JP2020140243A - 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】複数の三次元要素で表された三次元形状の物理的特性を解析して算出した物性値に対応する造形条件を設定する処理を三次元要素毎に行う場合と比較して、造形条件を設定する処理が複雑になるのを抑制する。【解決手段】三次元形状データの生成装置は、複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データを用いて、三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析することで算出された三次元要素の物性値を取得する物性値取得部２１、複数の三次元要素の各々の物性値と閾値との比較結果から、三次元形状を複数の部分形状に分割する分割部２２、部分形状に含まれる三次元要素の物性値の代表値を算出する代表値算出部２３、代表値と三次元形状を造形する三次元造形装置の造形条件との対応関係を用いて、代表値に対応する造形条件を複数の三次元要素の各々に設定することで三次元形状データを生成する生成部２４を備える。【選択図】図３

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、少なくとも、（１）成形品の形状を複数の微小要素に分割した計算用モデルを作成する計算用モデル作成工程と、（２）前記成形品の材料物性を設定する材料物性設定工程と、（３）前記成形品の成形条件を設定する成形条件設定工程と、（４）前記計算用モデルを用いて、前記成形条件および前記材料物性条件で成形したときの成形過程を解析する成形過程解析工程と、（５）前記計算用モデルと前記成形過程解析工程の結果を用いて、各微小要素の局所的な物性データを算出する物性解析工程と、（６）前記計算用モデルと前記局所的な物性データを用いて、前記成形品の固有振動数をもとめる固有値解析又は周波数応答解析の少なくとも一方を含む振動特性解析工程と、（７）前記計算用モデルと前記固有振動数から前記成形品の音響特性をもとめる音響特性解析工程とを有する成形品の音響特性のシミュレーション方法が開示されている。

特許文献２には、対象物に印加されるフィールド［ｆ］に対応して生成されるポテンシャル［ｘ］を有する対象物を三次元的に制御して製造するための製造方法であって、上記対象物の外形状のデータを複数の有限要素に分離することによって、コンピュータ処理可能な、対象物の数学モデルを生成し、上記各有限要素の物性値の対称性を特定し、上記各有限要素に関連するフィールド［ｆ］及びポテンシャル［ｘ］の各数値を特定し、関係式［ｆ］＝［ｋ］［ｘ］および上記対称性に基づいて上記対象物の素材の未知の物性マトリックス［ｋ］を算出し、コンピュータ処理可能な、上記対象物の数学モデル内にて有限要素毎の、上記素材の物性値の係数を、上記算出された物性マトリックス［ｋ］から抽出し、抽出された上記素材の物性値の係数と、既知の素材における物性値の係数とを一致させるために、抽出された上記素材の物性値の係数と、既知の素材における物性値の係数とを比較し、一致した素材の物性値の各係数に基づいて、上記対象物の上記有限要素毎の、製造装置を制御するための各製造パラメータを決定し、上記各製造パラメータに応じて製造設備を制御するための、マシン制御指示を生成する、対象物の製造方法が開示されている。

特許文献３には、３次元物品の積層造形支援方法であって、３次元物品のＣＡＤデータを入力する３次元ＣＡＤデータ入力工程と、スライスデータを作成するスライスデータ作成工程と、造形用条件を元に造形シミュレーションを実行する造形シミュレーション工程と、造形用条件を変更して、繰り返し造形シミュレーションを実行し、少なくともそり変形または残留応力のいずれか一方が許容範囲内となる条件を求める最適化工程とを備えたことを特徴とする３次元物品の積層造形支援方法が開示されている。

特開２００３−０９０７５８号公報 特開２０１２−０７４０７２号公報 特開２０１７−０７７６７１号公報

複数の三次元要素で表された三次元形状の物理的特性を解析して最適な物性値を算出し、算出した物性値に対応する造形条件を設定する処理を三次元要素毎に行う場合、三次元形状が複雑になるに従って造形条件を設定する処理も複雑となる。

