JP6480311B2 - サポート部材設計装置、方法、プログラム、構造体形成装置及び構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サポート部材設計装置、方法、プログラム、構造体形成装置及び構造体の製造方法に関し、特に管腔構造体のオブジェクトを三次元プリンタで造形するための技術に関する。

組成材料を積層することで、三次元の構造体を造形する三次元プリンタが知られている。この三次元プリンタでは、造形する構造体の傾斜角度等によっては組成材料を積層することができないため、組成材料を支持するサポート部材が必要となる。特許文献１〜３には、サポート部材の設計技術について記載されている。

特表２０１０−５３８８８２号公報 特開平９−１６９０５６号公報 特表２０１４−５３３６１７号公報

医療分野では、三次元ＣＴ（Computed Tomography）画像等の医用画像データに基づいて、臓器モデルを三次元プリンタで造形することが行われている。この臓器モデルは、手術のシミュレーション等に用いられる。

臓器内には、例えば肺血管や気管支等の分岐を有する管腔構造体が存在する。従来、これらの管腔構造体は、臓器のオブジェクトと一体に造形されていた。管腔構造体のオブジェクトは、臓器のオブジェクトと一体に造形される場合には臓器のオブジェクトによって支持されるため、管腔構造体のオブジェクトを支持するサポート部材については考慮する必要がない。

一方、コストダウンや管腔構造体単独の観察等の目的で、管腔構造体単独のオブジェクトの造形が望まれている。しかしながら、管腔構造体を積層造形しようとすると、至る所にオーバーハング部が生じることになり、このオーバーハング部を支持するためのサポート部材が必須となる。

しかしながら、特許文献１〜３の技術は、管腔構造体のオブジェクトを単独で造形することは想定されておらず、管腔構造体のオブジェクトの造形にそのまま適用することはできないという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、管腔構造体の三次元データにサポート部材のデータを適切に付加することができるサポート部材設計装置、方法、プログラム、構造体形成装置及び構造体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためにサポート部材設計装置の一の態様は、三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得手段と、三次元プリンタで印刷する際の管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定手段と、管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出手段と、芯線上の複数の点それぞれについて、芯線を天地方向に投影した投影芯線上の芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出手段と、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するデータ生成手段と、を備えた。

本態様によれば、管腔構造体の天地方向を決定し、管腔構造体の芯線を抽出し、芯線上の複数の点それぞれに対応する点における投影芯線上の接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出し、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するようにしたので、管腔構造体の三次元データにサポート部材のデータを適切に付加することができる。

サポート点抽出手段は、芯線上の全ボクセルの点についてサポート点を抽出することが好ましい。これにより、サポート部材のデータを必要な場所に付加することができる。

芯線と天地方向とが成す角度に基づいて、抽出されたサポート点に対するサポート部材の必要の有無を判断する判断手段を備え、データ生成手段は、サポート部材が必要と判断されたサポート点についてサポート部材のデータを付加することが好ましい。これにより、無駄なサポート部材のデータを付加することがない。

サポート点抽出手段は、断面に最下点以外の極小点が存在する場合に、極小点をサポート点として抽出することが好ましい。これにより、必要な場所にサポート部材のデータを付加することができる。

サポート点抽出手段は、最下点と極小点との距離が閾値距離以上離れている場合に極小点をサポート点として抽出することが好ましい。これにより、必要な極小点のみにサポート部材のデータを付加することができる。

サポート点抽出手段は、最下点と極小点との間に極大点が存在する場合に極小点をサポート点として抽出してもよい。これにより、必要な極小点のみにサポート部材のデータを付加することができる。

サポート部材は、少なくとも一部が天地方向に積層された構造を有する部材であることが好ましい。これにより、三次元プリンタで積層して印刷する際に適切に支持することができる。

上記目的を達成するために構造体形成装置の一の態様は、三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得手段と、三次元プリンタで印刷する際の管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定手段と、管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出手段と、芯線上の複数の点それぞれについて、芯線を天地方向に投影した投影芯線上の芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出手段と、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するデータ生成手段と、を備えたサポート部材設計装置と、生成された三次元データに基づいて組成材料を積層して印刷する三次元プリンタと、を備えた。

