(57)【要約】【課題】モデル材とサポート材が混触するときでも３次元造形物を正しい仕上がり寸法で製造する。【解決手段】３次元造形物の製造方法は、モデル材を素材とする造形物の３次元形状データを補正する補正ステップと、造形物の補正後の３次元形状データに基づき、サポート材を素材とする補助部の３次元形状データを生成するステップと、３次元プリンタを用いて造形物と補助部を一緒に成形するステップとを備える。補正ステップは、造形物の３次元形状データに基づくスライスデータに対して、２次元サイジング処理と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算とを行う。【選択図】図５
2018051876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モデル材を素材とする造形物の３次元形状データを補正する補正ステップと、
前記造形物の補正後の３次元形状データに基づき、サポート材を素材とする補助部の３次元形状データを生成するステップと、
３次元プリンタを用いて前記造形物と前記補助部を一緒に成形するステップとを備え、
前記補正ステップは、前記造形物の３次元形状データに基づくスライスデータに対して、２次元サイジング処理と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算とを行うことを特徴とする、３次元造形物の製造方法。
【請求項２】
前記補正ステップは、前記２次元サイジング処理として、膨張処理または収縮処理を行うことを特徴とする、請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項３】
前記補正ステップは、前記２次元サイジング処理として、２次元のミンコフスキー和またはミンコフスキー差を求める処理を行うことを特徴とする、請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項４】
前記補正ステップは、前記２次元サイジング処理として、２次元のポリゴンオフセット処理を行うことを特徴とする、請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記補正ステップは、前記論理演算として、ＯＲ演算またはＡＮＤ演算を行うことを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記補正ステップは、前記スライスデータに対して前記２次元サイジング処理を行った後に前記論理演算を行うことを特徴とする、請求項５に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項７】
前記補正ステップは、前記スライスデータに対して前記論理演算を行った後に前記２次元サイジング処理を行うことを特徴とする、請求項５に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項８】
前記補正ステップにおけるサイジング量は、前記モデル材と前記サポート材の組合せに応じて決定されていることを特徴とする、請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項９】
一緒に成形された前記造形物と前記補助部から前記補助部を除去するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項１０】
前記補正ステップは、前記造形物の３次元形状データをスライスデータに変換するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の３次元造形物の製造方法。
【請求項１１】
モデル材を素材とする造形物の３次元形状データを入力するための入力部と、
前記入力部を用いて入力された３次元形状データを補正する補正部と、
前記造形物の補正後の３次元形状データに基づき、サポート材を素材とする補助部の３次元形状データを生成する生成部とを備え、
前記補正部は、前記造形物の３次元形状データに基づくスライスデータに対して、２次元サイジング処理と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算とを行うことを特徴とする、形状データ補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元造形物の製造方法に関し、特に、３次元プリンタを用いた造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元プリンタを用いて造形物を製造する方法が実用化されている。例えば、インクジェット方式の３次元プリンタは、紫外線硬化する液体樹脂などの素材をインクジェットヘッドからステージ上に噴射し、噴射した素材を１層ずつ硬化させることにより、３次元造形物を成形する。造形物が張り出し部分を有する場合には、３次元プリンタは張り出し部分を支える支持部を造形物と一緒に成形する。例えば、図１２に示すように、３次元ハート形状を有する造形物９１をステージ９２上に成形する場合を考える。この場合、造形物９１は支えがなければ成形中に転倒する。このため、造形物９１を支える支持部９３が、造形物９１と一緒に成形される。
【０００３】