本発明は、複数の三次元要素に分割された三次元形状の物理的特性を解析して最適な物性値を算出し、算出した物性値に対応する造形条件を設定する処理を三次元要素毎に行う場合と比較して、造形条件を設定する処理が複雑になるのを抑制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。

第１態様に係る三次元形状データの生成装置は、複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データを用いて、前記三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析することにより算出された、前記複数の三次元要素の物理的特性を表す物性値を取得する物性値取得部と、前記複数の三次元要素の各々の物性値と予め定めた閾値との比較結果から、前記三次元形状を複数の部分形状に分割する分割部と、前記複数の部分形状の各々について、前記部分形状に含まれる三次元要素の物性値の代表値を算出する代表値算出部と、前記代表値と前記三次元形状を造形する三次元造形装置の造形条件との予め定めた対応関係を用いて、前記代表値に対応する造形条件を前記複数の三次元要素の各々に設定することにより三次元形状データを生成する生成部と、を備える。

第２態様に係る三次元形状データの生成装置は、第１態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記物性値取得部は、前記三次元形状データを取得する三次元形状データ取得部と、前記三次元形状データを用いて、前記三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析することにより前記物性値を算出する物性値算出部と、を含む。

第３態様に係る三次元形状データの生成装置は、第２態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記三次元形状データ取得部は、前記三次元形状の表面形状を表す表面形状データを取得する表面形状データ取得部と、前記表面形状データを前記三次元形状データに変換する変換部と、を含む。

第４態様に係る三次元形状データの生成装置は、第２態様又は第３態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記物性値算出部は、三次元形状に求められる機能に対応する解析手法を用いて前記物理的特性を解析する。

第５態様に係る三次元形状データの生成装置は、第４態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記解析手法を受け付ける解析手法受付部を備える。

第６態様に係る三次元形状データの生成装置は、第２態様〜第５態様の何れかの態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記物性値算出部は、複数の物理的特性を解析することにより前記物性値を算出し、算出した複数の物性値を合算する。

第７態様に係る三次元形状データの生成装置は、第６態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記物性値算出部は、合算比率に応じて前記複数の物性値を合算する。

第８態様に係る三次元形状データの生成装置は、第１態様〜第７態様の何れかの態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記分割部は、複数の閾値の各々について、前記三次元形状を複数の部分形状に分割する処理を行い、前記代表値算出部は、前記複数の閾値の各々について、前記代表値を算出する処理を行い、前記生成部は、前記複数の閾値の各々について、前記三次元形状データを生成する。

第９態様に係る三次元形状データの生成装置は、第８態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記生成部は、前記複数の閾値の各々について生成された前記三次元形状データのうち、予め定めた性能条件を満たす三次元形状データを出力する。

第１０態様に係る三次元形状データの生成装置は、第８態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記複数の閾値の各々について生成された前記三次元形状データの何れかを受け付ける三次元形状データ受付部を備える。

第１１態様に係る三次元形状データの生成装置は、第１態様〜第７態様の何れかの態様に係る三次元形状データの生成装置において、予め定めた性能条件を満たすまで、前記分割部による処理、前記代表値算出部による処理、前記生成部による処理、及び前記生成部により生成された三次元形状データが予め定めた性能条件を満たすか否かを判定する処理が繰り返されるように制御する制御部を備える。

第１２態様に係る三次元形状データの生成装置は、第１態様〜第１１態様の何れかの態様に係る三次元形状データの生成装置において、前記分割部は、前記複数の部分形状の境界部が重複するように、前記複数の部分形状の各々の境界部に前記三次元要素を追加する。

第１３態様に係る三次元造形装置は、第１態様〜第１２態様の何れかの態様に係る三次元形状データの生成装置と、前記生成装置により生成された三次元形状データに応じた造形条件で三次元形状を造形する造形部と、を備える。

第１４態様に係る三次元形状データの生成プログラムは、コンピュータを、第１態様〜第１２態様の何れかの態様に係る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。

