(57)【要約】【課題】内部にサポート構造を有する光造形物を作成するためのデータ処理を簡単に行うことができる光造形方法及び光造形装置を提供すること。【解決手段】本発明にかかる光造形方法は、内部に網目構造を有する光造形物の立体構造データを作成する方法である。この内部の網目構造はサポート構造として作成される。網目構造のサポート構造データを作成するステップと、光造形物の立体構造データに基づいて液抜き穴を備える中空薄肉構造データを作成するステップと、サポート構造データと中空薄肉構造データとを合成するステップとを備えたことを特徴とする光造形方法。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に網目構造を有する光造形物の立体構造データを作成する方法であって、前記網目構造のサポート構造データを作成するステップとを備えた光造形方法。
【請求項２】
前記光造形物の立体構造データに基づいて液抜き穴を備える中空薄肉構造データを作成するステップと、
前記サポート構造データと前記中空薄肉構造データとを合成するステップとをさらに備えたことを特徴とする請求項２記載の光造形方法。
【請求項３】
前記サポート構造データを作成するステップは、前記光造形物の外表面により区画された内部空間と外部空間とを仮想的に内外反転させることにより、当該サポート構造データを作成することを特徴とする請求項１又は２記載の光造形方法。
【請求項４】
前記網目構造が、側面に複数の菱形の穴が相互に近接する状態で配列された構造であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光造形方法。
【請求項５】
内部に網目構造を有する光造形物の立体構造データに基づき光造形を実行する光造形装置であって、
前記網目構造のサポート構造データを作成する手段とを備えた光造形装置。
【請求項６】
前記光造形物の立体構造データに基づいて液抜き穴を備える中空薄肉構造データを作成する手段と、
前記サポート構造データと前記中空薄肉構造データを合成する手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項７記載の光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光造形方法及び光造形装置に関し、さらに詳しくは、内部に設けられた網目構造を有する光造形物の立体構造データの作成処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光造形方法では、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの一断面の硬化層が造形される。次いで、この断面硬化層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。このとき、断面硬化層を所定の厚み分樹脂液に沈めてコートすることが一般的である。
【０００３】
そして、断面のデータに基づいた所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行なう。光硬化性樹脂液の表面にレーザ光を照射し、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の断面硬化層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と樹脂液コートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する。光造形方法の基本構成は、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されている。この光造形方法は従来の切削加工方法とは異なり、複雑な形状の立体モデルでも容易に形成することができるという利点を有する。
【０００４】
光造形方法により造形される立体構造物の一つに、射出成型用の金型を作成するためのマスターモデルがある。射出成型用の金型を作成するためのマスターモデルは、外形のみ所望の形状に形成されていればよい。ここで、マスターモデルを用いて射出成型用金型を作成する方法について、簡単に説明する。最初に、光造形方法により造形されたマスターモデルを用いて石膏、砂等で型を取る。次に、マスターモデルを焼失させる。その後、石膏や砂等により形成された型に溶融金属を流し込むことにより鋳造品を製造する。この鋳造品が射出成形用の金型として用いられる。
【０００５】
このような立体構造物を設計するデータの処理について図１０を用いて説明する。ここでは外形が球形の立体形状物を表現した立体構造データを作るためのデータ処理が行われている。