支持部は、造形物とは異なる素材を用いて作成される。支持部の素材には、例えば、可溶性の素材が用いられる。３次元プリンタを用いて造形物と支持部を一緒に成形した後に、支持部を水などの液体に溶解させて除去することにより、所望の造形物を完成させることができる。
【０００４】
以下、造形物の素材をモデル材、支持部の素材をサポート材という。一般に、モデル材は硬化時に収縮する性質を有するので、造形物の仕上がり寸法は描画時よりも小さくなる。造形物の中には、仕上がり寸法の正確性が要求されるもの（例えば、機械部品）と、仕上がり寸法の正確性があまり要求されないもの（例えば、観賞用の模型）とがある。前者の造形物は、硬化時の収縮率が小さいモデル材を用いて製造される。しかし、造形物の種類によっては、硬化時の収縮率が小さいモデル材を使用できないことがある。例えば、弾性を有する造形物を製造するときには、硬化時の収縮率が小さい好適なモデル材が存在しないので、硬化時にある程度収縮するモデル材がやむなく使用される。
【０００５】
本願発明に関連して特許文献１には、インクジェットヘッドの機差に起因する、造形物の高さ方向のばらつきを補正する方法が記載されている。この方法では、まず、各インクジェットヘッドからインクを吐出させてテストパターンを作成し、作成したテストパターンに基づき、各インクジェットヘッドのインク吐出量データを取得する。次に、取得したインク吐出量データに基づき、造形物の形状データを補正する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１８２４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
３次元プリンタを用いて造形物と支持部を一緒に成形するときには、モデル材とサポート材が接触する部分において２種類の素材が混触する。２種類の素材が混触する部分では、２種類の素材の特性の組合せに応じて、造形物の仕上がり寸法が描画時よりも大きくなる場合と、描画時よりも小さくなる場合とがある。このため、従来の３次元造形物の製造方法には、モデル材とサポート材が混触する部分において造形物を正しい仕上がり寸法で製造できないという問題がある。特許文献１に記載された方法を用いても、この問題を解決することができない。
【０００８】
それ故に、本発明は、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造できる３次元造形物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の局面は、３次元造形物の製造方法であって、
モデル材を素材とする造形物の３次元形状データを補正する補正ステップと、
前記造形物の補正後の３次元形状データに基づき、サポート材を素材とする補助部の３次元形状データを生成するステップと、
３次元プリンタを用いて前記造形物と前記補助部を一緒に成形するステップとを備え、
前記補正ステップは、前記造形物の３次元形状データに基づくスライスデータに対して、２次元サイジング処理と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算とを行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面において、
前記補正ステップは、前記２次元サイジング処理として、膨張処理または収縮処理を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の局面は、本発明の第１の局面において、
前記補正ステップは、前記２次元サイジング処理として、２次元のミンコフスキー和またはミンコフスキー差を求める処理を行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の局面は、本発明の第１の局面において、
前記補正ステップは、前記２次元サイジング処理として、２次元のポリゴンオフセット処理を行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第５の局面は、本発明の第２〜第４のいずれかの局面において、
前記補正ステップは、前記論理演算として、ＯＲ演算またはＡＮＤ演算を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第６の局面は、本発明の第５の局面において、
前記補正ステップは、前記スライスデータに対して前記２次元サイジング処理を行った後に前記論理演算を行うことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第７の局面は、本発明の第５の局面において、
前記補正ステップは、前記スライスデータに対して前記論理演算を行った後に前記２次元サイジング処理を行うことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第８の局面は、本発明の第１の局面において、
前記補正ステップにおけるサイジング量は、前記モデル材と前記サポート材の組合せに応じて決定されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第９の局面は、本発明の第１の局面において、
一緒に成形された前記造形物と前記補助部から前記補助部を除去するステップをさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第１０の局面は、本発明の第１の局面において、
