JP2015123743A - 立体造形システム、立体情報処理プログラム及び立体物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立体物の造形において支持を要する部分のために形成される支持部の除去を簡易な構成で容易に行うこと。
【解決手段】造形するべき目的物の三次元的形状を示す目的物立体情報を取得し、目的物立体情報に基づき、目的物の三次元的形状において鉛直下方が空間である部分を支持するための支持用の部材を形成するべき部分の識別結果を取得し、支持用の部材を形成するべき部分のうち、目的物との境界面を含む界面部分を設定し、設定した界面部分以外の部分である支持体の三次元的形状を示す支持体立体情報を生成し、目的物立体情報と支持体立体情報とに基づき、立体造形装置に立体物の造形を行わせるための変換済み立体情報を生成して出力することを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、立体造形システム、立体情報処理プログラム及び立体物の製造方法に関し、特に、立体物の造形に際して、立体物において鉛直下方が基盤に接していない部分の支持に関する。

近年、ラピッドプロトタイピング等の分野において三次元造型という技術が用いられている。かかる三次元造型によって得られた立体物は、商品開発段階等において最終製品の外観や性能の評価を行うための試作品、または展示品等として利用されることが多い。

このような三次元造型の技術としては、光造形法、粉末法、シート積層法等が知られている。中でも３Ｄプリンタによって紫外線硬化性樹脂を噴射しマスクパターンを積層する方法が多用されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、最終製品の外観内観のデザイン・機構等を三次元ＣＡＤによってデータ化した後、コンピュータによって該データをスライスして薄板を重ね合わせるような多層型のマスクパターンデータを作成し、紫外線硬化性樹脂をマスクパターンデータに則してヘッドより噴射して積層することにより立体物を製造する。

近年ではミクロンオーダーの精細な積層ピッチを実現し、複雑な立体形状の生成が可能となっている。また、立体物において水平方向に突出した部分や逆テーパーになっている部分等、鉛直下方が基盤に接していないために空間になっており、支持が必要な部分（以降、「要支持部」とする）を伴う立体物についても、サポート材を用いることによって、製造することが可能となっている。この際、立体物に付着したサポート材を除去する必要があるが、このサポート材を除去する煩雑な工程が、三次元造型という技術の普及を阻む要因の一つとして指摘されている。

サポート材を除去する手段としては、ウォータージェットや手指によって擦り落とすような機械的負荷を加える除去方法、水や有機溶媒等を用いて溶解させる方法等が知られている。しかし機械的負荷を加える除去方法では煩雑な作業が伴い、造形物を破損する可能性がある。また、溶解させる方法では、サポート材の除去に時間がかかり非効率である。また、耐環境性に配慮し、取り扱いにおける安全性に配慮した処理方法を提供することも近年の要求となっている。

特許文献１においては、立体物を造形するための材料であるモデル材と、上述した要支持部を支持するためのサポート材とを夫々成形すると共に、モデル材とサポート材との間に離型性を有するサポート材を成形することにより、モデル材とサポート材との分離を容易化することが開示されている。この方法の場合、従来のサポート材の他に離型性を有するサポート材が必要となる。そのため、材料の種類が増え、且つ３Ｄプリンタにおいて夫々の材料を別個に吐出する機能が要求されるため、装置が複雑化する問題が生じる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、立体物の造形において支持を要する部分のために形成される支持部の除去を簡易な構成で容易に行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、三次元的形状を示す立体情報に基づいて立体物を造形する立体造形システムであって、入力された情報に基づいて成形材の層を積層することにより前記立体物を造形する立体造形装置と、前記立体造形装置に入力するための情報を処理する立体情報処理プログラムとを含み、前記立体情報処理プログラムは、造形するべき目的物の三次元的形状を示す目的物立体情報を取得するステップと、取得された前記目的物立体情報に基づき、前記目的物の三次元的形状において鉛直下方が空間である部分を支持するための支持用の部材を形成するべき部分の識別結果を取得するステップと、前記支持用の部材を形成するべき部分のうち、前記三次元的形状において鉛直下方が空間である部分との境界面を含む界面部分を設定し、前記支持用の部材を形成するべき部分のうち設定した前記界面部分以外の部分である支持体の三次元的形状を示す支持体立体情報を生成するステップと、前記目的物立体情報と前記支持体立体情報とに基づき、前記立体造形装置に立体物の造形を行わせるための変換済み立体情報を生成して出力するステップとを情報処理装置に実行させることを特徴とする。

本発明によれば、立体物の造形において支持を要する部分のために形成される支持部の除去を簡易な構成で容易に行うことができる。

本発明の実施形態に係るシステムの運用形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る情報処理装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る３Ｄプリンタの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＰＣの機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る３Ｄデータの処理の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る立体造形物の製造方法の動作を示すフローチャートである。 本発明御実施形態に係る立体情報の変換動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るパラメータ項目の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る変換済みデータ変換確認画面を示す図である。 本発明の実施形態に係るサポート用成形物の分割の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係るパラメータ項目の他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係るサポート用成形物の変形の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係るＰＣ１の機能構成の他の例を示す図である。 みかけ粘度の測定方法を示す図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態においては、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データなどの立体物の形状を示す３Ｄデータを受信し、そのデータに基づいて液滴を吐出するヘッドによって成形材を吐出して形成した層を積層することにより立体物を形成する３Ｄプリンタと、３Ｄプリンタに３Ｄデータを送信するＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）とによって構成されるシステムを例として説明する。このようなシステムにおいて、３Ｄプリンタに３Ｄデータを送信する際のＰＣによるデータ処理機能が本実施形態に係る要旨の１つである。

