JP2022038238A

JP2022038238A - 立体模型用３次元形状データ作成方法、立体模型の製造方法及び立体模型

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Publication number: JP2022038238A
Application number: JP2020142625A
Authority: JP
Inventors: 大輝吉本; Daiki Yoshimoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-10

Abstract

【課題】医用診断装置や３Ｄスキャナ等を利用しなくても内部構造物に関する３次元データと外部構造物の外観の２次元データから構造物の立体模型用３次元形状データを作成する。【解決手段】３次元データ作成装置を用いて、内部構造物の複数の内部品の３次元形状データを組み合わせて内部構造物の内部３次元形状データを作成する。外部構造物の外観情報に基づいて外部構造物の外部２次元推定断面図を作成する。内部３次元形状データ上の内部特徴点と、内部特徴点に対応する外部２次元推定断面図上の外部特徴点との相対的位置関係に基づいて、外部２次元推定断面図を内部３次元形状データに対して位置合わせして、外部２次元断面図を作成する。複数の外部２次元断面図から外部３次元形状データを作成する。内部３次元形状データと外部３次元形状データとを結合して３次元形状データを作成する。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り令和元年１０月１６－１８日、モノづくりフェア２０１９令和２年１月１６日、ｈｔｔｐ：／／３ｄｃｒｅａｔｏｒｓ．ｊｐ／ｃｏｌｕｍｎ／ｍｓ＿２５．ｓｈｔｍｌ令和２年４月９日、ｗｗｗ．ｈｏｔａｒｕ３ｄ．ｃｏｍ／ＳＨＯＰ／ＣＳ＿ＹＭＤＫ＿００１＿１００．ｈｔｍｌ、ｗｗｗ．ｈｏｔａｒｕ３ｄ．ｃｏｍ／ＳＨＯＰ／ＣＳ＿ＹＭＤＫ＿００２＿１００．ｈｔｍｌ

本発明は、立体模型用３次元形状データ作成方法、立体模型の製造方法及び立体模型に関する。

マッコウクジラやアフリカゾウ等の巨大生物やシーラカンス等の「生きた化石」と呼ばれる学術的に貴重な生物、恐竜など絶滅した生物の骨格標本が博物館等で展示されている。しかし、博物館等で展示されている標本は、骨格のみであり、絵に描かれた外殻と見比べても、骨格と外殻の位置関係が把握しにくい。特に、マッコウクジラは頭部に脳油と呼ばれる器官が入っていて骨がほとんどないため、骨格と外殻の差異が大きい。また、アフリカゾウ等の長鼻目は鼻に骨がないため、骨格と外殻が大きく異なる。このように、骨格標本は、それだけで得られる情報が少ないため、研究や学習に最適とは言えない。さらに、従来の骨格標本は、骨格を組み立てるためにビス孔を開けたり、繋がっていない骨は接続のためにコーキング剤を用いる必要があり、貴重な資料を傷つけていた。また、大型の骨格標本は研究や学習に取り回しができないので、人が動きながら観察する必要があった。レプリカを作製するにしても、型取する必要があり、コストが高いうえ、骨が破損する恐れがあり、大量には生産できない。

解剖が難しい小型の動物に対しては、実際に生体を染色して作製する「透明骨格標本」が主に分類学、比較解剖学、発生学等の研究分野で広く用いられている。しかし、生体を処理するのに有毒性の薬品が必要であり、安全性の観点から子供の学習教材としては使用できない。また、ケースに入った状態で観察する必要があるので、手に取ることができないし、実際の生物を使用するため再現性がなく、大型生物では作製ができない。

医療・教育等の用途の人体模型は、３Ｄプリンタにより造形が行われている。例えば、特許文献１には、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成し、生体部位と内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材を定義し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データに基づき、定義された素材を用いて３次元プリンタにより造形する３次元造形モデル作製方法が開示されている。しかし、この方法は、医用診断装置により得られたデータを利用するものであり、医用診断装置を利用できない大型生物の模型は造形できない。

近年、研究や教育目的で、恐竜や大型の生物（クジラ、象など）の精巧な骨格と外殻を再現した模型のニーズが高まっている。しかし、ＣＴスキャンの画像データを利用して３Ｄプリンタで製作できる人体模型とは異なり、既に絶滅した恐竜や、ＣＴスキャンや３Ｄスキャナが使用できない大型の生物は、正確な３次元データを作成することはできない。また、小型水中生物の場合、陸上で外殻が保持できないので、３Ｄスキャナを使用できないという問題がある

