JP2020527480A - シェルサポート生成方法 - Google Patents

Abstract

三次元プリントシステムは、製造対象の三次元物体を作製する方法を実行するコントローラを備える。本発明の方法は、以下の工程（Ａ）および（Ｂ）を含む：（Ａ）所定の外表面を有する三次元物体を画定する初期データを提供する工程、および（Ｂ）初期データを修正し、シェルを持ちかつ支持された三次元物体を画定する工程。工程（Ｂ）は、以下の工程を含む：（１）所定の外表面の内部にキャビティを画定する工程であって、キャビティは内表面によって境界を定められ、三次元物体は所定の外表面と内表面との間のシェル厚を有するシェルである、工程、（２）三次元物体の横断面を分析し、所定の横断面について接続または支持されていない部分である横断面の部分を検出する、工程、および（３）横断面の接続または支持されていない部分をシェルの別の部分に接続する支持梁を生成する工程。

Description

関連出願の相互参照

この非仮特許出願は、Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の下でここに参照することによって援用される、２０１７年７月１７日出願のＣｈｒｉｓ Ｒｏｂｅｒｔ Ｍａｎｎｅｒｓによる「Ｓｈｅｌｌ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ」と題された米国仮特許出願第６２／５３３，３７８号に対する優先権を主張する。

本開示は、製造対象の三次元物体のデジタル作製のための装置および方法に関する。より詳細には、本発明は、モデルの構造統合性を維持しながら材料消費を低減する効率的な方法に関する。

三次元プリンタは、広範に使用されている。三次元プリンタ技術の例として数例を挙げると、ステレオリソグラフィ、選択的レーザ焼結、および熱溶解積層法が含まれる。ある三次元プリンタは、三次元物体が異なるサポート材料または同じ材料で作製されたサポート構造によって支持されることを必要とする。

ある三次元物体のためのそのようなサポート材料またはサポート構造を最小限にするまたは排除する要求が存在する。

本開示の第１の態様において、三次元プリントシステムは、製造対象の三次元物体を作製する方法を実行するコントローラを備える。本発明の方法は、以下の工程（Ａ）および（Ｂ）を含む：（Ａ）所定の外表面を有する三次元物体を画定する初期データを提供する工程、および（Ｂ）初期データを修正し、シェルを持ちかつ支持された三次元物体を画定する工程。工程（Ｂ）は、以下の工程を含む：（１）所定の外表面の内部にキャビティを画定する工程であって、キャビティは内表面によって境界を定められ、三次元物体は所定の外表面と内表面との間のシェル厚を有するシェルである、工程、（２）三次元物体の横断面（lateral sections）を分析し、工程（１）の結果として所定の横断面について接続または支持されていない部分である横断面の部分を検出する、工程、および（３）横断面の接続または支持されていない部分をシェルの別の部分に接続する梁（beam）を生成する工程。

本開示の第２の態様において、三次元プリントシステムは、製造対象の三次元物体を作製する方法を実行するコントローラを備える。特定の実施形態の方法は、以下の工程（Ａ）および（Ｂ）を含む：（Ａ）三次元物体を画定する初期データを提供または受け取る工程。（Ｂ）以下の工程に従って、初期データを修正し、シェルを持ちかつ支持された三次元物体を画定する工程：（１）それぞれ外側境界を有するスライスに三次元物体をスライスする工程、（２）それぞれのスライスについて、外側境界内に内側境界を画定する工程であって、内側境界がスライス中に開口を画定し、かつ、複数の連続するスライスについての画定された開口が三次元物体の内部にキャビティを画定し、キャビティは内表面によって境界を定められる、工程、（３）内表面を画定するデータを処理する工程であって、所望の厚さのシェルが三次元物体の外表面と内表面との間に形成される、工程、（４）１つ以上の連続するスライスの横断面を画定し、かつ、横断面の接続または支持されていない部分について横断面を検査する、工程、（５）横断面の接続または支持されていない部分が検出された際に、横断面の接続または支持されていない部分をシェルの別の部分に接続する支持梁を生成する工程。

１つの実装形態において、支持梁は、横方向に伸長しうる。別の実装形態において、支持梁は、垂直に伸長しうる。さらに別の実装形態において、支持梁の伸長は、垂直および横方向の両方の成分を有してもよい。