図１は、本実施形態に係る立体造形システムの運用形態を示す図である。本実施形態に係る立体造形システムは、入力された３Ｄデータを解析してデータを変換した上で３Ｄプリンタに立体造形出力を実行させるＰＣ１と、ＰＣ１の制御に従って立体造形出力を実行する３Ｄプリンタ２とを含む。ここで、ＰＣ１のハードウェア構成について図２を参照して説明する。

図２に示すように、本実施形態に係るＰＣ１は、一般的な情報処理装置と同様の構成を含む。即ち、本実施形態に係るＰＣ１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３０、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）４０及びＩ／Ｆ５０がバス８０を介して接続されている。また、Ｉ／Ｆ５０にはＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）６０及び操作部７０が接続されている。

ＣＰＵ１０は演算手段であり、ＰＣ１全体の動作を制御する。ＲＡＭ２０は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性の記憶媒体であり、ＣＰＵ１０が情報を処理する際の作業領域として用いられる。ＲＯＭ３０は、読み出し専用の不揮発性記憶媒体であり、ファームウェア等のプログラムが格納されている。ＨＤＤ４０は、情報の読み書きが可能な不揮発性の記憶媒体であり、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や各種の制御プログラム、アプリケーション・プログラム等が格納される。

Ｉ／Ｆ５０は、バス８０と各種のハードウェアやネットワーク等を接続し制御する。ＬＣＤ６０は、ユーザがＰＣ１の状態を確認するための視覚的ユーザインタフェースである。操作部７０は、キーボードやマウス等、ユーザがＰＣ１に情報を入力するためのユーザインタフェースである。

このようなハードウェア構成において、ＲＯＭ３０に格納されたプログラムや、ＨＤＤ４０若しくは図示しない光学ディスク等の記憶媒体からＲＡＭ２０にロードされたプログラムに従ってＣＰＵ１０が演算を行うことにより、ソフトウェア制御部が構成される。このようにして構成されたソフトウェア制御部と、ハードウェアとの組み合わせによって、本実施形態に係るＰＣ１の機能を実現する機能ブロックが構成される。

次に、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２の構成について図３を参照して説明する。本実施形態に係る３Ｄプリンタ２は、一般的な液滴吐出式の３Ｄプリンタと同様の構成を有する。図３に示すように、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２は、立体物を成形するために成形材を積層していくための基盤２０１、成形材を吐出するヘッド２０２及びヘッド２０２を支持し、基盤２０１上の空間においてヘッド２０２を移動させるアーム２０３を含む。

３Ｄプリンタ２は、上述したように、入力された３Ｄデータによって確定される立体造形物を水平方向に輪切りにして生成される輪切り画像に応じてヘッド２０２から成形材を吐出して一層分の成形を行い、そのような層を積層していくことによって立体造形を行う。そのため、３Ｄプリンタ２は、立体造形物の各部のうち、鉛直下方が空間であり基盤に接していないために支持が必要な部分（以降、「要支持部」とする）を成形するため、要支持部の鉛直下方の空間に相当する部分には成形材とは異なる材質のサポート材を吐出する。従って、ヘッド２０２は、立体造形物を形成するための成形材と、サポート材との２種類の材料を個別に吐出する機能を有する。

尚、３Ｄプリンタ２も、図２において説明した構成に準ずる情報処理機能を含む。そして、そのような情報処理機能によってＰＣ１からの制御を受け付けると共に、情報処理機能によって実現される制御部によってアーム２０３の移動やヘッド２０２からの成形材の吐出が制御される。

次に、本実施形態に係るＰＣ１の機能構成について説明する。図４に示すように、本実施形態に係るＰＣ１は、図２において説明したＬＣＤ６０及び操作部７０に加えて、コントローラ１００及びネットワークＩ／Ｆ１０１を含む。ネットワークＩ／Ｆ１０１は、ＰＣ１がネットワークを介して他の機器と通信するためのインタフェースであり、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）やＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）インタフェースが用いられる。

コントローラ１００は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって構成され、ＰＣ１全体を制御する制御部として機能する。図４に示すように、コントローラ１００は、３Ｄデータ変換処理部１１０及びＰＣ１が３Ｄプリンタ２を制御するための機能を提供する３Ｄプリンタドライバ１２０を含む。

３Ｄデータ変換処理部１１０は、入力された３Ｄデータを取得して変換処理を行う。３Ｄデータ変換処理部１１０への３Ｄデータの入力は、ネットワークを介してＰＣ１に入力されたデータを３Ｄデータ変換処理部１１０が取得する場合や、操作部７０に対するユーザの操作によって指定されたファイルパスのデータを３Ｄデータ変換処理部１１０が取得する場合等がある。