第１、第１３、第１４態様によれば、複数の三次元要素に分割された三次元形状の物理的特性を解析して最適な物性値を算出し、算出した物性値に対応する造形条件を設定する処理を三次元要素毎に行う場合と比較して、造形条件を設定する処理が複雑になるのを抑制することができる、という効果を有する。

第２態様によれば、三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析できない場合と比較して、予め物理的特性を解析しておく必要がない、という効果を有する。

第３態様によれば、三次元形状の表面形状を表す表面形状データを、複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データに変換できない場合と比較して、予め三次元形状データを用意しておく必要がない、という効果を有する。

第４態様によれば、解析手法が、三次元形状に求められる機能に対応していない場合と比較して、所望の性能の三次元形状が得られる、という効果を有する。

第５態様によれば、解析手法が固定の場合と比較して、所望の性能の三次元形状が得られる、という効果を有する。

第６態様によれば、複数の物理的特性について所望の性能の三次元形状が得られる、という効果を有する。

第７態様によれば、複数の物理的特性の影響の度合いを調整することができる、という効果を有する。

第８態様によれば、閾値が固定の場合と比較して、より性能が向上した三次元形状が得られる、という効果を有する。

第９態様によれば、複数の閾値の各々について生成された三次元形状データのうち、予め定めた性能条件を満たす三次元形状データをユーザーが判断する手間が省ける、という効果を有する。

第１０態様によれば、物性値が異なる複数の三次元形状データの中からユーザーが自由に三次元形状データを選択できる、という効果を有する。

第１１態様によれば、三次元形状データの生成を１回しか実行しない場合と比較して、所望の性能を満たす三次元形状の三次元形状データが得られる、という効果を有する。

第１２態様によれば、複数の部分形状の各々の境界部に三次元要素を追加しない場合と比較して、境界部に隙間が生じるのを抑制することができる、という効果を有する。

三次元造形システムのブロック図である。 三次元形状データの生成装置の電気的構成を示すブロック図である。 三次元形状データの生成装置の機能構成を示すブロック図である。 直方体の三次元要素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。 三次元要素の物性値の一例を示す図である。 三次元形状を分割した部分形状の一例を示す図である。 物性値と造形条件との対応関係を表すテーブルデータの一例を示す図である。 プロペラの応力分布について説明するための図である。 インソールの応力分布について説明するための図である。 部分形状の境界部に追加する三次元要素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、本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。

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、表面形状データ、及び後述するテーブ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。

次に、ＣＰＵ１２Ａの機能構成について説明する。

図３に示すように、ＣＰＵ１２Ａは、機能的には、物性値取得部２１、分割部２２、代表値算出部２３、生成部２４、制御部２５、解析手法受付部２６、及び三次元形状データ受付部２７を備える。

物性値取得部２１は、複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データを用いて、三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析することにより算出された、複数の三次元要素の物理的特性を表す物性値を取得する。

図４には、一例として、複数の三次元要素で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、複数の直方体の三次元要素３４で構成される。

ここで、三次元要素３４は、三次元形状３２の基本要素である。本実施形態では、三次元要素が直方体の場合について説明するが、直方体に限られない。例えば、三次元要素の形状としては、直方体等の六面体の他、八面体、四面体、プリズム、及びピラミッド等の形状が挙げられる。

物性値取得部２１は、三次元形状データ取得部２８及び物性値算出部２９を含む。三次元形状データ取得部２８は、複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データを取得する。具体的には、三次元形状データ取得部２８は、表面形状データ取得部３０及び変換部３１を含む。

表面形状データ取得部３０は、三次元形状の表面形状を表す表面形状データを、例えば記憶部２０から読み出すことにより取得する。表面形状データは、三次元形状の表面は定義されているが、内部構造は定義されていない。表面形状データとしては、例えばＣＡＤ（Computer-Aided Design）データ及びＳＴＬ（Stereolithography)データ等が挙げられるが、これらに限られるものではない。

