JPH07227898A - ブリッジング技術を含む部品作成方法 - Google Patents

ブリッジング技術を含む部品作成方法

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JPH07227898A
JPH07227898A JP6307377A JP30737794A JPH07227898A JP H07227898 A JPH07227898 A JP H07227898A JP 6307377 A JP6307377 A JP 6307377A JP 30737794 A JP30737794 A JP 30737794A JP H07227898 A JPH07227898 A JP H07227898A
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John Sam Batchelder
ジョン・サム・バチェルダー
Anil Kaul
アニル・コール
James Urey Korein
ジェームズ・ユーリー・コイレン
Christopher John Ryan
クリストファー・ジョン・リャン
Kostantinos A Tarabanis
コンスタンティノス・アサナシオス・タラバニス
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International Business Machines Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブリッジングに適した流動性材料を使ってコ
ンピュータ援用設計モデルから部品を作成する方法。 【構成】 この方法は、新たな材料を基材に供給するこ
とにより、継続的に基材を増補することによって部品の
少なくとも一部分を形成するステップと、形成力が、新
たに供給された材料の軸方向張力によりほぼ阻止される
ように、所定の設計に従って新たな材料を基材に供給す
るステップとを含む。 【効果】 支持構造を大幅に減少させることができる、
新規なブリッジング技術が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速プロトタイピング
技術に従って部品を作成するのに適した新規な方法に関
し、特に、ブリッジング技術を含む方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】高速プロトタイピング技術は、コンピュ
ータ援用設計（ＣＡＤ）モデルから直接３次元の物体ま
たは部品を作成する機能を提供することができる。
【０００３】この機能は最近の製造工程における融通性
を大きく高めている。例えば、３次元のモデル、モール
ドまたはパターンの設計、再設計、プロトタイピングま
たは生産を含む製造工程は現在では、月ではなく時間ま
たは日を単位として効率的に実現することが可能であ
り、もっと遅く、複雑で高価な手動による加工技術は不
要になっている。参考資料には、例えば、米国特許第５
１４１６８０号、第５１３７６６２号、第５１２１３２
９号および第４７４９３４７号明細書がある。
【０００４】新規なブリッジング技術を含む、部品作成
方法を提供することの１つの動機は、部品を作成しなが
ら支持を与えるという問題に関連して生じた。
【０００５】具体的には、高速プロトタイピング技術の
重要かつ一般的な機能は、物体または部品が通常、底部
または基部から上に向かって水平な層状に作成されるこ
とである。この水平部品層工程のどの時点においても、
図１に示すように、部品１０は、支持されていない部分
を有する可能性がある。例えば、支持されない部分を有
する「つらら」または「鍾乳石」型形状１２を含む形状
は垂直（重力）方向における極小に対応する。さらに、
下から支持されていないオーバハング１４がある場合が
ある。少なくとも部品がなんとか自立するまで、支持さ
れていない部分を支えるため一時的支持手段を設けるこ
とができなければ、そのような重力的に不安定な構造物
は崩壊する恐れがあることが知られている。
【０００６】不可欠な支持手段を提供する方法が幾つか
使用（または使用することを提案）されている。例え
ば、米国特許第４９９９１４３号明細書に開示された１
つの方法は、ウェブ支持体等の実際の組立支持体を提供
する。図２は種々のウェブ支持体１６を示し、図３はそ
の他の例示的支持体１８、２０を示す。市販の支持用の
商品には、ソフトウェア・パッケージ、例えば、Bridge
Works と名づけられたSolid Concepts （カリフォルニ
ア州バレンシア）から入手可能なタイプ、および Magic
s 2.1 Short Guide for Demo Version （ベルギー、ル
ーベン１９９１年）がある。
【０００７】本発明者等はこれら種々の支持手段の幾つ
かを分析し、それらの相対的な利点および欠点を評価し
た。比較の結果、支持手段によって制作するのに要する
時間が異なることがあり、また支持手段によって、下側
の部品に重大な損傷を与えることなく部品から除去する
のに要する力が異なり、またある支持手段は融通性およ
び革新の点で、多かれ少なかれ部品設計を不当に制限ま
たは限定することがあるとの判断を下した。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、この
分析に基づいて、作成する支持体をできるだけ少なくす
ることが望ましく、これらの支持体はできるだけ少量の
材料を使用することが好ましく、支持される部品との接
触を最小限にすべきとの結論の下に、これらを達成する
ことにある。