前記補正ステップは、前記造形物の３次元形状データをスライスデータに変換するステップを含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の第１１の局面は、形状データ補正装置であって、
モデル材を素材とする造形物の３次元形状データを入力するための入力部と、
前記入力部を用いて入力された３次元形状データを補正する補正部と、
前記造形物の補正後の３次元形状データに基づき、サポート材を素材とする補助部の３次元形状データを生成する生成部とを備え、
前記補正部は、前記造形物の３次元形状データに基づくスライスデータに対して、２次元サイジング処理と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算とを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
上記第１の局面によれば、造形物の３次元形状データを補正し、造形物の補正後の３次元形状データに基づき補助部の３次元形状データを生成することにより、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造することができる。また、スライスデータに対して２次元サイジング処理と論理演算とを行うことにより、造形物の３次元形状データを実用的な時間で補正することができる。
【００２１】
上記第２の局面によれば、スライスデータがラスタデータである場合に膨張処理または収縮処理を行うことにより、２次元サイジング処理を短時間で行うことができる。
【００２２】
上記第３または第４の局面によれば、スライスデータがベクタデータである場合に２次元のミンコフスキー和または２次元のミンコフスキー差を求める処理（あるいは、２次元のポリゴンオフセット処理）を行うことにより、２次元サイジング処理を短時間で行うことができる。
【００２３】
上記第５の局面によれば、高さ方向のサイジング処理としてＯＲ演算またはＡＮＤ演算を行うことにより、高さ方向のサイジング処理を容易に行うことができる。
【００２４】
上記第６または第７の局面によれば、２次元サイジング処理と論理演算のいずれを先に行っても同じ結果が得られるので、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造することができる。
【００２５】
上記第８の局面によれば、モデル材とサポート材の組合せに応じて決定されたサイジング量を用いて造形物の３次元形状データを補正することにより、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造することができる。
【００２６】
上記第９の局面によれば、一緒に成形された造形物と補助部から補助部を除去することにより、造形物を完成させることができる。
【００２７】
上記第１０の局面によれば、他の形式のデータをスライスデータに変換することにより、造形物の３次元形状データを実用的な時間で補正することができる。
【００２８】
上記第１１の局面によれば、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造するための形状データ補正装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る３次元プリンタシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す３次元プリンタの概略構成を示す図である。
【図３】図１に示す形状データ補正装置に入力されるスライスデータを示す図である。
【図４】２次元スケーリング処理と２次元サイジング処理の例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る３次元造形物の製造方法を示すフローチャートである。
【図６】図１に示す造形物データ補正部による２種類のサイジング処理の実行順序を示す図である。
【図７】本発明の変形例に係る造形物データ補正部による２種類のサイジング処理の実行順序を示す図である。
【図８】２次元のミンコフスキー和を求める処理の例を示す図である。
【図９】２次元のミンコフスキー差を求める処理の例を示す図である。
【図１０】図１に示す造形物データ補正部によるＺ方向のサイジング処理の例を示す図である。
【図１１】図１に示す造形物データ補正部によるＺ方向のサイジング処理の他の例を示す図である。
【図１２】３次元プリンタを用いて成形された造形物と支持部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、本発明の実施形態に係る３次元プリンタシステムの構成を示すブロック図である。図１に示す３次元プリンタシステム１は、形状データ補正装置１０と３次元プリンタ２０を備えている。形状データ補正装置１０と３次元プリンタ２０は、通信可能に接続される。３次元プリンタ２０は、モデル材を素材とする造形物と、サポート材を素材とする補助部とを一緒に成形する。以下の説明では、補助部は、造形物の表面の全体を覆う被覆部であるとする。本発明の実施形態に係る３次元造形物の製造方法は、３次元プリンタシステム１を用いて実行される。
【００３１】