変換部３１は、表面形状データを三次元形状データ、すなわち複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データに変換する。変換手法としては、例えば八分木法、デローニ法、バブルメッシュ法、及び特開２０１８−１５３９１９号公報に記載の方法等が挙げられるが、これらに限られるものではない。

なお、記憶部２０に三次元形状データが記憶されている場合は、表面形状データ取得部３０及び変換部３１の処理は不要である。この場合、三次元形状データ取得部２８は、記憶部２０から読み出した三次元形状データをそのまま物性値算出部２９に出力する。

物性値算出部２９は、三次元形状データを用いて、三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析することにより、複数の三次元要素の物理的特性を表す物性値を算出する。造形条件としては、例えば均一な物性、具体的には同一の材料で三次元形状を造形する等の条件が挙げられるが、これに限られるものではない。

物性値算出部２９は、例えば三次元形状に求められる機能に対応する解析手法を用いて、複数の三次元要素の物理的特性を解析する。

解析手法としては、例えば有限要素法を用いた解析手法が用いられる。具体的には、静剛性解析、動剛性解析、弾塑性解析、及び伝熱解析等の手法が挙げられるが、これらに限られるものではない。

例えば三次元形状に求められる機能が定められた重量以下で三次元形状の変形を最小化することである場合は、静剛性解析が用いられる。また、三次元形状の過渡応答及び周波数応答を向上させたいのであれば動剛性解析が用いられる。また、三次元形状の弾塑性を最適化したいのであれば弾塑性解析が用いられる。また、三次元形状の伝熱性能を最大化したいのであれば伝熱解析が用いられる。

なお、静剛性解析及び動剛性解析を行った場合、物性値算出部２９が算出する物性値の例としては、三次元要素の頂点である各節点における変位、応力、弾性歪み、弾性歪みエネルギー、及び安全率等が挙げられる。ここで、安全率とは、材料降伏応力をフォンミーゼス応力で除算した値である。

また、弾塑性解析を行った場合、物性値算出部２９が算出する物性値の例としては、各節点における変位、応力、及び塑性歪み等が挙げられる。

また、伝熱解析を行った場合、物性値算出部２９が算出する物性値の例としては、熱流束等が挙げられる。

解析手法は、ユーザーが操作部１４を操作することにより指定してもよい。この場合、ユーザーが指定した解析手法が解析手法受付部２６で受け付けられる。物性値算出部２９は、解析手法受付部２６で受け付けた解析手法を用いて複数の三次元要素の物理的特性を解析する。

なお、物性値算出部２９は、複数の物理的特性を解析することにより物性値を算出し、算出した複数の物性値を合算してもよい。この場合、物性値算出部２９は、合算比率に応じて複数の物性値を合算してもよい。

分割部２２は、複数の三次元要素の各々の物性値と予め定めた閾値との比較結果から、三次元形状を複数の部分形状に分割する。なお、分割部２２は、複数の部分形状の境界部が重複するように、複数の部分形状の各々の境界部に三次元要素を追加するようにしてもよい。

代表値算出部２３は、複数の部分形状の各々について、部分形状に含まれる三次元要素の物性値の代表値を算出する。代表値としては、平均値、最小値、最大値、及び中央値等が挙げられるが、これらに限られるものではない。

生成部２４は、代表値と三次元形状を造形する三次元造形装置の造形条件との予め定めた対応関係を用いて、代表値に対応する造形条件を複数の三次元要素の各々に設定することにより三次元形状データを生成する。

また、分割部２２は、複数の閾値の各々について、三次元形状を複数の部分形状に分割する処理を行い、代表値算出部２３は、複数の閾値の各々について、代表値を算出する処理を行い、生成部２４は、複数の閾値の各々について、三次元形状データを生成するようにしてもよい。