【０００９】本発明の目的は、上述のように、新規な部
品作成方法を提供するための動機は、実現可能な支持手
段のこのような問題を解決することにある。
【００１０】本発明の目的は、本発明者等は支持体の問
題を取り上げたが、独特な利点、すなわち、既存の支持
手段を補足または補助する形で使用することができる新
規なブリッジング技術を提供するということにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この新規なブリッジング
技術によれば、必要とされる支持構造を大幅に減少させ
ることが可能である。この新規なブリッジング技術はま
た、以下に示すその他の重要な利点を実現する。
【００１２】したがって、流動性があってブリッジング
に適した材料を使用して、コンピュータ援用設計モデル
から部品を作成するための新規な方法が開示される。こ
の方法は以下のステップを含む。 １）新たな材料を基材に供給することによって基材を連
続的に増すことにより、部品の少なくとも一部分を形成
するステップ、および ２）新たに供給された材料の軸方向張力により形成力が
実質的に妨げられるような所定の設計に従って新たな材
料を基材に供給するステップ。
【００１３】上で説明したように、必要とされる支持手
段を大幅に減少させることが可能であるので、新規なブ
リッジング方法は大きな利点を実現することができる。
さらに、支持手段または構造が減少するため部品の後処
理の必要性が低減し、作成時間が短縮できるので、関連
した利点を実現することができる。さらに、新規なブリ
ッジング方法は、階層化構造を伴うことなく、ほぼ水平
な平坦面を形成するため有利に使用することができる。
【００１４】
【実施例】
定義および例 本発明は上記のように要約される。初めに、要約された
発明から抽象される、または発明の好ましい実施例を参
照するために使用される語、句または概念の以下の定義
および例について説明する。
【００１５】「部品」は、機械的構成要素、玩具、医学
的人工器官、または建築モデル等を含む任意の物理的構
成要素またはモデルを指すことができる。部品の任意の
部分または副構成要素を指す場合もある。さらに、部品
を支持するために形成することができる支持構造、なら
びに他の副構成要素と組み合わされた支持構造を指すこ
とがある。
【００１６】「コンピュータ援用設計モデル」という句
は、物理的対象または部品の幾何形状を記述することが
できると共に、部品を任意の向きでコンピュータに描か
せることができる構造またはファイルを指す。
【００１７】「ブリッジング」という概念は、材料ビー
ドが材料の軸方向張力により形成力を妨げることが可能
になる形成技術を指す。この文脈では、材料ビードは
「ブリッジ」と呼ばれる。
【００１８】「基材」という句は、既に形成された部品
の一部分、または部品が作成される作業空間内またはそ
の近傍にある他の立体物体を指す。
【００１９】「新たな材料」という句は、基材に付加さ
れる過程にある材料を指す。
【００２０】「所定の設計に従って供給される材料」と
いう句は、基材または既に供給された材料と特定の幾何
的または物理的関係を有するように供給される材料を指
す。
【００２１】「形成力」という概念は、形成中に物体に
供給される新たな材料に働く力を指す。形成力には重
力、押出しノズルに対する付着力、および同等の周囲の
流体流が含まれる。
【００２２】「軸方向張力による相当な抵抗」という句
は、軸方向張力の物体の最初に意図された位置からの小
変位よりも多い変位を妨げるのに十分な抵抗を指す。こ
の場合、小変位は押出し材の直径よりも小さい変位とし
て定義することができる。
【００２３】「ブリッジ距離」という句は、大きな変位
を伴わずに材料ビードがブリッジングを行うことができ
る最大距離を指す（図５参照）。この場合、大きな変位
は、１ビードの直径よりも大きい。
【００２４】「シェルフ距離」という句は、大きな垂直
変位を伴わずにシェルブ・アウト可能な最大水平距離を
指す。
【００２５】ブリッジング方法の概説 上で要約したように、新規なブリッジング方法は、押し
出される際に材料ビードの軸方向張力を利用することが
できる流動性材料を押し出すことにより部品を形成する
こと、すなわち、「ブリッジング」を含む。
【００２６】ブリッジング方法は、どのような瞬間にも
以下のように記述することができる。
【００２７】部品を作成中に、どのような瞬間にも、形
成されたばかりの部品の一部分があり、これは基材と呼
ばれる。新たな材料が基材に供給されるとき、この新た
な材料に幾つかの力が作用する可能性がある。これらの
力には、とりわけ内部エリア、重力、空気または別の流
動性媒体の流れ、熱収縮により誘起された歪み、または
基材および押出しノズルに対する新たな材料の付着力が
ある。これらの力はまとめて形成力として定義される。
新規なブリッジング方法は、新たに供給された材料の軸
方向張力により形成力がほぼ阻止されるように新たな材
料を基材に供給することを含む。
【００２８】ブリッジングの２つの例を示す図４および
図５を参照する。図４では、新たな材料２２が基材２４
から押出しノズル２６にブリッジングすることにより、
ブリッジ距離２８の長さのブリッジを画定する。図５で
は、新たな材料３０が第１の基材３２のある部分から第
２の基材３４の一部分にブリッジングすることにより、
ブリッジ距離３６の長さのブリッジを画定する。これら
は、変位が２ｍｍ未満、長さの約１２．５ｍｍのブリッ
ジを示している。２つのブリッジング例では、材料ビー
ドの軸方向張力はケーブルのように形成力を阻止する。
【００２９】一般に、部品または支持体の形成では、押