本態様によれば、管腔構造体の天地方向を決定し、管腔構造体の芯線を抽出し、芯線上の複数の点それぞれに対応する点における投影芯線上の接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出し、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成し、生成された三次元データに基づいて組成材料を積層して印刷するようにしたので、サポート部材が適切に付加された管腔構造体を印刷することができる。

三次元プリンタは、管腔構造体に対応する構造体とサポート部材とを同じ組成材料を積層して印刷することが好ましい。これにより、高価なサポート部材用の組成材料を用いる必要がなく、またサポート部材と造形する管腔構造体との位置ずれ等の発生を防止することができる。

上記目的を達成するためにサポート部材設計方法の一の態様は、三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得工程と、三次元プリンタで印刷する際の管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定工程と、管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出工程と、芯線上の複数の点それぞれについて、芯線を天地方向に投影した投影芯線上の芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出工程と、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するデータ生成工程と、を備えた。

本態様によれば、管腔構造体の天地方向を決定し、管腔構造体の芯線を抽出し、芯線上の複数の点それぞれに対応する点における投影芯線上の接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出し、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するようにしたので、管腔構造体の三次元データにサポート部材のデータを適切に付加することができる。

上記目的を達成するために構造体の製造方法の一の態様は、三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得工程と、三次元プリンタで印刷する際の管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定工程と、管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出工程と、芯線上の複数の点それぞれについて、芯線を天地方向に投影した投影芯線上の芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出工程と、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するデータ生成工程と、生成された三次元データに基づいて組成材料を積層して印刷する印刷工程と、を備えた。

本態様によれば、管腔構造体の天地方向を決定し、管腔構造体の芯線を抽出し、芯線上の複数の点それぞれに対応する点における投影芯線上の接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出し、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成し、生成された三次元データに基づいて組成材料を積層して印刷するようにしたので、サポート部材が適切に付加された管腔構造体を印刷することができる。

上記目的を達成するためにプログラムの一の態様は、三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得機能と、三次元プリンタで印刷する際の管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定機能と、管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出機能と、芯線上の複数の点それぞれについて、芯線を天地方向に投影した投影芯線上の芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出機能と、三次元データに対してサポート点を支持するサポート部材を付加した三次元データを生成するデータ生成機能と、をコンピュータに実現させる。

サポート部材設計方法をコンピュータに実行させるプログラムも本態様に含まれる。

本発明によれば、管腔構造体の三次元データに三次元プリントのためのサポート部材のデータを適切に付加することができる。

図１は、造形装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、構造体の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図３は、三次元の医用画像データの一例を示す図である。 図４は、気管支の一部を簡略化して示した図である。 図５は、気管支から抽出した芯線を示す図である。 図６は、投影気管支及び投影芯線を示す図である。 図７は、解析面を示す図である。 図８は、解析面における気管支の断面画像を示す図である。 図９は、気管支オブジェクトを示す図である。 図１０は、図８に示した解析面に対応するオブジェクト及びサポート部材の断面図である。

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。

＜造形装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る造形装置の構成の一例を示すブロック図である。造形装置１０（構造体形成装置の一例）は、構造体の三次元デジタルデータ（三次元データ）に基づいて構造体のオブジェクトを造形する装置であり、ここでは、特に分岐を有する管腔構造体を造形する。図１に示すように、造形装置１０は、サポート部材設計装置２０及び３Ｄ（Dimensional）プリンタ４０から構成される。

サポート部材設計装置２０は、取得した三次元データにサポート構造を有するサポート部材のデータを付加する装置であり、データ取得部２２、天地方向決定部２４、芯線抽出部２６、サポート点抽出部２８、判断部３０、及びデータ生成部３２等を備えている。

データ取得部２２（データ取得手段の一例）は、入力インターフェース（不図示）を介して構造体の三次元データを取得する。また、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリ（不図示）に予め記憶された三次元データを読み出して取得してもよい。本実施形態では、三次元の医用画像データを取得する。

天地方向決定部２４（天地方向決定手段の一例）は、データ取得部２２において取得した三次元データを３Ｄプリンタ４０で印刷（造形）する際の構造体の天地方向（投影方向）を決定する。天地方向は、構造体の重心が最も低い方向や、構造体の投影面積が最も小さい方向、構造体の投影芯線（芯線については後述）の長さの合計が最も短い方向等にすることができる。