この場合、生成部２４は、複数の閾値の各々について生成された三次元形状データのうち、予め定めた性能条件を満たす三次元形状データを出力するようにしてもよい。

また、ユーザーが操作部１４を操作することにより、複数の閾値の各々について生成された三次元形状データの何れかを選択してもよい。この場合、三次元形状データ受付部２７が、ユーザーにより選択された三次元形状データを受け付け、受け付けた三次元形状データを記憶部２０に記憶する。

制御部２５は、予め定めた性能条件を満たすまで、分割部２２による処理、代表値算出部２３による処理、生成部２４による処理、及び生成部２４により生成された三次元形状データが予め定めた性能条件を満たすか否かを判定する処理が繰り返されるように制御する。

三次元造形装置１００は、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に応じた造形条件で三次元形状を造形する。

なお、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）、光造形法、インクジェット法、熱熔融積層法、粉末固着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、一例として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、三次元造形装置１００について説明する。

図５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５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（例えば色）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。これにより、三次元形状データに基づく三次元形状が造形される。

次に、図６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６に示す生成処理が実行される。なお、図６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に対応する表面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表面形状データを取得してもよい。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１００で取得した表面形状データを三次元形状データ、すなわち複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データに変換する。

なお、記憶部２０に三次元形状データが記憶されている場合は、ステップＳ１００、Ｓ１０２の処理に代えて、記憶部２０から読み出した三次元形状データを読み出す。

ステップＳ１０４では、解析手法を受け付ける。具体的には、例えば静剛性解析、動剛性解析、弾塑性解析、及び伝熱解析等の複数の解析手法の中から、三次元形状に求められる機能に対応する解析手法を選択するための選択画面を表示部１６に表示する。そして、ユーザーにより選択された解析手法を、物性値を算出するための解析手法として受け付ける。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１００、Ｓ１０２の処理により得られた三次元形状データを用いて、三次元形状を予め定めた造形条件、例えば同一の材料で造形した場合の物理的特性を解析することにより、複数の三次元要素の物理的特性を表す物性値を算出する。物理的特性を解析する解析手法は、ステップＳ１０４で受け付けた解析手法を用いる。

図７には、一例として三次元形状５０に対して静剛性解析を行った場合における各三次元要素の物性値の一例を示した。図７の例では、説明を簡単にするために三次元形状５０を直方体としている。三次元形状５０を構成する三次元要素は正六面体、すなわち立方体である。また、各三次元要素に記載された数値は、物性値として三次元要素の中心座標からの変位量を表している。

図７の例では、物性値が０．５ｅ−５である三次元要素５２−１、物性値が２．０ｅ−５である三次元要素５２−２、及び物性値が５．０ｅ−５である三次元要素５２−３を含んでいる。

ステップＳ１０８では、複数の三次元要素の各々の物性値と予め定めた閾値との比較結果から、三次元形状を複数の部分形状に分割する。例えば図７の例において、閾値を３．５ｅ−５に設定したとする。この場合、図８に示すように、三次元形状５０は、三次元要素５２−１及び三次元要素５２−２で構成された部分形状５４−１と、三次元要素５２−３で構成された部分形状５４−２と、に分割される。なお、図７の例では、閾値が１つであるため、三次元形状５０は、物性値の範囲が２種類の部分形状に分割されるが、これに限られない。閾値を複数段階に設定し、三次元形状５０を、物性値の範囲が３種類以上の部分形状に分割してもよい。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８で分割された複数の部分形状の各々について、部分形状に含まれる三次元要素の物性値の代表値、例えば平均値を算出する。図７の例の場合、部分形状５４−１を構成する三次元要素５２−１及び三次元要素５２−２の物性値の平均値を算出すると共に、部分形状５４−２を構成する三次元要素５２−３の物性値の平均値を算出する。

ステップＳ１１２では、物性値の代表値と三次元形状を造形する三次元造形装置１００の造形条件との予め定めた対応関係を用いて、代表値に対応する造形条件を複数の三次元要素の各々に設定することにより三次元形状データを生成する。