形状データ補正装置１０には、製造すべき造形物の３次元形状データＤ１が入力される。形状データ補正装置１０は、入力された３次元形状データＤ１に対して補正処理と被覆部データ生成処理を行い、３次元形状データＤ２を出力する。３次元形状データＤ２には、造形物の補正後の３次元形状データＤ３と、被覆部の３次元形状データＤ４とが含まれる。３次元プリンタ２０は、３次元形状データＤ２に基づき、造形物と被覆部を一緒に成形する。
【００３２】
図２は、３次元プリンタ２０の概略構成を示す図である。図２に示す３次元プリンタ２０は、ステージ２１、昇降機構２２、移動機構２３、第１吐出ヘッド２４、第２吐出ヘッド２５、照射部２６、および、制御部２７を有している。制御部２７は、昇降機構２２、移動機構２３、第１吐出ヘッド２４、第２吐出ヘッド２５、および、照射部２６を制御する。図２には、成形中の造形物３１と被覆部３２が記載されている。
【００３３】
ステージ２１は、平板状の形状を有し、支持機構によって主面が水平になるように支持される。昇降機構２２は、制御部２７からの制御に従い、ステージ２１を上下方向（Ｚ方向）に昇降させる。移動機構２３は、制御部２７からの制御に従い、ステージ２１を水平面内で左右方向（Ｘ方向）と前後方向（Ｙ方向）に移動させる。第１吐出ヘッド２４、第２吐出ヘッド２５、および、照射部２６は、ステージ２１の上方に固定的に配置される。
【００３４】
第１吐出ヘッド２４は、制御部２７からの制御に従い、造形物３１の素材であるモデル材をステージ２１上に噴射する。第２吐出ヘッド２５は、制御部２７からの制御に従い、被覆部３２の素材であるサポート材をステージ２１上に噴射する。より詳細には、制御部２７は、造形物の補正後の３次元形状データＤ３に基づき、モデル材を噴射するか否かを示す２値の制御信号Ｃｍを第１吐出ヘッド２４に対して出力すると共に、被覆部の３次元形状データＤ４に基づき、サポート材を噴射するか否かを示す２値の制御信号Ｃｓを第２吐出ヘッド２５に対して出力する。第１吐出ヘッド２４は、制御信号Ｃｍに従いモデル材を選択的に噴射する。第２吐出ヘッド２５は、制御信号Ｃｓに従いサポート材を選択的に噴射する。照射部２６は、制御部２７から出力された制御信号Ｃｕｖに従い、ステージ２１上に噴射されたモデル材とサポート材に対して紫外線を照射する。
【００３５】
始めに、制御部２７は、昇降機構２２を制御して、ステージ２１を所定の高さ（初期の高さ）まで移動させる。次に、制御部２７は、移動機構２３を制御してステージ２１を水平面内で移動させると共に、第２吐出ヘッド２５を制御してステージ２１上にサポート材を選択的に噴射させる。次に、制御部２７は、移動機構２３を制御してステージ２１を水平面内で移動させると共に、照射部２６を制御してステージ２１上に噴射されたサポート材に対して紫外線を照射させる。このとき、ステージ２１上に噴射されたサポート材は硬化する。次に、制御部２７は、移動機構２３を制御してステージ２１を水平面内で移動させると共に、第１吐出ヘッド２４を制御してステージ２１上にモデル材を選択的に噴射させる。次に、制御部２７は、移動機構２３を制御してステージ２１を水平面内で移動させると共に、照射部２６を制御してステージ２１上に噴射されたモデル材に対して紫外線を照射させる。このとき、ステージ２１上に噴射されたモデル材は硬化する。これにより、造形物３１と被覆部３２の第１層が成形される。
【００３６】
次に、制御部２７は、昇降機構２２を制御して、ステージ２１を所定量だけ降下させる。次に、制御部２７は、移動機構２３、第１吐出ヘッド２４、第２吐出ヘッド２５、および、照射部２６を上記と同様に制御する。これにより、造形物３１と被覆部３２の第２層が成形される。その後、制御部２７は、ステージ２１を所定量だけ降下させて、造形物３１と被覆部３２の各層を成形する制御を繰り返し行う。これにより、ステージ２１上に造形物３１と被覆部３２が一緒に成形される。一緒に成形された造形物３１と被覆部３２から被覆部３２を除去することにより、造形物３１を完成させることができる。例えば、サポート材が可溶性の素材である場合には、被覆部３２を水などの液体に溶解させて除去することができる。
【００３７】
なお、本実施形態に係る３次元造形物の製造方法で使用される３次元プリンタは、図２に示す構成以外の構成を有していてもよい。例えば、３次元プリンタは、第１吐出ヘッド２４を複数有していてもよく、第２吐出ヘッド２５を複数有していてもよく、照射部２６を複数有していてもよい。また、３次元プリンタは、第１吐出ヘッド２４、第２吐出ヘッド２５、および、照射部２６を昇降させる昇降機構や、第１吐出ヘッド２４、第２吐出ヘッド２５、および、照射部２６を水平面内で移動させる移動機構を有していてもよい。
【００３８】
図１に示すように、形状データ補正装置１０は、形状データ入力部１１、造形物データ補正部１２、被覆部データ生成部１３、および、形状データ出力部１４を含んでいる。形状データ補正装置１０は、典型的には、コンピュータを用いて実現される。より詳細には、形状データ補正装置１０は、コンピュータに含まれるＣＰＵがメモリを用いて形状データ補正プログラムを実行することにより実現される。
【００３９】
形状データ入力部１１には、形状データ補正装置１０の外部から、製造すべき造形物の３次元形状データＤ１が入力される。３次元形状データＤ１は、造形物の３次元形状を表現できる任意の形式を有していてもよい。３次元形状データＤ１は、例えば、３次元ベクタデータでもよく、スライスデータでもよい。３次元ベクタデータは、ポリゴンデータとも呼ばれ、造形物の３次元形状を複数の多角形（例えば、三角形）を用いて近似したときの多角形の頂点の３次元座標データを含んでいる。スライスデータは、造形物をＺ軸に直交する平面で層状にスライスしたときの断面形状を表現するデータを含んでいる（図３を参照）。スライスデータは、画像データのようなラスタデータでもよく、断面形状の外周を表現するベクタデータでもよい。形状データ入力部１１は、入力された３次元形状データＤ１を造形物データ補正部１２に対して出力する。
