形態に係る三次元形状データの生成装置１０の構成について説明する。
生成装置１０は、例えばパーソナルコンピュータ等で構成され、コントローラ１２を備える。コントローラ１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１２Ｅを備える。そして、ＣＰＵ１２Ａ、ＲＯＭ１２Ｂ、ＲＡＭ１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及びＩ／Ｏ１２Ｅがバス１２Ｆを介して各々接続されている。
また、Ｉ／Ｏ１２Ｅには、操作部１４、表示部１６、通信部１８、及び記憶部２０が接続されている。なお、ＣＰＵ１２Ａは、設定部及び生成部の一例である。
操作部１４は、例えばマウス及びキーボードを含んで構成される。
表示部１６は、例えば液晶ディスプレイ等で構成される。
通信部１８は、外部装置とデータ通信を行うためのインターフェースである。
記憶部２０は、ハードディスク等の不揮発性の記憶装置で構成され、後述する三次元形状データの生成プログラム、三次元形状をメッシュで表した三次元形状データ（メッシュデータ）等を記憶する。ＣＰＵ１２Ａは、記憶部２０に記憶された三次元形状データの生成プログラムを読み込んで実行する。
メッシュデータは、造形対象の三次元形状の表面を複数のメッシュで表した三次元形状データである。メッシュは、平面及び曲面の少なくとも一方を含む。メッシュを例えば平面とした場合、三角形又は四角形等の多角形のメッシュが用いられる。
図３は、メッシュデータによって表される三次元形状の一例として、うさぎを三角形の複数のメッシュで表した三次元形状３０を示した。メッシュデータでは、三次元形状３０の表面しか定義できず、内部構造は定義できない。
また、図４には、三次元形状をボクセルの集合で表した三次元形状データ（ボクセルデータ）によって表された三次元形状３２を示した。図４に示すように、三次元形状３２は、複数のボクセル３４で構成される。
ここで、ボクセル３４は、三次元形状３２の基本要素であり、例えば直方体が用いられるが、直方体に限らず、球又は円柱等を用いてもよい。ボクセル３４を積み上げることで所望の三次元形状が表現される。
ボクセルデータでは、三次元形状の内部構造を定義できる。ここで、内部構造の定義とは、三次元形状の内部に、例えば材料の異なる領域、材料の存在しない中空部分、及び属性の少なくとも１つを定義することをいう。
例えば図５（Ａ）に示すように、ボクセル３６を隙間無く配置してもよいし、図５（Ｂ）に示すように、ボクセル３６の有無を適宜設定することで形状を定義してもよい。
また、ボクセル毎に、例えば色、強度、材質、質感等のボクセルの性質を表す属性を設定してもよい。例えば図５（Ｃ）に示すように、ボクセル３６Ａとボクセル３６Ｂとで異なる属性を設定してもよい。ここで、「材質」とは、樹脂、金属、ゴム等の材料のジャンルを表す情報、ＡＢＳ、ＰＬＡ等の材料名を表す情報、市販されている材料の商品名、商品番号等を表す情報、ＩＳＯ、ＪＩＳ等の規格で定められている材料名、略称、番号等の材料を表す情報、熱伝導率、導電率、磁性等の材料特性を表す情報の少なくとも１つの情報を含む。
また、「質感」とは、三次元形状データの反射率、透過率、光沢、表面性状等の他、色だけではなく見た目又は触り心地を表す属性も含む。
なお、属性には、周期、数式、及び他の三次元形状データの少なくとも１つの情報を用いて設定される属性パターンを含む。属性パターンとは、一定周期の繰り返し、グラデーション、数式で表される傾斜や極点による表現、他の三次元形状データ等に従って三次元形状データの色、材質、質感等を連続的に変更すること、三次元形状データの指示された範囲を指示された形状で充填すること又は連続的に変更すること、の少なくとも１つを含む。
また、図５（Ｄ）に示すように、各ボクセル３６に、隣接するボクセルとの関係の強さ及び方向性の少なくとも一方を表す情報を設定してもよい。図３６（Ｄ）の例の場合、矢印Ｙ１で示される方向に並んだボクセル３６Ｃは、矢印Ｙ２で示される方向に並んだボクセル３６Ｄと比較して、隣接するボクセル間の関係性が強いことを表す。
三次元形状を造形する三次元造形法としては、例えば熱可塑性樹脂を溶かし積層させることで三次元形状を造形する熱溶解積層法（FDM:Fused Deposition Modeling）、光造形法、パウダーベット法等が適用されるが、他の三次元造形法を用いても良い。