本開示の第３の態様において、三次元プリントシステムは、製造対象の三次元物体を作製する方法を実行するコントローラを備える。特定の実施形態の方法は、以下の工程（Ａ）および（Ｂ）を含む：（Ａ）三次元物体を画定する初期データを提供または受け取る工程。（Ｂ）以下の工程に従って、初期データを修正し、シェルを持ちかつ支持された三次元物体を画定する工程：（１）厚さｔでありかつそれぞれ外側境界を有するスライスに三次元物体をスライスする工程、（２）それぞれＮスライスを含み、それによりＮ×ｔに等しいシェル厚Ｓをそれぞれ有する横断面を画定する工程、（３）それぞれのスライスについて、外側境界内に内側境界を画定する工程であって、内側境界がスライス中に開口を画定し、かつ、複数の連続するスライスについての画定された開口が三次元物体内部にキャビティを画定し、キャビティは三次元物体の外表面により囲まれる内表面によって境界を定められそれらの間に初期シェルが存在する、工程、（４）内表面および外表面を画定するデータを処理する工程であって、上向き面を所定の距離だけ下方にかつ下向き面を所定の距離だけ上方に突出する工程、および、初期シェルと突出された材料との間でブーリアン結合（boolean union）を行い内表面と外表面との間に略Ｓの厚さを有するシェルを画定する工程、を含む工程、（５）横断面を分析し、横断面の接続または支持されていない部分を同定する工程、（６）横断面の接続または支持されていない部分が検出された際に、横断面の接続または支持されていない部分をシェルの別の部分に接続する支持梁を生成する工程。

１つの実装形態において、支持梁は、横方向に伸長しうる。別の実装形態において、支持梁は、垂直に伸長しうる。さらに別の実装形態において、支持梁の伸長は、垂直および横方向の両方の成分を有してもよい。

三次元プリントシステムの第１の実施形態を示す概略ブロック図 三次元プリントシステムの第２の実施形態を示す概略ブロック図 図１Ａまたは１Ｂのシステムを用いた製造対象の三次元物体を形成する方法の一部を示すフローチャート 初期固体モデル６０を通る断面（斜線）を示す図 それぞれＮスライスを含む「横断面」間の分割（点線）を示す断面図 図３Ｂの示された位置から取られたスライスを示す図 材料の窓が除去された図３Ｃのスライスを示す図 「シェルを持つ」モデル７０を示す断面図 図３Ｅにおいて３Ｆとして示される横断面を示す図 横断面の支持されていない部分を周囲部分と接続する梁を有する図３Ｆの横断面を示す図 シェルを持ちかつ支持されたモデル７８を示す断面図 最小寸法を有する直交梁（lateral beam）の使用を示す図 図４Ａの最小梁を用いたシェルを持ちかつ支持されたモデル７８を示す断面図

図１Ａは、三次元（３Ｄ）プリントシステム２の第１の実施形態を示す概略ブロック図である。この図および他の図において、互いに直交する軸Ｘ、ＹおよびＺが使用される。軸ＸおよびＹは横軸である。いくつかの実施形態では、ＸおよびＹは水平方向軸でもある。軸Ｚは中心軸である。いくつかの実施形態では、Ｚは垂直方向軸である。いくつかの実施形態では、方向＋Ｚは全体的に上に向かう方向であり、方向−Ｚは全体的に下に向かう方向である。

三次元プリントシステム２は、光硬化樹脂６を含む容器４を備えている。製造対象の三次元物体８は、支持取付具１０の上に形成される。製造対象の三次元物体８は、光硬化樹脂６の層の重合において移動機構１２およびレーザシステム１４の動作によって層ごとの態様で生成される。本発明のさらなる実施形態は、三次元物体を作製するために光硬化樹脂を用いても用いなくてもよい代替的な三次元プリントシステムを含む。

図１Ａの三次元プリントシステム２は、移動機構１２に接続されたコントローラ１６、レーザシステム１４、および三次元プリントシステム２の他の部分を含む。コントローラ１６はまず、所定の外表面を有する三次元物体を画定する初期データファイル１８を受け取る。コントローラ１６は、初期データファイル１８を処理および修正し、修正データファイルを生じる。修正データファイルは、シェルを持ちかつ支持されている三次元物体８を画定する。次いで、コントローラは、修正データファイルを用いて移動機構１２、レーザシステム１４を制御し、シェルを持ちかつ支持されている製造対象の三次元物体８を形成する。