芯線抽出部２６（芯線抽出手段の一例）は、三次元データに基づいて管腔構造体の芯線を抽出する。ここでは、三次元データに含まれる管腔構造体を抽出し、この管腔構造体を細線化処理することにより管腔構造体の芯線を抽出する。なお、その他の公知の方法によって芯線を抽出してもよい。

サポート点抽出部２８（サポート点抽出手段の一例）は、管腔構造体の三次元データに基づいて、管腔構造体のオブジェクトをサポート部材で支持するためのサポート点を抽出する。本実施形態では、サポート点抽出部２８は、芯線抽出部２６によって抽出した芯線上の複数の点それぞれについて、芯線を天地方向に投影した投影芯線上の芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による管腔構造体の断面を解析し、断面の最下点や極小点をサポート点として抽出する。サポート点の抽出方法についての詳細は後述する。

判断部３０（判断手段の一例）は、サポート点抽出部２８において抽出されたサポート点に対し、サポート部材の必要の有無を判断する。例えば、判断部３０は、芯線と天地方向とが成す角度に基づいてサポート部材の必要の有無を判断する。

データ生成部３２（データ生成手段の一例）は、管腔構造体の三次元データに対して、サポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データ（オブジェクトデータ）を生成する。

一方、３Ｄプリンタ４０（三次元プリンタの一例）は、入力された三次元データに基づいて組成材料を積層して構造体のオブジェクトを造形する装置であり、印刷制御部４２、組成材料供給部４４、ヘッド４６、走査部４８、支持台５０等を備えている。

印刷制御部４２は、３Ｄプリンタ４０を統括制御する。本実施形態では、データ生成部３２から取得したオブジェクトデータに基づいて、管腔構造体のオブジェクトの造形を行う。

組成材料供給部４４は、構造体のオブジェクトを造形するための組成材料をヘッド４６に供給する供給手段である。組成材料は、例えばフィラメント状のＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂であり、リール（不図示）に巻かれている。

ヘッド４６は、組成材料を積層する印刷手段である。ヘッド４６は、組成材料供給部４４から供給された組成材料を加熱して溶融し、この溶融した組成材料をノズル（不図示）から押し出して支持台５０の上に積層する。

走査部４８は、ヘッド４６を水平面で直交するＸ軸−Ｙ軸方向、及び鉛直方向であるＺ軸方向に走査する走査手段である。なお、走査部４８は、ヘッド４６と支持台５０とをＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に相対的に走査できればよく、ヘッド４６をＸ軸方向とＹ軸方向とに走査し、支持台５０をＺ軸方向に走査する態様や、ヘッド４６をＸ軸方向に走査し、支持台５０をＹ軸方向とＺ軸方向とに走査する態様も可能である。

支持台５０は、水平方向の支持面（不図示）を有する支持手段である。支持面には、ヘッド４６のノズルから押し出された組成材料が積層される。

ここでは、３Ｄプリンタ４０の方式として熱溶解積層法を用いたが、光学造形法やインクジェット法等の公知の方式を用いることができる。

＜構造体の製造方法＞
次に、造形装置１０を用いた管腔構造体のオブジェクトの製造方法について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。

造形装置１０は、最初に、データ取得部２２において三次元データを取得し、オブジェクトを造形する構造体を決定する（ステップＳ１、データ取得工程の一例）。図３は、三次元の医用画像データの一例を示す図であり、ここでは気管支１１０を含む人間の肺１００のデータを示している。本実施形態では、オブジェクトを造形する構造体を、気管支１１０（管腔構造体の一例）とする。

次に、天地方向決定部２４において、三次元データからオブジェクトを造形する管腔構造体（ここでは気管支１１０）のデータを取得し、３Ｄプリンタ４０でオブジェクトを造形する際の管腔構造体の天地方向（Ｚ軸方向）を決定する（ステップＳ２、天地方向決定工程の一例）。図４は、気管支１１０の一部を簡略化して示した図であり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向を図４に示す方向に決定したものとする。