次に、三次元形状データの生成装置１０により生成された三次元形状データを用いて三次元形状を造形する三次元造形装置について説明する。
図６には、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を示した。図６に示すように、三次元造形装置１００は、吐出ヘッド１０２、吐出ヘッド駆動部１０４、造形台１０６、造形台駆動部１０８、取得部１１０、及び制御部１１２を備える。なお、吐出ヘッド１０２、吐出ヘッド駆動部１０４、造形台１０６、及び造形台駆動部１０８は造形部の一例である。
吐出ヘッド１０２は、三次元形状４０を造形するための造形材料を吐出する造形材吐出ヘッドと、サポート材を吐出するサポート材吐出ヘッドと、を含む。サポート材は、三次元形状のオーバーハング部分（「張り出し部分」ともいう）を、造形が完了するまで支持する用途で用いられ、造形完了後に除去される。
吐出ヘッド１０２は、吐出ヘッド駆動部１０４によって駆動され、ＸＹ平面上を二次元に走査される。また、造形材吐出ヘッドは、複数種類の属性の造形材料に対応して複数の吐出ヘッドを備える場合がある。
造形台１０６は、造形台駆動部１０８によって駆動され、Ｚ軸方向に昇降される。
取得部１１０は、三次元形状データの生成装置１０が生成した三次元形状データ及びサポート材データを取得する。
制御部１１２は、取得部１１０が取得した三次元形状データに従って造形材料が吐出されると共に、サポート材データに従ってサポート材が吐出されるように、吐出ヘッド駆動部１０４を駆動して吐出ヘッド１０２を二次元に走査させると共に、吐出ヘッド１０２による造形材料及びサポート材の吐出を制御する。
また、制御部１１２は、各層の造形が終了する毎に、造形台駆動部１０８を駆動して造形台１０６を予め定めた積層間隔分降下させる。
次に、図７を参照して、本実施の形態に係る生成装置１０の作用を説明する。ＣＰＵ１２Ａにより三次元形状データの生成プログラムを実行させることで、図７に示す生成処理が実行される。なお、図７に示す生成処理は、例えば、ユーザーの操作により生成プログラムの実行が指示された場合に実行される。また、本実施形態では、サポート材データの生成処理については説明を省略する。
ステップＳ１００では、メッシュデータを例えば記憶部２０から読み出すことにより取得する。なお、通信部１８を介して外部装置からメッシュデータを通信により取得してもよい。
ステップＳ１０２では、ステップＳ１００で取得したメッシュデータから三次元形状の表示データを生成し、表示部１６に表示させる。
ステップＳ１０４では、少なくとも１つ以上のボクセルで定義した基本ボクセル集合を、三次元形状の表面の形状に合わせて設定し、設定した基本ボクセル集合を表示部１６に表示させる。具体的には、三次元形状の表面を包含する三次元の基本ボクセル集合を複数のボクセルで定義する。例えば図８に示すように、三次元形状３０を包含する直方体の基本ボクセル集合５０を複数のボクセル５２で定義する。すなわち、図８ではＸＺ平面における基本ボクセル集合５０を定義するボクセル５２のみ示しているが、ＸＹ平面及びＹＺ平面においても三次元形状３０を包含するように複数のボクセル５２で基本ボクセル集合５０を定義する。
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４で設定した基本ボクセル集合５０を構成する複数のボクセル５２のうち、三次元形状３０の表面の内側のボクセルを有効化することにより、ボクセルデータを生成する。例えば図９に示すように、基本ボクセル集合５０を構成する複数のボクセル５２のうち、三次元形状３０の表面の内側を含むボクセル５２のみを有効化する。
なお、内側のボクセルのみを有効化する方法として、例えば図９に示すボクセル５２Ａのように、三次元形状３０の表面が含まれるボクセル、すなわち三次元形状３０の表面と交差するボクセルを有効化したのちに、そのボクセルで囲まれる内側のボクセルを有効化しても良い。表面と交差するボクセルは、ボクセルの各頂点と三次元形状の表面のメッシュの各頂点の位置関係を用いて判定しても良い。
または、ボクセルの体積に対してボクセル内の三次元形状３０の体積が占める割合を表すカバー率に基づいて、有効化するか否かを判定してもよい。例えばカバー率が予め定めた閾値以上の場合はボクセルを有効化し、カバー率が閾値未満の場合はボクセルを無効化してもよい。閾値は、本実施形態では一例として５０％とするが、これに限られるものではない。
