JP6461846B2 - 積層造形装置、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、積層造形装置、及びプログラムに関する。

従来、粉末状の材料の層を形成し、当該材料の層毎に材料をバインダー（結合剤）やレーザ光によって固化させ、３次元形状の造形物を造形する３次元プリンタのような積層造形装置が提案されている。

特開２００３−７１９４０号公報

ところで、３次元形状を造形する際に、３次元形状の内部構造として、ラティス（格子）構造を適用する技術が提案されているが、３次元形状の内部構造としてラティス（格子）構造を適用する場合に、３次元形状を造形するための３次元形状モデルのデータ量が大きくなり、処理負担が増大する。

本発明の一実施形態は、上記に鑑みてなされたものであって、３次元形状モデルのデータ量にかかわらず、３次元形状を容易に造形できる積層造形装置、及びプログラムを提供する。

実施形態の積層造形装置は、通信制御部と、取得部と、生成部と、積層造形部と、を備える。通信制御部は、物質の表面を自由曲面で３次元形状を表すサーフェス形状データと、サーフェス形状データから造形される造形物の内部をラティス構造に変換した単位格子の３次元形状データを示す単位格子形状データと、受信する。取得部は、サーフェス形状データのうち、造形物として積層造形される所定の積層厚さの層毎に、層毎の形状データである層形状データを取得する。生成部は、層形状データの内部を前記単位格子形状データに変換した、層の造形データを生成する。積層造形部は、生成部により生成された層の造形データに従って、所定の積層厚さの層毎に造形物の積層造形を行う。

図１は、第１の実施形態の情報処理装置、及び３次元積層造形装置の構成を例示した図である。 図２は、サーフェス形状データから、造形物を造形するまでの遷移を例示した図である。 図３は、造形物を示した造形データの例を示した図である。 図４は、第１の実施形態の層の造形データの例を示した図である。 図５は、第１の実施形態の３次元積層造形装置における全体的な処理の手順を示すフローチャートである。 図６は、第１の実施形態の変形例の３次元積層造形装置において、任意の面を任意の肉厚で造形物を造形するまでの遷移を示した図である。 図７は、第２の実施形態の情報処理装置、及び３次元積層造形装置の構成を例示した図である。 図８は、サポート材が必要な領域を示した説明図である。 図９は、サーフェス形状データのうち、対象層に基づいて、造形データを生成する例を示している。 図１０は、図９に示された対象層において、サポート材が必要な領域を示した図である。 図１１は、サーフェス形状データのうち、対象層に基づいて造形データを生成する例を示した図である。 図１２は、図１１に示された対象層において、サポート材が必要な領域を示した図である。 図１３は、第２の実施形態の３次元積層造形装置の判定部における判定処理の手順を示すフローチャートである。 図１４は、第３の実施形態の情報処理装置、及び３次元積層造形装置の構成を例示した図である。 図１５は、本実施形態の造形物を構成する単位格子の密度による違いを例示した図である。 図１６は、ボクセルデータのセル単位と、単位格子形状データのサイズと、の違いを例示した図である。 図１７は、第３の実施形態の変換部によるデータ変換の一例を示した図である。

以下、図面を参照して、積層造形装置、及びプログラムを適用した実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の情報処理装置、及び３次元積層造形装置の構成を例示した図である。

情報処理装置１５０は、サーフェス形状データと、単位格子形状データと、を３次元積層造形装置１００に送信する。

サーフェス形状データは、３次元積層造形装置１００が造形物を造形する際に用いる３次元形状データの一例であって、物質の表面を自由曲面で３次元形状を表したデータとする。本実施形態では、３次元形状を表したデータとして、サーフェス形状データを送信する例について説明するが、サーフェス形状データに制限するものではなく、ソリッドモデルなど、３次元積層造形装置１００が３次元形状を認識可能なデータであればよい。

単位格子形状データは、サーフェス形状データに従って造形される造形物の内部構造であるラティス構造を構成する単位格子の立体形状データを示している。

本実施形態の情報処理装置１５０は、３次元ＣＡＤアプリケーション等で作成したサーフェス形状データを、単位格子形状データと共に送信する例について説明するが、情報処理装置１５０が単位格子データを送信する例に制限するものではない。他の情報処理装置が単位格子データを送信しても良いし、３次元積層造形装置１００が、単位格子データを予め記憶していても良い。