三次元プリントシステム２は、支持取付具１０の上に樹脂６の薄層を配置することにより初期動作する。レーザシステム１４は、樹脂６の薄層に亘ってレーザビームを選択的に走査し、製造対象の三次元物体８の「スライス」を画定する。次いで、移動機構１２は、１つのスライスの厚さだけ支持取付具１０を下降させ、樹脂の新しい層が作製されて製造対象の三次元物体８上に滞在される。次いで、レーザシステムは、樹脂の新しい層に亘ってレーザビームを選択的に走査し、製造対象の三次元物体８上に硬化した樹脂の新しいスライスを増分的に形成する。このプロセスは、製造対象の三次元物体８が完全に形成されるまで続く。本発明のさらなる実施形態には、空間光変調器あるいは現存するまたは今後考案される他の光源のような、代替的な光源が含まれる。

図１Ａのコントローラ１６は、情報記憶装置（図示せず）に接続されたプロセッサ（図示せず）を含む。情報記憶装置は、実行される際に、初期データファイル１８を修正し、移動機構１２およびレーザシステム１４を含むプリントシステム２の構成要素を作動する命令を記憶している。コントローラ１６は、１つのモジュール、回路基板または基材上に位置してもよいし、プリントシステム２の位置に関して内側および／または外側の複数の位置に分散されてもよい。コントローラ１６は、１つの場所に配置されるかまたは複数の地理的位置に分散される、クライアントデバイス、サーバ、およびプロセッサを含む多くの異なるコンピュータを必要としうる。

図１Ｂは、三次元プリントシステム２２の第２の実施形態を示す。容器２４は、光硬化樹脂２６を含む。透明シート２７は、光硬化樹脂２６について下方境界を形成する。製造対象の三次元物体２８は、支持取付具３０上に形成されている。製造対象の三次元物体２８は、支持取付具３０の下面上への光硬化樹脂２６の層の重合において移動機構３２および光エンジン３４の動作によって層ごとの態様で形成されている。

三次元プリントシステム２２は、移動機構３２に接続されたコントローラ３６、光エンジン３４、および三次元プリントシステム２２の他の部分を含む。コントローラ３６はまず、所定の外表面を有する三次元物体を画定する初期データファイル３８を受け取る。コントローラ３６は、初期データファイル３８を処理および修正し、修正データファイルを生じる。修正データファイルは、シェルを持ちかつ支持されている三次元物体２８を画定する。次いで、コントローラは、修正データファイルを用いて移動機構３２、光エンジン３４を制御し、シェルを持ちかつ支持されている製造対象の三次元物体２８を形成する。

初めに、支持取付具３０の下面と透明シート２７とを分ける樹脂の薄層が存在する。光エンジン３４は、透明シート２７を介して上方にピクセル化された光を投射して、樹脂の薄層の部分を選択的に硬化し、それにより、製造対象の三次元物体２８の「スライス」を画定する。次いで、移動機構３２は、１つのスライスの厚さだけ支持取付具２０を上昇させる。次いで、光エンジン３４は、透明シート２７を介して上方にピクセル化された光を投射して、製造対象の三次元物体２８の下面上に硬化樹脂の次のスライスを形成する。このプロセスは、製造対象の三次元物体２８が完全に形成されるまで続く。

図２は、製造対象の三次元物体８または２８を形成する方法の一部を示すフローチャートである。図３Ａ−Ｈは、方法４０のいくつかのプロセスの例示的な説明図である。

ステップ４２に従って、コントローラ１６は、三次元物体を画定する初期データファイル１８または３８を受け取る。初期データは、通常は固体である物体を画定する。このことは、初期固体物体６０を通る断面を示す図３Ａに表される。図示された物体６０は、方法４０の残りのステップの説明を容易にする構成を有する。影付きまたは斜線の領域は、固体物体６０中の固体材料（内部キャビティなし）を示す。

ステップ４４に従って、固体物体６０は、それぞれ厚さｔの水平スライスにスライスされる。水平スライスは、支持取付具１０を増分的に低下させる前にレーザシステム１４の動作によって重合できるそれぞれの厚さを表す（図１Ａ）。あるいは、水平スライスは、支持取付具１０を増分的に上昇させる前に光エンジン３４によって重合できるそれぞれの厚さを表す（図１Ｂ）。ある実施形態において、ｔは約０．１ミリメートル（ｍｍ）である。