または、各ボクセルと三次元形状の表面を形成するメッシュのうち最もボクセルに近いメッシュとの距離関係に応じて、メッシュに対する法線と逆方向に位置するボクセルを有効化しても良い。
これにより、三次元形状３０の表面がメッシュデータで表され、三次元形状３０の表面の内側がボクセルデータで表された三次元形状データが生成される。また、ステップＳ１０６では、有効化されたボクセルのみを表示部１６に表示させる。
また、三次元形状３０の表面と交差するボクセル５２Ａについては、ボクセル５２Ａよりもサイズが小さいボクセルで細分化し、細分化したボクセルのうち三次元形状３０の表面の内側を含むボクセルを有効化するようにしてもよい。
また、三次元形状３０の表面と交差するボクセル５２Ａについては、三次元形状３０の表面との境界面を表す情報、例えば三次元形状３０の表面と交差するボクセル５２Ａと三次元形状３０の表面との交点を表す情報を設定するようにしてもよい。
また、三次元形状３０の表面と交差するボクセル５２Ａについては、マーチングキューブ法を用いて、ボクセルが配置された領域と配置されていない領域の境界面を表すパターンを組み合わせて設定するようにしても良い。
また、図８に示すメッシュデータの座標系Ｋ１とボクセルデータの座標系Ｋ２とが異なる座標系の場合には、有効化したボクセルをメッシュデータの座標系Ｋ１に合わせるように正規化してもよい。
三次元造形装置１００の取得部１１０は、三次元形状データの生成装置１０が生成した三次元形状データ及びサポート材データを取得する。また、制御部１１２は、取得部１１０が取得した三次元形状データに従って造形材料が吐出されると共に、サポート材データに従ってサポート材が吐出されるように、吐出ヘッド駆動部１０４を駆動して吐出ヘッド１０２を二次元に走査させると共に、吐出ヘッド１０２による造形材料及びサポート材の吐出を制御する。
制御部１１２は、造形材料を吐出させる制御を行う際には、生成装置１０が生成した三次元形状データで表される三次元形状を、三次元造形装置１００が三次元形状を造形する際の積層間隔でスライスした外形形状の内側に造形材料が吐出されるように制御する。
例えば図１０に示すように、三次元形状３０をスライス面Ｓでスライスした場合のＸＹ平面における外形形状が図１１に示すような外形形状５４であった場合について説明する。この場合、メッシュデータに基づいて、外形形状５４の内側に吐出ヘッド１０２が移動した場合に造形材料を吐出する。なお、スライス面Ｓの造形を行う場合、基本ボクセル集合５０のうち、スライス面Ｓの高さに相当する部分のボクセル集合のみ用いればよい。また、造形材料の属性については、ボクセルデータに基づいて、造形材料を吐出する位置に対応したボクセルに設定された属性に応じた色、造形材料、中空構造、及び造形を制御するパラメータ（ヘッド速度、材料吐出量、ヘッド温度等）の少なくとも１つが選択される。
ここで、三次元造形装置１００の積層間隔が、図１２に示す１つのボクセルの高さ（Ｚ軸方向の長さ）ｈ以下の場合は、１つのボクセルの高さｈ分のボクセルデータを用いて造形材料の吐出を制御すればよい。
一方、積層間隔が、１つのボクセルの高さｈよりも大きい場合は、複数のボクセルの高さｈ分のボクセルデータを用いて造形材料の吐出を制御すればよい。この場合、例えば高さ方向に並ぶ複数のボクセルの属性を合成する。合成の方法としては、例えば高さ方向に並ぶ複数のボクセルの属性を平均化したり、高さ方向に並ぶ複数のボクセルの最も高い位置の属性を採用したり、高さ方向に並ぶ複数のボクセルからランダムに選択したボクセルの属性を採用したりする方法がある。
なお、本実施形態では、三次元形状データを生成する生成装置１０と三次元形状データに基づいて三次元形状を造形する三次元造形装置１００とが別個の構成の場合について説明したが、三次元造形装置１００が生成装置１０の機能を備えた構成としてもよい。
すなわち、三次元造形装置１００の取得部１１０がメッシュデータを取得し、制御部１１２が図７の生成処理を実行して三次元形状データを生成してもよい。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一部分については同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
第２実施形態に係る三次元形状データの生成装置及び三次元造形装置は第１実施形態で説明した三次元形状データの生成装置１０及び三次元造形装置１００と同一であるので説明は省略する。