【００４０】
造形物データ補正部１２は、形状データ入力部１１から出力された３次元形状データＤ１に対して３次元サイジング処理を行うことにより、造形物の補正後の３次元形状データＤ３を求める。造形物データ補正部１２には、Ｘ方向のサイジング量Ｓｘ、Ｙ方向のサイジング量Ｓｙ、および、Ｚ方向のサイジング量Ｓｚが、パラメータとして与えられる。これらのサイジング量Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚは、モデル材とサポート材の組合せに応じて決定されている。造形物データ補正部１２は、３次元形状データＤ１で表現される造形物の寸法をＸ方向にＳｘ、Ｙ方向にＳｙ、Ｚ方向にＳｚだけ増加または減少させる。例えば、Ｓｘ＞０の場合には、造形物のＸ方向の寸法はＳｘだけ増加する（造形物はＸ方向にＳｘだけ太くなる）。Ｓｘ＜０の場合には、造形物のＸ方向の寸法は（−Ｓｘ）だけ減少する（造形物はＸ方向に（−Ｓｘ）だけ細くなる）。造形物データ補正部１２は、求めた造形物の補正後の３次元形状データＤ３を被覆部データ生成部１３と形状データ出力部１４に対して出力する。
【００４１】
なお、サイジング処理は、スケーリング処理（図形の寸法をｋ倍に拡大または縮小する処理）とは異なる。図４は、２次元スケーリング処理と２次元サイジング処理の例を示す図である。図４に示す２次元ハート図形４１に対して、倍率を１．２倍として２次元スケーリング処理を行うと、元の図形（破線で示す）の１．２倍の寸法を有する２次元ハート図形４２が得られる。一方、２次元ハート図形４１に対して、Ｘ方向およびＹ方向のサイジング量を５ｃｍとして２次元サイジング処理を行うと、元の図形よりも外周が５ｃｍ膨張した２次元ハート図形４３が得られる。スケーリング処理後の図形は元の図形の相似形であるが、サイジング処理後の図形は元の図形の相似形ではない。造形物データ補正部１２が行う３次元サイジング処理は、図４に示す２次元サイジング処理を３次元に拡張したものである。
【００４２】
被覆部データ生成部１３は、造形物データ補正部１２から出力された、造形物の補正後の３次元形状データＤ３に基づき、被覆部の３次元形状データＤ４を生成する。被覆部データ生成部１３は、生成した被覆部の３次元形状データＤ４を形状データ出力部１４に対して出力する。
【００４３】
形状データ出力部１４は、造形物データ補正部１２から出力された造形物の補正後の３次元形状データＤ３と、被覆部データ生成部１３から出力された被覆部の３次元形状データＤ４とを、３次元形状データＤ２として３次元プリンタ２０に対して出力する。
【００４４】
図５は、本実施形態に係る３次元造形物の製造方法を示すフローチャートである。図５に示す各ステップのうち、ステップＳ１０１〜Ｓ１１０は形状データ補正装置１０を用いて実行され、ステップＳ１１１は３次元プリンタ２０を用いて実行される。以下の説明では、３次元形状データＤ１はスライスデータであるとする。また、造形物のＺ方向の寸法をｎとし、造形物は第１層（最下層）〜第ｎ層（最上層）で構成されるとする。また、Ｚ方向のサイジング量Ｓｚの絶対値をＳＺとする。
【００４５】
まず、形状データ補正装置１０に対して、製造すべき造形物の３次元形状データＤ１が入力される（ステップＳ１０１）。形状データ入力部１１は、入力された３次元形状データＤ１を受け取る。３次元形状データＤ１には、ｎ枚のスライスデータが含まれている。次に、形状データ入力部１１は、（２ＳＺ＋ｎ）枚のスライスデータを記憶するためのデータ領域Ｂｕｆ［１］〜Ｂｕｆ［２ＳＺ＋ｎ］を確保する（ステップＳ１０２）。確保されたデータ領域は、値０（スライスデータがラスタデータの場合）または空（スライスデータがベクタデータの場合）に初期化される。次に、形状データ入力部１１は、３次元形状データＤ１に含まれるｎ枚のスライスデータをデータ領域Ｂｕｆ［１］〜Ｂｕｆ［２ＳＺ＋ｎ］の中央部分に書き込む（ステップＳ１０３）。具体的には、３次元形状データＤ１に含まれる第１層〜第ｎ層のスライスデータは、それぞれ、データ領域Ｂｕｆ［ＳＺ＋１］〜Ｂｕｆ［ＳＺ＋ｎ］に書き込まれる。
【００４６】
次に、造形物データ補正部１２は、変数ｉを１に設定する（ステップＳ１０４）。次に、造形物データ補正部１２は、データ領域Ｂｕｆ［ＳＺ＋ｉ］に記憶された第ｉ層のスライスデータに対して、ＸＹ方向のサイジング処理（詳細は後述）を行う（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５で求めた結果（ＸＹ方向のサイジング処理を行った結果）は、データ領域Ｂｕｆ［ＳＺ＋ｉ］に書き込まれる。
【００４７】
次に、造形物データ補正部１２は、変数ｉがｎ（造形物のＺ方向の寸法）未満か否かを判断する（ステップＳ１０６）。造形物データ補正部１２は、Ｙｅｓの場合にはステップＳ１０７へ進み、Ｎｏの場合にはステップＳ１０８へ進む。前者の場合、造形物データ補正部１２は、変数ｉに１を加算し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０５へ進む。造形物データ補正部１２は、変数ｉを１ずつ増やしながらステップＳ１０５をｎ回実行することにより、第１層〜第ｎ層のスライスデータに対してＸＹ方向のサイジング処理を行う。