３次元積層造形装置１００は、表示装置１０１と、操作デバイス１０２と、積層造形部１０３と、制御部１０４と、を備えている。

操作デバイス１０２は、３次元積層造形装置１００に対する操作を受け付けるデバイスとする。

表示装置１０１は、３次元積層造形装置１００が造形している造形物等に関する情報を表示する。

積層造形部１０３は、制御部１０４からの指示に従って、例えば、対象物にノズル装置で供給される材料を層状に積み重ねることにより、所定の形状の積層造形物を造形する。積み重ねられる材料は、例えば所定の粉体とする。また、積み重ねられる材料は、一種類の材料に制限するものではなく、２種類以上であっても良い。

本実施形態の積層造形部１０３は、制御部１０４から送信される層毎の造形データに従って、当該材料を層状に積み重ねる。本実施形態で造形される造形物は、３次元形状の内部に、微少なラティス（格子）を予め定められた規則に従って配置した構造を有する。

図２は、サーフェス形状データから、造形物を造形するまでの遷移を例示した図である。図２に示されるように、情報処理装置１５０が、サーフェス形状データ２０１と、単位格子形状データ２０２と、を３次元積層造形装置１００に送信する。

単位格子配置レイアウト２０３は、サーフェス形状データの内部に単位格子形状を配置するために、単位格子形状のサイズ毎に区切った構成を示している。単位格子配置レイアウト２０３は、単位格子配置アルゴリズム２１１を実行することで、特定できる。

なお、本実施形態においては、単位格子配置アルゴリズム２１１による単位格子配置レイアウト２０３の導出は、造形物２０４として積層造形される層毎に行われる。

そして、積層造形部１０３が、単位格子配置レイアウト２０３で区切られたサイズ毎に、単位格子形状データ２０２で示された単位格子を割り当てた造形物２０４を、層毎に積層造形（逐次造形２１２）していく。

このように、本実施形態の積層造形部１０３は、制御部１０４から出力される層の造形データに従って、積層造形を行う。

造形データとは、積層造形部１０３が造形物として積層造形させる材料を噴出制御するためのデータとする。本実施形態の造形データは、サーフェス形状データで示された３次元形状を、立体格子形状サイズの単位領域（例えば、辺０．１ｍｍの立方体形状）で区切り、当該区切られた単位領域毎に単位立体格子で置き換えられたラティス構造の造形物を生成するためのデータとする。

造形物２０４の３次元形状を示した造形データは、微細な単位格子からなる複雑な形状のため、データサイズが巨大となる。例えば、１０ｍｍ角の領域に格子幅０．１ｍｍの格子を配置した場合に、データサイズが１００ＧＢとなる。このようなデータサイズが大きい造形データを用いて造形を行う場合に、処理負担が大きくなる。

そこで、本実施形態の制御部１０４は、層毎に造形データを生成し、当該層毎の造形データを、積層造形部１０３に出力する。そして、積層造形部１０３は、層毎に積層造形を行う。これにより、制御部１０４が処理するデータのデータサイズ、及び積層造形部１０３が受け取るデータのデータサイズを低減できるので、処理負担を軽減できる。

つまり、図２で示される例では、説明のために、単位格子配置レイアウト２０３の全体的な形状を示したが、本実施形態では、サーフェス形状データから、層毎の形状データを取得し、当該層毎の形状データを単位格子レイアウトに変換しているものとする。これにより、処理するデータのサイズを削減できる。

本実施形態では、サーフェス形状データで示された３次元形状を、予め定められた規則に従って単位格子レイアウトに変換している。このため、層の形状データに含まれる領域毎に、単位格子のどの部位で変換するのかを、単位格子配置アルゴリズム２１１から導出できる。このため、層単位で、サーフェス形状データを、ラティス構造の造形データに変換した場合でも、層間で矛盾の生じない造形物を造形できる。

制御部１０４は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＣＰＵが実行することで、通信制御部１１１と、取得部１１３と、生成部１１４と、出力部１１５と、を実現する。また、サーフェス形状データ記憶部１１２は、ＲＡＭに設けられる。

通信制御部１１１は、外部との装置との間で情報の送受信を行う。例えば、通信制御部１１１は、情報処理装置１５０から、サーフェス形状データや、単位格子形状データを、受信する。

サーフェス形状データ記憶部１１２は、受信したサーフェス形状データや、単位格子形状データを記憶する。なお、本実施形態は、単位格子形状データも受信する例とするが、単位格子形状データが、サーフェス形状データ記憶部１１２に予め記憶されてもよい。この場合、３次元積層造形装置１００は、情報処理装置１５０から、サーフェス形状データのみ受信する。