３Ｄデータ変換処理部１１０は、そのように取得した３Ｄデータを解析し、本実施形態の要旨に係るデータ処理を行うことによりデータを変換する。本実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部１１０は、入力された３Ｄデータによって表現される立体物の周囲の空間を解析し、立体物において鉛直下方が基盤に接しておらず空間になっているために支持が必要な部分（以降、「要支持部」とする）を支持するための支持部のデータを生成して、元々の３Ｄデータに追加する。このような処理が本実施形態の要旨に係る処理である。即ち、３Ｄデータ変換処理部１１０を実現するためのソフトウェア・プログラムが、立体情報処理プログラムとして用いられる。詳細は後述する。

３Ｄプリンタドライバ１２０は、ＰＣ１から３Ｄプリンタ２を動作させるためのソフトウェア・モジュールであり、一般的な３Ｄプリンタのドライバソフトウェアと同様の機能を有する。３Ｄプリンタドライバ１２０は、例えば一般的な紙のプリンタにおけるプリンタドライバの機能に準じており、入力された３Ｄデータに基づいて３Ｄプリンタ２を動作させるための画像情報を生成して、制御用の情報と共に３Ｄプリンタ２に送信する。

ここで、３Ｄプリンタドライバ１２０の機能について図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して説明する。図６（ａ）は、３Ｄプリンタドライバ１２０に入力される３Ｄデータによって表現される立体物、即ち目的物を示す斜視図である。本実施形態においては、図６（ａ）に示すように、アルファベットの「ｙ」に似た図形が奥行きを持ったような形状の立体物を例とする。

図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す立体物を正面から見た状態を示す図である。上述したように、本実施形態に係る３Ｄプリンタ２は、入力された３Ｄデータに基づいて液滴を吐出することにより形成した層を積層することにより立体物を形成する。ここで、図６（ｂ）に示すような形状に基づいて成形材を吐出すると、立体物において図中左側の窪みの部分や、図中右側の逆テーパーの部分は、鉛直下方に成形材を支えるものがないため、そのままでは層を形成することが不可能である。このような鉛直下方が空間となっており、基盤に接していない部分が本実施形態に係る要支持部である。

３Ｄプリンタドライバ１２０は、入力された３Ｄデータに基づいて要支持部を認識し、要支持部の鉛直下方の空間を埋めるようにサポート材形成空間を設定したデータを生成する。図６（ｃ）は、そのようなサポート材形成空間が設定されたデータの例を示す図である。図６（ｃ）においては、破線の斜線が付された部分がサポート材形成空間である換言すると、サポート材形成空間が、要支持部を支持するための支持要部の部材で充填される。

図６（ｃ）に示すように要支持部の鉛直下方の空間にサポート材形成空間が設定されたデータが３Ｄプリンタドライバ１２０によって３Ｄプリンタ２に送信される。これにより、３Ｄプリンタ２によって成形材及びサポート材が選択的に吐出された層が積層され、成形材とサポート材とで構成された整形物が出力される。そのような整形物からサポート材を除去することにより、図６（ａ）に示すような、目的の立体物、即ち目的物が成形された造形物を得ることが出来る。

サポート材の除去に際しては、ウォータージェットや手指によって擦り落とすような機械的負荷を加える除去方法がある。この場合、作業者の作業負担が大きく、且つ成形材によって形成された立体物を破損しないように注意する必要がある。また、水や有機溶媒等を用いてサポート材を溶解させる方法もあるが、この場合には、サポート材の溶解に要する時間や、溶解されたサポート材や溶解に用いられた液体の廃棄が問題となる。

本実施形態においては、上述したようなサポート材の除去に関する問題を解決するため、図６（ｂ）に示すサポート材形成空間についても立体物と同様の成形材で形成すると共に、造形物とサポート用の成形物（以降、「サポート用成形物」とする）との間に従来のサポート材の部分が形成されるように３Ｄデータを変換する。このサポート用成形物が、立体物の三次元的形状において鉛直下方が空間である部分を支持するための支持体として用いられる。

これにより、要支持部の成形が可能になると共に、成形材の吐出による各層の積層が完了した状態において、造形物とサポート用成形物とが別々の個体として成形される。また、このような状態であれば、サポート用成形物を造形物から引きはがすだけで目的の造形物を得ることが可能であり、従来のサポート材を用いた造形方法よりも、造形物の周囲に形成された支持のための部分を引き離す際の作業負担を減らすことが可能となる。尚、本実施形態においては、３Ｄデータ変換処理部１１０の機能により、３Ｄプリンタドライバ１２０や３Ｄプリンタ２については既存のものを使用することが可能となっている。詳細は後述する。

次に、本実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部１１０の機能構成について図５を参照して説明する。図５に示すように、本実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部１１０は、３Ｄデータ取得部１１１、サポート材領域特定部１１２、界面抽出部１１３、属性変換部１１４、データ合成部１１５、変換データ出力部１１６、表示データ出力部１１７及びデータ調整部１１８を含む。３Ｄデータ取得部１１１は、上述したように３Ｄデータ変換処理部１１０に入力された３Ｄデータ、即ち、目的物の三次元的形状を示す目的物立体情報を取得する。