出しのパターンは、新たな材料は、重力およびその他の
形成力に抗して、基材中の既に押し出された材料にブリ
ッジングするようなものでなければならない。適当な押
出し装置、材料、およびブリッジング方法を実現するた
めの計算アルゴリズムは、その効果的な応用を実現する
上で重要である。好ましいそのような装置、材料および
アルゴリズムについて以下に詳しく説明する。
【００３０】好ましい実施例：装置、材料およびアルゴ
リズム 最初に図６を参照する。図６は、本方法を実現するのに
適した押出し装置３８の主な特徴を示す。概略的には、
押出し装置３８は、好ましくは溶融した熱プラスチック
または同様の粘着性材料４２が流れ出る小形ノズル４０
の位置を制御することにより、コンピュータ援用設計デ
ータから３次元プロトタイプ部品を作成するためのユー
ティリティを有する。
【００３１】具体的には、ソフトウェアを使用して（周
知の方法で）ＣＡＤのソリッド・モデルから薄い、好ま
しくは水平の断面を作ることができるが、このソリッド
・モデルは好ましくは、対応するｘ−ｙ平面で小計ノズ
ル４０が動くときにその位置を制御するために使用され
る。溶融した熱プラスチックまたは同様の粘着性材料４
２は、ノズル４０が移動するに従いノズル４０から押し
出されることにより、ＣＡＤモデルにより表わされる層
を物理的に再現することが可能である。押出し量はノズ
ル４０の速度に合わせて制御されることが好ましく、必
要に応じて増減される。
【００３２】第１の層が完成されたとき、部品が載って
いる台４４に対して、完成されたばかりの層の厚みだ
け、すなわち、好ましくはノズル４０の直径に対応する
量だけノズル４０を持ち上げることができ、押し出され
たビードがもたらされる。この工程は、プロトタイプ部
品が完成するまで、第２の層およびそれ以降の層につい
て反復することができる。層は同じ厚みまたは均一な厚
みである必要はない。
【００３３】上で示したように、図６の押出し装置３８
は、本方法のステップを実現するための汎用ユーティリ
ティを有する。本方法は、所定の設計に従って新たな材
料を基材に供給することにより基材を継続的に増加する
ことによる、任意の部品の少なくとも一部分の形成に関
する記述を含めて、実現性についてのその他の制限およ
び要件を有するので、これらその他の制限を理解するた
めに有用な好ましい計算アルゴリズムを次に取り上げる
ことにする。
【００３４】好ましい実施例：幾何的問題 支持材に対する一般的手法 部品のある重要部分に対する支持体を作成することは、
高速プロトタイピング工程では重要なステップである。
【００３５】部品は下から上に層状に作成されることが
好ましいので、作成中の現在の層Ｌiが、直前の層Ｌi-1
によって下から支持されていない部分を有するときは常
に、層Ｌiのそれらの部分は支持される必要がある。さ
もなければ、それらの部分は壊れる恐れがあり、完成さ
れた部品の幾何形状が元の部品の幾何形状を忠実に再現
しないことがある。そのような可能性を避けるため、先
ずそのような崩壊の可能性が存在する部品の部分を見極
めて、それらの場所に支持材を挿入する。支持材を作る
ために使用される手法は以下の４つの考慮すべき問題に
よって触発されている。
【００３６】１．スライスのための経路の計算は、実際
にそれを作成するのに要する時間に匹敵する時間を要す
ることがよくある。したがって、２つの工程は、並行し
て実行されるフロント・エンド工程およびバック・エン
ド工程としてそれぞれ構造化されることが好ましい。こ
れにより、全体的な形成時間は相当に短縮される。この
点に照らして、使用されるどのような支持戦略も、フロ
ント・エンドまたはバック・エンドのいずれか一方の実
行時間を過度に増大させてはならない。
【００３７】２．支持材の形成では、部品の元の幾何形
状のみならず、ＣＡＤモデルをプラスし、経路を発生さ
せることから生じる加工物をも考慮することが望まし
い。
【００３８】３．支持材の形成では、形成材料の特定の
特性を利用することが望ましい。具体的には、材料ビー
ドが張力下に置かれるとき、大きな変位を伴わずに、２
つの支持材の間のある距離にわたってブリッジすること
ができる。
【００３９】４．支持材は、部品の層を満たすために使
用される経路を支持する。
【００４０】これらの目的のため、支持材に対する以下
の一般的手法が好ましい。
【００４１】図７に示すように、垂直スラブ５０の間に
またがる水平ジョイスト４８の上に部品４６を支持する
ことが好ましい。支持される必要がある部品４６の部分
を識別する。次に、これらの部分の近傍に、ブリッジ距
離だけ隔たった一組の平行な垂直スラブを計算する。続
いて、部品をスライスすることにより各層を計算すると
き、スライスの支持されていない領域を決定される。こ
の時点で、２つのスラブ間にまたがるジョイストが、こ
れらの支持されていない領域を支持するように計算され
る。
【００４２】図８は、支持されていない面を有する部品
５２の一例を示し、対応する垂直スラブ５６を有する部
品５４を図９に示す。図１０は部品５８、および部品５
８を支持するために必要とされるジョイスト６０を示
す。図１１は、スラブ６４およびジョイスト６６を共に
有する部品６２を示す。
【００４３】これらの操作を実行することができるソフ
トウェアについて以下の項で詳述する。
【００４４】支持スラブの作成 この項では、垂直スラブを作成するための好ましいアル
ゴリズムについて説明する。
【００４５】スラブを決定するため、部品モデルの境界
表示が入力として必要である。この入力はＳＴＬ書式で
のみ指定されることがよくある（参照：ステファン J.