取得部１１３は、サーフェス形状データ記憶部１１２に記憶されたサーフェス形状データから、積層造形部１０３により造形物として積層造形される所定の積層厚さの層毎に当該サーフェス形状を区切った形状データを取得する。所定の積層厚さは、例えば、積層造形部１０３が積層造形する１回分の層の厚さが考えられるが、当該層の厚さに制限されるものではなく、処理負担が軽減可能な層の厚さであれば良い。

生成部１１４は、サーフェス形状データから造形される造形物の内部をラティス構造に変換した造形データの断面の造形を表した層の造形データを、層毎の形状データから生成する。

本実施形態の生成部１１４は、サーフェス形状データを、立体格子形状サイズの予め定められた３次元領域ごとに区切り、区切られた３次元領域を、サーフェス形状データ記憶部１１２に記憶された単位格子形状データに置き換えることで成形されたラティス構造の造形データの一部である、層の造形データを生成する。

図３は、生成される造形物を示した造形データの例を示した図である。図３に示される積層造形物を、サーフェス形状データ及び単位格子形状データから生成する。造形物を造形する際に、第１層、第２層、……、第Ｎ−１層、第Ｎ層の順に積層造形していくことで積層造形物が形成される。

図３に示されるように、造形物の層毎の断面形状は、立体格子形状の配置、立体格子形状、及び当該層の高さから特定できる。換言すれば、単位格子配置アルゴリズム２１１においては、サーフェス形状データを、立体格子形状サイズの単位領域（例えば、辺０．１ｍｍの立方体形状）で区切る手法、及び当該単位領域を立体格子形状に変換する手法を、予め設定しておく。これにより、単位格子配置アルゴリズム２１１は、層の高さが入力された場合に、立体格子形状サイズの単位領域で区切る手法と、単位領域を立体格子形状に変換する手法と、を呼び出すことで、当該層における造形データの断面形状を特定できる。

換言すれば、生成部１１４は、次に積層造形する層（の高さ）を指定することで、単位格子配置アルゴリズム２１１を用いて、当該層の造形データを生成できる。

図４は、本実施形態の層の造形データの例を示した図である。図４に示される例では、図３の造形物の第１の層３０１を構成する材料４０１と、サポート材４０２と、の配置例を示している。本実施形態では層毎に造形データを生成するため、当該層より上の造形物の形状を認識していない。従って、本実施形態の積層造形部１０３は、造形物を構成する材料４０１が配置される領域以外に、サポート材４０２を配置する必要がある。

そして、出力部１１５は、生成部１１４により生成された層毎の造形データを、積層造形部１０３に出力する。

積層造形部１０３は、入力された層の造形データに従って、所定の積層厚さの層毎に積層造形を行う際に、当該造形データに従って造形物の材料を配置する。さらに、積層造形部１０３は、材料が配置された領域以外の領域にサポート材を配置する。これにより、本実施形態は、造形物の全体的な形状を認識することなく、造形物を造形できる。

次に、本実施形態の３次元積層造形装置１００における全体的な処理について説明する。図５は、本実施形態の３次元積層造形装置１００における上述した処理の手順を示すフローチャートである。

まず、通信制御部１１１は、情報処理装置１５０から、サーフェス形状データを受信する（Ｓ５０１）。また、通信制御部１１１は、情報処理装置１５０から、単位格子形状データを受信する。なお、単位格子形状データは、サーフェス形状データと共に受信しても良いし、別途受信しても良い。

通信制御部１１１は、受信したサーフェス形状データと、単位格子形状データと、をサーフェス形状データ記憶部１１２に記憶する（Ｓ５０２）。

取得部１１３は、サーフェス形状データ記憶部１１２に記憶されたサーフェス形状データから、積層造形部１０３が積層する層の（材料が配置される）領域の形状データを取得する（Ｓ５０３）。本実施形態の取得部１１３は、サーフェス形状データの最下面の層の形状データから、積層される層の順に、層の領域の形状データを取得する。

生成部１１４は、取得した層の領域の形状データに基づいて、単位領域毎に単位格子の立体形状に置き換えられた造形データの断面形状を示した、（積層造形の）対象となる層の造形データを生成する（Ｓ５０４）。

出力部１１５は、生成部１１４により生成された、対象となる層の造形データを、積層造形部１０３に出力する（Ｓ５０５）。

そして、積層造形部１０３は、対象となる層毎に造形データに基づいた、積層造形を行う（Ｓ５０６）。

そして、制御部１０４は、サーフェス形状データによる造形物の積層造形が終了したか否かを判定する（Ｓ５０７）。積層造形が終了していないと判定した場合（Ｓ５０７：Ｎｏ）。Ｓ５０３から処理を再開する。