サポート材領域特定部１１２は、３Ｄデータ取得部１１１が取得した３Ｄデータを解析することにより、図６（ｃ）において説明したように、その３Ｄデータがそのまま３Ｄプリンタドライバ１２０に入力された場合に、サポート材形成空間となる領域を特定する。このサポート材領域特定部１１２の機能は、従来の３Ｄプリンタドライバ１２０と同様の機能であり、３Ｄデータ変換処理部１１０が、３Ｄプリンタドライバ１２０に備わっている機能を利用することによってサポート材領域特定部１１２の機能を実現しても良い。サポート材領域特定部１１２は、少なくとも、目的物の三次元的形状において鉛直下方が空間である要支持部を支持するためのサポート材を形成すべき部分の識別結果を取得する機能を担う。

界面抽出部１１３は、図６（ｃ）に示すように特定されたサポート材形成空間のうち、目的の造形物との境界面を含む界面部分を特定して抽出する。図６（ｄ）は、図６（ｃ）のようにサポート材形成空間が特定された場合において、界面抽出部１１３に処理を実行させた場合の界面部分の特定結果を示す図である。図６（ｄ）においては、界面部分として特定された部分を太線で示している。図６（ｄ）に示すように特定された界面部分については、上述したサポート用成形材ではなく従来のサポート材で形成することが本実施形態に係る要旨の１つである。

属性変換部１１４は、図６（ｃ）に示すように特定されたサポート材形成空間のうち、図６（ｄ）に示すように特定された界面部分以外の支持体の部分の属性をサポート材ではなく造形物と同様の成形材に変換する。換言すると、属性変換部１１４は、サポート材形成空間のうち界面部分以外の支持体の部分について、図６（ｂ）と同様の３Ｄデータである支持体立体情報を生成する。図６（ｅ）は、そのように属性を変換した状態を概念的に示す図である。図６（ｄ）においては破線の斜線が付されたサポート材形成空間が、図６（ｅ）においては実線の斜線が付された成形材の領域に変換され、図６（ｂ）と同様の３Ｄデータが生成されている。このように生成された３Ｄデータが、サポート用成形物の位置や形状を示す３Ｄデータである。

データ合成部１１５は、３Ｄデータ取得部１１１が取得した元々の３Ｄデータに、属性変換部１１４によって生成されたサポート用成形物の３Ｄデータを合成する。図６（ｆ）は、元々の３Ｄデータにサポート用成形物の３Ｄデータを合成した状態を示す図である。図６（ｅ）において説明したように、サポート用成形物の３Ｄデータは、サポート材形成空間のうち界面部分以外の部分である。従って、図６（ｆ）に示すように、元々の造形物とサポート用成形物との間に隙間が設けられた状態の３Ｄデータ（以降、「変換済み３Ｄデータとする」）がデータ合成部１１５によって生成される。

図６（ｆ）に示すように、本実施形態に係る変換済み３Ｄデータは、図６（ｄ）において特定された界面部分の部分以外の部分が立体物として構成された３Ｄデータである。従って、この変換済み３Ｄデータが３Ｄプリンタドライバ１２０に入力されると、元々の造形物及びサポート用成形物の部分が通常の成形材によって形成されると共に、界面部分がサポート材によって形成されることとなる。

その結果、上述したようにサポート用成形物を引き剥がすだけで目的の造形物を得ることが可能となり、簡単な作業でサポート材やサポート用成形物等の支持部を除去することが出来る。また、このような変換済み３Ｄデータを用いることにより、３Ｄプリンタドライバ１２０や３Ｄプリンタ２は、従来通りの機能を実行するのみでよいため、簡易な構成で実現することが可能である。

変換データ出力部１１６は、データ合成部１１５によって生成された変換済み３Ｄデータを３Ｄプリンタドライバ１２０への入力のために出力する。これにより、３Ｄプリンタドライバ１２０によって３Ｄプリンタ２が制御されて立体造形出力が実行される。

表示データ出力部１１７は、データ合成部１１５によって生成された変換済み３Ｄデータを確認するための確認画面の表示情報を生成して出力する。これにより、ＬＣＤ６０に変換済みデータ変換確認画面が表示され、ユーザによる操作の受付が可能となる。

データ調整部１１８は、表示データ出力部１１７によって表示情報が出力されてＬＣＤ６０に表示されたデータ変換確認画面に対するユーザの操作に応じて、データ合成部１１５によって生成された変換済み３Ｄデータの調整を行う。これにより、ユーザの意図したとおりの精細な変換済み３Ｄデータの生成が可能となる。

次に、本実施形態に係る立体造形の手順について説明する。図７は、本実施形態に係る立体造形物の製造方法全体を示すフローチャートである。図７に示すように、まずは３Ｄデータ変換処理部１１０に、立体造形出力するべき対象の造形物の３Ｄデータを入力する（Ｓ７０１）。

入力された３Ｄデータを取得した３Ｄデータ変換処理部１１０は、図６（ｃ）〜（ｆ）において説明したように、元々の３Ｄデータにサポート用成形物の３Ｄデータを合成して３Ｄデータを変換し、変換済み３Ｄデータを生成する（Ｓ７０２）。変換済み３Ｄデータが生成されると、３Ｄプリンタドライバ１２０がその変換済み３Ｄデータに基づいて３Ｄプリンタ２を制御することにより、立体造形出力を実行する（Ｓ７０３）。