続いて、芯線抽出部２６において、オブジェクトを造形する管腔構造体の芯線を抽出する（ステップＳ３、芯線抽出工程の一例）。図５は、図４に示した気管支１１０から抽出した芯線１１２を気管支１１０と共に示す図である。

次に、サポート点抽出部２８は、オブジェクトのサポート点を決定するための解析面を決定する（ステップＳ４）。ここでは、芯線１１２を形成する全ボクセルをＺ軸方向（天地方向）に投影して投影芯線１１２ａ（図６参照）とし、芯線１１２を形成する各ボクセルが投影された投影芯線１１２ａ上の各点における、投影芯線１１２ａの接線方向と垂直な平面を、芯線１１２を形成する各ボクセルに対応する解析面Ｐとする。

図６は、図５に示した気管支１１０をＺ軸方向に投影した投影気管支１１０ａ、及び投影芯線１１２ａを示す図である。また、図６には、複数の解析面Ｐの一部を示した。図６に示すように、解析面Ｐは、Ｚ軸方向に平行な面であって、投影芯線１１２ａの接線方向に垂直な面である。

次に、サポート点抽出部２８は、各解析面Ｐにおける管腔構造体（気管支１１０）の断面画像を作成する（ステップＳ５）。図７は、芯線１１２のあるボクセルの点Ａ１及びＡ２についての解析面Ｐ_Ａ１及びＰ_Ａ２を示す図であり、図８は、解析面Ｐ_Ａ１における気管支１１０の断面画像を示す図である。

サポート点抽出部２８は、各解析面Ｐにおける管腔構造体の断面画像において、管腔構造体の表面のボクセルの点であって、天地方向において最も低い点（鉛直方向において最も下方にある点）である最下点をサポート点として決定する（ステップＳ６）。これにより、芯線１１２の全ボクセルにおける解析面Ｐについて、それぞれ最下点のサポート点が決定される。図８に示す断面画像の例では、最下点Ｄ_Ａ１−１をサポート点として抽出する。

さらに、サポート点抽出部２８は、各解析面Ｐにおける管腔構造体の断面画像において、最下点以外の管腔構造体の表面のボクセルの点であって、天地方向下方の空間と接し、かつ管腔構造体の表面の接線の傾きがゼロとなる点のうち天地方向において局所的に最も低い点である極小点もサポート点として決定する（ステップＳ７）。図８に示す断面画像の例では、極小点Ｄ_Ａ１−２をサポート点として抽出する。

なお、極小点と最下点Ｄ_Ａ１−１との距離が閾値距離以上離れている場合にのみその極小点をサポート点として抽出してもよいし、極小点と最下点Ｄ_Ａ１−１との間に管腔構造体の表面のボクセルの点であって、天地方向下方の空間と接し、かつ各解析面Ｐにおける管腔構造体の表面の接線の傾きがゼロとなる点のうち天地方向において局所的に最も高い点である極大点が存在する場合にのみその極小点をサポート点として抽出してもよい。また、上記２つの条件をともに満たす極小点のみをサポート点として抽出してもよい。

さらに、サポート点抽出部２８は、各解析面Ｐにおける管腔構造体の断面画像において、最下点及び極小点以外の管腔構造体の表面のボクセルの点であって、天地方向下方の空間と接する点をサポート点として決定する（ステップＳ８）。例えば、上述の手法で決定されたサポート点（最下点及び極小点）を中心として、各解析面上で予め定められた範囲に予め定められた間隔で、管腔構造体の表面のボクセルをサポート点として決定する。最下点Ｄ_Ａ１−１及び極小点Ｄ_Ａ１−２における支持だけで十分と判断した場合は、新たなサポート点を決定しなくてもよい。

続いて、判断部３０は、ステップＳ６〜Ｓ８で決定したサポート点について、間引き処理を行う（ステップＳ９）。間引き処理は、芯線１１２が伸延する方向と芯線１１２の断面方向とに分けて行う。

まず、芯線１１２が伸延する方向について、芯線１１２の各ボクセルにおける接線と天地方向との角度が４５［°］以下の場合については、サポート部材は不要と判断し、そのボクセルの点のサポート点については全てサポート点から間引く処理を行う。なお、芯線１１２の接線と天地方向との角度が４５［°］以下の領域が連続するためにサポート部材の間引かれた領域が水平方向にある一定の距離を超えると、造形中にオブジェクトが不安定になる可能性がある。したがって、この場合は一定の距離毎にサポート部材を付加してもよい。即ち、一定の距離毎にサポート点から間引かない処理をする。