一方、制御部１０４は、サーフェス形状データによる造形物の積層造形が終了したと判定した場合（Ｓ５０７：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

本実施形態では、造形物を積層造形する層毎に造形データを生成し、当該層毎の造形データに従って積層造形を行うこととした。これにより、造形物の内部構造がラティス構造であるため、造形物全体では造形データのデータサイズが大きくなる場合であっても、層毎の造形データで処理を行うため、利用するデータのサイズを抑止できる。これにより、処理負担を軽減できる。

（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態では、サーフェス形状データの内部構造を全てラティス構造に変換する際、面の形状については考慮しなかった。そこで、第１の実施形態の変形例では、造形物の任意の面に任意の肉厚で造形する場合について説明する。

図６は、第１の実施形態の変形例の３次元積層造形装置１００において、任意の面を任意の肉厚で造形物を造形するまでの遷移を示した図である。図６に示される例では、表示装置１０１が、サーフェス形状データ記憶部１１２に記憶されたサーフェス形状データ６０１を表示する。

そして、制御部１０４は、操作デバイス１０２から、サーフェス形状データ６０１のうち、面６１１に対する肉厚設定の操作を受け付ける。また、制御部１０４は、面に対する肉厚設定の操作を受け付ける際に、当該厚みの設定操作を受け付けても良い。

そして、生成部１１４において、単位格子配置レイアウト２０３が、単位格子形状サイズ毎に区切った単位格子配置レイアウト６０２を生成する際に、肉厚が設定された面６１２については、単位格子形状サイズ毎に区切る対象から除かれる。

これにより、肉厚が設定された面６１２は、立体格子形状に変換されずに、残肉領域として面が形成される。

このように、変形例の生成部１１４は、層の造形データを生成する際に、造形データを任意の面に任意の肉厚で覆う設定を実現している。

そして、積層造形部１０３は、造形物６０３を造形する際に、立体格子形状に変換されなかった残肉領域６１３を、造形物の任意の肉厚の面として積層造形する。

本変形例では、内部構造がラティス構造の造形物を生成する際に、所望の面について所望の肉厚で残すことができるので、利用者が要求する造形物を生成できる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、層毎に積層造形を行う際に、造形物の材料が噴出（配置）されない領域をサポート材で埋める例について説明した。しかしながら、造形物の材料が噴出されない全ての領域をサポート材で埋めた場合に、かなりの量のサポート材が必要なる。そこで、第２の実施形態では、造形物の形状に応じて、利用するサポート材を抑止する例について説明する。

図７は、第２の実施形態の情報処理装置、及び３次元積層造形装置の構成を例示した図である。第２の実施形態の３次元積層造形装置７００は、第１の実施形態の３次元積層造形装置１００と比べて、実行する処理が異なる制御部７０１が設けられた例とする。

制御部７０１は、第１の実施形態の制御部１０４と比べて、判定部７１１が追加されている。

判定部７１１は、サーフェス形状データの形状に従って、層の造形データから積層造形を行う際に、層内の領域単位でサポート材が必要な領域か否かを判定する。本実施形態の判定部７１１は、サーフェス形状データ記憶部１１２に記憶されている、サーフェス形状データに基づいて、サポート材が必要な領域か否かを判定する。

図８は、サポート材が必要な領域を示した説明図である。図８に示されるサーフェス形状データ８０１においては、上面から参照した場合に、領域８０２がサポート材を必要とする領域となる。一方、サーフェス形状データ８０１の中心の円筒状の中空領域は、立体格子形状が造形されないため、判定部７１１は、当該円筒状の中空領域においてサポート材不要と判定する。

また、サーフェス形状データ８０１は、下面から積層造形を行う際に、高さ８２０で形状が変化している。つまり、高さ８２０より上に造形物が存在し、高さ８２０より下の積層造形を行う場合には、造形物が存在しない領域（以下、造形物が存在しない領域を外部領域とも称する）であっても、上に存在する造形物を支持するためのサポート材の配置が必要となる。

一方、高さ８２０より上の積層造形を行う場合、当該造形物が存在しない領域（外部領域）には、（これより上に造形物は存在しないため）サポート材は不要となる。

そこで、本実施形態では、サポート材を必要とする領域内で、サポート材の配置が必要な最大の高さを最大高さ情報とする。

サポート材の配置を必要とする最大高さ情報が示された領域８０３では、高さ８２０までサポート材が必要な領域８１２と、造形物の最大高さまでサポート材が必要な領域８１１と、が設定されている。そして、判定部７１１は、生成部１１４が層の造形データを生成する際に、当該層の高さ情報に応じて、サポート材が不要か否かを判定する。