Ｓ７０３において、３Ｄプリンタ２は、造形対象の立体物を形成するための素材、立体物における要支持部を支持するための支持体の素材、立体物と支持体との間の界面材となる界面部分の素材を選択的に出力して形成した層を積層することにより、立体造形出力を実行する。本実施形態においては、支持体の素材が立体物を形成するための素材と同一の成形材である。

立体造形出力が実行され、造形部とサポート用成形物との隙間がサポート材によって埋められた出力結果物が生成されると、サポート材やサポート用成形物等の、造形物を支持するための部分が除去される（Ｓ７０４）。これにより、目的の造形物が得られ、本実施形態に係る立体造形が完了する。

次に、本実施形態に係る立体造形出力の手順のうち、要旨の１つであるＳ７０２の３Ｄデータの変換処理について図８のフローチャートを参照して説明する。図８に示すように、３Ｄデータ変換処理部１１０において、３Ｄデータ取得部１１１が３Ｄデータを取得すると（Ｓ８０１）、サポート材領域特定部１１２及び界面抽出部１１３は、データ変換を実行する際に参照するべきパラメータの設定を行う（Ｓ８０２）。

図９は、上述したパラメータの例を示す図である。図９に示すように、本実施形態に係るパラメータとしては、“成形材支持”、“配置位置設定”、“姿勢設定”といった項目が含まれる。“成形材支持”は、造形物を形成するための成形材によって要支持部を支持する機能、即ち、本実施形態の要旨に係る機能を用いるか否かの設定を行う項目である。この項目が“有”に設定されると、“界面厚さ”の設定項目が有効となる。“界面厚さ”の設定項目は、図６（ｄ）において説明した界面部分として認識される部分の厚みを設定する項目である。換言すると、界面抽出部１１３は、“界面厚さ”の設定値に応じて、サポート材領域特定部１１２から取得したサポート材領域のうち、界面部分とする部分を設定する。

界面部分は、造形対象の立体物とサポート用成形物とを別々の個体に分割し、両者を引き剥がす際の作業を簡略化するための機能を担う。そのため、界面部分の厚さは、少なくとも造形対象の立体物とサポート用成形物とが溶融することがない厚さである必要がある。但し、この界面部分の厚さが厚いと、造形対象の目的物からサポート用成形物を剥がした後のサポート材の除去における作業量が増えるため、界面部分の厚さは、立体物とサポート用成形物とが溶融することなく、且つ、成形完了後のサポート材の除去が簡単である程度の厚みであることが好ましい。この厚みは、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。
“配置位置設定”は、立体造形物の配置位置を設定するための設定項目であり、主に３Ｄプリンタ２の基盤２０１上の位置の設定として用いられる。“姿勢設定”は、立体造形物を３Ｄプリンタ２によって立体造形出力する際の立体造形物の姿勢、即ち傾き角度を設定するための設定項目であり、３Ｄプリンタ２の基盤２０１上における傾き角度の設定として用いられる。図９に示すようなパラメータ設定値は、３Ｄデータ変換処理部１１０を構成する情報の一部として、ＰＣ１の記憶媒体に記憶されている。

パラメータ設定が完了すると、３Ｄデータ変換処理部１１０において、サポート材領域特定部１１２、界面抽出部１１３、属性変換部１１４及びデータ合成部１１５が、上述したように設定パラメータに従って図５、図６（ａ）〜（ｆ）において説明したように動作し、データ変換を実行して変換済み３Ｄデータを生成する（Ｓ８０３）。変換済み３Ｄデータが生成されると、表示データ出力部１１７が、データ合成部１１５から変換済み３Ｄデータを取得し、ユーザが変換済み３Ｄデータを確認するための画面の表示情報を生成して出力することにより、ＬＣＤ６０に確認画面が表示される（Ｓ８０４）。

図１０は、本実施形態に係るデータ変換確認画面の例を示す図である。図１０に示すように、本実施形態に係るデータ変換確認画面においては、図６（ｆ）において説明したように生成された変換済み３Ｄデータの画像が表示される。この際、造形対象の目的物の部分と、サポート用成形物の部分とで表示態様を変えることにより、ユーザの理解を助けることが出来る。図１０においては、目的物を実線で、サポート用成形物を破線で示している。

更に、データ変換確認画面においては、図９において説明したパラメータ項目の設定値が表示される。ユーザは、図１０に示す画面に対して操作を行うことにより、変換済み３Ｄデータの編集や、各パラメータ値の変更を行うことが可能である。

図１０に示す画面において変換済み３Ｄデータに対する調整が加えられた場合、その情報はデータ調整部１１８が取得し、データ合成部１１５によって生成された変換済み３Ｄデータが調整される。そして、図１０に示すように表示された確認画面において、「ＯＫ」のボタンがクリックされた場合（Ｓ８０５／ＹＥＳ）、変換データ出力部１１６は、データ合成部１１５から変換済み３Ｄデータを取得し、３Ｄプリンタドライバ１２０への入力のために出力する（Ｓ８０６）。これにより、図７のＳ７０３の処理が開始される。