図１０（ａ）は、外形が球形の立体形状物を示している。この立体形状物は、その内外境界面すなわち外表面により定義された立体構造データとして表現され、通常、その内部は、中実、すなわち内部まで光硬化樹脂が詰まった構造として光造形される。このような中実の光造形物をそのまま光造形すると、レーザ照射に要する時間が長くなり、生産性が低くなる。また、焼失させることも困難になる。そこで、図１０（ｂ）に示されるように、まず、薄肉中空、すなわち内部が空洞の光造形物を定義し、その立体構造データを作成する。図１０（ｂ）に示される薄肉中空の立体形状物１は、液抜き穴１２を設けている。よって、図１０（ｂ）の立体形状物を表す立体構造データは、薄肉の外殻の内表面と外表面、およびこの内表面と外表面を連結する液抜き穴の円筒面に基づき定義される。この液抜き穴１２は、立体形状物１の中央部分の未硬化樹脂液を光造形時に内部から流出させるために設けられている。ただし、完全に中空の形状であると光造形物の強度が弱いため、図１０（ｃ）に示すように内部を網目構造、格子構造あるいはハニカム構造等の離散的に硬化させた構造（以下、総称して「網目構造」という。）を形成する（例えば、特許文献３に開示されている）。この網目構造２が外殻を支持することにより、薄肉中空の光造形物１が自重で歪むの防ぐことができる。
【０００６】
しかし、この方法では、図１０（ｂ）の立体形状物を表す立体構造データにおいて、液抜き穴１２と隣接する網目構造２との境界条件が複雑になってしまい、内側外面に合わせた立体構造データを作成するには複雑な計算を要し、データ処理に長時間を要する。さらには、液抜き穴１２の部分の処理が不適切であると、内部の未硬化樹液が排出されないという不都合が生じる。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５６−１４４４７８号公報
【特許文献２】
特開昭６２−３５９６６号公報
【特許文献３】
特開平７−１００９４０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の光造形物を製造するためのデータ処理では、内部に網目構造を有する光造形物を作成するための処理が複雑になってしまうという問題点があった。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、内部に網目構造を有する光造形物を作成するためのデータ処理を簡単に行うことができる光造形方法及び光造形装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光造形方法は、内部に網目構造を有する光造形物の立体構造データを作成する方法であって、前記網目構造のサポート構造データを作成するステップとを備えたものである。
さらに、前記光造形物の立体構造データに基づいて液抜き穴を備える中空薄肉構造データを作成するステップと、前記サポート構造データと前記中空薄肉構造データとを合成するステップとを備えるようにするとよい。
【００１０】
好ましい実施の形態では、前記サポート構造データを作成するステップは、前記光造形物の外表面により区画された内部空間と外部空間とを仮想的に内外反転させることにより、当該サポート構造データを作成する。
さらに、網目構造が側面に複数の菱形の穴が相互に近接する状態で配列された構造であることが望ましい。
【００１１】
本発明にかかる光造形装置は、内部に網目構造を有する光造形物の立体構造データに基づき光造形を実行する光造形装置であって、前記光造形物の立体構造データに基づいて立体構造の外表面を表す表面構造データを作成する手段と、前記表面構造データの内部にサポート構造データを作成する手段とを備えたものである。
さらに、前記光造形物の立体構造データに基づいて液抜き穴を備える中空薄肉構造データを作成する手段と、前記サポート構造データと前記中空薄肉構造データを合成する手段とを備えることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
最初に、図１を用いて、本発明にかかる光造形方法を実行する光造形装置の一例について説明する。この光造形装置は、制御データ生成部１００、制御部２００、造形部３００及び光照射部４００により構成される。このうち、制御データ生成部１００と制御部２００は、一般的にコンピュータに所定の応用プログラムをインストールすることによって構成される。
【００１３】
制御データ生成部１００は、造形部３００及び光照射部４００における光照射・造形動作を制御する制御部２００において用いられる制御データを生成する。本発明においては、特に光造形物の中実構造データより内部に網目構造を有する光造形物の立体構造データを生成する処理を実行する。光造形物の立体構造データを生成する処理は、オペレータのデータの入力、操作に応じて、コンピュータ上のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア資源と、ＯＳプログラム、応用プログラム等のソフトウェア資源が協働することにより実現される。尚、光造形物の立体構造データを生成する処理は、光造形装置の他に設けられたコンピュータを用いて実行し、その実行結果である立体構造データを制御データ生成部１００に入力するようにしてもよい。
【００１４】
制御部２００は、制御データ生成部１００によって生成された制御データを入力し、造形部３００における光照射・造形動作を制御する。制御部２００は、造形部３００及び光照射部４００を制御する。