図９は、サーフェス形状データ９０１のうち、対象層９１１に基づいて、造形データを生成する例を示している。図９に示される対象層９１１は、高さ８２０より下の層とする。

当該対象層９１１においては、（造形物が存在する）内部領域９２１と、（造形物が存在しない）外部領域９２２と、で構成される。

そして、判定部７１１は、当該外部領域９２２が、図８のサポート材を必要とする領域８０２に含まれているか否かを判定する。外部領域９２２が、サポート材を必要とする領域８０２に含まれていると判定した場合に、判定部７１１は、サポート材を必要とする最大高さ情報が示された領域８０３に基づいて、サポート材が必要か否かを判定する。つまり、当該外部領域９２２に対応する領域８１１に設定されている最大高さよりも、現在の層の高さが低い場合には、サポート材が必要と判定する。

図１０は、図９に示された対象層９１１において、サポート材が必要な領域を示した図である。図１０に示される例では、円形領域１００１がサポート材不要な領域であり、領域１００３が造形物の材料が配置される領域となる。そして、外部領域１００２は、サポート材が必要な最大高さより層の高さが低いため、サポート材が配置される領域となる。

図１１は、サーフェス形状データ１１００のうち、対象層１１１１に基づいて、造形データを生成する例を示した図である。図１１に示される対象層１１１１は、高さ８２０より上の層とする。

当該対象層１１１１においては、（造形物が存在する）内部領域１１２１と、（造形物が存在しない）外部領域１１２２と、で構成される。

そして、判定部７１１は、当該外部領域１１２２が、図８のサポート材を必要とする領域８０２に含まれているか否かを判定する。外部領域１１２２が、サポート材を必要とする領域に含まれていると判定した場合に、判定部７１１は、サポート材を必要とする最大高さ情報が示された領域８０３に基づいて、サポート材が必要か否かを判定する。つまり、当該外部領域１１２２に対応する領域８１２に設定されている最大高さよりも、現在の層の高さが高い場合には、サポート材が不要と判定する。

図１２は、図１１に示された対象層１１１１において、サポート材が必要な領域を示した図である。図１２に示される例では、円形領域と外部領域とを組み合わせた領域１２０１がサポート材不要な領域であり、領域１２０３が造形物の材料が配置される領域となる。内部領域のうち造形物が配置されていない領域１２０２に限り、サポート材が配置される。

そして、積層造形部１０３は、出力部１１５から出力されたデータに従って、判定部７１１でサポート材が必要と判定された領域１２０２にサポート材を配置して積層造形を行う。

次に、本実施形態の３次元積層造形装置７００の判定部７１１が行う判定処理について説明する。図１３は、本実施形態の３次元積層造形装置７００の判定部７１１における上述した処理の手順を示すフローチャートである。

まず、判定部７１１は、サーフェス形状データ記憶部１１２から、サーフェス形状データを取得する（Ｓ１３０１）。

そして、判定部７１１は、サーフェス形状データから、サポート材が必要な領域を特定する（Ｓ１３０２）。

判定部７１１は、サポート材が必要な領域について、所定の単位領域毎に、サポート材が必要となる最大高さ情報を算出する（Ｓ１３０３）。以降、層毎に制御が行われる。

判定部７１１は、対象となる層について、造形物の材料が配置される内部領域と、造形物の材料が配置されない外部領域と、を特定する（Ｓ１３０４）。

判定部７１１は、内部領域のうち、ラティス構造による材料が配置されない隙間領域にサポート材を配置するための設定を行う（Ｓ１３０５）。

判定部７１１は、外部領域について、サポート材が必要な領域、且つ対象となる層の高さが当該領域に設定された最大高さ以下か否かを判定する（Ｓ１３０６）。サポート材が必要な領域に含まれていない又は、対象となる層の高さが最大高さより高いと判定された場合（Ｓ１３０６：Ｎｏ）、当該外部領域にサポート材を配置しないものとして、Ｓ１３０８に遷移する。

一方、判定部７１１は、外部領域について、サポート材が必要な領域且つ対象となる層の高さが当該領域に設定された最大高さ以下と判定した場合（Ｓ１３０６：Ｙｅｓ）、外部領域をサポート材の配置対象に設定する（Ｓ１３０７）。