【００４８】
ステップＳ１０８を実行する前に、データ領域Ｂｕｆ［ＳＺ＋１］〜Ｂｕｆ［ＳＺ＋ｎ］には、第１層〜第ｎ層のスライスデータに対してＸＹ方向のサイジング処理を行った結果が記憶されている。ステップＳ１０８において、造形物データ補正部１２は、データ領域Ｂｕｆ［ＳＺ＋１］〜Ｂｕｆ［ＳＺ＋ｎ］に記憶された第１層〜第ｎ層のスライスデータに対して、Ｚ方向のサイジング処理（詳細は後述）を行う。ステップＳ１０８を実行した後に、データ領域Ｂｕｆ［１］〜Ｂｕｆ［２ＳＺ＋ｎ］には、第１層〜第ｎ層のスライスデータに対して３次元サイジング処理を行った結果（造形物の補正後の３次元形状データＤ３）が記憶されている。
【００４９】
次に、被覆部データ生成部１３は、データ領域Ｂｕｆ［１］〜Ｂｕｆ［２ＳＺ＋ｎ］に記憶された補正後の造形物の３次元形状データＤ３に基づき、被覆部の３次元形状データＤ４を生成する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９では、造形物の表面の全体を覆う被覆部の３次元形状データＤ４が所定の方法で生成される。被覆部の３次元形状データＤ４を生成する方法は任意でよい。生成された被覆部の３次元形状データＤ４は、データ領域Ｂｕｆ［１］〜Ｂｕｆ［２ＳＺ＋ｎ］とは別のデータ領域に記憶される。
【００５０】
次に、形状データ出力部１４は、ステップＳ１０４〜Ｓ１０８で求めた造形物の補正後の３次元形状データＤ３と、ステップＳ１０９で生成した被覆部の３次元形状データＤ４とを、３次元形状データＤ２として３次元プリンタ２０に対して出力する（ステップＳ１１０）。
【００５１】
３次元プリンタ２０は、形状データ補正装置１０から出力された３次元形状データＤ２に基づき、造形物と被覆部を一緒に成形する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１を実行することにより、被覆部によって覆われた造形物が得られる。次に、ステップＳ１１１で得られた、被覆部によって覆われた造形物から被覆部を除去する（ステップＳ１１２）。これにより、造形物を完成させることができる。
【００５２】
図６は、造形物データ補正部１２による２種類のサイジング処理の実行順序を示す図である。図６に示すように、造形物データ補正部１２は、第１段階の処理として、造形物のスライスデータに対してＸＹ方向のサイジング処理を行うことにより、ＸＹ方向のサイジング処理後のスライスデータを求める。次に、造形物データ補正部１２は、第２段階の処理として、ＸＹ方向のサイジング処理後のスライスデータに対してＺ方向のサイジング処理を行うことにより、３次元サイジング処理後のスライスデータ（造形物の補正後の３次元形状データＤ３）を求める。
【００５３】
なお、造形物データ補正部は、２種類のサイジング処理を逆の順序で行ってもよい。図７は、変形例に係る造形物データ補正部による２種類のサイジング処理の実行順序を示す図である。変形例に係る造形物データ補正部は、第１段階の処理として、造形物のスライスデータに対してＺ方向のサイジング処理を行うことにより、Ｚ方向のサイジング処理後のスライスデータを求める。次に、変形例に係る造形物データ補正部は、第２段階の処理として、Ｚ方向のサイジング処理後のスライスデータに対してＸＹ方向のサイジング処理を行うことにより、３次元サイジング処理後のスライスデータを求める。図６に示す順序で２種類のサイジング処理を行った結果と、図７に示す順序で２種類のサイジング処理を行った結果は同じである。
【００５４】
以下、ＸＹ方向のサイジング処理について説明する。３次元形状データＤ１がスライスデータであり、スライスデータがラスタデータ（ビットマップ形式やランレングス形式のデータ）である場合には、造形物データ補正部１２は、ラスタ形式のスライスデータに対してＸＹ方向のサイジング処理として、例えば、膨張処理（Ｄｉｌａｔｉｏｎ）または収縮処理（Ｅｒｏｓｉｏｎ）を行う。スライスデータがベクタデータである場合には、造形物データ補正部１２は、ベクタ形式のスライスデータに対してＸＹ方向のサイジング処理として、例えば、２次元のミンコフスキー和（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ  Ｓｕｍ）またはミンコフスキー差（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を求める処理、あるいは、２次元のポリゴンオフセット処理（Ｐｏｌｙｇｏｎ  Ｏｆｆｓｅｔｔｉｎｇ）を行う。
【００５５】
膨張処理と収縮処理は、２値画像に対する処理として、画像処理分野において広く知られている。膨張処理は、周囲の画素のいずれかが値１（図形の内部を表す）を有するときに中央の画素の値を１にする処理である。膨張処理を行うと、図形は膨張する。収縮処理は、周囲の画素のいずれかが値０（図形の外部を表す）を有するときに中央の画素の値を０にする処理である。収縮処理を行うと、図形は収縮する。造形物データ補正部１２は、ラスタ形式のスライスデータに対して、Ｘ方向のサイジング量ＳｘとＹ方向のサイジング量Ｓｙに応じた回数だけ膨張処理または収縮処理を行うことにより、ＸＹ方向のサイジング処理を行う。これにより、２次元サイジング処理を短時間で行うことができる。