特許第５２３９０３７号明細書

本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、医用診断装置や３Ｄスキャナ等を利用しなくても内部構造物に関する３次元データと外部構造物の外観の２次元データから構造物の立体模型用３次元形状データを作成することができる立体模型用３次元形状データ作成方法、立体模型の製造方法及び立体模型を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、第１発明の立体模型用３次元形状データ作成方法は、
３次元データ作成装置を用いて、複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型を製造するための立体模型用３次元形状データ作成方法であって、
前記内部構造物の前記複数の内部品の３次元形状データを組み合わせて前記内部構造物の内部３次元形状データを作成する第１ステップと、
前記外部構造物の外観情報に基づいて前記外部構造物の外部２次元推定断面図を作成する第２ステップと、
前記内部３次元形状データ上の内部特徴点と、前記内部特徴点に対応する前記外部２次元推定断面図上の外部特徴点との相対的位置関係に基づいて、前記外部２次元推定断面図を前記内部３次元形状データに対して位置合わせして、外部２次元断面図を作成する第３ステップと、
複数の前記外部２次元断面図から外部３次元形状データを作成する第４ステップと、
前記内部３次元形状データと前記外部３次元形状データを結合して３次元形状データを作成する第５ステップと、
を備えることを特徴とする。

第１発明の立体模型用３次元形状データ作成方法において、内部構造物は、構造物の内部にある複数の内部品の組み合わせである。内部構造物の３次元形状データは、医用診断装置や３Ｄスキャナなどを利用して得られる実在する各部品の３次元形状データを組み合わせることで作成することができる。外部構造物は、内部構造物を覆う外部形態である。外部構造物の外部２次元推定断面図は、外観データ、または復元画、想像図、写真、動画のキャプチャ等の２次元画像からなる外観情報に基づいて作成することができる。外部構造物の外部２次元推定断面図は、実在する内部構造物を覆う実際の外部形態の３次元形状データに基づくものではないので、内部構造物の３次元形状データとは整合しない。そこで、内部３次元形状データ上の内部特徴点と、内部特徴点に対応する外部２次元推定断面図上の外部特徴点との相対的位置関係に基づいて、外部２次元推定断面図を内部３次元形状データに対して位置合わせして、外部２次元断面図を作成する。これにより、外部２次元断面図は内部３次元形状データと整合する。

前記第３ステップは、
ａ：前記内部３次元形状データ上の内部特徴点Ａを選定し、
ｂ：前記内部特徴点Ａから前記外部構造物の外形までの距離Ｌ１を特定し、前記内部特徴点Ａから距離Ｌ１離れた点を推定外部特徴点Ｂとし、
ｃ：前記内部特徴点Ａに対応する前記２次元推定断面図の輪郭線上の外部特徴点Ｃを選定し、
ｄ：前記外部特徴点Ｃから前記内部構造物の外形までの距離Ｌ２を特定し、前記外部特徴点Ｃから距離Ｌ２離れた点を推定内部特徴点Ｄとし、
ｅ：推定外部特徴点Ｂと外部特徴点Ｃを重ね合わせ、推定内部特徴点Ｄが内部特徴点Ａに一致するように前記２次元推定断面図の縮尺を調整し、
ｆ：前記外部特徴点Ｃの周辺の輪郭線有効範囲を設定して、前記輪郭線有効範囲を除く前記外部２次元断面図の輪郭線を削除し、
ｇ：ステップａ－ｆを他の内部特徴点Ａに対して行い、
ｈ：隣接する外部特徴点Ｃの前記輪郭線有効範囲の前記外部２次元推定断面図の輪郭線を接続して、外部２次元断面図を作成し、
ｉ：ステップa－ｈを他の外部２次元推定断面図に対して行い、複数の外部２次元断面図を作成する、ことが好ましい

前記第４ステップは、
前記複数の外部２次元断面図をそれぞれ押し出して重ね合わせ演算することにより、複数の外部３次元形状データ部品を作成し、
前記複数の外部３次元形状データ部品を組み合わせ、
前記複数の外部３次元形状データ部品の間の不足部分を補完して、外部３次元形状データを作成することが好ましい。

第２発明の立体模型の製造方法は、
複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型を製造する立体模型の製造方法であって、
前記第１発明の立体模型用３次元形状データ作成方法により内部３次元形状データと外部３次元形状データとを結合して３次元形状データを作成するステップと、
前記３次元形状データに基づいて３次元立体模型を造形するステップとを備え、
前記内部３次元形状データで囲まれる内部空間は不透明樹脂で造形し、
前記内部３次元形状データの外形と前記外部３次元形状データの外形の間の空間は透明樹脂で造形する、ことを特徴とする。

第２発明の立体模型の製造方法では、内部３次元形状データで囲まれる内部空間は不透明樹脂で造形し、内部３次元形状データの外形と外部３次元形状データの外形の間の空間は透明樹脂で造形するので、透明樹脂で造形された外部構造物と内部構造物の間の透明樹脂を通して、不透明樹脂で造形された内部構造物を観察でき、外部構造物と内部構造物の相対的位置関係を把握できる精巧な立体模型を製造することができる。