そして、判定部７１１は、対象となる層の全ての外部領域について判定が終了したか否かを判断する（Ｓ１３０８）。全ての外部領域について判定が終了していないと判断した場合（Ｓ１３０８：Ｎｏ）、Ｓ１３０６から処理を行う。

一方、判定部７１１が、対象となる層の全ての外部領域について判定が終了したと判断した場合（Ｓ１３０８：Ｙｅｓ）、出力部１１５が、判定部７１１により判定されたサポート材が配置される領域を、積層造形部１０３に出力する。

そして、判定部７１１は、積層造形部１０３が造形物の積層造形を完了したか否かを判定する（Ｓ１３０９）。完了していないと判定した場合（Ｓ１３０９：Ｎｏ）、再びＳ１３０４から処理を行う。

一方、判定部７１１は、積層造形部１０３が造形物の積層造形を完了したと判定した場合（Ｓ１３０９：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

本実施形態においては、サポート材が不要な領域については、サポート材を配置しないように制御を行うことで、サポート材の利用を低減することができる。これにより、サポート材の節約、及びコストの削減等を実現できる。

（第３の実施形態）
上述した実施形態では、造形物内のラティス構造においては、密度の違いを設けなかった例について説明した。しかしながら、造形物内に密度の違いを設けても良い。そこで第３の実施形態では、造形物内に密度の違いを設けた場合について説明する。

図１４は、第３の実施形態の情報処理装置、及び３次元積層造形装置の構成を例示した図である。

第３の実施形態の情報処理装置１４５０は、サーフェス形状データ及び単位格子形状データの他に、ボクセルデータを、３次元積層造形装置１４００に送信する。

ボクセルデータとは、小さな体積の立方体の集まりであって、立方体に対応したスカラ値／ベクトル値（以下、ボクセル値とも称する）を有するボリュームデータの一種とする。本実施形態では、立方体に対応したボクセル値として、様々な属性を設定可能とする。例えば、ＣＴスキャンでは、Ｘ線の吸収率(Hounsfield Unit)をボクセル値として設定しても良いし、ＭＲＩや超音波で得られる密度や流速変化率をボクセル値として設定しても良い。本実施形態では、このようなボクセル値の違いを、造形物のラティス構造の単位格子の密度の違いとして表現する。なお、本実施形態は、ボクセルデータに制限するものではなく、３次元空間内に単位となるセル毎にスカラーやベクトルを有することが可能なボリュームデータであれば良い。

図１５は、本実施形態の造形物を構成する単位格子の密度による違いを例示した図である。図１５に示されるように、単位格子のサイズは異ならせず、単位格子の線径を密度に応じて変化させていく。つまり、単位格子１５０１に示されるように、低密度の時に線径を小さくし、単位格子１５０２に示されるように、高密度の時に線径を大きくする。

図１４に戻り、第３の実施形態の３次元積層造形装置１４００は、第２の実施形態の３次元積層造形装置７００と比べて、実行する処理が異なる制御部１４０１が設けられた例とする。

制御部１４０１は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＣＰＵが実行することで、通信制御部１１１と、取得部１４１２と、生成部１４１３と、判定部７１１と、出力部１１５と、を実現する。また、サーフェス形状データ記憶部１４１１は、ＲＡＭに設けられる。なお、第２の実施形態と同様の構成については、同一の符号を割り振り、説明を省略する。

通信制御部１１１は、情報処理装置１４５０から、サーフェス形状データ、単位格子形状データ、及びボクセルデータを受信する。

通信制御部１１１は、受信したサーフェス形状データ、単位格子形状データ、及びボクセルデータを、サーフェス形状データ記憶部１４１１に記憶する。

取得部１４１２は、サーフェス形状データ、及び単位格子形状データの他に、サーフェス形状データ内の３次元空間の領域毎のベクトル値／スカラー値を含むボクセルデータを取得する。本実施形態では、領域毎のベクトル値／スカラー値を、密度の違いとして処理する。本実施形態の取得部１４１２は、ボリュームデータとして、ＣＴ撮像装置で撮像されたＣＴデータを立体的に示したデータであるボクセルデータを取得する。また、本実施形態は、撮像装置を、ＣＴ撮像装置に制限するものではなく、磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）や、超音波画像診断装置を用いても良い。

生成部１４１３は、変換部１４２１と、線径算出部１４２２と、を備え、取得したボクセルデータ（の密度の違い）に従って、単位格子形状の形状を変化させた、層の造形データを生成する。