またステップ４４の一部として、横断面が画定される。横断面は、Ｎの連続スライスの積層として画定される。したがって、横断面は、Ｓ＝Ｎ×ｔに等しい厚さを有する。ある実施形態において、Ｓはシェル厚に等しい。特定の実施形態において、Ｎ＝２０であり、Ｓ＝２．０ミリメートル（ｍｍ）である。図３Ｂは、水平断面線６２により横断面に分けられる固体モデル６０を示す。

ステップ４６に従って、スライス中に開口が形成される。図３Ｃは、図３Ｂの示された位置から取られたスライスを示す。このスライスは、外側境界６４を有する。内側境界６６は、外側境界に垂直な内向き距離Ｓに従って定められる。またステップ４６に従って、図３Ｄに示されるように内側境界６６によって境界を定められる窓または開口６８を定めるように、内側境界が「反転（inverted）」される。モデル６０中の多くのまたは全てのスライスについてこれが行われる場合、中空モデルが生じる。

ステップ４８に従って、スライスの特定の下向き面が、距離Ｓだけ上方に突出される。ステップ５０に従って、特定の上向き面が、距離Ｓだけ下方に突出される。ステップ５２に従って、前の３Ｄモデルとステップ４８および５０からの突出された材料との組合せにおいてブーリアン結合操作を行い、余分なオーバーラップする材料を除去する。この結果、図３Ｅに示されるように、中空シェル（またはシェルを持つ三次元物体）７０が生じる。

ステップ５４に従って、データを分析し、以下（またはいくつかのプリントシステムの実施形態については上記）の材料によって支持されていない横断面の部分を同定する。図３Ｆは、図３Ｅからの示された部分の断面である。この示された部分は、支持された外側部分７２および支持または接続されていない部分７４を有する。支持されていない部分７４は、任意の材料サポートを下に有しない。

ステップ５６に従って、少なくとも１つの支持梁７６は、図３Ｇおよび３Ｈに示されるように、支持または接続されていない部分７４と横断面の支持されている外側部分７２との間で接続される。図示される実施形態において、支持梁７６は、Ｘ軸に沿って伸長し、２つの位置で横断面の支持された外側部分７２に支持されていない部分７４を接続する。ステップ５８に従って、ブーリアン結合を行い、支持された外側部分７２、梁７６、および支持されていない部分７４の間の余分な材料を除去する。この結果、シェルを持ちかつ支持された三次元物体７８が生じる。さらなる実施形態において、支持梁は、Ｘ軸、Ｙ軸、および／またはＺ軸に沿って伸長する。

ある実施形態において、ステップ５６の一部は、支持されていない部分７４を支持された外側部分７２に接続する最短の梁７６の特定である。次いで、梁７６は、材料の消費を低減するようにその方向に沿って方向づけられる。そのようなことは図４Ａおよび４Ｂに示される。図示される実施形態において、最短の梁はＹ軸に沿って定められてもよい。しかしながら、他の実施形態において、最短の梁は、ＸおよびＹの両方の成分ベクトルを有する方向に沿って定められてもよい。

上記で説明した具体的な実施形態およびそのアプリケーションは、専ら説明目的のためのものであり、特許請求の範囲に包含される変更形態およびバリエーションを、除外するものではない。

２ 三次元プリントシステム
４ 容器
６ 樹脂
８ 製造対象の三次元物体
１０ 支持取付具
１２ 移動機構
１４ レーザシステム
１６ コントローラ
２２ 三次元プリントシステム
２４ 容器
２６ 樹脂
２８ 製造対象の三次元物体
３０ 支持取付具
３２ 移動機構
３４ 光エンジン
３６ コントローラ

Claims (20)