前記内部構造物の隣接する前記内部品の一方の前記内部３次元形状データの外形と他方の前記内部３次元形状データの外形の間の空間は透明樹脂で造形することが好ましい。

前記外部３次元形状データを内側にオフセットした位置にオフセット３次元形状データを作成し、前記オフセット３次元形状データが示すオフセット外形を着色透明樹脂で造形し、前記オフセット３次元形状データのオフセット外形と前記外部３次元形状データの外形との間を透明樹脂で造形することが好ましい。
あるいは、前記外部３次元形状データを外側にオフセットした位置にオフセット３次元形状データを作成し、前記外部３次元形状データが示す外形を着色透明樹脂で造形し、前記外部３次元形状データの外形と前記オフセット３次元形状データのオフセット外形との間を透明樹脂で造形することが好ましい。
外部３次元形状データの内側のオフセット外形を着色透明樹脂で造形したり、外部３次元形状データの外側のオフセット外形の内側を着色透明樹脂で造形することにより、外表面の透明樹脂を研磨したときに、着色透明樹脂が残り、外部構造物が半透明に着色された立体模型を製造することができる。

第３発明の立体模型は、
複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型であって、
前記内部構造物の内部空間が不透明樹脂で造形され、
前記内部構造物の外形と前記外部構造物の外形の間の空間が透明樹脂で造形されている、ことを特徴とする。

第３発明の立体模型では、内部構造物の内部空間が不透明樹脂で造形され、内部構造物の外形と外部構造物の外形の間の空間が透明樹脂で造形されているので、外部構造物と内部構造物の間の透明樹脂を通して、不透明樹脂で造形された内部構造物を観察でき、外部構造物と内部構造物の相対的位置関係を把握できる。

前記内部構造物の隣接する前記内部品の一方の外形と他方の外形の間の空間は透明樹脂で造形されていることが好ましい。内部品の間の空間が透明樹脂で造形されていることで、内部品相互間の位置関係や結合状態を把握することができる。

前記透明樹脂は弾性を有することが好ましい。
外部構造物と内部構造物の間の透明樹脂が弾性を有することで、外部構造物を動かすとこれに追従して内部構造物が動くので、外部構造物と内部構造物の相対的な関係を把握することができる。

前記外部構造物の外面の内側に着色透明樹脂層が形成され、前記着色透明樹脂層と前記外部構造物の外面の間の空間が透明樹脂で造形されていることが好ましい。
外部構造物の外面の内側に着色透明樹脂層が形成されていることで、表面の透明樹脂を研磨しても、着色透明樹脂層の着色が色落せず、外部構造物が半透明に着色された立体模型となる。

第１発明の立体模型用３次元形状データ作成方法によれば、内部３次元形状データ上の内部特徴点と、内部特徴点に対応する外部２次元推定断面図上の外部特徴点との相対的位置関係に基づいて、外部２次元推定断面図を内部３次元形状データに対して位置合わせして、外部２次元断面図を作成するので、外部構造物の外部２次元推定断面図が実在する内部構造物を覆う実際の外部形態の３次元形状データに基づくものではなくても、外部３次元形状データは内部３次元形状データと整合する。このため、医用診断装置や３Ｄスキャナ等を利用できない構造物の立体模型用の３次元形状データを作成することができる。

第２発明の立体模型の製造方法によれば、内部３次元形状データで囲まれる内部空間は不透明樹脂で造形し、内部３次元形状データの外形と外部３次元形状データの外形の間の空間は透明樹脂で造形するので、透明樹脂で造形された外部構造物と内部構造物の間の透明樹脂を通して、不透明樹脂で造形された内部構造物を観察でき、外部構造物と内部構造物の相対的位置関係を把握できる精巧な立体模型を製造することができる。

第３発明の立体模型によれば、内部構造物の内部空間が不透明樹脂で造形され、内部構造物の外形と外部構造物の外形の間の空間が透明樹脂で造形されているので、透明樹脂で造形された外部構造物と内部構造物の間の透明樹脂を通して、不透明樹脂で造形された内部構造を観察でき、外部構造物と内部構造物の相対的位置関係を把握できる。また、内部品の間の空間が透明樹脂で造形されていることで、内部品相互間の位置関係や結合状態を把握することができる。