例えば図９に示すように、物性値と造形条件との対応関係を表すテーブルデータ６０を用いて代表値に対応する造形条件を三次元要素の各々に設定する。テーブルデータ６０は、例えば予め記憶部２０に記憶されていてもよいし、外部装置から通信部１８を介して取得してもよい。図９に示すように、テーブルデータ６０は、物性値の範囲毎に造形条件の組み合わせが設定されている。造形条件は、三次元造形装置１００の造形法に対応した造形条件である。図９の例では、造形条件として材料、積層ピッチ等が設定されているが、これらに限られるものではない。

ところで、造形条件は、三次元形状に求められる機能によって変わる。例えば三次元形状に求められる機能が、定められた重量以下で三次元形状の変形を最小化することである場合には、静剛性解析を行うことにより物性値として例えば三次元要素の変位量を算出する。この場合、三次元形状全体の変形量を小さくするために、変位量が大きい部分形状を構成する三次元要素には、変位量が小さい部分形状を構成する三次元要素と比較して相対的にヤング率が高くなるような造形条件を設定し、変位量が小さい部分形状を構成する三次元要素には、変位量が大きい部分形状を構成する三次元要素と比較して相対的にヤング率が低く、かつ軽量になるような造形条件を設定する必要がある。従って、三次元形状に求められる機能に応じたテーブルデータを用いる。例えば図９に示すテーブルデータ６０が、三次元形状の変形の最小化を目的とした場合のテーブルデータの場合は、物性値が大きくなるに従ってヤング率が高くなるような造形条件が設定され、物性値が小さくなるに従ってヤング率が低く、かつ軽量になるような造形条件が設定される。これにより、定められた重量以下で三次元形状の変形を最小化した構造を得ることができる。

また、三次元形状に求められる機能が、分布のある力に対して応力（圧力）を分散させることである場合は、物性値が大きくなるに従ってヤング率が低くなるように造形条件が設定され、物性値が小さくなるに従ってヤング率が高くなるように造形条件が設定される。これにより、三次元形状に分布のある力が加わった場合に、応力が分散される。

また、三次元形状に求められる機能が、三次元形状の各部分の温度上昇幅が均一となることである場合は、物性値としての熱流速が大きくなるに従って熱伝導性が高くなるように造形条件が設定され、熱流速が小さくなるに従って熱伝導性が低くなるように造形条件が設定される。

ステップＳ１１４では、ステップＳ１１２で生成した三次元形状データを記憶部２０に記憶する。

なお、ステップＳ１０６の物性値の算出において用いられる閾値の設定によっては、必ずしも所望の性能が得られるとは限られない。

そこで、複数の異なる閾値の各々についてステップＳ１０８〜Ｓ１１４の処理を繰り返し、複数の三次元形状データを生成してもよい。

この場合、複数の閾値の各々について生成された三次元形状データの何れかをユーザーに選択させてもよい。

また、複数の閾値の各々について生成された三次元形状データのうち、予め定めた性能条件を満たす三次元形状データを記憶部２０に記憶するようにしてもよい。具体的には、例えば三次元形状に求められる機能が定められた重量以下で三次元形状の変形を最小化することである場合は、複数の三次元形状データに対して、ステップＳ１０６で用いた解析手法を用いて、各三次元要素の物性値、すなわち変位量を算出する。そして、各三次元要素の変位量の積算値を算出する。この積算値が最小の三次元形状データによって造形される三次元形状が、最も変形が少ない。従って、複数の三次元形状データについて算出した変位量の積算値のうち、最小の積算値を有する三次元形状データを、予め定めた性能条件を満たす三次元形状データとして記憶部２０に記憶する。