【００５６】
２次元図形の集合Ａ、Ｂが与えられたときに、２次元のミンコフスキー和ＭＳＵＭ（Ａ，Ｂ）とは、集合Ａに属する点ａと集合Ｂに属する点ｂのすべての組合せについて和（ａ＋ｂ）を求めたときに、それらの和からなる集合をいう。２次元のミンコフスキー差ＭＤＩＦ（Ａ，Ｂ）とは、集合Ａに含まれる点のうち、集合Ｂに含まれるあらゆる点ｂの座標だけ平行移動しても集合Ａに留まるような点からなる集合をいう。ミンコフスキー和ＭＳＵＭ（Ａ，Ｂ）とミンコフスキー差ＭＤＩＦ（Ａ，Ｂ）は、それぞれ、次式（１）および（２）のように表される。
ＭＳＵＭ（Ａ，Ｂ）＝｛ａ＋ｂ｜ａ∈Ａ、ｂ∈Ｂ｝  …（１）
ＭＤＩＦ（Ａ，Ｂ）＝｛ｃ｜ｃ＋Ｂ⊆Ａ｝          …（２）
【００５７】
２次元形状データがベクタデータである場合に、２次元のミンコフスキー和とミンコフスキー差を短時間で求める方法が従来から知られている。造形物データ補正部１２は、ベクタ形式のスライスデータで表現される図形を含む集合をＡ、Ｘ方向のサイジング量ＳｘとＹ方向のサイジング量Ｓｙに応じた寸法を有する２次元図形（例えば、円）だけを含む集合をＢとして、集合Ａ、Ｂの間でミンコフスキー和ＭＳＵＭ（Ａ，Ｂ）またはミンコフスキー差ＭＤＩＦ（Ａ，Ｂ）を求めることにより、ＸＹ方向のサイジング処理を行う。これにより、２次元サイジング処理を短時間で行うことができる。
【００５８】
図８は、２次元のミンコフスキー和を求める処理の例を示す図である。図８に示すように、２次元ハート図形５１だけを含む集合Ａと、Ｘ方向のサイジング量ＳｘとＹ方向のサイジング量Ｓｙに応じた半径ｒを有する円５２だけを含む集合Ｂとの間でミンコフスキー和ＭＳＵＭ（Ａ，Ｂ）を求めると、外周がｒだけ膨張した２次元ハート図形５３が得られる。図９は、２次元のミンコフスキー差を求める処理の例を示す図である。図９に示すように、上記の集合Ａ、Ｂの間でミンコフスキー差ＭＤＩＦ（Ａ，Ｂ）を求めると、外周がｒだけ収縮した２次元ハート図形５４が得られる。
【００５９】
２次元のポリゴンオフセット処理は、２次元図形の集合のｒ−オフセットを求める処理である。２次元図形の集合Ａが与えられたときに、集合Ａのｒ−オフセットとは、集合Ａまでの距離がｒ以下である点ｐからなる集合をいう。集合Ａのｒ−オフセットＯＦＦ（Ａ，ｒ）は、次式（３）で表される。
ＯＦＦ（Ａ，ｒ）＝｛ｐ∈Ｒ2 ｜ｄ（ｐ，Ａ）≦ｒ｝  …（３）
ただし、式（３）において、Ｒ2 は２次元平面を表し、ｄ（ｐ，Ａ）は点ｐから集合Ａまでの距離を表す。集合Ａのｒ−オフセットＯＦＦ（Ａ，ｒ）は、集合Ａと半径ｒの円だけを含む集合Ｂとの間の２次元のミンコフスキー和ＭＳＵＭ（Ａ，Ｂ）と同じである。
【００６０】
２次元形状データがベクタデータである場合に、２次元のポリゴンオフセット処理を短時間で行う方法が従来から知られている。造形物データ補正部１２は、Ｘ方向のサイジング量ＳｘとＹ方向のサイジング量Ｓｙに応じて値ｒを決定し、ベクタ形式のスライスデータに対して２次元のポリゴンオフセット処理を行うことにより、ＸＹ方向のサイジング処理を行う。これにより、２次元サイジング処理を短時間で行うことができる。
【００６１】
以下、Ｚ方向のサイジング処理について説明する。造形物データ補正部１２は、ＸＹ方向のサイジング処理後のスライスデータの中から１層分のスライスデータを処理対象のスライスデータとして選択する。これに加えて、造形物データ補正部１２は、処理対象のスライスデータとのＺ方向の距離がＳＺ以下である２ＳＺ枚のスライスデータを選択する。造形物データ補正部１２は、合わせて（２ＳＺ＋１）枚のスライスデータに対して、Ｓｚ＞０のときにはＯＲ演算を行い、Ｓｚ＜０のときにはＡＮＤ演算を行う。造形物データ補正部１２は、ＸＹ方向のサイジング処理後のすべてのスライスデータを順に選択してＡＮＤ演算またはＯＲ演算を行うことにより、Ｚ方向のサイジング処理を行う。これにより、高さ方向のサイジング処理を容易に行うことができる。なお、図７を参照して説明したように、造形物データ補正部１２は、ＸＹ方向のサイジング処理後のスライスデータではなく、入力されたスライスデータ（３次元形状データＤ１）に対して上記の論理演算を行ってもよい。
【００６２】
図１０は、造形物データ補正部１２によるＺ方向のサイジング処理の例を示す図である。図１０には、Ｓｚ＝２の場合の処理が記載されている。この場合、図１０（ａ）に示すように、スライスデータＰi に加えて４枚のスライスデータＰi-2 、Ｐi-1 、Ｐi+1 、Ｐi+2 が選択され、５枚のスライスデータＰi-2 〜Ｐi+2 に対してＯＲ演算が行われる。ＯＲ演算を行うことにより、図形の外周はＺ軸の正方向と負方向に２画素ずつ膨張する（図１０（ｂ）を参照）。
【００６３】
図１１は、造形物データ補正部１２によるＺ方向のサイジング処理の他の例を示す図である。図１１には、Ｓｚ＝−２の場合の処理が記載されている。この場合、図１１（ａ）に示すように、スライスデータＰi に加えて４枚のスライスデータＰi-2 、Ｐi-1 、Ｐi+1 、Ｐi+2 が選択され、５枚のスライスデータＰi-2 〜Ｐi+2 に対してＡＮＤ演算が行われる。ＡＮＤ演算を行うことにより、図形の外周はＺ軸の正方向と負方向に２画素ずつ収縮する（図１１（ｂ）を参照）。
【００６４】