さらに、芯線１１２の各ボクセルにおける接線と天地方向との角度が４５［°］より大きい場合についても、予め定められた範囲において、サポート点から間引く処理を行う。サポート点を間引ける範囲は、組成材料等に応じて決めることができる。

また、芯線１１２の断面方向について、各解析面Ｐにおいて、各サポート点における管腔構造体の表面の接線と天地方向との角度が４５［°］以下の場合については、サポート部材は不要と判断し、そのサポート点についてはサポート点から間引く処理を行う。芯線１１２の伸延方向の場合と同様に、サポート部材の間引かれた領域が水平方向にある一定の距離を超えないように、一定の距離毎にサポート点から間引かない処理をしてもよい。

なお、このサポート点の間引き処理における閾値の角度（ここでは４５［°］）については、使用する組成材料に応じて実験的に決定すればよい。また、判断部３０による間引き処理は、省略することができる。

次に、データ生成部３２は、データ取得部２２において取得した三次元データに、サポート点抽出部２８及び判断部３０において決定したサポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成する（ステップＳ１０、データ生成工程の一例）。サポート部材のデータは、印刷制御部４２において管腔構造体のオブジェクトを造形する際にサポート部材を造形可能なデータであればよい。例えば、管腔構造体とサポート部材とを一体とした三次元データを生成してもよいし、サポート部材の構造を表す三次元データとサポート点の位置のデータとをデータ取得部２２において取得した三次元データのヘッダ等に付加してもよい。さらに、サポート部材のデータは、サポート部材の材料や色等の情報を含んでいてもよい。

本実施形態において、ステップＳ１〜ステップＳ１０が、サポート部材設計方法を構成する。

サポート点を支持するサポート部材は、少なくとも一部が天地方向に積層された構造を有する部材であり、例えば組成材料が支持台５０からサポート点まで天地方向上方に直線的に伸延する柱状部材である。また、サポート部材として、柱状部材から分岐して斜め上方に伸延する枝状部材を用いることもできる。サポート部材は、１つのサポート部材で複数のサポート点を支持可能な太さを有している。

ここで、支持台５０からサポート点までの距離（サポート部材の天地方向長さ）は、サポート点抽出部２８によってサポート点として決定された複数の最下点のうち、最も低い最下点（鉛直方向において最も下方にある最下点）を基準として決定する。

なお、判断部３０において、ステップＳ６において決定した芯線１１２の全ボクセルにおける最下点のうち天地方向において最も低い最下点をサポート点から間引いてもよい。この場合は、造形するオブジェクトのうち最も低い最下点に対応する点を支持台５０に直接支持させることになる。

次に、印刷制御部４２は、データ生成部３２から入力されたオブジェクトデータに基づいてヘッド４６及び走査部４８を制御し、支持台５０に組成材料を積層して印刷し、管腔構造体のオブジェクトを造形する（ステップＳ１１、印刷工程の一例）。

図９は、このように造形された気管支のオブジェクト１２０を示す図である。本実施形態で造形した気管支のオブジェクト１２０は、気管支１１０の実物大オブジェクトであり、その断面を略円形状に近似すると直径は２０［ｍｍ］以下程度である。なお、オブジェクト１２０は、外観形状は三次元データに基づいているが、気管支１１０とは異なり管腔構造とはなっていない。オブジェクト１２０の内部の充填率については、適宜決めることができる。

図９に示すように、気管支のオブジェクト１２０は支持台５０の上にサポート部材１３０によって支持されている。サポート部材１３０は、必要な場所に適切に形成されており、かつ、判断部３０においてサポート部材が必要と判断されたサポート点についてのみ形成されているため、無駄なサポート部材は形成されていない。また、サポート点を間引く処理により、隣接するサポート部材１３０同士に隙間ができるようにしているため、後述するサポート部材１３０の切り離しが容易になる。このように、本実施形態によれば、管腔構造体の芯線を抽出して、芯線を天地方向に投影した投影芯線の接線方向と垂直な面を解析面としてサポート点を決定したため、管腔構造体のオブジェクトをサポート部材によって適切に支持することができる。