本発明に係る立体模型用３次元形状データの作成方法のフローを示す図。図１のステップ１０３における外部２次元推定断面図の位置合わせのフローを示す図。図１のステップ１０４における外部３次元形状データの作成のフローを示す図。内部３次元形状データで表したマッコウクジラの骨格の斜視図。マッコウクジラの外観を示す画像。マッコウクジラの脊髄に沿った外部２次元推定ＸＺ断面図（ａ）、外部２次元推定ＹＺ断面図（ｂ）。骨格の内部特徴点Ａと推定外部特徴点Ｂを示す図。外殻の外部特徴点Ｃと推定内部特徴点Ｄを示す図。外殻の外部２次元推定断面図の縮尺の調整ステップを示す図。複数の外部特徴点Ｃの周りの輪郭線有効範囲を示す外部２次元推定断面図。骨格と重ねて表したマッコウクジラの外部２次元推定ＸＺ断面図（ａ）及び外部２次元推定ＸＹ断面図（ｂ）。骨格と重ねて表したマッコウクジラの複数の外部２次元推定ＹＺ断面図。外部２次元推定ＸＺ断面図（ａ）、及び外部２次元推定ＸＺ断面図をＹ方向両側に押し出した立体を示す斜視図（ｂ）。外部２次元推定ＹＺ断面図（ａ）、及び外部２次元推定ＹＺ断面図をＸ方向両側に押し出した立体を示す斜視図（ｂ）。外部２次元推定ＸＺ断面図を押し出した立体と、外部２次元推定ＹＺ断面図を押し出した立体とを重ね合わせた状態を示す側面図（ａ）及び斜視図（ｂ）。外部３次元形状データ仮部品と骨格を示す斜視図。複数の外部３次元形状データ仮部品の組み合わせと骨格を示す斜視図。外部２次元推定ＸＹ断面図（ａ）、及び外部２次元推定ＸＹ断面図をＺ方向両側に押し出した立体を示す斜視図（ｂ）。外部２次元推定ＸＹ断面図を押し出した立体と、複数の外部３次元形状データ仮部品とを重ね合わせた状態を示す斜視図。複数の外部３次元形状データ部品の組み合わせと骨格を示す斜視図。外部３次元形状データ部品の端面の内接線を示す斜視図（ａ）、及び外部３次元形状データ部品の不足部分を補完した状態を示す斜視図（ｂ）。外部３次元形状データで表したマッコウクジラの外殻の側面図。外部３次元形状データで表したマッコウクジラの外殻と骨格の側面図。ＯＢＪ形式の３次元形状データを示すマッコウクジラの部分拡大図。３次元形状データ作成装置と３次元造形装置とを示す図。本発明に係る立体模型の製造方法のフローを示す図。３次元プリンタによる造形の状況を示す図。３次元プリンタによる造形の状況を示す拡大断面図。外殻の表面を着色するために外殻をオフセットした状態を示す外部３次元形状データで表した断面図。３次元プリンタによる造形されたマッコウクジラの立体模型の写真。３次元プリンタによる造形されたマッコウクジラの立体模型の部分拡大断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。

＜立体模型用３次元形状データの作成方法の実施形態＞
図１は、３次元データ作成装置を用いて、複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型を製造するための立体模型用３次元形状データ作成方法のフローを示す。

３次元データ作成装置は、３次元コンピュータグラフィックス（３ＤＣＧ）、３次元設計支援（３ＤＣＡＤ）等のソフトウェアを用いて３Ｄプリンタで造形可能な立体模型用３次元形状データを作成するコンピュータからなる。

本発明が対象とする立体模型は、複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型である。例えば、マッコウクジラのような大型動物の立体模型の場合、内部構造物は複数の骨を組み合わせた骨格であり、外部構造物は骨格を覆う外殻である。立体模型の用途に応じて、内部構造物には骨格の他に脳や心臓等の内部器官を含んでいてもよい。

ステップ１０１では、内部構造物の内部３次元形状データを作成する。内部構造物の内部３次元形状データは、医用診断装置や３Ｄスキャナなどを利用して得られる実在する各部品の３次元形状データを３ＤＣＧ又は３ＤＣＡＤ上で組み合わせることで作成することができる。３ＤＣＧ又は３ＤＣＡＤ上では、３次元形状データの寸法は内部構造物の実寸に合わせる。マッコウクジラのような大型動物でも、内部構造物の骨格の各骨は小さいので、博物館等で展示されている骨格標本の各骨を３Ｄスキャナでスキャンすることで各骨の正確な３次元形状データを取得することができる。また、博物館などから骨格の３次元形状データが入手できる場合はそれを利用することができる。各骨の３次元形状データは、３ＤＣＧ又は３ＤＣＡＤ上で組み合わせて骨格の内部３次元形状データを作成する。

骨格の一部しか３次元形状データが無い場合は、欠損部の骨の３次元形状データを２次元画像から３ＤＣＧ又は３ＤＣＡＤ上で作成する。また、２次元画像データが一部のみしかない場合、存在しない骨の２次元画像を作成し、これらの２次元画像データから骨格の内部３次元形状データを３ＤＣＧ又は３ＤＣＡＤ上で作成する。図４は、作成された内部３次元形状データで表したマッコウクジラの内部構造物である骨格１を示す。

ステップ１０２では、構造物の外観情報に基づいて、外部構造物の外部２次元推定断面図を作成する。外観情報としては、体長、胴囲等の外観データ、または復元画、想像図、絵、写真、動画のキャプチャ等の２次元画像を使用できる。これらの外観情報を元に、複数断面の輪郭線を抽出し、外部２次元推定断面図を作成する。外部２次元推定断面図の方向は、図４に示すＸ，Ｙ，Ｚ軸の方向を基準にする。例えば、図５のマッコウクジラの画像２に基づいて、図６（ａ）の脊髄に沿った外部２次元推定ＸＺ断面図、図６（ｂ）のような外部２次元推定ＹＺ断面図を複数作成する。

