JP2020040219A - 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

Abstract

【課題】三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状を造形することができる。【解決手段】三次元形状データの生成装置１０は、第１の属性が各々設定された複数の第１のボクセルで表される三次元形状の三次元形状データを取得し、第１の属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置１００で対応可能な第２の属性と異なる場合、第１のボクセルと等価となるように、第１のボクセルを第２の属性が設定された複数の第２のボクセルに置換する。【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、マルチマテリアル・アディティブ・マニュファクチャリングにより堆積される異なる機械的特性を有する少なくとも２つのモデリング材料の組み合わせで形成されるデジタル材料を有する身体部位の物理的再構築物であって、モデリング材料の前記組み合わせは、ボクセル単位で前記身体部位の機械的特性を模倣するように構成され、前記ボクセルは、前記身体部位の画像データに基づいて定義される、物理的再構築物が開示されている。

特開２０１７−２２２１７６号公報

三次元形状を表すボクセルに設定された属性（例えば色）が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合、ボクセルに設定された属性と最も近似している属性の造形材料で三次元形状を造形することが考えられる。

しかしながら、最も近似している属性の造形材料で三次元形状を造形したとしても、元の三次元形状の属性と等価な属性とはならず、所望の属性の三次元形状を造形できない場合がある。

本発明は、三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状を造形す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、前記第１の属性が、前記三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な第２の属性と異なる場合、前記第１のボクセルと等価となるように、前記第１のボクセルを前記第２の属性が設定された複数の第２のボクセルに置換する置換部と、を備える。

請求項２記載の発明は、前記複数の第２のボクセルには、複数の異なる第２の属性が各々設定され、前記置換部は、前記第１の属性が設定された前記第１のボクセルを、前記複数の異なる第２の属性が各々設定された複数の第２のボクセルに置換する。

請求項３記載の発明は、前記複数の第２のボクセルを組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第１のボクセルのサイズと同一である。

請求項４記載の発明は、前記置換部は、前記第１の属性が設定された前記第１のボクセルを、前記第２の属性が設定された少なくとも１つの第２のボクセルと、少なくとも１つの中空のボクセルと、に置換する。

請求項５記載の発明は、少なくとも１つの第２のボクセルと、少なくとも１つの中空のボクセルと、を組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第１のボクセルのサイズと同一である。

請求項６記載の発明は、前記第１の属性及び前記第２の属性は、色及び硬度の少なくとも１つである。

請求項７記載の発明の三次元造形装置は、請求項１〜６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と、を備える。

請求項８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１〜６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、７、８記載の発明によれば、三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状を造形することができる、という効果を有する。

請求項２記載の発明によれば、複数の第２のボクセルの第２の属性が全て同一の場合と比較して、精度良く元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状を造形することができる、という効果を有する。

請求項３記載の発明によれば、複数の第２のボクセルを組み合わせたボクセル集合のサイズが、第１のボクセルのサイズと異なる場合と比較して、元の三次元形状のサイズと同じサイズの三次元形状を造形することができる、という効果を有する。

請求項４記載の発明によれば、複数の第２のボクセルに複数の異なる第２の属性が各々設定される場合と比較して、造形材料の種類を抑制できる、という効果を有する。

請求項５記載の発明によれば、少なくとも１つの第２のボクセルと、少なくとも１つの中空のボクセルと、を組み合わせたボクセル集合のサイズが、第１のボクセルのサイズと異なる場合と比較して、元の三次元形状のサイズと同じサイズの三次元形状を造形することができる、という効果を有する。

請求項６記載の発明によれば、三次元形状を表すボクセルに設定された色及び硬度の少なくとも１つの属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状を造形することができる、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。 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。 三次元造形装置の構成図である。 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。 置換テーブルの一例を示す図である。 ボクセルの置換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。

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、取得部及び置換部の一例である。

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、三次元造形装置１００等の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、三次元形状データ（ボクセルデータ）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。

図３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３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。

また、本実施形態では、各ボクセルには、材料及び色の少なくとも１つを含む属性が各々設定されている。

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）、粉末状の金属材料にレーザービームを照射し、焼結することで三次元形状を造形するレーザー焼結法（ＳＬＳ法：Selective Laser Sintering）、紫外線硬化インクをノズルから吐出し、インク着弾後に紫外線を照射してインクを硬化させるＵＶインクジェ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。本実施形態では、熱溶解積層法を用いて三次元形状を造形する場合について説明する。

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４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。三次元造形装置１００は、熱溶解積層法により三次元形状を造形する装置である。