ロック（Stephen J. Rock）の Solid freeform fabrica
tion and cad interfacing.Technical Report 91036, R
ensselaer Polytechnic Institute Design and Manufac
turing Institute, 1991年12月号）。
【００４６】ＳＴＬ書式は近傍情報なしに、部品の境界
を三角形の集まりとして表現する。この場合は、ＳＴＬ
ファイルから完全な境界グラフを発生し、印刷される対
象に関する有効な境界表現を得ることが好ましい。この
境界表現は、面、辺および頂点から成る多面体を含むこ
とが好ましい。また、入力として、好ましくは部品を作
るため使用される特定の材料のブリッジ距離を含む材料
の特性が必要とされる。さらに、最小限面および辺を選
択するための限界角は材料に依存する。これは平坦面に
対する法線と負のＺ軸（下方向）の間の角度である。こ
の限界角は臨界角と呼ばれる。面に対する法線とＺ軸の
間の角度が臨界角よりも大きい場合は、そのような面を
自立していると見なすことが好ましく、そのための支持
材は必要ない。同じ臨界角は最小辺を決定するために使
用される。
【００４７】支持材作成アルゴリズムは、必要とされる
かも知れない任意のジョイストを支持することができ、
さらに部品から容易に分離可能である一組の平行スラブ
を決定する。
【００４８】スラブ・アルゴリズムは次の通りである。
【００４９】スラブ作成アルゴリズム 入力：入力多面体（第一の八分円に嵌合するよう並進さ
れる）、ブリッジ距離（ｂｄ）および臨界角（ｃａ）に
対する境界表示。 出力：ｘ軸に垂直な垂直スラブに対する境界表示。 １．ｘ軸に沿った部品のスパンがｘｍｉｎ−ｘｍａｘで
あるとすると、構成面Ｐiは
【数１】 により与えられる。 ２．全ての最小面Ｆを決定する。 ３．Ｆの任意の構成要素を制限しない全ての最小辺Ｅを
決定する。 ４．ＦまたはＥの任意の構成要素を制限しない全ての最
小頂点Ｖを決定する。 ５．Ｆ、ＥおよびＶにおける各要素についてｘ軸に沿っ
てスパンを決定する。 ６．各平面Ｐiについて、多角形Ｄi＝ヌルに初期設定す
る。 ７．各面ｆ∈Ｆについて、スパンｆxmin→ｆxmaxで、ｆ
の近傍の各平面Ｐi上にｆを投影してＶfを発生する。平
面Ｐiは、
【数２】 である場合はｆの近傍にある。
【００５０】図１２の（ａ）は、ｘ軸を見下ろす幾つか
の最小面６８を示す。図１２の（ｂ）は、ｙ軸を見下ろ
すそれらの投影７０を示す。
【００５１】８．同様に、各辺ｅ∈Ｅおよび頂点ｖ∈Ｖ
をそれらの近傍の各平面Ｐi上に投影する。すなわち、
それぞれ
【数３】 および
【数４】 の場合である。辺および頂点の投影について、投影され
た構成要素をそれぞれＶeおよびＶvとする。 ９．Ｐiにおける各ｖfについて、
【数５】を計算する（図１２の（ｃ）、参照番号７２参
照）。 １０．Ｐiにおける各Ｖeについて、
【数６】を計算する。 １１．Ｐiにおける各Ｖvについて、
【数７】を計算する。 １２．ｚ軸に沿ったＤiのスパンがｚｍｉｎ→ｚｍａｘ
である場合は、量ｚｍａｘだけ負のｚ軸に沿って掃引す
ることにより、各領域Ｄiについて領域Ｕiを構成する。
すなわち、Ｄiが点（ｘ，ｙ，ｚ）を含む場合は、Ｕ
iは、
【数８】になるように全ての点（ｘ，ｙ，ｚ'）を含
む。ＤiおよびＵiは図１２の（ｄ）で参照番号７４で示
される。 １３．各平面Ｐiについて、部品とのその交線Ｉiを見つ
け、Ｐiに沿った部品のスライスを発生する。 １４．各平面Ｐiについて、その対応する領域ＵiからＳ
iを差し引いて、スラブ（Ｓｌi）を発生する。 １５．ｙ軸に沿って平面領域Ｓiを掃引することによ
り、小さな量（通常、２ないし３ビード幅）だけそれら
を厚くして、立体スラブを作成する。
【００５２】次に、上記アルゴリズムのステップの幾つ
かを詳細に考察する。最小面を決定するには、面がｘｙ
平面と成す角度を見つけることが必要である。このこと
は、面に対する外部法線が負のｚ軸となす角度を測定す
ることにより容易になし得る。
【００５３】面ｆに対する外部法線をＮfで表し、右ね
じの法則により定義された、ｆの境界をなす辺ｅに対す
る接線をＴeにより表示させる。次に、面ｆおよび辺ｅ
が与えられると、ｆに関するｅに対する面内法線Ｎe、f
は、面の内部方向を指すような向きを与えられた、方向
Ｎf×Ｔeを有する単位ベクトルにより定義される。
【００５４】このことを前提として、辺が部分的に凸状
であり（すなわち、反り返った辺ではない）、この辺に
より境界をつけられる面の面内法線が負のｚ軸との負の
点乗積を有し、さらにこの辺がｘｙ平面となし角度が臨
界角よりも小さい場合に、この辺は最小辺と見なされ
る。
【００５５】頂点は、ｘｙ平面がその頂点における入力
多面体のための局所支持平面であり、さらにその頂点か
ら出る任意の辺に沿ったベクトルが負のｚ軸との負の点
乗積を有する場合に、最小頂点と見なされる。
【００５６】通常の幾何モデリング技術のアプリケーシ
ョンは、ブール代数、オフセットおよび曲線を計算する
ため利用することができる。
【００５７】経路の発生 任意の幾何形状の部品を作るため、幾つかの技術が好ま
しい実施例で使用されている。部品は一連の水平平面層