次に、図１３を参照して、本実施の形態に係る生成装置１０の作用を説明する。ＣＰＵ１２Ａにより三次元形状データの生成プログラムを実行させることで、図１３に示す生成処理が実行される。なお、図１３に示す生成処理は、例えば、ユーザーの操作により生成プログラムの実行が指示された場合に実行される。また、本実施形態では、サポート材データの生成処理については説明を省略する。
図１３のステップＳ１００、Ｓ１０２の処理は、図７のステップＳ１００、Ｓ１０２の処理と同一であるので説明は省略する。
ステップＳ１０４Ａでは、少なくとも１つ以上のボクセルで定義した基本ボクセル集合を、三次元形状の表面の形状に合わせて設定し、設定した基本ボクセル集合を表示部１６に表示させる。具体的には、三次元形状の表面の内側の形状よりも小さい基本ボクセル集合、換言すると三次元形状の表面を包含しない基本ボクセル集合を複数のボクセルで定義する。例えば図１４に示すように、三次元形状３０の表面を包含しない直方体を複数のボクセルで定義し、基本ボクセル集合６０として設定する。
ステップＳ１０５Ａでは、ステップＳ１０４Ａで設定した基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する。具体的には、ユーザーによる操作によって基本ボクセル集合６０を回転、拡大、縮小、及び移動の少なくとも１つを指示することにより初期位置を設定する。
また、複数の初期位置の設定方法からユーザーが任意の初期位置の設定方法を設定してもよい。
例えば、ユーザーは、例えば図１４に示すように、メッシュデータの座標系Ｋ１の原点とボクセルデータの座標系Ｋ２の原点とが一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第１の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図１５に示すように、三次元形状３０の中心と基本ボクセル集合６０の中心とが一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第２の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図１６に示すように、三次元形状３０の重心と基本ボクセル集合６０の重心とが一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第３の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図１７に示すように、三次元形状３０の座標系、すなわちメッシュデータの座標系Ｋ１における三次元形状３０のＸ座標、Ｙ座標、及びＺ座標の各座標値の最小値と、基本ボクセル集合６０の座標系、すなわちボクセルデータの座標系Ｋ２における基本ボクセル集合６０のＸ座標、Ｙ座標、及びＺ座標の各座標値の最小値と、が一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第４の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図１８に示すように、自由な位置に基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第５の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図１９に示すように、メッシュデータの座標系Ｋ１における三次元形状３０のＺ座標の座標値の最大値と、ボクセルデータの座標系Ｋ２における基本ボクセル集合６０のＺ座標の座標値の最大値と、が一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第６の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図２０に示すように、メッシュデータの座標系Ｋ１における三次元形状３０のＸ座標の座標値の最小値と、ボクセルデータの座標系Ｋ２における基本ボクセル集合６０のＸ座標の座標値の最小値と、が一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第７の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図２１に示すように、メッシュデータの座標系Ｋ１におけるＸ軸と、ボクセルデータの座標系Ｋ２におけるＸ軸と、が一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第８の設定方法を選択してもよい。
