(57)【要約】【課題】単位層間の界面強度（密着性）を向上させる。【解決手段】実施形態に係る立体造形システムは、造形す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データ取得部と、前記取得した三次元的形状を所望の間隔で輪切りにして複数の断面データを作成する断面データ生成部と、前記複数の断面データから造形材を吐出するためのヘッドを移動させるための経路データを作成する経路データ生成部とを備え、前記経路データ生成部は、造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する第１経路データと、前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層上に前記第２の造形材料層を積層させる第２経路データとを作成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元的形状を示す立体情報に基づいて、造形材料を用いて造形材料層を形成し、該造形材料層を積層させて造形することにより、立体物を造形する立体造形システムであって、
造形す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データ取得部と、
前記取得した三次元的形状を所望の間隔で輪切りにして複数の断面データを作成する断面データ生成部と、
前記複数の断面データから造形材を吐出するためのヘッドを移動させるための経路データを作成する経路データ生成部と、
を備え、
前記経路データ生成部は、造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する第１経路データと、前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層上に前記第２の造形材料層を積層させる第２経路データとを作成する
立体造形システム。
【請求項２】
前記経路データ生成部は、前記第１の造形材料層上に前記第２の造形材料層を積層させる際に、前記第１の造形材料層が加熱および加圧されるように、前記第１経路データ及び前記第２経路データのうちの少なくとも一方の経路を構成する線分の長さおよび高さを制御する請求項１に記載の立体造形システム。
【請求項３】
前記第１の造形材料層を加熱後に冷却するまでの時間と、前記ヘッドの速度とから算出される長さ以下になるように、前記経路を構成する前記線分を分割する請求項２に記載の立体造形システム。
【請求項４】
三次元的形状を示す立体情報に基づいて、造形材料を用いて造形材料層を形成し、該造形材料層を積層させて造形することにより、立体物を造形する立体造形方法であって、
造形す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データ取得工程と、
前記取得した三次元的形状を所望の間隔で輪切りにして複数の断面データを作成する断面データ生成工程と、
前記複数の断面データから造形材を吐出するためのヘッドを移動させるための経路データを作成する経路データ生成工程と、
を備え、
前記経路データ生成工程は、造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する第１経路データと、前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層上に前記第２の造形材料層を積層させる第２経路データとを作成する
立体造形方法。
【請求項５】
三次元的形状を示す立体情報に基づいて、造形材料を用いて造形材料層を形成し、該造形材料層を積層させて造形することにより、立体物を造形する立体造形システムのコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
造形す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データ取得ステップと、
前記取得した三次元的形状を所望の間隔で輪切りにして複数の断面データを作成する断面データ生成ステップと、
前記複数の断面データから造形材を吐出するためのヘッドを移動させるための経路データを作成する経路データ生成ステップと、
を前記コンピュータに実行させ、
前記経路データ生成ステップは、造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する第１経路データと、前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層上に前記第２の造形材料層を積層させる第２経路データとを前記コンピュータに作成させる
プログラム。
【請求項６】
請求項５に記載のプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形システム、立体造形方法、そのプログラム及びそれを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
造形物の基礎データである３次元データを、コンピュータの画面上で任意の姿勢に設定し、設定された姿勢に基づいて高さ方向に平行な複数の面で切断した各断面面のデータを生成し、この各層に関する二次元データに基づいて、樹脂を順次積層することよって立体造形を行い、造形物の三次元モデルとなる造形物を生成する装置が知られている。
【０００３】
特に製品開発において試作等に用いられるラピッド・プロトタイピング（Rapid Prototyping：ＲＰ）の分野では、三次元造型が可能な積層造形法が利用されている。積層造形法は、製品の三次元ＣＡＤデータをスライスし、薄板を重ね合わせたようなものを製造の元データとして作成し、それに粉体、樹脂、鋼板、紙等の材料を積層して試作品を作成する。このような積層造形法としては、インクジェット法、粉末法、光造形法、シート積層法、押し出し法等が知られている。
【０００４】
このような三次元造形装置では、一般に三次元造形プログラムを用いて、造形対象の造形物を造形するための設定データを作成する。例えば別の三次元ＣＡＤプログラムで予め作成された造形物の三次元データを、三次元造形プログラムで読み込み、この三次元データをオブジェクトとして造形プレート上に配置して、配置や姿勢を決定し、三次元造形装置が解読できるフォーマットに変換して、変換した造形データを三次元造形装置本体に送信し造形している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術では、一層ずつ単位層を造形し積み重ねていくその造形方式に起因して、積層方向の強度、すなわち単位層間の界面強度（密着性）が低いという問題が存在する。