として作成されることが好ましい。
【００５８】ここで説明する経路発生手順は、平面層
（通常は）を満たすための図６のノズル４０のための経
路を発生する。ここで説明する手順の場合は、好ましく
は一定の幅Ｗを有する材料ビードで層が充填されるもの
とする。
【００５９】概して、発生される経路は、使用されるハ
ードウェア技術に適するようになるため、２つの独自の
条件を満たすことが好ましい。最初の条件は、図６のノ
ズル４０が材料を付着させている間に、ある領域内の任
意の点を厳密に１回だけノズル４０の経路が通ることが
できるような経路であること、すなわち、シングルパス
条件である。このシングルパス条件は、充填されていな
い部分または過度に充填された部分が層にないことを保
証する。２番目の条件は、経路は、下から完全に支持さ
れた部分、すなわち、シェルフまたはブリッジを含むこ
と、すなわち、支持条件である。
【００６０】好ましくは、経路発生手順に対して３種類
の入力がある。第１の入力は、一組の交差するところが
ない単純な閉曲線境界として表された部品層Ｌiを含む
（図１３、参照番号７６を参照）。ここでは、各境界は
線分と、多分円弧から成ることが好ましい。第２の入力
は下の層Ｌi-1（図１４、参照番号７８を参照）と上の
層Ｌi+1（図１５、参照番号８０を参照）から成る。第
３の入力はビード幅Ｗから成る。
【００６１】経路発生手順からの出力は、層Ｌiを充填
する（すなわち、覆う）曲線の順序づけられたリストを
含む。これらの経路は開曲線でも閉曲線でもよく、好ま
しくは、各々は直線の線分と円弧から成る。リスト内の
経路はＰjと呼ばれる。経路の順序は、各経路が作成さ
れるときに何らかの方法で支持されるようになってい
る。各経路Ｐjは以下のタグの１つで表示される。 支持済み--経路は下から支持されている。 シュルブ済み--経路は下から支持されていないが、既に
配置された隣接ビードからシェルブ・アウトする。 ブリッジ済み--経路は支持されたある点から別の点にブ
リッジしており、張力下で形成されねばならない。
【００６２】経路発生手順の第１のステップは、充填す
べき層を数個の別々の領域に区切り、各領域は、それが
どのように支持されているか、および美的要件に応じ
て、異なった戦略を使って充填することができる。手順
のこの部分は以下の命令セットに従って記述することが
できる。 １．境界の小距離ｄb内にある層Ｌiの一部分である層Ｌ
iの境界領域Ｂを計算する。この領域は部品の外観（す
なわち、外観および感触）にとって重要であり、その充
填に際して十分な注意を払うことが好ましい（例えば、
ノズル２４をゆっくり動かす）。Ｌiの残りの部分を
【数９】 は以降Ｌiバーと記載する。と呼ぶことにする。 ２．Ｌiバーの下側の層Ｌi-1により支持された部分であ
る、Ｌiの支持された領域Ｓを決定する。 ３．Ｌiバーの下側の層Ｌi-1により支持されていない部
分である、Ｌiバーの支持されていない領域Ｕを決定す
る。
【００６３】一度層Ｌiが区切られたときは、以下の３
つの技術の１つを使って充填することが好ましい。
【００６４】１．ジグザグ--領域が平行な隣接線分によ
り充填される（軸平行充填）。 ２．閉曲線オフセット--領域が、充填すべき領域の全境
界からのオフセット曲線で充填される（輪郭平行充
填）。各オフセットはその前のオフセットから内方に向
かう固定距離である。領域が充填されるまで処理は継続
する。 ３．開曲線オフセット--境界の開曲線分がオフセットの
ために印をつけられる。オフセットは境界のこの部分か
らのみ計算される。繰返しの度に、前のオフセットの結
果がビード直径Ｗだけ再び片寄せされ、結果として得ら
れるオフセットが、充填すべき領域にクリップされる。
【００６５】Ｌiの領域を充填する順序は、支持条件を
満足させるため明らかに重要である。Ｓが初めに充填さ
れ、Ｕが続き、次にＢが続く。計算された経路はシング
ルパスおよび支持条件をほぼ満足させるだけであること
が留意される。これらの条件の違背について以下の３項
で考察する。
【００６６】Ｉ．支持領域のための経路発生 Ｌiが区切られる３つの領域の内、充填されることが好
ましい第１の領域は支持領域Ｓである。支持条件は自動
的に満たされるので、Ｓは上記技術の任意のものを使っ
て充填することができる。例えば、ジグザグの閉曲線オ
フセットを使用することができる。
【００６７】支持領域のジグザグ化 ジグザグ化手順は知られており、ペン・プロッタで領域
を充填するため、および数値制御機械ツールで領域をク
リアするため広く使用されている。
【００６８】閉曲線オフセットによる支持領域の充填 一般に、数値制御機械ツールで材料をクリアするために
しばしばオフセットが、計算される。例えば、参考資料
として、M.ヘルド（Held）の On the Computational Ge
ometry of Pocket Machining, Springer-Verlog, ニュ
ーヨーク、１９９１年があり、引用により本明細書に組
み込まれる。
【００６９】閉曲線オフセットを使って支持領域を充填
するときは、Ｓの全境界（すなわち、全ループ）を1/2
ビード幅（ｗ）だけ、次にビード幅ｗの整数倍だけ（す
なわち、
【数１０】 等）連続的に片寄せさせることが好ましい。