このように造形物データ補正部１２は、３次元サイジング処理を、２次元サイジング処理と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算とに分けて行う。これにより、造形物の３次元形状データを実用的な時間で補正することができる。
【００６５】
以上に示すように、本実施形態に係る３次元造形物の製造方法は、モデル材を素材とする造形物の３次元形状データＤ１を補正する補正ステップ（ステップＳ１０４〜Ｓ１０８）と、造形物の補正後の３次元形状データＤ３に基づき、サポート材を素材とする補助部の３次元形状データＤ４を生成するステップ（ステップＳ１０９）と、３次元プリンタ２０を用いて造形物と補助部を一緒に成形するステップ（ステップＳ１１１）とを備えている。補正ステップは、造形物の３次元形状データに基づくスライスデータに対して、２次元サイジング処理（ステップＳ１０５）と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算（ステップＳ１０８）とを行う。したがって、本実施形態に係る３次元造形物の製造方法によれば、造形物の３次元形状データＤ１を補正し、造形物の補正後の３次元形状データＤ３に基づき補助部の３次元形状データＤ４を生成することにより、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造することができる。また、スライスデータに対して２次元サイジング処理と論理演算とを行うことにより、造形物の３次元形状データＤ１の補正を実用的な時間で行うことができる。
【００６６】
また、スライスデータがラスタデータである場合には膨張処理または収縮処理を行い、スライスデータがベクタデータである場合に２次元のミンコフスキー和または２次元のミンコフスキー差を求める処理（あるいは、２次元のポリゴンオフセット処理）を行うことにより、２次元サイジング処理を短時間で行うことができる。また、高さ方向のサイジング処理としてＯＲ演算またはＡＮＤ演算を行うことにより、高さ方向のサイジング処理を容易に行うことができる。また、補正ステップにおけるサイジング量Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚは、モデル材とサポート材の組合せに応じて決定されている。モデル材とサポート材の組合せに応じて決定されたサイジング量を用いて造形物の３次元形状データを補正することにより、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造することができる。
【００６７】
また、形状データ補正装置１０は、モデル材を素材とする造形物の３次元形状データＤ１を入力するための入力部（形状データ入力部１１）と、入力部を用いて入力された３次元形状データＤ１を補正する補正部（造形物データ補正部１２）と、造形物の補正後の３次元形状データＤ３に基づき、サポート材を素材とする補助部の３次元形状データＤ４を生成する生成部（被覆部データ生成部１３）とを備えている。補正部は、造形物の３次元形状データＤ１に基づくスライスデータに対して、２次元サイジング処理と、高さ方向のサイジング処理としての論理演算とを行う。したがって、形状データ補正装置１０によれば、モデル材とサポート材が混触するときでも造形物を正しい仕上がり寸法で製造するための形状データ補正装置を提供することができる。
【００６８】
本発明の実施形態に係る３次元プリンタシステムおよび３次元造形物の製造方法については、各種の変形例を構成することができる。例えば、造形物の３次元形状データＤ１は、スライスデータ以外の形式のデータ（例えば、３次元ベクタデータ）でもよい。この場合、形状データ補正装置は、スライスデータ以外の形式のデータをスライスデータに変換する形状データ変換部を備えることが好ましい。３次元ベクタデータに対して、３次元のミンコフスキー和またはミンコフスキー差を求める処理や、３次元のポリゴンオフセット処理を行うと、処理時間が長くなる。形状データ変換部を用いて３次元ベクタデータをスライスデータに変換することにより、造形物の３次元形状データを実用的な時間で補正することができる。
【００６９】
また、以上の説明では、造形物と一緒に成形される補助部は、造形物の表面の全体を覆う被覆部であることとしたが、補助部は造形物の表面の少なくとも一部と接触する限り、他の形状を有していてもよい。例えば、補助部は造形物を支える支持部でもよい（図１２を参照）。３次元プリンタを用いて造形物と造形物の表面の一部と接触する補助部とを一緒に成形する場合、造形物データ補正部は、造形物の３次元形状データに基づき、造形物の表面を補助部と接触する部分と補助部と接触しない部分とに分割し、前者の部分に対して上述した３次元サイジング処理を行えばよい。
【符号の説明】
【００７０】
１…３次元プリンタシステム
１０…形状データ補正装置
１１…形状データ入力部
１２…造形物データ補正部
１３…被覆部データ生成部
１４…形状データ出力部
２０…３次元プリンタ
２１…ステージ
２２…昇降機構
２３…移動機構
２４…第１吐出ヘッド
２５…第２吐出ヘッド
２６…照射部
２７…制御部
３１…造形物
３２…被覆部
４１〜４３、５１…２次元ハート図形
５２…円
５３…膨張した２次元ハート図形
５４…収縮した２次元ハート図形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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