図４に示すように、三次元造形装置１００は、複数の吐出ヘッド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、吐出ヘッド１０２は、複数種類の属性の造形材料に対応して複数の造形材吐出ヘッドを備える。ここで、属性には、例えば色及び硬度の少なくとも１つが含まれるが、これらに限られるものではない。

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５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５に示す生成処理が実行される。なお、図５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、造形対象の三次元形状であり、第１の属性が各々設定された複数の第１のボクセルで表される三次元形状の三次元形状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ボクセルデータを通信により取得してもよい。

ステップＳ１０２では、三次元造形装置１００に対して、三次元造形装置１００で対応可能な第２の属性を要求する。三次元造形装置１００は、自装置で対応可能な第２の属性を生成装置１０へ送信する。これにより、生成装置１０では、三次元造形装置１００で対応可能な属性が取得される。ここで、第１の属性及び第２の属性は、色及び硬度の少なくとも一方が含まれるが、以下では、第１の属性及び第２の属性の種類が色である場合について説明する。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１００で取得したボクセルデータの各ボクセルに設定された第１の属性と、ステップＳ１０２で取得した三次元造形装置１００で対応可能な第２の属性と、が異なるボクセルが存在するか否かを判定する。例えば、三次元造形装置１００で対応可能な第２の属性が「白」及び「黒」である場合において、第１の属性が「グレー」であるボクセルが存在する場合には、ステップＳ１０４の判定は肯定される。一方、第１の属性が「白」又は「黒」のみのボクセルしか存在しない場合には、ステップＳ１０４の判定は否定される。

そして、三次元造形装置１００で対応可能な第２の属性と異なる第１の属性を有するボクセルが存在する場合は、ステップＳ１０６へ移行し、各ボクセルに設定された第１の属性の全てが第２の属性と同じ場合は、ステップＳ１０８へ移行する。

ステップＳ１０６では、第１の属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置１００で対応可能な第２の属性と異なる場合、第１のボクセルと等価となるように、第１のボクセルを第２の属性が設定された複数の第２のボクセルに置換する。ここで、第１のボクセルと等価な複数の第２のボクセルとは、置換された複数の第２のボクセルで表される属性が、元の第１のボクセルの属性と実質的に同じ属性であること、または、元の第１のボクセルの属性と比較して許容範囲内の属性であることをいう。

具体的には、例えば図６に示すような置換テーブルＴを用いて、第１のボクセルを複数の第２のボクセルに置換する。

図６に示すように、置換テーブルＴは、第１の属性、第２の属性、及び構造情報の対応関係を表すテーブルデータである。ここで、構造情報とは、置換後の複数の第２のボクセルの構造に関する情報である。具体的には、構造情報は、置換後の複数の第２のボクセルの個数、サイズ、及び配置の少なくとも１つに関する情報である。

例えば図６に示すように、置換テーブルＴの１行目に定義された対応関係では、第１の属性「Ａ」に、第２の属性として「Ｃ」、「Ｄ」が対応付けられている。この場合、図７に示すように、第１の属性「Ａ」が設定された第１のボクセル５０Ａは、第２の属性「Ｃ」が設定された第２のボクセル５２Ｃと、第２の属性「Ｄ」が設定された第２のボクセル５２Ｄと、に置換される。

また、図６に示すように、第１の属性「Ａ」には、構造情報として「構造１」が対応付けられている。ここで、「構造１」は、例えば、図７に示すように、第１のボクセル５０Ａを置換する場合の第２のボクセル５２Ｃ、５２Ｄの合計の個数が「４」であり、第２のボクセル５２Ｃ、５２Ｄのサイズが第１のボクセル５０Ａの１／４であり、複数の異なる第２の属性が各々設定された複数の第２のボクセル５２Ｃ、５２Ｄが均等に配置されること、を表す情報である。

これにより、図７に示すように、第１のボクセル５０Ａが、第２の属性が「Ｃ」である２個の第２のボクセル５２Ｃと、第２の属性が「Ｄ」である２個の第２のボクセル５２Ｄと、を組み合わせたボクセル集合５２に置換される。ここで、ボクセル集合５２のサイズは、第１のボクセル５０Ａのサイズと同一である。これにより、置換後に三次元形状のサイズが異なってしまうことがない。