【００７０】Ｓの境界全体のオフセットを計算すること
により、結果的に得られる経路は閉じており、Ｓの境界
とは交差しない。特定の一組の閉ループのみがオフセッ
ティングのため選ばれた場合は、結果として得られるオ
フセットを、充填すべき領域にクリップする必要があ
る。
【００７１】支持領域の充填における制約 上述のように、ジグザグおよびオフセット経路は共に前
述のシングルパス条件をほぼ満たすだけである。
【００７２】具体的には、幅ｗの経路が適合しないの
で、幾つかの点が充填されない（空白）。また、経路の
局所的自己干渉は検査されないので、幾つかの点は複数
充填される（過剰充填）。
【００７３】空白の大きさを減少させるため、好ましく
はある最小ビード直径までの分数ビード幅による充填が
一般に用いられている。過剰充填された部分について、
これらは一般に許容されている。この状況に対応するた
め、充填材料の形状適合特性および多孔度を利用する。
【００７４】ＩＩ．非支持領域のための経路発生 支持領域Ｓの充填後、非支持領域Ｕについて経路が発生
される。シングルパス条件に加えて、非支持領域Ｕは支
持条件をも満たすよう充填される必要がある。このた
め、シェルビングおよびブリッジングの技術が使用され
ることが好ましい。Ｕを充填する手順は閉および開曲線
オフセットを使用し、以下のステップを含む。
【００７５】非支持充填アルゴリズム 入力：Ｕ 出力：Ｕに対する経路、および外部支持体により支持さ
れる必要があるＵの境界の一組の線分ｊを充填する。 Ｕの各々の接続された構成要素ｕについて、ｒをｓとｕ
の間の共通境界とする。ｒがヌルの場合は、 −外部支持体でｕの境界を支持する。 −外部支持体の上にｕの境界を形成する。 −その境界の閉曲線オフセットでｕを充填する。 さもなければ −ｒの開曲線オフセットでｕを充填する。 −結果として得られるオフセット数が、シェルフ距離に
対応するものを超える場合は、 ＊閉曲線オフセットを削除する。 ＊ｒがヌルの場合はｕを充填する。
【００７６】Ｕを閉曲線オフセットか開曲線オフセット
のいずれかで充填する際には、支持基準を満たすため、
経路を境界からその内部に向かって順序づける（シェル
ブ）ことが好ましい。
【００７７】本目的にとって適当な開曲線のオフセット
は、内部に対するオフセットとその２つの端点に対する
オフセットの和集合として定義することができる。内部
（すなわち、その端点を持たない曲線）に対するオフセ
ットはここでは、ＣＡＤ環境で通常定義されるように、
距離ｗにおける曲線に対するオフセットを意味する（例
えば、Farouki & Neff 1990, R.T. Farouki and C.A. N
eff, Analytic properties of plane offset curves, C
omputer Aided Geometric Design 7, 83-99 (1990) 参
照）。端点に対するオフセットはここでは、内部オフセ
ットの端部を開曲線自体に接続する点を中心とする半径
ｗの円弧を意味する。例えば、図１６の８２で、前のス
ライス８６からの開ワイヤ・オフセット８４が、充填す
べき領域（８８）にクリップされているのが示されてい
る。開曲線オフセットのそのような定義はシェルビング
の技術に適しており、閉領域がその境界の部分集合の開
曲線オフセットにより完全に充填されることを可能にす
る。
【００７８】閉曲線オフセットを計算する際には、元の
境界曲線をｉ×ｗだけ片寄らせるか、またはそれと同等
であるが、（ｉ−１）番目のオフセット曲線をｗだけ片
寄らせることにより、ｉ番目のオフセットを計算するこ
とが可能である。数値の誤差を避けるため、最初の計算
は閉曲線オフセットの場合に選ばれる。しかし、開曲線
オフセットの場合は、これら２つの計算は、介在するク
リップ動作のため同等ではない。支持基準を満たすため
に、後者の計算は開曲線オフセットの場合に使用されね
ばならない。したがって、各開曲線オフセットは元の境
界曲線からではなく、その前の開曲線オフセットから計
算される（図１７、参照番号９０を参照）。
【００７９】ＩＩＩ．境界領域に関する経路発生 充填すべきＬiの最後の領域は境界領域Ｂである。この
領域はＬiの境界の特定の幾つかの閉曲線オフセットか
ら成る。境界領域が充填される時点では、支持および非
支持領域は共に既に付着されている。したがって、支持
または非支持領域経路部分のいずれかに隣接する任意の
境界領域経路部分は、シェルブすることが可能なので、
支持条件を満たす。しかし、境界領域経路部分がどの支
持または非支持領域経路部分にも隣接しない２つの場合
がある。
【００８０】１．面全体に支持または非支持領域経路が
ない。
【００８１】例えば、スライスの面は小さい場合があ
り、したがって境界領域経路により完全に充填されるこ
とがある。これらの経路の全ての、または幾つかの線分
は前の層の上には存在せず、したがって外部支持を必要
とする場合がある。
【００８２】２．特定の境界領域経路部分の近傍に局所
的に支持または非支持領域経路がない。
【００８３】例えば、領域の幾つかの狭い部分では、境
界領域は任意の支持または非支持領域経路部分よりもむ
しろそれ自体に隣接する場合がある（図１８、参照番号
９２を参照）。