なお、本実施形態の層の造形データでは、ボクセルデータに従って単位格子の形状を変化させるが、造形データに含まれる単位格子形状のサイズは全て揃えるもの（換言すれば、単位格子形状に必要な単位領域は全て同じ）とする。

変換部１４２１は、ボクセルデータで示される、３次元空間の領域の単位毎の密度の違いを、単位格子毎に変換する。つまり、ボクセルデータで示されるセルのサイズと、造形データの材料を配置する単位領域のサイズと、が異なる場合がある。そこで、本実施形態の変換部１４２１は、このサイズの違いを抑止するための変換処理を行う。

図１６は、ボクセルデータのセル単位と、単位格子形状データのサイズと、の違いを例示した図である。図１６に示される例では、ボクセルデータの３次元空間１６０１と、単位格子形状データを示した３次元空間１６０２と、の間で変換する例とする。なお、３次元空間の粒度は、実際態様に応じて異なるものとし、ボクセルデータ（ボリュームデータ）の方が、３次元格子形状データの粒度より大きい場合も存在する。

図１６に示される例では、変換部１４２１は、ボクセルデータで示された領域１６２２を、単位格子が配置される空間領域１６１１に変換し、ボクセルデータで示された領域１６２１を、単位格子が配置される空間領域１６１２に変換する。

次に、変換部１４２１により行われる変換例について説明する。図１７は、変換部１４２１によるデータ変換の一例を示した図である。図１７に示される例では、ボクセルデータの空間データ１７０１の要素の値（スカラー値／ベクトル値）を、単位格子が配置される空間データ１７０２の要素の値に変換する。単位格子の位置ｉの要素の値Ｆ_iを算出するために、変換部１４２１は、空間データ１７０１の（位置ｉ近傍の）要素を示す値ｆ₁、f₂、…、ｆ_Nを抽出する。

そして、変換部１４２１は、空間データ１７０１の要素を示す値ｆ₁、f₂、…、ｆ_Nを、以下の式（１）に代入することで、値Ｆ_iを算出する。なお、変数ｋは１〜Ｎで変化するパラメータとし、ｗ_ikは、任意の重み係数とする。

なお、本実施形態は、上述した変換手法に制限するものではなく、他の変換手法を用いても良い。

例えば、変換部１４２１は、単位格子の位置ｉに最近傍の、ボクセルデータの空間データの要素の値ｘ_jを抽出する。そして、変換部１４２１は、空間データの最近傍の要素の値ｆ_jと、周囲の要素の値とから、最近傍の勾配∇ｆを差分法等から算出する。そして、変換部１４２１は、以下の式（２）を用いることで、単位格子の位置ｉの値Ｆ_iを算出できる。なお、値ｘ_jは、ボクセルデータの空間データにおける位置ｉに最近傍の要素の座標とし、値ｘ_iは、単位格子の空間データの位置ｉの座標とする。

これにより、変換部１４２１は、単位格子が配置される空間データにおける、単位格子毎の密度の違いを導出できる。

線径算出部１４２２は、変換部１４２１で変換された後、（ボクセルデータから変換された）単位格子毎の密度の違いを、当該単位格子内の線径の太さとして算出する。線径算出部１４２２は、造形物のラティス構造の格子毎に、密度の違いに応じた線径の太さを算出する。これにより図１５に示されるような構造を実現できる。なお、本実施形態は、線径の太さで、密度を異ならせた例について説明するが、単位格子の形状を異ならせて密度の違いを表現できれば、どのような手法を用いても良い。

本実施形態の３次元積層造形装置１４００によれば、ボリュームデータに基づいて、密度の違いが示された造形物を生成することができる。

（第３の実施形態の変形例１）
第３の実施形態は、サーフェス形状データと、ボクセルデータと、をそれぞれ取得する例について説明した。しかしながら、ボクセルデータも３次元形状に関する情報が含まれている。そこで、第３の実施形態の変形例１は、ボクセルデータに基づいて造形物を生成する例とする。

つまり、情報処理装置１４５０は、単位格子形状データと、ボクセルデータと、を３次元積層造形装置１４００に送信する。

そして、３次元積層造形装置１４００の通信制御部１１１が、単位格子形状データと、ボクセルデータと、をサーフェス形状データ記憶部１４１１に記憶する。

そして、取得部１４１２は、ボクセルデータから、造形物で積層造形される所定の積層厚さの層毎に、形状データを取得する。なお、以降の処理については上述した実施形態と同様として説明を省略する。

（第３の実施形態の変形例２）
上述した実施形態では、材料を混合させる場合について考慮しなかった。そこで、第３の実施形態の変形例２においては、材料を混合させる場合について説明する。