例えば第１の属性「Ａ」が「グレー」、第２の属性「Ｃ」が「黒」、第２の属性「Ｄ」が「白」であった場合に、構造情報「構造１」に基づいて第１のボクセル５０Ａを複数の第２のボクセル５２Ｃ、５２Ｄを組み合わせたボクセル集合５２に置換すると、ボクセル集合５２は、第１のボクセル５０Ａと等価となる。

また、別の例として、置換テーブルＴの２行目に定義された対応関係では、第１の属性「Ｂ」に、第２の属性として「Ｅ」が対応付けられている。また、第１の属性「Ｂ」には、構造情報として「構造２」が対応付けられている。ここで、「構造２」は、例えば、図７に示すように、置換後の複数の第２のボクセル５２Ｅの個数が「３」であり、第２のボクセルのサイズが第１のボクセル５０Ａの１／４であり、第１のボクセル５０Ａの１／４のサイズである中空のボクセル５２Ｘを１個含むこと、を表す情報である。これにより、図７に示すように、第１のボクセル５０Ａが、第２の属性が「Ｅ」である３個の第２のボクセル５２Ｅと、１個の中空のボクセル５２Ｘと、を組み合わせたボクセル集合５２Ａに置換される。ここで、ボクセル集合５２Ａのサイズは、第１のボクセル５０Ａのサイズと同一である。これにより、置換後に三次元形状のサイズが異なってしまうことがない。

例えば第１の属性「Ｂ」が「グレー」、第２の属性「Ｅ」が「黒」であった場合に、構造情報「構造２」に基づいて第１のボクセル５０Ａを複数の第２のボクセル５２Ｅ及び中空のボクセル５２Ｘを組み合わせたボクセル集合５２Ａに置換すると、ボクセル集合５２Ａは、第１のボクセル５０Ａと等価となる。

なお、上記の「構造１」、「構造２」は構造情報の一例であり、これらに限られるものではない。 ステップＳ１０８では、ステップＳ１０６で属性を置換したボクセルデータを三次元造形装置１００に送信する。

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から送信された生成したボクセルデータを取得する。また、制御部１１２は、取得部１１０が取得したボクセルデータに従って造形材料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による造形材料の吐出を制御する。これにより、三次元形状が造形される。

このように、本実施形態では、第１の属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置１００で対応可能な第２の属性と異なる場合、第１のボクセルと等価となるように、第１のボクセルを第２の属性が設定された複数の第２のボクセルに置換する。これにより、三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置１００で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状が造形される。

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、本実施形態では、属性が色の場合におけるボクセルの置換について説明したが、属性が硬度の場合も同様に、第１のボクセルを、第１のボクセルと等価な複数の第２のボクセルに置換すればよい。

また、図７の例では、複数の第２のボクセルのサイズが全て同一の場合について説明したが、複数の第２のボクセルのサイズが全て同一でなくてもよい。

また、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がボクセルデータを取得し、制御部１１２が図５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。

また、例えば、図５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
３２、４０ 三次元形状
３４、５０Ａ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ、５０Ｘ ボクセル
１００ 三次元造形装置
５２、５２Ａ ボクセル集合

Claims (8)

1. 第１の属性が各々設定された複数の第１のボクセルで表される三次元形状の三次元形状データを取得する取得部と、
   前記第１の属性が、前記三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な第２の属性と異なる場合、前記第１のボクセルと等価となるように、前記第１のボクセルを前記第２の属性が設定された複数の第２のボクセルに置換する置換部と、
   を備えた三次元形状データの生成装置。
2. 前記複数の第２のボクセルには、複数の異なる第２の属性が各々設定され、
   前記置換部は、前記第１の属性が設定された前記第１のボクセルを、前記複数の異なる第２の属性が各々設定された複数の第２のボクセルに置換する
   請求項１記載の三次元形状データの生成装置。
3. 前記複数の第２のボクセルを組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第１のボクセルのサイズと同一である
   請求項２記載の三次元形状データの生成装置。
4. 前記置換部は、前記第１の属性が設定された前記第１のボクセルを、前記第２の属性が設定された少なくとも１つの第２のボクセルと、少なくとも１つの中空のボクセルと、に置換する
   請求項１記載の三次元形状データの生成装置。
5. 少なくとも１つの第２のボクセルと、少なくとも１つの中空のボクセルと、を組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第１のボクセルのサイズと同一である
   請求項４記載の三次元形状データの生成装置。
6. 前記第１の属性及び前記第２の属性は、色及び硬度の少なくとも１つである
   請求項１〜５の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置。
7. 請求項１〜６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と、
   を備えた三次元造形装置。
8. コンピュータを、請求項１〜６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。