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単位層間の界面強度（密着性）を向上させることが可能な立体造形システム、立体造形方法、そのプログラム及びそれを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る立体造形システムは、三次元的形状を示す立体情報に基づいて、造形材料を用いて造形材料層を形成し、該造形材料層を積層させて造形することにより、立体物を造形する立体造形システムであって、造形す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データ取得部と、前記取得した三次元的形状を所望の間隔で輪切りにして複数の断面データを作成する断面データ生成部と、前記複数の断面データから造形材を吐出するためのヘッドを移動させるための経路データを作成する経路データ生成部とを備え、前記経路データ生成部は、造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する第１経路データと、前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層上に前記第２の造形材料層を積層させる第２経路データとを作成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単位層間の界面強度（密着性）を向上させることが可能な立体造形システム、立体造形方法、そのプログラム及びそれを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係る立体造形システムの一運用形態を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１におけるＰＣのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施形態に係る３Ｄプリンタの構成例を示す斜視図である。
【図４】図４は、実施形態に係るＰＣの機能構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は、実施形態に係る３Ｄデータ変換処理部の機能構成例を示すブロック図である。
【図６】図６は、実施形態の概念を説明するための概念図である。
【図７】図７は、実施形態に係る線分の長さ制御の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、実施形態に係る時間計測の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、立体造形システム、立体造形方法、そのプログラム及びそれを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
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。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る立体造形システムの一運用形態を示すブロック図である。図１に示すように、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。
【００１３】
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及びインタフェース（Ｉ／Ｆ）５０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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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してもよい。例えば、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と、成形材を吐出するヘッド２０２と、ヘッド２０２を支持すると共に、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とを含む。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
コントローラ１００は、例えば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。
【００２２】
３Ｄデータ変換処理部１１０は、図５に示すように、３Ｄデータ取得部１１１と、断面データ生成部１１２と、経路データ生成部１１３とを備え、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の３Ｄデータ取得部１１１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の３Ｄデータ取得部１１１が取得する場合等がある。
【００２３】
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では、断面データ生成部１１２が入力された３Ｄデータによって表現される立体物を所望の間隔で輪切りにして複数の断面データを作成し、経路データ生成部１１３が断面データから造形材を吐出するためのヘッド２０２を移動させるための経路を示すヘッド移動経路データ（以下、経路データともいう）を作成する。生成された断面データ及び／又は経路データは、適宜、３Ｄプリンタドライバ１２０に入力される。
【００２４】
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、３Ｄデータ変換処理部１１０から送られた断面データとヘッド移動経路データに基づいて３Ｄプリンタ２を制御する情報を３Ｄプリンタ２に送信する。
【００２５】
図６は、本実施形態の概念図である。以下、図６に基づき、本実施形態の原理を説明する。造形用にフィラメントを吐出する直前に、下層を加熱することで層間の接着力を向上させることができることがわかっている。そこで本実施形態では、下層を加熱する手段として、造形用のノズルを代用する。すなわち、造形用のノズルを、これから吐出する経路に沿って、材料を吐出しないで移動させることで、下層を加熱する手段として使用する。その際、加熱のための移動に時間を要するため、通過後に冷却が発生し接着力が低下することが懸念される。
【００２６】
そこで、本実施形態では、接着力が有効である温度を保てるだけの時間内（冷却時間ｔｃ）に加熱するための移動を完了させることを目的として、それを達成できるような線分の長さを求めて、その長さ以下に線分を分割することにより、下層の温度を制御する。
【００２７】
図７は、本実施形態に係る線分の長さ制御の一例を示すフローチャートである。以下、本実施形態の線分の長さ制御方法を図７のフローチャートの各ステップＳ１０１〜Ｓ１０７に基づき説明する。
【００２８】
ステップＳ１０１では、経路データ｛Ｌ０，Ｌ１，…，Ｌｎ−１｝に含まれる全ての線分Ｌｉについて、次の手順で処理を行う。線分Ｌｉは、次式（１）で表現できる。
【数１】
2019155856.tif 000003
【００２９】