ステップ１０３では、外部２次元推定断面図を内部３次元形状データに対して位置合わせする。外部２次元推定断面図は、実在する内部構造物を覆う実際の外殻の３次元形状データに基づくものではないので、内部構造物の３次元形状データとは整合しない。そこで、内部３次元形状データ上の内部特徴点と、内部特徴点に対応する外部２次元推定断面図上の外部特徴点との相対的位置関係に基づいて、外部２次元推定断面図を位置合わせして、外部２次元断面図を作成する。この位置合わせにより得られる外部２次元断面図は内部３次元形状データと整合する。

具体的には、図２のステップ１０３ａで、内部３次元形状データ上の内部特徴点Ａを選定する。図７に示すように、マッコウクジラの場合、内部特徴点Ａとしては、骨格１のうち、腰椎骨、尾椎骨先端、頭骨、上顎骨先端、下顎骨先端、下顎関節、目、肋骨、胸びれ付け根の関節、胸びれの指骨先端等を選定することができる。

ステップ１０３ｂでは、内部３次元形状データ上の内部特徴点Ａから外部構造物の外形までの距離Ｌ１を特定し、内部特徴点Ａから距離Ｌ１離れた点を推定外部特徴点Ｂとする。内部特徴点Ａから外部構造物の外形までの距離Ｌ１としては、マッコウクジラの場合、文献等から入手した皮膚や脂肪の厚さ等を参考にすることができる。

ステップ１０３ｃでは、図８に示すように、内部特徴点Ａに対応する２次元推定断面図の輪郭線上の外部特徴点Ｃを選定する。

ステップ１０３ｄでは、外部特徴点Ｃから内部構造物の外形までの距離Ｌ２を特定し、外部特徴点Ｃから距離Ｌ２離れた点を推定内部特徴点Ｄとする。外部特徴点Ｃから内部構造物の外形までの距離Ｌ２としては、マッコウクジラの場合、文献等から入手した皮膚や脂肪の厚さ等を参考にすることができる。

ステップ１０３ｅでは、図９に示すように、推定外部特徴点Ｂと外部特徴点Ｃを重ね合わせ、推定内部特徴点Ｄが内部特徴点Ａに一致するように、アスペクト比を固定して外部２次元推定断面図の縮尺を調整する。

ステップ１０３ｆでは、図１０に示すように、外部特徴点Ｃの周辺の輪郭線有効範囲Ｗを設定して、輪郭線有効範囲を除く外部２次元推定断面図の輪郭線を削除する。輪郭線有効範囲Ｗは、外部特徴点Ｃ周辺の形状により調整する。例えば、外部特徴点Ｃの周辺の形状が複雑な場合は短く、単調な場合は長く設定する。図１０の実施形態の外部特徴点Ｃの周辺の輪郭線有効範囲Ｗは、外部特徴点Ｃより前の部分は形状が比較的なだらかで単調であるので長くし、後ろの部分は前の部分より複雑であるため短くしている。

ステップ１０３ｇでは、ステップ１０３ａ－ｆを他の複数の内部特徴点Ａに対して行う。

ステップ１０３ｈでは、隣接する外部特徴点Ｃの輪郭線有効範囲の外部２次元推定断面図の輪郭線を接続して、図１１に示すような外部２次元断面図を作成する。

ステップ１０３ｉでは、ステップ１０３a－ｈを他の外部２次元推定断面図に対して行い、複数の外部２次元断面図を作成する。複数の外部２次元断面図としては、マッコウクジラの場合、図１１（ａ）、（ｂ）に示す脊椎方向の外部２次元ＸＺ断面図と外部２次元ＸＹ断面図、図１２（ａ）、（ｂ）に示す左右方向の縦断面図である複数の外部２次元ＹＺ断面図を作成することが好ましい。

ステップ１０４では、ステップ１０３で作成した外部２次元断面図に基づいて、外部３次元形状データを作成する。

具体的には、図３のステップ１０４ａにおいて、図１３に示すように、外部２次元ＸＺ断面図をＹ方向に押し出して、立体を形成する。押し出しは、図１３（ｂ）に示すように、内部構造物が内部に含まれるように、Ｙ方向両側に押し出すことが好ましい。

ステップ１０４ｂでは、図１４に示すように、外部２次元ＹＺ断面図をＸ方向に押し出して、立体を形成する。押し出しは、図１４（ｂ）に示すように、輪郭線有効範囲と同じになるように、Ｘ方向両側に押し出すことが好ましい。

ステップ１０４ｃでは、図１５に示すように、外部２次元ＸＺ断面図をＹ方向に押し出した立体と、外部２次元ＹＺ断面図をＸ方向に押し出した立体とを重ね合わせ演算し、両立体の交差した部分を抽出して、図１６に示すような外部３次元形状データ仮部品３´を作成する。