第３の実施形態の変形例２の取得部１４１２は、ボクセルデータを取得する。そして、積層造形部１０３は、所定の積層厚さの層毎に造形物の積層造形を行う際に、取得したボクセルデータで示された密度の違いに応じて、材料の混合比を変更する。これにより、立体格子の線径の他に材料の混合比を変更することで、より柔軟な造形物の積層造形を実現できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００、７００、１４００…３次元積層造形装置、１０１…表示装置、１０２…操作デバイス、１０３…積層造形部、１０４、７０１、１４０１…制御部、１１１…通信制御部、１１２、１４１１…サーフェス形状データ記憶部、１１３、１４１２…取得部、１１４、１４１３…生成部、１１５…出力部、１５０、１４５０…情報処理装置、７１１…判定部、１４２１…変換部、１４２２…線径算出部。

Claims (11)

1. 物質の表面を自由曲面で３次元形状を表すサーフェス形状データと、前記サーフェス形状データから造形される造形物の内部をラティス構造に変換した単位格子の３次元形状データを示す単位格子形状データと、受信する通信制御部と、
   前記サーフェス形状データのうち、前記造形物として積層造形される所定の積層厚さの層毎に、層毎の形状データである層形状データを取得する取得部と、
   前記層形状データの内部を前記単位格子形状データに変換した、層の造形データを生成する生成部と、
   前記生成部により生成された前記層の造形データに従って、前記所定の積層厚さの層毎に前記造形物の積層造形を行う積層造形部と、
   を備える積層造形装置。
2. 前記生成部は、前記サーフェス形状データを予め定められた３次元領域ごとに区切り、当該３次元領域を、予め定められた単位格子形状で置き換えることで生成されるラティス構造の前記造形データの一部である、前記層の造形データを生成する、
   請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記取得部は、さらに、前記サーフェス形状データ内の領域毎に値が示されたボリューム情報を取得し、
   前記生成部は、さらに、取得した前記ボリューム情報の領域毎の値に従って、前記単位格子形状の形状を変化させた、前記層の造形データを生成する、
   請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記取得部は、さらに、前記サーフェス形状データ内の領域毎に値が示されたボリューム情報を取得し、
   前記積層造形部は、前記所定の積層厚さの層毎に前記造形物の積層造形を行う際に、取得した前記ボリューム情報の領域毎の値に従って、材料の混合比を変更する、
   請求項１又は２に記載の積層造形装置。
5. 前記生成部は、さらに、前記ボリューム情報で示される前記領域毎の値を、単位格子毎の値に変換する変換部を有する、
   請求項３又は４に記載の積層造形装置。
6. 前記積層造形部は、さらに、前記所定の積層厚さの層毎に前記造形物の積層造形を行う際に、前記層内に、造形物を生成するための材料を配置するとともに、当該材料が配置される領域以外の領域にサポート材を配置する、
   請求項１乃至５のいずれか一つに記載の積層造形装置。
7. 前記サーフェス形状データの形状に基づいて、前記層内の領域単位でサポート材が必要な領域か否かを判定する判定部を、さらに備え、
   前記積層造形部は、前記判定部でサポート材が必要と判定された領域にサポート材を配置する、
   請求項６に記載の積層造形装置。
8. 前記生成部が、前記層の造形データを生成する際に、当該造形データの任意の面に任意の肉厚を設定する、
   請求項１乃至７のいずれか一つに記載の積層造形装置。
9. 前記取得部は、前記サーフェス形状データ内の領域毎の密度の違いを示したボリューム情報として、撮像装置で撮像されたデータを立体的に示した情報を取得する、
   請求項３に記載の積層造形装置。
10. 前記取得部は、前記ボリューム情報から、造形物として積層造形される所定の積層厚さの層毎に、形状データを取得する
    請求項４に記載の積層造形装置。
11. 物質の表面を自由曲面で３次元形状を表すサーフェス形状データと、前記サーフェス形状データから造形される造形物の内部をラティス構造に変換した単位格子の３次元形状データを示す単位格子形状データと、受信する受信ステップと、
    前記サーフェス形状データのうち、前記造形物として積層造形される所定の積層厚さの層毎に、層毎の形状データである層形状データを取得する取得ステップと、
    前記層形状データの内部を前記単位格子形状データに変換した、層の造形データを生成する生成ステップと、
    前記生成ステップにより生成された前記層の造形データを、積層造形部に出力する出力ステップと、
    をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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