他方、確認画面において「再設定」のボタンがクリックされた場合（Ｓ８０５／ＮＯ）、データ調整部１１８は、確認画面に対するユーザの操作によって指定されたパラメータの変更情報を受け付け、記憶媒体に記憶されているパラメータ値を変更する（Ｓ８０７）。そして、変更されたパラメータに従ってＳ８０２からの処理が繰り返される。このような処理により、本実施形態に係るデータ変換処理が完了する。

以上説明したように、本実施形態に係る立体造形システムにおいては、入力された３Ｄデータを解析して要支持部を支持するためのサポート材形成空間を特定し、造形物との界面部分に相当する部分を残してサポート材形成空間に対応する３Ｄデータを生成して元々の３Ｄデータと合成することにより、３Ｄデータの変換を行う。

そのように変換された３Ｄデータに基づいて通常通り立体造形出力を実行することにより、出力結果物は、造形対象である造形物とサポート用成形物との間がサポート材によって連結された状態となる。そのような出力結果物であれば、サポート材の部分が造形物やサポート用成形物の部分よりも脆弱な部分であり、この部分が容易に破断されることによってサポート用成形物を造形物から容易に引き剥がすことが可能であるため、立体物の造形において支持を要する部分のために形成される支持部の除去を容易に行うことができる。

また、このような構成によれば、３Ｄプリンタドライバ１２０や３Ｄプリンタ２については、成形材とサポート材とを個別に吐出する従来通りの機能以外、何ら特別な機能を必要としない。そのため、本実施形態に係る立体造形システムにおいては、造形物の立体的な形状を示す３Ｄデータにサポート用成形物の３Ｄデータを合成した変換済み３Ｄデータを生成するのみで良い。即ち、本実施形態に係る立体造形システムは、装置の複雑化を招くようなことが無く、簡易な構成で実現することが可能である。

また、上述したような出力結果物において造形物から引き剥がされたサポート用成形物は、廃棄に際して特別な処理が不要であるため、環境負荷や取扱いにおける安全性の面でも有効である。

実施の形態２．
前実施形態においては、サポート材形成空間のうち造形物との界面部分として特定された部分以外をサポート用成形物によって成形されるべき部分であるとしてその部分の３Ｄデータを生成する場合を例として説明した。しかしながら、そのように単純にサポート用成形物の部分を設定すると、出力結果物からサポート用成形物を取り外すのが困難になる場合がある。

一般的なサポート材は、流動性や脆弱性があり、仮に造形物の内部が中空であってその内部にサポート材が充填されていたとしても、造形物の内部からかき出すことが可能である。その反面、そのような流動性や脆弱性が、造形物からのサポート材の除去に要する作業負担を増大させている要因でもあった。

本実施形態に係る立体造形システムにおいては、そのようなサポート材の大部分を、造形物と同様の素材、即ち固形物として形成することにより、その固形物を造形物から引き剥がすだけで作業が完了することがメリットである。但し、上述したように造形物の内部が中空である場合、特に、図１１（ａ）に示すように、造形物の内部に進むに従って幅が広くなっているような形状の場合、その内部に固形物であるサポート用成形物が図１１（ｂ）に示すように形成されてしまうと、造形物の内部からサポート用成形物を取り除くことが困難になってしまう。

このような問題は、サポート用成形物を分割して形成することにより、解決可能である。図１１（ｃ）は、サポート用成形物を分割する場合の一態様を示す図である。図１１（ｃ）の例においては、内部に進むにつれて幅が広がるように中空となっている造形物内部のサポート用成形物を、開口部から取り出し可能な大きさに分割して形成している。このような態様によれば、図１１（ｄ）に示すように、夫々のサポート材を造形物内部から取り出すことが可能である。

このような態様は、図６（ｄ）において説明した造形物とサポート用成形物との界面部分に加えて、サポート用成形物を分割するための分割面を特定することにより可能である。即ち、属性変換部１１４がサポート材形成空間のうち界面部分として特定された部分以外を３Ｄデータとして属性変換する際、サポート材形成空間を分割するための分割面を含む分割部分を特定し、特定した分割部分について、界面部分と同様に３Ｄデータへの変換対象から除外する。これにより、図１１（ｃ）に示すようにサポート用成形物が分割された状態の出力結果物を得ることが出来る。

上述した分割部分は、図１１（ｃ）に示すようにサポート用成形物の除去が可能なように設定されることが好ましいが、例えばサポート用成形物のひと塊の最大の大きさを設定し、その大きさ毎に分割部分が設定されるようにしても良い。このような態様により、分割面の設定に要する処理負荷を低減することが出来ると共に、分割部分を好適に設定するための高度なプログラムを作成する必要がない。

サポート用成形物のひと塊の最大の大きさの設定は、例えば図１２に「最大寸法」として示すように、“成形材支持”のパラメータ設定項目が「有」の場合の詳細設定項目として設けることが可能である。また、最大寸法の設定に際しては、例えばサポート用成形物が複数の立方体に分割されて形成されるような態様において、その立方体の１辺の長さを指定するような態様が考えられる。