図１０は、図８に示した解析面Ｐ_Ａ１に対応するオブジェクト１２０及びサポート部材１３０の断面図である。同図に示すサポート点Ｓ_Ａ１−１は最下点Ｄ_Ａ１−１に対応するサポート点であり、サポート点Ｓ_Ａ１−２は極小点Ｄ_Ａ１−２に対応するサポート点である。図１０（ａ）に示す例では、サポート点Ｓ_Ａ１−１及びサポート点Ｓ_Ａ１−２が、それぞれ柱状部材１３１によって支持されている。

また、図１０（ｂ）に示す例では、サポート点Ｓ_Ａ１−１及びサポート点Ｓ_Ａ１−２とは離れた位置にある複数のサポート点がそれぞれ柱状部材１３１によって支持されている。サポート点Ｓ_Ａ１−１及びサポート点Ｓ_Ａ１−２以外のサポート点は、ステップＳ８における処理により決定されたサポート点である。

さらに、図１０（ｃ）に示す例では、サポート点Ｓ_Ａ１−１及びサポート点Ｓ_Ａ１−２を含む各サポート点は、柱状部材１３１及び枝状部材１３２を用いて支持されている。このように、データ生成部３２は、サポート部材のデータとして、柱状部材１３１のデータ及び枝状部材１３２のデータのいずれのデータを付加してもよい。枝状部材１３２は、天地方向との角度が４５［°］以下の角度で形成される。このように、枝状部材１３２を用いることで、サポート部材として使用する組成材料の使用量を減らすことができる場合がある。

なお、管腔構造体が分岐している場合は、分岐した管腔構造体毎に上記の処理を行う。その結果、サポート点抽出部２８及び判断部３０において決定したサポート点の天地方向下方に他の管腔構造体が存在する場合は、オブジェクト間にサポート部材が形成される。

例えば、図５に示す気管支１１０−１と気管支１１０−２とは、図６に示すように気管支１１０−１の投影気管支１１０−１ａと気管支１１０−２の投影気管支１１０−２ａとが天地方向に重なりを有している。ここで、気管支１１０−２のサポート点の天地方向下方に気管支１１０−１が存在する場合には、図９に示すように、気管支１１０−２に対応するオブジェクト１２０−２を支持するサポート部材１３０−１は、気管支１１０−１に対応するオブジェクト１２０−１からオブジェクト１２０−２まで積層される。

また、本実施形態では、気管支のオブジェクト１２０とサポート部材１３０とは、同じ組成材料を積層し造形したが、それぞれ異なる組成材料を積層する複数のヘッド４６を用いて、気管支のオブジェクト１２０とサポート部材１３０とを異なる組成材料で造形してもよい。

最後に、サポート部材１３０を気管支のオブジェクト１２０から切り離し、オブジェクト１２０単体の状態にする（ステップＳ１２）。サポート部材１３０は、判断部３０においてサポート部材が必要と判断されたサポート点についてのみ形成されているため、サポート部材１３０の切り離しの作業を、最小限の労力と時間で行うことができる。このようにサポート部材１３０を切り離すことにより、完成した気管支のオブジェクト１２０を単独で観察することができる。

なお、本実施形態では、サンプリング済みの三次元デジタルデータのボクセルを基準単位として処理を行ったが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、上記実施形態ではサンプリングされた離散的なボクセルとして処理を行っているが、連続的な構造に対して処理を行ってもよい。これにより、例えばサブボクセル単位でサポート点の位置を決定し、造形出力することも可能となる。

上記のサポート部材設計方法や構造体の製造方法は、コンピュータにデータ取得工程、天地方向決定工程、芯線抽出工程、サポート点抽出工程、データ生成工程、印刷工程の各工程を実行させるデータ取得機能、天地方向決定機能、芯線抽出機能、サポート点抽出機能、データ生成機能、印刷機能を実現させるためのプログラムとして構成し、このプログラムを記憶したＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk-Read Only Memory）等の非一時的な記録媒体を構成することも可能である。

本発明の技術的範囲は、上記の実施形態に記載の範囲には限定されない。各実施形態における構成等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各実施形態間で適宜組み合わせることができる。