また、ステップＳ１０８〜Ｓ１１２の処理、ステップＳ１１２で生成された三次元形状データが予め定めた性能条件を満たすか否かを判定する処理を、予め定めた性能条件を満たすまで繰り返しても良い。なお、予め定めた性能条件を満たすか否かを判定する処理は、例えば三次元形状に求められる機能が三次元形状の各部分での変形量が一定となることである場合は以下のような処理である。まず、ステップＳ１１２で生成された三次元形状データに対してステップＳ１０６で用いた解析手法を用いて各三次元要素の変位量を算出し、算出した変位量の積算値を算出する。そして、算出した積算値が予め定めた閾値以下となるか否かを判定する。積算値が予め定めた閾値以下であれば予め定めた性能条件を満たすと判定する。

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。

次に、本発明の適用例について説明する。本発明は、例えば図１０に示すようなプロペラ７０の三次元形状データを生成する場合に好適である。プロペラ７０は、駆動時に回転軸の周辺にかかる応力が高く、先端に向かうに従って応力が低下していく。図１０の例では、物性値としての応力が閾値以上か否かでプロペラ７０が分割される。具体的には、プロペラ７０は、破線７２より外側、すなわちプロペラ７０の先端側の部分形状７４−１と、破線の内側、すなわちプロペラ７０の回転軸側の部分形状７４−２と、に分割される。

そして、低応力の部分形状７４−１の三次元要素には低剛性で軽量な材料を造形条件として設定し、高応力の部分形状７４−２の三次元要素には高剛性で高重量な材料を造形条件として設定する。これにより、軽量で必要十分な強度を持つ構造が実現される。

また、本発明は、例えば図１１に示すような靴のインソール８０の三次元形状データを生成する場合に好適である。図１１に示すように、人間が立っている状態におけるインソール８０の応力分布は、破線８２で囲まれた２つの領域の応力が高く、その他の領域の応力が低い分布となる。そこで、人間が立っているときにインソール８０にかかる応力を物性値として計算し、応力が高い部分形状８４−１の三次元要素には柔らかい材料を造形条件として設定し、応力が低い部分形状８４−２の三次元要素には硬い材料を造形条件として設定する。これにより、図１１に示すように、応力分布が改善する。すなわち、応力が分散され、疲れにくいインソールが実現される。

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、部分形状毎に造形条件を設定するため、例えば図８に示す三次元形状５０を実際に造形した場合に、部分形状５４−１と部分形状５４−２との境界部に隙間等が生じる虞がある。そこで、図１２に示すように、部分形状５４−１と部分形状５４−２との境界部が重複するように、部分形状５４−１及び部分形状５４−２の各々の 境界部に三次元要素５６−１、５６−２を各々追加するようにしてもよい。

また、本実施形態では、図６のステップＳ１０６において、１つの解析手法を用いて物理的特性を解析し、物性値を算出する場合について説明したが、複数の解析手法で物理的特性を解析することにより物性値を算出し、算出した複数の物性値を合算するようにしてもよい。この場合、合算比率に応じて複数の物性値を合算してもよい。具体的には、例えば解析手法Ａを用いて物理的特性を解析することにより算出された物性値をＰＡ、解析手法Ａと異なる解析手法Ｂを用いて物理的特性を解析することにより算出された物性値をＰＢとした場合、次式により物性値を合算した物性値ＰＣを算出する。

ＰＣ＝αＰＡ＋βＰＢ ・・・（１）

ここで、αは、解析手法Ａを用いて物理的特性を解析することにより算出された物性値の合算比率を表し、βは、解析手法Ｂを用いて物理的特性を解析することにより算出された物性値の合算比率を表す。なお、α＋β＝１であり、例えばα＝０．４、β＝０．６等と設定する。α及びβの値は、例えば予め記憶部２０に記憶しておく。