【００８４】そのような場合は、支持条件は破られるこ
とがあり、境界領域経路の非支持部分にとって外部支持
体が必要である。
【００８５】最初の事例（すなわち、面全体に支持また
は非支持領域経路がない）は容易に特定することができ
る。境界領域経路の非支持部分は、現在の層の境界領域
経路から前の層を取り去った結果として決定される。
【００８６】２番目の事例では、境界領域経路の非支持
部分は以下のように決定することができる。 １．ＳおよびＵを充填するときに覆われていたＬiバー
の部分
【数１１】 は以降Ｌiバーハットと記載する。を決定する。 ２．境界層オフセットの数だけＬiバーハットの境界を
片寄らせることにより、Ｌiハットを計算する。 ３．Ｌiハットの面積が現在の層Ｌiの面積よりもかなり
小さい場合は、 （ａ）境界領域経路からＬiハットを差し引いてＮi、す
なわち、どの支持または非支持経路にも隣接しない境界
領域経路の部分を生じる。 （ｂ）Ｎiから前の層Ｌi-1を差し引くことにより、Ｎi
の非支持部分
【数１２】 を決定する。 （ｃ）ジョイストで
【数１３】 を支持する。
【００８７】経路発生例が図１９ないし図２１（参照番
号９４−９８）に示されている。
【００８８】支持ジョイストの発生 層が作成されたとき、発生された全経路は支持されねば
ならない。幾つかの領域は部品の下地層Ｌi-1により支
持されている。その他の層は、隣接する支持領域からビ
ードを「シェルブ」・アウトできるのに十分なほど狭
い。そうでない場合は、外部支持構造が発生されねばな
らない。このことはジョイストを使って行われる。ジョ
イストは、２枚の隣接したスラブの間を通る水平なビー
ムである（スラブについては前の部分で考察した）。
【００８９】経路発生の間に、ジョイストを必要とする
領域が検出されたときは、その領域は、ジョイストを作
成するための手順に渡される。
【００９０】ジョイスト発生アルゴリズム 入力：支持されるべき領域Ｒの境界。この境界は、重な
らない単純な多角形の集合と見なされる。円弧から成る
辺がある場合は、それらの辺は線分に分割することがで
きる。Ｒの境界における各辺について、支持領域に隣接
しているかどうか印をつける。 出力：支持領域に隣接しないＲの境界の部分を支持する
一組のジョイストＪB。Ｒの内部を支持する一組のジョ
イストＪZ。
【００９１】１．スライスが置かれている矩形領域を、
各々が１本のジョイストの長さおよび幅を有する領域を
表すセルのマトリックスに分割する。これは、領域を各
々がｙ方向に非常に長く、ｘ方向に狭い画素の格子上に
マップするのに似ている。ジョイストはこれらの離散位
置においてのみ現れることができ、重なり合うことはな
いことが留意される。
【００９２】２．領域Ｒの辺を調べて、境界を支持する
ことが必要とされているジョイスト・マトリックス内の
セルに印をつける。これらのジョイストは、ＪBと呼ば
れる集合からのものである。 （ａ）部品の作成中に加えられる力を考慮するよう各頂
点の位置を調節する。 （ｂ）各（調節された）頂点を含むセルに印をつける。 （ｃ）頂点が、その頂点を含むセルの辺に近すぎる場合
は、隣接のセルに印をつける。セルが「近すぎる」かど
うかの判定は、セルと、頂点に付随する多角形の辺の間
の重なりに基づいて行われる。 （ｄ）辺がブリッジ距離よりも長い場合は、辺に沿って
仮想頂点を作成して辺を分割し、下側にあるセルに印を
つける。
【００９３】領域の一例とＪBにおけるジョイストを図
２２の参照番号１００で示す。
【００９４】３．領域Ｒの内部を支持するため、シェル
ブ距離だけ隔たったジグザグの線をこの領域を横切って
発生させる。次に各ジグザグ線の下にある全てのジョイ
スト・セルＪZに印をつける。
【００９５】４．ジョイスト・マトリックスを調べて、
ＪZ内の冗長ジョイストを除去する。これらは、互いに
シェルブ距離内にあるＪB内の２本のジョイストの間で
一例に並ぶジョイストである。全ジョイスト（ＪBおよ
びＪZの両方からの）の集合を図２３の参照番号１０２
で示す。
【００９６】５．端から端の全てのジョイストを合体し
て単一の長いジョイストにする（図２３参照）。
【００９７】６．重力による変位を補償するため、ジョ
イストを同じ場所で複数回作成することができる。
【００９８】層Ｌiについて発生されるジョイストはＬi
よりも１層または複数層下に作成されねばならない。通
常、ジョイストは層Ｌi-2に作成することができる。
【００９９】後続の処理を用いて昇順Ｚの部分層の流れ
と昇順Ｚのジョイストおよび送り穴の流れを併合して、
両者を含みかつ昇順Ｚである経路の流れを発生する。こ
れにより、層Ｌi+1に関するジョイストが計算され次
第、各層Ｌiの実際の形成が開始できるようになる。
【０１００】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【０１０１】（１）ブリッジングに適した流動性材料を
使ってコンピュータ援用設計モデルから部品を形成する
ための方法において、 ａ）新たな材料を基材に供給することにより、継続的に
基材を増補することによって部品の少なくとも一部分を
形成するステップと、 ｂ）形成力が、新たに供給された材料の軸方向張力によ
りほぼ阻止されるように、所定の設計に従って新たな材