また、ユーザーは、例えば図２２に示すように、メッシュデータの座標系Ｋ１におけるＺ軸と、ボクセルデータの座標系Ｋ２におけるＺ軸と、が一致するように基本ボクセル集合６０の初期位置を設定する第９の設定方法を選択してもよい。
ステップＳ１０５Ｂでは、ステップＳ１０５Ａで選択された基本ボクセル集合６０の初期位置から、基本ボクセル集合６０を三次元形状３０の内側を全て網羅するように展開する。ここで、展開には延長及び繰り返しがある。
延長とは、基本ボクセル集合６０の最外郭のボクセル、すなわち基本ボクセル集合６０の表面のボクセルを、三次元形状３０の内側が全てボクセルで満たされるまで基本ボクセル集合６０の外側に向けて拡張することである。
また、繰り返しとは、基本ボクセル集合６０を、三次元形状３０の内側が全てボクセルで満たされるまで基本ボクセル集合６０をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に繰り返し配置することである。
なお、延長及び繰り返しの何れにより基本ボクセル集合６０を展開するかをユーザーに選択させてもよい。
また、基本ボクセル集合は直方体に限らず他の形状としてもよい。例えば図２３に示すように、球状の基本ボクセル集合６２としてもよい。なお、基本ボクセル集合６２は、複数のボクセル６４Ａで球状に構成されたボクセル集合の周りに、ボクセル６４Ａと属性が異なる複数のボクセル６４Ｂが球状に配置された形状である。
基本ボクセル集合６２を繰り返すことで三次元形状３０の内側を全て網羅するように展開する場合には、図２３に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸のプラス方向又はマイナス方向に基本ボクセル集合６２を繰り返し配置すればよい。なお、必ずしも基本ボクセル集合６２をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸に沿って繰り返し配置しなくてもよい。例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸と交差する方向、すなわち斜め方向に基本ボクセル集合６２を繰り返し配置してもよい。また、基本ボクセル集合６２を曲面状に繰り返し配置してもよい。また、基本ボクセル集合６２を極座標的に外側に向かって放射状に繰り返し配置してもよい。また、基本ボクセル集合６２が渦を巻くように繰り返し配置してもよい。
また、図２３に示すように、基本ボクセル集合６２が球状の場合は、隣接する基本ボクセル集合６２間で隙間６６が生じる。この場合は、例えば基本ボクセル集合６２毎にバウンディングボックス６８を設定する。そして、図２４に示すように、バウンディングボックス６８に対応する基本ボクセル集合６２の最外郭のボクセル６４Ｂの属性値を隙間６６のボクセル６４Ｃに複製すればよい。
ステップＳ１０６の処理は、図７のステップＳ１０６と同一であるので説明は省略する。
また、三次元造形装置１００の制御部１１２で実行される造形材料を吐出させる制御については、第１実施形態で説明した制御と同一であるので説明を省略する。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、複数の異なる基本ボクセル集合を設定した場合について説明する。なお、上記各実施形態と同一部分については同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
第３実施形態に係る三次元形状データの生成装置及び三次元造形装置は第１実施形態で説明した三次元形状データの生成装置１０及び三次元造形装置１００と同一であるので説明は省略する。
次に、本実施の形態に係る生成装置１０の作用を説明する。ＣＰＵ１２Ａにより三次元形状データの生成プログラムを実行させることで、図２５に示す生成処理が実行される。なお、図２５に示す生成処理は、例えば、ユーザーの操作により生成プログラムの実行が指示された場合に実行される。また、本実施形態では、サポート材データの生成処理については説明を省略する。
図２５のステップＳ１００、Ｓ１０２の処理は、図７のステップＳ１００、Ｓ１０２の処理と同一であるので説明は省略する。