１０…造形装置、２０…サポート部材設計装置、２２…データ取得部、２４…天地方向決定部、２６…芯線抽出部、２８…サポート点抽出部、３０…判断部、３２…データ生成部、４０…３Ｄプリンタ、４２…印刷制御部、４４…組成材料供給部、４６…ヘッド、４８…走査部、５０…支持台、１００…肺、１１０…気管支、１２０…オブジェクト、１３０…サポート部材、１３１…柱状部材、１３２…枝状部材

Claims (12)

1. 三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得手段と、
   前記三次元プリンタで印刷する際の前記管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定手段と、
   前記管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出手段と、
   前記芯線上の複数の点それぞれについて、前記芯線を前記天地方向に投影した投影芯線上の前記芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による前記管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出手段と、
   前記三次元データに対して前記サポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するデータ生成手段と、
   を備えたサポート部材設計装置。
2. 前記サポート点抽出手段は、前記芯線上の全ボクセルの点について前記サポート点を抽出する請求項１に記載のサポート部材設計装置。
3. 前記芯線と前記天地方向とが成す角度に基づいて、前記抽出されたサポート点に対する前記サポート部材の必要の有無を判断する判断手段を備え、
   前記データ生成手段は、前記サポート部材が必要と判断された前記サポート点について前記サポート部材のデータを付加する請求項１又は２に記載のサポート部材設計装置。
4. 前記サポート点抽出手段は、前記断面に前記最下点以外の極小点が存在する場合に、前記極小点をサポート点として抽出する請求項１から３のいずれか１項に記載のサポート部材設計装置。
5. 前記サポート点抽出手段は、前記最下点と前記極小点との距離が閾値距離以上離れている場合に前記極小点を前記サポート点として抽出する請求項４に記載のサポート部材設計装置。
6. 前記サポート点抽出手段は、前記最下点と前記極小点との間に極大点が存在する場合に前記極小点をサポート点として抽出する請求項４又は５に記載のサポート部材設計装置。
7. 前記サポート部材は、少なくとも一部が前記天地方向に積層された構造を有する部材である請求項１から６のいずれか１項に記載のサポート部材設計装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のサポート部材設計装置と、
   前記生成された三次元データに基づいて組成材料を積層して印刷する三次元プリンタと、
   を備えた構造体形成装置。
9. 前記三次元プリンタは、前記管腔構造体に対応する構造体と前記サポート部材とを同じ前記組成材料を積層して印刷する請求項８に記載の構造体形成装置。
10. 三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得工程と、
    前記三次元プリンタで印刷する際の前記管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定工程と、
    前記管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出工程と、
    前記芯線上の複数の点それぞれについて、前記芯線を前記天地方向に投影した投影芯線上の前記芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による前記管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出工程と、
    前記三次元データに対して前記サポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するデータ生成工程と、
    を備えたサポート部材設計方法。
11. 三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得工程と、
    前記三次元プリンタで印刷する際の前記管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定工程と、
    前記管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出工程と、
    前記芯線上の複数の点それぞれについて、前記芯線を前記天地方向に投影した投影芯線上の前記芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による前記管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出工程と、
    前記三次元データに対して前記サポート点を支持するサポート部材のデータを付加した三次元データを生成するデータ生成工程と、
    前記生成された三次元データに基づいて組成材料を積層して印刷する印刷工程と、
    を備えた構造体の製造方法。
12. 三次元プリンタで積層して印刷するための管腔構造体の三次元データを取得するデータ取得機能と、
    前記三次元プリンタで印刷する際の前記管腔構造体の天地方向を決定する天地方向決定機能と、
    前記管腔構造体の芯線を抽出する芯線抽出機能と、
    前記芯線上の複数の点それぞれについて、前記芯線を前記天地方向に投影した投影芯線上の前記芯線上の複数の点それぞれに対応する点における接線方向と垂直な面による前記管腔構造体の断面の最下点をサポート点として抽出するサポート点抽出機能と、
    前記三次元データに対して前記サポート点を支持するサポート部材を付加した三次元データを生成するデータ生成機能と、
    をコンピュータに実現させるためのプログラム。
    

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