実施の形態３．
前実施形態の図１１（ｃ）、（ｄ）に示すような態様においては、中空状の造形物内部からサポート用成形物を引き抜く作業が必要となる。そのような作業を効率化するため、サポート用成形物に切り欠き等の凹部や、つかむための凸部を設ける態様が考えられる。図１３（ａ）、（ｂ）にそのような例について示す。

図１３（ａ）は、サポート用成形物に切り欠きを設ける場合の例を示す図である。サポート用成形物の除去作業において図１３（ａ）に示すような切り欠きを用いることにより、造形物からサポート用成形物を容易に除去することが可能となる。また、図１３（ｂ）は、サポート用成形物に出っ張りを設ける場合の例を示す図である。サポート用造形物の除去作業において図１３（ｂ）に示すような出っ張りを用いることにより、造形物からサポート用成形物を容易に除去することが可能となる。

図１３（ａ）に示すような態様も、前実施形態において説明したサポート用成形物の分割と同様に、属性変換部１１４がサポート材形成空間のうち界面部分として特定された部分以外を３Ｄデータとして属性変換する際、切り欠きを設ける部分を特定し、特定した分割面について、界面部分と同様に３Ｄデータへの変換対象から除外することにより実現可能である。これにより、図１３（ａ）に示すようにサポート用成形物に切り欠きが形成された状態の出力結果物を得ることが出来る。

また、図１３（ｂ）に示すような態様は、属性変換部１１４がサポート材形成空間のうち界面部分として特定された部分以外を３Ｄデータとして属性変換した後、出っ張りを設ける部分に３Ｄデータを追加することによって可能である。これにより、図１３（ｂ）に示すようにサポート用成形物に出っ張りが形成された状態の出力結果物を得ることが出来る。

実施の形態４．
実施の形態１においては、図４において説明したように、３Ｄデータ変換処理部１１０が、３Ｄプリンタドライバ１２０とは異なるモジュールとして設けられ、３Ｄデータ変換処理部１１０から３Ｄプリンタドライバ１２０に変換済み３Ｄデータが入力される場合を例として説明した。しかしながら、これは一例であり、例えば、図１４に示すように、３Ｄデータ変換処理部１１０を３Ｄプリンタドライバ１２０の機能の一部として構成することも可能である。このような態様であっても、上記と同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態５．
実施の形態１においては、サポート用成形物を造形物と同一の成形材で形成する場合を例として説明した。これは、成形材とサポート材とを別個に吐出可能な３Ｄプリンタを用いる場合において特に有効である。しかしながら、本件の意義は、造形物における要支持部を支持するために形成されるサポート用成形物の強度が、サポート用成形物と造形物との間に形成されるサポート材の強度よりも高く、サポート用成形物と造形物とを引き剥がす方向に力を掛けた場合に、サポート材が破断されることによってサポート用成形物が造形物から容易に除去可能なことである。

換言すると、本件の趣旨は、造形物とサポート用成形物との間に界面部分として形成されるサポート材が、造形物やサポート用成形物よりも脆い素材であり、サポート用成形物と造形物とを引き剥がす方向に力を掛けた場合に、サポート材が真っ先に破断されることである。従って、サポート用成形物と造形物とは同一の素材である必要は無く、サポート用成形物の素材は、サポート材よりも強度の高い素材であれば、即ち、サポート材がサポート用成形物よりも脆く、破断しやすい素材であれば、上述した効果を得ることが可能である。

３Ｄプリンタのサポート材は、脆弱であるために変形はするが、通常の状態では流動はしない様な特性を有するといった半固体として定義される素材が用いられる。半固体として定義される素材には、その形状を維持する力に応じて、形状を維持する力が高いものは粘土状、低いものはペースト状と呼ばれる。従って、上述したサポート材としてペースト状の素材を用いサポート用成形物の素材として粘土状の素材を用いることが可能である。

上述した形状を維持する力として、“みかけ粘度”という性質を用いることができる。みかけ粘度とは、非ニュートン流体についての物質の変形と流動に関する性質を数値化したものである。見かけ粘度の簡易的な測定方法としては、図１５に示すような方法を用いることが出来る。即ち、注射器のように先端に毛管が設けられた管状のシリンジ１５１に試料１５２を充填し、その資料を注射器の様に穴から押し出すためのピストン１５３を、荷重を図るための秤１５４に押し付けて所定の速度（ここでは０．５ｃｍ／ｓ）で資料を押し出す。

この際に要した時間と荷重を記録することにより、毛管半径Ｒ、毛管長さＬ、シリンジ半径Ｓ、資料充填長さｖ、押し出し時間ｔ、荷重読み取り値Ｍを用い、下記の式（１）によって見かけ粘度ηを算出することが出来る。

サポート材及びサポート用成形物の素材として、上記式（１）のように求められるみかけ粘度がある程度異なる素材を用いることにより、上述した効果を達成することが可能である。また、３Ｄプリンタのサポート材はある程度素材が定まっているため、サポート用成形物の素材としては、そのような３Ｄプリンタのサポート材よりもみかけ粘度の値が大きいものを用いることにより、上述した効果を達成することが出来る。