ステップ１０４ｄでは、他の外部２次元ＹＺ断面図がある場合、ステップ１０４ｂから１０４ｃを繰り返して、外部３次元形状データ仮部品３´を作成する。

ステップ１０４ｅでは、図１７に示すように、複数の外部３次元形状データ仮部品３´を組み合わせる。

ステップ１０４ｆでは、図１８に示すように、外部２次元ＸＹ断面図をＺ方向に押し出して、立体を形成する。押し出しは、図１８（ｂ）に示すように、内部構造物が内部に含まれるように、Ｚ方向両側に押し出すことが好ましい。

ステップ１０４ｇでは、図１９に示すように、外部２次元ＸＹ断面図をＺ方向に押し出した立体と、外部３次元形状データ仮部品３´とを重ね合わせ演算し、両立体の交差した部分を抽出して、図２０に示すような外部３次元形状データ部品３を作成する。

ステップ１０４ｈでは、組み合わせた複数の外部３次元形状データ部品３の間の空間の不足部分をデータ補完して結合し、外部３次元形状データを作成する。図２１（ａ）に示すように、外部３次元形状データ部品のＸ方向の端面には、重ね合わせ演算時に生じた切除部９が存在する。離接する外部３次元形状データ部品３の互いに対応する端面における切除部９とそれ以外の部分に接する内接線１０を抽出し、図２１（ｂ）に示すように切除部９に沿う曲面からなる補完部品３ａで補完する。

ステップ１０４ｉでは、外部３次元形状データ部品３の不足部分を補完した外部３次元形状データをスムージングして、連続した滑らかな表面を形成する。これにより、内部３次元形状データに整合した外部３次元形状データとなる。図２２は、作成された外部３次元形状データで表したマッコウクジラの外部構造物である外殻４を示す。

外部３次元形状データを作成した後、図１のステップ１０５において、内部３次元形状データと外部３次元形状データを結合した３次元形状データを作成する。図２３は、内部３次元形状データと外部３次元形状データで表したマッコウクジラの骨格１と外殻４を示す。図２４は、３次元形状データの一部を示す拡大図である。

ステップ１０６では、３次元形状データを模型サイズに縮小して模型サイズの３次元形状データを作成する。

以上により、外部構造物の外部２次元推定断面図が実在する内部構造物を覆う実際の外殻の３次元形状データに基づくものではなくても、外部３次元形状データは内部３次元形状データと整合する。このため、医用診断装置や３Ｄスキャナ等を利用できない構造物の立体模型用の３次元形状データを作成することができる。

＜立体模型の製造方法の実施形態＞
図２５は、本発明の立体模型の製造方法の実施形態を実施する３次元データ作成装置１１と、３次元造形装置１２を示す。

３次元データ作成装置１１は、前述したように、３次元コンピュータグラフィックス（３ＤＣＧ）、３次元設計支援（３ＤＣＡＤ）等のソフトウェアを用いて、３次元造形装置１２で造形可能な立体模型用３次元形状データを作成するコンピュータであり、本体１３、モニター１４、キーボード１５、マウス１６等からなる。

３次元造形装置１２は、樹脂や金属を積層して造形する３Ｄプリンタである。３Ｄプリンタは、材料押出法、材料噴射法、粉末床溶融結合法、結合剤噴射法、液槽光重合法、シート積層法、指向エネルギー体積法等各種の方式を使用可能であるが、材料噴射法が一般的で好ましい。図２５は、材料押出法の３Ｄプリンタを示し、プリンタヘッド１７をＸ軸方向に往復移動させるＸ軸ユニット１８と、該Ｘ軸ユニット１８をＺ軸方向に往復移動させるＺ軸ユニット１９と、Ｙ方向に往復移動可能な造形ステージ２０と、アクリル樹脂２１のカートリッジ２２と、アクリル樹脂２１をプリンタヘッド１７に供給するエクストルーダ２３と、制御部２４とを備える。制御部２４は、３次元データ作成装置１１の本体１３とＬＡＮ接続されて、３次元データ作成装置１１から３次元形状データをＯＢＪ形式で受信し、各層にスライスしてＧコードデータに変換し、Ｘ軸ユニット１８、Ｚ軸ユニット１９、造形ステージ２０及びエクストルーダ２３を制御する。

図２６は、本発明の立体模型の製造方法の実施形態を実施する造形フローを示す。ステップ２０１で、３次元データ作成装置１１を用いて、前述した３次元形状データ作成方法により、内部３次元形状データと外部３次元形状データとからなる３次元形状データを作成する。この３次元形状データは、ＯＢＪ形式で３次元造形装置１２に送られる。

ステップ２０２では、３次元造形装置１２により立体模型を造形する。図２７に示すように、立体模型５がマッコウクジラの場合、造形時間を短縮するため、マッコウクジラの脊椎の方向をＸ軸。左右の方向をＹ軸、上下方向をＺ軸とすることが好ましい。