式（１）において、各要素は実数であり、浮動小数点フォーマットで表現することができる。また、式（１）における各要素の意味は、次の通りである。すなわち、（ｘｓｉ，ｙｓｉ）は線分Ｌｉの始点座標であり、（ｘｅｉ，ｙｅｉ）は線分Ｌｉの終点座標であり、Ｅｉは線分Ｌｉの材料送り量であり、Ｆｉは線分Ｌｉの速度である。
【００３０】
一般的な造形装置では、この経路データが、アメリカ国立標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology； NIST）のＲＳ２７４ＮＧＣ  Ｇ−ｃｏｄｅ  ｓｔａｎｄａｒｄに準拠するフォーマットで表現されている。
【００３１】
ステップＳ１０２では、線分Ｌｉを分割する分割数ｄが次の計算式（２）に基づき算出される。
【数２】
2019155856.tif 000004
【００３２】
式（２）において、ｃｅｉｌ（ｘ）は、実数ｘを整数値に切り上げる関数である。また、ｔｃは、造形材料の種類、大気温度、加熱温度等から決定される時間であり、測定により求めることができる値である。図８に、測定された冷却時間ｔｃの一例を示す。
【００３３】
ステップＳ１０３では、線分Ｌｉを分割するための増分パラメータαｉ及びβｉが次の計算式（３）に基づいて算出される。
【数３】
2019155856.tif 000005
【００３４】
ステップＳ１０４では、分割の節点となる節点座標が、次の計算式（４）に基づいて算出される。なお、節点座標は、分割数ｄ＋１個存在しており、順にｊ＝０，１，…，ｄの連番で表されている。
【数４】
2019155856.tif 000006
【００３５】
ステップＳ１０５では、節点座標を次式のように分割した線分に割り当てることで、分割線分が生成される。分割線分は、２ｄ個存在しており、ＬｉからＬｉ＋２ｄ−１まで存在する。以下の式（５）に示されるように、ｉから数えて偶数番目の分割線分Ｌｉ＋２ｋは加熱用の線分（造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する第１経路データに相当）であるため、その吐出量には０が設定される。一方、奇数番目の分割線分Ｌｉ＋２ｋ＋１は造形用の線分（第１の造形材料層に造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで第１の造形材料層上に第２の造形材料層を積層させる第２経路データに相当）であるため、その長さに相当する吐出量Ｅｉ／ｄが設定される。
【数５】
2019155856.tif 000007
【００３６】
ステップＳ１０６では、参照用のインデックスｉとｎとが更新される。
【００３７】
そして、ステップＳ１０７では、ｉ＋１がｉの最大値ｉ＿ｍａｘより大きいか否か、すなわち、次の線分Ｌｉ＋１が存在するか否かが判定され、存在する場合（ステップＳ１０７のＮＯ）、ステップＳ１０１へリターンして、次の線分Ｌｉ＋１に対する処理を実行する。一方、次の線分Ｌｉ＋１が存在しない場合（ステップＳ１０７のＹＥＳ）、本動作は終了する。
【００３８】
以上のように、本実施形態によれば、経路データ生成部１１３が、造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する第１経路データと、前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層上に前記第２の造形材料層を積層させる第２経路データとを作成する。これにより、本実施形態によれば、造形材料層間の密着力が向上するため、造形物の強度を向上させることができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、前記第２の造形材料層を積層する際、前記第１の造形材料層の温度を上げるために、線分の長さ、高さ、速度が制御される。それにより、本実施形態によれば、造形材料層間の密着力が向上するため、造形物の強度をより向上させることができる。
【００４０】
さらに、本実施形態では、線分の長さ、高さ、速度の制御を実際に実施した結果から得られた、前記第１の造形層を加熱後に冷却するまでの時間とヘッド２０２の速度から算出できる長さ以下であればよいことに基づき、その長さ以下になるように、経路を構成する線分が分割される。それにより、本実施形態によれば、ヘッド２０２の制御が必要以上に複雑化することを回避でき、その結果、造形物の強度をより向上させることができる。
【００４１】
なお、上述したように、本実施形態に係る立体造形システム及び立体造形方法を実現するプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。
【００４２】
また、本実施形態に係る立体造形システム及び立体造形方法を実現するプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態に係る立体造形システム及び立体造形方法を実現するプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
【００４３】
また、本実施形態に係る立体造形システム及び立体造形方法を実現するプログラムを、ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
【００４４】
本実施形態に係る立体造形システム及び立体造形方法を実現するプログラムは、上述した各部（３Ｄデータ取得部１１１、断面データ生成部１１２、経路データ生成部１１３等）を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵ（プロセッサ）が上記記憶媒体から〜プログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、３Ｄデータ取得部１１１、断面データ生成部１１２、経路データ生成部１１３等が主記憶装置上に生成されるようになっている。
【符号の説明】
【００４５】
１  ＰＣ
２  ３Ｄプリンタ
１０  ＣＰＵ
２０  ＲＡＭ
３０  ＲＯＭ
４０  ＨＤＤ
５０  Ｉ／Ｆ
６０  ＬＣＤ
７０  操作部
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  断面データ生成部
１１３  経路データ生成部
１２０  ３Ｄプリンタドライバ
２０１  基盤
２０２  ヘッド
２０３  アーム
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４６】
【特許文献１】特開２０１５−７４１６４号公報
【図１】
2019155856.tif 000008
【図２】
2019155856.tif 000009
【図３】
2019155856.tif 000010
【図４】
2019155856.tif 000011
【図５】
2019155856.tif 000012
【図６】
2019155856.tif 000013
【図７】
2019155856.tif 000014
【図８】
2019155856.tif 000015