１０ ＣＰＵ
２０ ＲＡＭ
３０ ＲＯＭ
４０ ＨＤＤ
５０ Ｉ／Ｆ
６０ ＬＣＤ
７０ 操作部
８０ バス
１００ コントローラ
１０１ ネットワークＩ／Ｆ
１１０ ３Ｄデータ変換処理部
１１１ ３Ｄデータ取得部
１１２ サポート材領域特定部
１１３ 界面抽出部
１１４ 属性変換部
１１５ データ合成部
１１６ 変換データ出力部
１１７ 表示データ出力部
１１８ データ調整部
１５１ シリンジ
１５２ 試料
１５３ ピストン
１５４ 秤
２０１ 基盤
２０２ ヘッド
２０３ アーム

特開２００４−２５５８３９号公報

Claims (9)

1. 三次元的形状を示す立体情報に基づいて立体物を造形する立体造形システムであって、
   入力された情報に基づいて成形材の層を積層することにより前記立体物を造形する立体造形装置と、
   前記立体造形装置に入力するための情報を処理する立体情報処理プログラムとを含み、
   前記立体情報処理プログラムは、
   造形するべき目的物の三次元的形状を示す目的物立体情報を取得するステップと、
   取得された前記目的物立体情報に基づき、前記目的物の三次元的形状において鉛直下方が空間である部分を支持するための支持用の部材を形成するべき部分の識別結果を取得するステップと、
   前記支持用の部材を形成するべき部分のうち、前記目的物との境界面を含む界面部分を設定し、前記支持用の部材を形成するべき部分のうち設定した前記界面部分以外の部分である支持体の三次元的形状を示す支持体立体情報を生成するステップと、
   前記目的物立体情報と前記支持体立体情報とに基づき、前記立体造形装置に立体物の造形を行わせるための変換済み立体情報を生成して出力するステップとを情報処理装置に実行させることを特徴とする立体造形システム。
2. 前記立体造形装置は、前記変換済み立体情報に基づき、前記目的物立体情報によって特定される部分、前記支持体立体情報によって特定される部分、前記目的物立体情報によって特定される部分と前記支持体立体情報によって特定される部分との間の部分夫々に応じた部材を用いて形成した層を積層することにより前記立体造形物を造形し、
   前記目的物立体情報によって特定される部分と前記支持体立体情報によって特定される部分との間の部分の素材が、前記支持体立体情報によって特定される部分の素材よりも破断しやすいことを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
3. 前記目的物立体情報によって特定される部分の素材と前記支持体立体情報によって特定される部分の素材とが同一であることを特徴とする請求項２に記載の立体造形システム。
4. 前記立体情報処理プログラムは、
   前記変換済み立体情報を生成して出力するステップにおいて、前記支持体立体情報によって特定される三次元的形状を、前記目的物立体情報によって特定される三次元的形状と同様の属性に変換することにより、
   前記変換済み立体情報を生成して出力することを特徴とする請求項３に記載の立体造形システム。
5. 前記立体情報処理プログラムは、
   前記支持体立体情報を生成するステップにおいて、前記支持体の三次元的形状を分割するための分割面を含む分割部分を設定し、前記支持体の三次元的形状のうち設定した前記分割部分以外の三次元的形状を示す支持体立体情報を生成することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の立体造形システム。
6. 前記立体情報処理プログラムは、
   前記支持体立体情報を生成するステップにおいて、前記支持体の三次元的形状を分割した後の夫々の部分が所定の大きさを超えないように前記分割部分を設定することを特徴とする請求項５に記載の立体造形システム。
7. 前記立体情報処理プログラムは、前記支持体立体情報を生成するステップにおいて、前記支持体に設けられる凸部または凹部を設定し、設定した凸部または凹部を含む三次元的形状を示す支持体立体情報を生成することを特徴とする請求項５または６に記載の立体造形システム。
8. 入力された情報に基づいて成形材の層を積層することにより立体物を造形する立体造形装置に入力するための立体情報を処理する立体情報処理プログラムであって、
   造形するべき目的物の三次元的形状を示す目的物立体情報を取得するステップと、
   取得された前記目的物立体情報に基づき、前記目的物の三次元的形状において鉛直下方が空間である部分を支持するための支持用の部材を形成するべき部分の識別結果を取得するステップと、
   前記支持用の部材を形成するべき部分のうち、前記目的物との境界面を含む界面部分を設定し、前記支持用の部材を形成するべき部分のうち設定した前記界面部分以外の部分である支持体の三次元的形状を示す支持体立体情報を生成するステップと、
   前記目的物立体情報と前記支持体立体情報とに基づき、前記立体造形装置に立体物の造形を行わせるための変換済み立体情報を生成して出力するステップとを情報処理装置に実行させることを特徴とする立体情報処理プログラム。
9. 成形材の層を積層することにより立体物を製造する立体物の製造方法であって、
   前記立体物を形成するための素材、立体物の三次元的形状において鉛直下方が空間である部分を支持するための支持体の素材、前記立体物と前記支持体との間に形成される界面材の素材を選択的に出力して形成した層を積層し、
   積層されて形成された結果物において前記界面材を破断することによって前記立体物から前記支持体を除去し、
   前記支持体の素材が前記界面材の素材よりも破断しやすいことを特徴とする立体物の製造方法。