料を基材に供給するステップとを含む方法。 （２）ステップａ）が発生された押出し経路をたどるこ
とにより新たな材料を基材に供給することを含む、上記
（１）による方法。 （３）上記押出し経路が下から完全に支持された部分ま
たはシェルフもしくはブリッジである部分を含むよう
に、上記経路を発生するステップを含む、上記（２）に
よる方法。 （４）基材が溶融した熱プラスチックを含む、上記
（１）による方法。 （５）新たな材料が溶融した熱プラスチックを含む、上
記（１）による方法。 （６）作用する形成力が重力から成る、上記（１）によ
る方法。
【０１０２】
【発明の効果】本発明によれば、必要とされる支持手段
を大幅に減少させることが可能であるので、新規なブリ
ッジング方法は大きな利点を実現することができる。さ
らに、支持手段または構造が減少するため部品の後処理
の必要性が低減し、作成時間が短縮できるので、関連し
た利点を実現することができる。さらに、新規なブリッ
ジング方法は、階層化構造を伴うことなく、ほぼ水平な
平坦面を形成するため有利に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】支持されていない部分を備える部品を示す図で
ある。
【図２】外部の部品支持体を例示する図である。
【図３】外部の部品支持体を例示する図である。
【図４】本発明によるブリッジングの事例を示す図であ
る。
【図５】本発明によるブリッジングの事例を示す図であ
る。
【図６】本発明を実現するのに適した押出し装置の重要
な特徴を示す図である。
【図７】部品を支持するために使用できるジョイストお
よびスラブを示す図である。
【図８】支持されていない面を有する部品の一例を示す
図である。
【図９】垂直スラブを備えた部品の一例を示す図であ
る。
【図１０】部品を支持するために使用されるジョイスト
を備えた部品を示す図である。
【図１１】スラブおよびジョイストを備えた部品を示す
図である。
【図１２】スラブ発生アルゴリズムの諸ステップを示す
図である。
【図１３】経路発生手順に対する第１の入力を含む部品
層（i）を示す図である。
【図１４】経路発生手順に対する第２の入力を含む部品
層（i-1）を示す図である。
【図１５】経路発生手順に対する第２の入力を含む部品
層（i+1）を示す図である。
【図１６】現在のスライスにクリップされた前のスライ
スからの開ワイヤ・オフセットを示す図である。
【図１７】支持条件を保持する開曲線オフセットの計算
を示す図である。
【図１８】支持する必要がある境界領域経路を示す図で
ある。
【図１９】経路発生例を示す図である。
【図２０】経路発生例を示す図である。
【図２１】経路発生例を示す図である。
【図２２】支持されていない領域用のジョイストを示す
図である。
【図２３】支持されていない領域用のジョイストを示す
図である。
【符号の説明】
１０ 部品 ２２ 新たな材料 ２４ 基材 ３０ 新たな材料 ３２ 基材 ３４ 基材 ３８ 押出し装置 ４０ 小形ノズル ４２ 粘着性材料 ４８ ジョイスト ５０ スラブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アニル・コール アメリカ合衆国10607 ニューヨーク州ホ ワイト・プレーンズ ビルトム・ロード 21 (72)発明者 ジェームズ・ユーリー・コイレン アメリカ合衆国10514 ニューヨーク州チ ャッパクワ ベリー・ブルック・サークル ８ (72)発明者 クリストファー・ジョン・リャン アメリカ合衆国03060 ニュー・ハンプシ ャー州ナシュア オータムリーフ・ドライ ブ ５ ナンバー21 (72)発明者 コンスタンティノス・アサナシオス・タラ バニス アメリカ合衆国11354 ニューヨーク州フ ラッシング トゥエンティーファイブ・ド ライブ 144−38

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ブリッジングに適した流動性材料を使って
    コンピュータ援用設計モデルから部品を形成するための
    方法において、 ａ）新たな材料を基材に供給することにより、継続的に
    基材を増補することによって部品の少なくとも一部分を
    形成するステップと、 ｂ）形成力が、新たに供給された材料の軸方向張力によ
    りほぼ阻止されるように、所定の設計に従って新たな材
    料を基材に供給するステップとを含む方法。
  2. 【請求項２】ステップａ）が発生された押出し経路をた
    どることにより新たな材料を基材に供給することを含
    む、請求項１による方法。
  3. 【請求項３】上記押出し経路が下から完全に支持された
    部分またはシェルフもしくはブリッジである部分を含む
    ように、上記経路を発生するステップを含む、請求項２
    による方法。
  4. 【請求項４】基材が溶融した熱プラスチックを含む、請
    求項１による方法。
  5. 【請求項５】新たな材料が溶融した熱プラスチックを含
    む、請求項１による方法。
  6. 【請求項６】作用する形成力が重力から成る、請求項１
    による方法。
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