３次元造形装置１２による造形において、図２８に示すように、内部３次元形状データで囲まれる内部空間は不透明樹脂６で造形し、内部３次元形状データの外形と外部３次元形状データの外形の間の空間は透明樹脂７で造形する。不透明樹脂６としては、着色したアクリル樹脂が好ましいが、これに限らず、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ゴム、シリコン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等を採用することができる。透明樹脂７としては、着色していないアクリル樹脂が好ましいが、これに限らず、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ゴム、シリコン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等を採用することができる。また、内部構造物の隣接する内部品の一方の内部３次元形状データの外形と他方の内部３次元形状データの外形と間の空間、例えばマッコウクジラの場合、骨格１を構成する骨と骨の間の空間は、透明樹脂７で造形する。

３次元造形装置１２で造形した後、透明樹脂７には紫外線を照射する。これにより、透明樹脂７の透明度を増加することができる。

３次元造形装置１２により造形した後、ステップ２０３で、立体模型５の外表面を研磨する。これにより、造形時の現れる立体模型５の表面の粗さや層間の段差を除去し、表面を滑らかにすることができる。

３次元造形装置１２で造形中、立体模型５の外表面に着色を施すことができるが、研磨により色落ちしないように、次に示す２つの方法でする着色することができる。

第１の方法は、図２９（ａ）に示すように、外部３次元形状データを内側にオフセットした位置に、オフセット３次元形状データを作成し、該オフセット３次元形状データが示すオフセット外形４ａ上に所定厚さの着色透明樹脂層８を造形し、オフセット３次元形状データのオフセット外形４a上の着色透明樹脂層８と外部３次元形状データの外殻４との間を透明樹脂７で造形する。

第２の方法は、図２９（ｂ）に示すように、外部３次元形状データを外側にオフセットした位置にオフセット３次元形状データを作成し、外部３次元形状データが示す外殻４上に所定厚さの着色透明樹脂層８を造形し、外部３次元形状データの外殻４上の着色透明樹脂層８とオフセット３次元形状データが示すオフセット外形４ｂとの間を透明樹脂７で造形する。

いずれの方法においても、造形された立体模型５の外面の透明樹脂７の内側に着色透明樹脂８が存在するので、外面の透明樹脂７を研磨しても、内部の着色透明樹脂８は色落ちしない。

＜立体模型の実施形態＞
図３０は、前述した本発明の立体模型の製造方法により製造したマッコウクジラの立体模型５を示す。

この立体模型５では、図３１に示すように、骨格１の内部空間が不透明樹脂６で造形され、骨格１と外殻４の間の空間が透明樹脂７で造形されているので、骨格１と外殻４の間の透明樹脂７を通して、不透明樹脂６で造形された骨格１を観察でき、骨格１と外殻４の相対的位置関係を把握できる。例えば、マッコウクジラの場合、頭部に脳油と呼ばれる器官が入っていて骨がほとんどないことが確認できる。また、顎の状態や、骨盤痕跡のように繋がっていない骨等も模型５を持ってどのような方向からも明瞭に観察することができる。

骨格１の隣接する骨の一方の骨１ａの外形と他方の骨１ｂの外形の間の空間は透明樹脂６で造形されているので、隣接する骨１ａ、１ｂの相互間の位置関係や結合状態を把握することができる。

外部３次元形状データと内部３次元形状データの間の空間を造形する透明樹脂７は、弾性を有することが好ましい。外殻４と骨格１の間の透明樹脂７が弾性を有することで、外殻４を動かすとこれに追従して骨格１が動くので、外殻４と骨格１の相対的な関係を把握することができる。

外部構造物の外面の内側に着色透明樹脂層８が形成され、該着色透明樹脂層８と外部構造物の外面の間の空間が透明樹脂７で造形されていることが好ましい。外部構造物の外面の内側に着色透明樹脂層８が形成されていることで、表面の透明樹脂７を研磨しても、着色透明樹脂層８の着色が色落せず、外部構造物が半透明に着色された立体模型となる。

本発明は前記実施形態に限るものではなく、本発明の範囲内で修正や変更を行うことができる。例えば、外部２次元断面図はＸＺ断面、ＸＹ断面、ＹＺ断面に限らず、任意の方向の断面とすることができる。

また、前記実施形態は、マッコウクジラのような動物の立体模型用３次元形状データ作成方法、立体模型の製造方法及び立体模型について説明したが、本発明は建造物や構造物の立体模型にも適用することができる。

１…骨格
２…写真
３…外部三次元形状データ部品
３´…外部三次元形状データ仮部品
３ａ…補完部品
４…外殻
４ａ…オフセット外形
４ｂ…オフセット外形
５…立体模型
６…不透明樹脂
７…透明樹脂
８…着色透明樹脂
９…切除部
１０…内接線
１１…３次元データ作成装置
１２…３次元造形装置