1. 製造対象の三次元物体を作製する方法であって、
   所定の外表面を有する三次元物体を画定する初期データを提供する工程；
   以下の工程に従って、前記初期データを修正し、シェルを持ちかつ支持された三次元物体を画定する工程：
   前記所定の外表面の内部にキャビティを画定する工程であって、前記キャビティは内表面によって境界を定められ、前記三次元物体は前記所定の外表面と前記内表面との間のシェル厚を有するシェルである、工程；
   前記三次元物体の横断面を分析し、所定の横断面について接続または支持されていない部分である前記横断面の部分を検出する、工程；および
   前記横断面の接続または支持されていない部分を前記シェルの別の部分に接続する支持梁を生成する工程、
   を含む、方法。
2. 前記初期データにより画定される三次元物体が、大部分がまたは完全に固体の物体であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記キャビティを画定する工程が、前記三次元物体のそれぞれのスライス中に開口を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記キャビティを画定する工程が、前記シェルの部分を厚くして所望のシェル厚を提供することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記横断面を分析する工程が、前記横断面の上方または下方に材料サポートを有しない横断面を検査する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記支持梁を生成する前に、材料の消費を最小限にする支持梁の方向を特定する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記修正されたデータを用いて、前記所定の外表面を有するシェルをプリントする工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記支持梁が、前記横断面の前記接続または支持されていない部分を前記シェルの別の部分に横方向に支持する直交梁であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 製造対象の三次元物体を作製する方法であって、
   三次元物体を画定する初期データを提供する工程；および
   以下の工程に従って、前記初期データを修正し、シェルを持ちかつ支持された三次元物体を画定する工程：
   それぞれ外側境界を有するスライスに前記三次元物体をスライスする工程；
   それぞれのスライスについて、前記外側境界内に内側境界を画定する工程であって、前記内側境界が前記スライス中に開口を画定し、かつ、複数の連続するスライスについての前記画定された開口が前記三次元物体の内部にキャビティを画定し、該キャビティは内表面によって境界を定められる、工程；
   前記内表面を画定するデータを処理する工程であって、所望の厚さのシェルが前記三次元物体の外表面と前記内表面との間に形成される、工程；
   １つ以上の連続するスライスの横断面を画定し、かつ、前記横断面の接続または支持されていない部分について前記横断面を検査する、工程；および
   横断面の接続または支持されていない部分が検出された際に、前記横断面の前記接続または支持されていない部分を前記シェルの別の部分に接続する支持梁を生成する、工程、
   を含む、方法。
10. 前記所望の厚さのシェルを形成するために、前記外表面のデータを処理する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記内表面および外表面を画定するデータを処理する工程が、上向き面および下向き面の突出を画定する工程を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記データを処理する工程がさらに、前記三次元物体と前記突出との間でブーリアン結合を形成し、余分なオーバーラップするボクセル（voxels）を除去する工程を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記横断面がそれぞれ複数の連続するスライスを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
14. 前記横断面が、前記シェルと略同じである厚さを有することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記支持梁を生成する前に、材料の消費を最小限にする支持梁の方向を特定する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
16. 前記修正されたデータを用いてシェルをプリントする工程をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
17. 製造対象の三次元物体を作製する方法であって、
    三次元物体を画定する初期データを提供する工程；および
    以下の工程に従って、前記初期データを修正し、シェルを持ちかつ支持された三次元物体を画定する工程：
    厚さｔでありかつそれぞれ外側境界を有するスライスに前記三次元物体をスライスする工程；
    それぞれＮスライスを含み、それによりＮ×ｔに等しいシェル厚Ｓをそれぞれ有する横断面を画定する工程；
    それぞれのスライスについて、前記外側境界内に内側境界を画定する工程であって、前記内側境界が前記スライス中に開口を画定し、かつ、複数の連続するスライスについての前記画定された開口が前記三次元物体の内部にキャビティを画定し、前記キャビティは前記三次元物体の外表面により囲まれる内表面によって境界を定められそれらの間に初期シェルが存在する、工程；
    前記内表面および外表面を画定するデータを処理する工程であって、上向き面を所定の距離だけ下方にかつ下向き面を所定の距離だけ上方に突出する工程、および、前記初期シェルと前記突出された材料との間でブーリアン結合を行い前記内表面と外表面との間に略Ｓの厚さを有するシェルを画定する工程、を含む工程；
    前記横断面を分析し、該横断面の接続または支持されていない部分を同定する工程；および
    横断面の接続または支持されていない部分が検出された際に、前記横断面の前記接続または支持されていない部分を前記シェルの別の部分に接続する支持梁を生成する、工程、
    を含む、方法。
18. 表面を突出するための前記画定された距離が、Ｓに略等しいことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記支持梁を生成する前に、材料の消費を最小限にする支持梁の方向を特定する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
20. 前記修正されたデータを用いてシェルをプリントする工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。

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