ステップＳ１０４Ｃでは、複数の基本ボクセル集合を設定し、表示部１６に表示させる。各基本ボクセル集合の設定については図１３のステップＳ１０４Ａと同様であるので詳細な説明は省略する。例えば図２６に示すように、三次元形状３０のうさぎの頭部については基本ボクセル集合７０Ａを設定し、胴体については基本ボクセル集合７０Ｂを設定する。なお、基本ボクセル集合７０Ａは、属性の異なる複数種類のボクセル７２Ａ、７２Ｂの集合で構成されている。また、基本ボクセル集合７０Ｂは、属性の異なる複数種類のボクセル７４Ａ、７４Ｂの集合で構成されている。
基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂは例えばユーザーの操作によって設定してもよいし、三次元形状３０を複数の領域に分割し、分割した複数の領域の形状に合わせて自動的に複数の基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂを設定してもよい。
ステップＳ１０５Ｃでは、ステップＳ１０４Ｃで設定した複数の基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂの初期位置を設定する。各基本ボクセル集合の初期位置の設定については図１３のステップＳ１０５Ａと同様であるので詳細な説明は省略する。
ステップＳ１０５Ｄでは、ステップＳ１０５Ｃで選択された複数の基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂの各々について、基本ボクセル集合の初期位置から、基本ボクセル集合を三次元形状３０の内側を全て網羅するように展開する。展開については第２実施形態と同様に延長及び繰り返しがある。
例えば基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂを延長により展開した場合の例を図２７に示す。この場合、複数の基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂの最外郭のボクセル間の中点を結ぶ線が境界線８０となる。なお、図２７に示すように、基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂの解像度が異なる場合、すなわちボクセルのサイズが異なる場合は、ボクセルのサイズを正規化した上で基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂを展開してもよい。
基本ボクセル集合７０Ａ、７０Ｂを延長により展開することにより、三次元形状３０の表面を包含するボクセルの集合が得られる。
ステップＳ１０６の処理は、図７のステップＳ１０６と同一であるので説明は省略する。これにより、図２８に示すように、三次元形状３０の表面の内側のボクセルのみが有効化される。
以上、各実施形態を用いて本発明について説明したが、本発明は各実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上記第１〜３実施形態で説明した何れかの方法で三次元形状３０の表面の内側のボクセルを有効化した後、表面から予め定めた厚みの第１の領域のボクセルについては、予め定めた属性を設定してもよい。すなわち、上記第１〜３実施形態で説明した何れかの方法で有効化されたボクセルのうち、第１の領域よりも内側の第２の領域のみボクセルを有効化する。例えば図２９に示すように、三次元形状３０のＹＺ平面に沿った断面Ｄの形状８０について考える。この場合、図３０に示すように、三次元形状３０の表面から予め定めた厚みの第１の領域８２のボクセルについては、予め定めた属性を設定し、第１の領域８２よりも内側の第２の領域８４については、上記第１〜３実施形態で説明した何れかの方法で有効化されたボクセルの属性を用いる。
なお、第１の領域８２のボクセルに設定する属性は１種類でもよいし、ボクセル毎に複数種類の属性を設定してもよい。
また、例えば、図７、１３、２５に示した三次元形状データの生成処理をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウエアで実現するようにしてもよい。この場合、ソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。