Claims

３次元データ作成装置を用いて、複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型を製造するための立体模型用３次元形状データ作成方法であって、
前記内部構造物の前記複数の内部品の３次元形状データを組み合わせて前記内部構造物の内部３次元形状データを作成する第１ステップと、
前記外部構造物の外観情報に基づいて前記外部構造物の外部２次元推定断面図を作成する第２ステップと、
前記内部３次元形状データ上の内部特徴点と、前記内部特徴点に対応する前記外部２次元推定断面図上の外部特徴点との相対的位置関係に基づいて、前記外部２次元推定断面図を前記内部３次元形状データに対して位置合わせして、外部２次元断面図を作成する第３ステップと、
複数の前記外部２次元断面図から外部３次元形状データを作成する第４ステップと、
前記内部３次元形状データと前記外部３次元形状データを結合して３次元形状データを作成する第５ステップと、
を備えることを特徴とする立体模型用３次元形状データ作成方法。
前記第３ステップは、
ａ：前記内部３次元形状データ上の内部特徴点Ａを選定し、
ｂ：前記内部特徴点Ａから前記外部構造物の外形までの距離Ｌ１を特定し、前記内部特徴点Ａから距離Ｌ１離れた点を推定外部特徴点Ｂとし、
ｃ：前記内部特徴点Ａに対応する前記２次元推定断面図の輪郭線上の外部特徴点Ｃを選定し、
ｄ：前記外部特徴点Ｃから前記内部構造物の外形までの距離Ｌ２を特定し、前記外部特徴点Ｃから距離Ｌ２離れた点を推定内部特徴点Ｄとし、
ｅ：推定外部特徴点Ｂと外部特徴点Ｃを重ね合わせ、推定内部特徴点Ｄが内部特徴点Ａに一致するように前記２次元推定断面図の縮尺を調整し、
ｆ：前記外部特徴点Ｃの周辺の輪郭線有効範囲を設定して、前記輪郭線有効範囲を除く前記外部２次元断面図の輪郭線を削除し、
ｇ：ステップａ－ｆを他の内部特徴点Ａに対して行い、
ｈ：隣接する外部特徴点Ｃの前記輪郭線有効範囲の前記外部２次元推定断面図の輪郭線を接続して、外部２次元断面図を作成し、
ｉ：ステップa－ｈを他の外部２次元推定断面図に対して行い、複数の外部２次元断面図を作成する
ことを特徴とする請求項１に記載の立体模型用３次元形状データ作成方法。
前記第４ステップは、
前記複数の外部２次元断面図をそれぞれ押し出して重ね合わせ演算することにより、複数の外部３次元形状データ部品を作成し、
前記複数の外部３次元形状データ部品を組み合わせ、
前記複数の外部３次元形状データ部品の間の不足部分を補完して、外部３次元形状データを作成する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の立体模型用３次元形状データ作成方法。
複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型を製造する立体模型の製造方法であって、
請求項１から３のいずれかに記載の立体模型用３次元形状データ作成方法により内部３次元形状データと外部３次元形状データとを結合して３次元形状データを作成するステップと、
前記３次元形状データに基づいて３次元立体模型を造形するステップとを備え、
前記内部３次元形状データで囲まれる内部空間は不透明樹脂で造形し、
前記内部３次元形状データの外形と前記外部３次元形状データの外形の間の空間を透明樹脂で造形する、ことを特徴とする立体模型の製造方法。
前記内部構造物の隣接する前記内部品の一方の前記内部３次元形状データの外形と他方の前記内部３次元形状データの外形の間の空間は透明樹脂で造形する、ことを特徴とする請求項４に記載の立体模型の製造方法。
前記外部３次元形状データを内側にオフセットした位置にオフセット３次元形状データを作成し、前記オフセット３次元形状データが示すオフセット外形を着色透明樹脂で造形し、前記オフセット３次元形状データのオフセット外形と前記外部３次元形状データの外形との間を透明樹脂で造形する、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の立体模型の製造方法。
前記外部３次元形状データを外側にオフセットした位置にオフセット３次元形状データを作成し、前記外部３次元形状データが示す外形を着色透明樹脂で造形し、前記外部３次元形状データの外形と前記オフセット３次元形状データのオフセット外形との間を透明樹脂で造形する、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の立体模型の製造方法。
複数の内部品を組み合わせた内部構造物と外部構造物とを備える構造物の立体模型であって、
前記内部構造物の内部空間が不透明樹脂で造形され、
前記内部構造物の外形と前記外部構造物の外形の間の空間が透明樹脂で造形されている、ことを特徴とする立体模型。
前記透明樹脂は弾性を有することを特徴とする請求項８に記載の立体模型。
前記外部構造物の外面の内側に着色透明樹脂層が形成され、前記着色透明樹脂層と前記外部構造物の外面の間の空間が透明樹脂で造形されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の立体模型。