なお、２つの解析手法を用いて物理的特性を解析する場合に限らず、３つ以上の解析手法を用いて物理的特性を解析し、それぞれの解析で算出された物性値を合算してもよい。

このように、複数の解析手法を用いて物理的特性を解析することにより算出された物性値を合算することにより、複数の性能を満たす三次元形状が得られる。

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６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６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 三次元形状データの生成装置
１２ コントローラ
１４ 操作部
１６ 表示部
１８ 通信部
２０ 記憶部
２１ 物性値取得部
２２ 分割部
２３ 代表値算出部
２４ 生成部
２５ 制御部
２６ 解析手法受付部
２７ 三次元形状データ受付部
２８ 三次元形状データ取得部
２９ 物性値算出部
３０ 表面形状データ取得部
３１ 変換部
５０ 三次元形状
５２ 三次元要素
５４−１、５４−２ 部分形状
５６ 三次元要素
６０ テーブルデータ
１００ 三次元造形装置

Claims (14)

1. 複数の三次元要素で表された三次元形状を表す三次元形状データを用いて、前記三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析することにより算出された、前記複数の三次元要素の物理的特性を表す物性値を取得する物性値取得部と、
   前記複数の三次元要素の各々の物性値と予め定めた閾値との比較結果から、前記三次元形状を複数の部分形状に分割する分割部と、
   前記複数の部分形状の各々について、前記部分形状に含まれる三次元要素の物性値の代表値を算出する代表値算出部と、
   前記代表値と前記三次元形状を造形する三次元造形装置の造形条件との予め定めた対応関係を用いて、前記代表値に対応する造形条件を前記複数の三次元要素の各々に設定することにより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. 前記物性値取得部は、前記三次元形状データを取得する三次元形状データ取得部と、
   前記三次元形状データを用いて、前記三次元形状を予め定めた造形条件で造形した場合の物理的特性を解析することにより前記物性値を算出する物性値算出部と、
   を含む請求項１記載の三次元形状データの生成装置。
3. 前記三次元形状データ取得部は、
   前記三次元形状の表面形状を表す表面形状データを取得する表面形状データ取得部と、
   前記表面形状データを前記三次元形状データに変換する変換部と、
   を含む請求項２記載の三次元形状データの生成装置。
4. 前記物性値算出部は、三次元形状に求められる機能に対応する解析手法を用いて前記物理的特性を解析する
   請求項２又は請求項３記載の三次元形状データの生成装置。
5. 前記解析手法を受け付ける解析手法受付部
   を備えた請求項４記載の三次元形状データの生成装置。
6. 前記物性値算出部は、複数の解析手法で物理的特性を解析することにより前記物性値を算出し、算出した複数の物性値を合算する
   請求項２〜５の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置。
7. 前記物性値算出部は、合算比率に応じて前記複数の物性値を合算する
   請求項６記載の三次元形状データの生成装置。
8. 前記分割部は、複数の閾値の各々について、前記三次元形状を複数の部分形状に分割する処理を行い、
   前記代表値算出部は、前記複数の閾値の各々について、前記代表値を算出する処理を行い、
   前記生成部は、前記複数の閾値の各々について、前記三次元形状データを生成する
   請求項１〜７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、前記複数の閾値の各々について生成された前記三次元形状データのうち、予め定めた性能条件を満たす三次元形状データを出力する
   請求項８記載の三次元形状データの生成装置。
10. 前記複数の閾値の各々について生成された前記三次元形状データの何れかを受け付ける三次元形状データ受付部
    を備えた請求項８記載の三次元形状データの生成装置。
11. 予め定めた性能条件を満たすまで、前記分割部による処理、前記代表値算出部による処理、前記生成部による処理、及び前記生成部により生成された三次元形状データが予め定めた性能条件を満たすか否かを判定する処理が繰り返されるように制御する制御部
    を備えた請求項１〜７の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置。
12. 前記分割部は、前記複数の部分形状の境界部が重複するように、前記複数の部分形状の各々の境界部に前記三次元要素を追加する
    請求項１〜１１の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載の三次元形状データの生成装置と、
    前記生成装置により生成された三次元形状データに応じた造形条件で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。
14. コンピュータを、請求項１〜１２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。