また、各実施形態では、三次元形状データの生成プログラムが記憶部２０にインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本実施形態に係る三次元形状データの生成プログラムを、コンピュータ読取可能な記憶媒体に記録した形態で提供してもよい。例えば、本発明に係る三次元形状データの生成プログラムを、ＣＤ(Compact Disc)−ＲＯＭ及びＤＶＤ(Digital Versatile Disc)−ＲＯＭ等の光ディスクに記録した形態、若しくはＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリ及びメモリカード等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。また、本実施形態に係る三次元形状データの生成プログラムを、通信部１８に接続された通信回線を介して外部装置から取得するようにしてもよい。
１ 三次元造形システム
１０ 生成装置
１２ コントローラ
３０、３２、４０ 三次元形状
３４、３６、５２、６４Ａ〜６４Ｃ、７２Ａ、７２Ｂ ボクセル
５０、７０Ａ、７０Ｂ 基本ボクセル集合
５４ 外形形状
６０、６２ 基本ボクセル集合

Claims (11)

  1. 三次元形状の表面を複数の平面及び曲面の少なくとも一方で表した三次元形状データに基づいて、少なくとも１つ以上のボクセルで定義した基本ボクセル集合を、前記表面の形状に合わせて設定する設定部と、
    前記基本ボクセル集合に基づいて、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する生成部と、
    を備えた三次元形状データの生成装置。
  2. 前記設定部は、前記表面を包含する基本ボクセル集合を設定し、前記生成部は、前記表面の内側のボクセルを有効化することにより、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する
    請求項１記載の三次元形状データの生成装置。
  3. 前記設定部は、前記表面の内側の形状よりも小さい基本ボクセル集合を設定し、前記生成部は、前記基本ボクセル集合を展開することにより、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する
    請求項１記載の三次元形状データの生成装置。
  4. 前記設定部は、前記表面の形状に合わせて複数の異なる前記基本ボクセル集合を設定し、前記生成部は、複数の異なる前記基本ボクセル集合に基づいて、前記表面の内側にボクセルを設定した三次元形状データを生成する
    請求項１記載の三次元形状データの生成装置。
  5. 前記生成部は、前記基本ボクセル集合の最外郭のボクセルを、前記三次元形状の内側が全てボクセルで満たされるまで前記基本ボクセル集合の外側に向けて拡張することにより、前記基本ボクセル集合を展開する
    請求項３記載の三次元形状データの生成装置。
  6. 前記生成部は、前記基本ボクセル集合を、前記三次元形状の内側が全てボクセルで満たされるまで前記基本ボクセル集合を繰り返し配置することにより、前記基本ボクセル集合を展開する
    請求項３記載の三次元形状データの生成装置。
  7. 前記基本ボクセル集合を繰り返し配置した場合に、隣接する基本ボクセル集合間で隙間が生じる場合、前記生成部は、前記基本ボクセル集合の最外郭のボクセルの属性値を、前記隙間のボクセルに複製する
    請求項６記載の三次元形状データの生成装置。
  8. 前記生成部は、前記三次元形状の表面から予め定めた厚みの第１の領域よりも内側の第２の領域のボクセルのみを有効化し、前記第１の領域は予め定めた属性のボクセルを設定する
    請求項２〜７の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置。
  9. 前記生成部は、前記三次元形状の表面と交差するボクセルについては、前記ボクセルよりもサイズが小さいボクセルで細分化する
    請求項１〜８の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置。
  10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置により生成された三次元形状データに基づいて三次元形状を造形する造形部
    を備えた三次元造形装置。
  11. コンピュータを、請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置の各部として機能させるための三次元形状データの生成プログラム。
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