造形部３００と光照射部４００は、制御部２００による制御に応じて光照射・造形を実行する。造形部３００は、容器３０１、造形台３０３、造形台駆動部３０４によって構成される。容器３０１は、光硬化性樹脂液３０２を収容するための容器である。造形台３０３は、硬化させた樹脂を順次堆積させ、載置する平板状の台である。この造形台３０３は、造形台駆動部３０４によって駆動され、容器３０１内において昇降する。造形台駆動部３０４は、制御部２００より入力される制御信号に基づいて造形台３０３を昇降させることにより、次に光照射して硬化させる一層分の光硬化性樹脂液を、先に硬化させた樹脂層上に準備する。
光照射部４００は、レーザ光線発生装置４０１とレーザ光線を光硬化性樹脂液液面に走査するガルバノミラーを備えた光走査装置４０２からなる。レーザ光線発生装置４０１と光走査装置４０２は、それぞれ複数備えていてもよい。
制御部２００より入力される制御信号に基づいて、レーザ光線発生装置４０１と光走査装置４０２を操作して、所定の強度のレーザ光線を容器３０１内に収容された光硬化性樹脂液３０２の液面に照射し、さらにその液面上を走査して任意の軌跡を描く。レーザ光線発生装置４０１は、例えば、レーザ光線を発射するレーザ発振器と、そのレーザ光線を透過又は遮断するための音響光学素子を備え、光走査装置４０２は、光線の方向を任意の方向に変動させるガルバノミラーを備えている。
【００１５】
ここで、造形部３００と光照射部４００における光照射・造形動作について説明する。まず、容器３０１に光硬化性樹脂液３０２を収容する。そして、造形台３０３をその光硬化性樹脂液３０２の表面より例えば０．０５〜０．２ｍｍの深さの位置に降下させておく。そして、レーザ光線発生装置４０１により発生させたレーザ光線４０３を、光走査装置４０２に導き、この装置中のガルバノミラーを操作して、レーザ光線４０３を光硬化性樹脂液３０２の表面に照射・走査する。これにより、光硬化性樹脂液３０２の表面層の光硬化性樹脂液３０２が硬化し、第１層目の硬化層が形成される。次にこの造形台３０３を、立体モデルをスライスした一層分に相当する深さ、例えば０．０５〜０．２ｍｍ降下させて、第２層目の硬化層を第１層目の硬化層の上に形成する。以下同様にして第３層目以降の硬化層を順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると、造形台３０３を上昇させ、その造形台３０３上に形成された造形物３０５を取り出す。造形物３０５は、表面に付着した光硬化性樹脂液を洗浄その他の方法で除去し、必要に応じて紫外線ランプ等により照射して、光硬化を更に進行させることができる。
【００１６】
続いて、図２を用いて、本発明の実施の形態１にかかる光造形用データ作成方法について説明する。ただし、本発明は、以下の具体的実施の形態、形状に限定されるものではない。
【００１７】
図２（ａ）は、図１０（ａ）と同じく、外形が球形の立体形状物を示している。この中実構造の光造形物の立体構造データに基づき、図２（ｂ）に示されるような薄肉中空の光造形物を形成するための立体構造データを作成する。図２（ｂ）に示される薄肉中空の光造形物１は、液抜き穴１２が設けられている。
その一方で、図２（ａ）に示す中実構造の光造形物を表す立体構造データについて、仮想的に内外を反転させる。つまり、光造形物の外表面により区画された内部空間と外部空間とを仮想的に内外反転させる。換言すると、光造形物１の外面の法線方向を外側から内側に反転させる変更を行う。変換後のデータで表される立体形状を図２（ｄ）に示す。図２（ｄ）に示される形状は、内側法線が向いた仮想外表面３のみからなる。この外表面３を示すデータは、厚みのない閉じた曲面のみのデータであり、液抜き穴１２に対応するデータは含まれていない。
【００１８】
続いて、図２（ｄ）に示す外表面３にかかるデータに基づいて、この外表面３の内側に接する網目構造２のサポート構造（図２（ｅ））を表すサポート構造データを作成する。サポート構造は、外表面３の内側に接する網目構造２を成す。
【００１９】
サポート構造は、一般的には、光造形時に造形物が歪むのを防止するために一時的構造体として付加される支柱構造をいい、サポート構造を表すサポート構造データは、光造形処理に関する市販の代表的なソフトウェアプログラムによって、容易に作成することができる。そのため、一般的なソフトウェアプログラムにおけるサポート構造は、造形物の外部に形成される。これに対して、本発明におけるサポート構造とは、一般的なサポート構造として作成した網目構造を、造形物の内部に形成し、かつ、一時的構造体としてではなく、光造形物の立体構造の一部として取り込んだものである。よって、本発明におけるサポート構造データは、立体構造データの一部を成すものである。そしてこのサポート構造データは光造形物の外表面３の内側に接するように形成される網目構造（格子構造、ハニカム構造を含む）のデータとする。本発明の実施の形態１にかかる立体構造データの作成方法では、仮想的な内外反転処理により外表面の内部にサポート構造を形成することができるようにしているため、一般的なソフトウェアプログラムにおけるサポート構造の作成機能を利用することができる。このサポート構造の作成処理に関しては、例えば、マテリアライズ社の工業分野のソフトウェアプログラムである「Ｍａｇｉｃｓ」を用いることができる。サポート構造の作成処理は、例えば、処理対象物の下面と、処理対象物を設置した際に接触する面とを当該接触面と垂直に連結する線分を求め、当該線分の集合部分が当該接触面と垂直方向に複数の経路を有する網目構造になるよう計算される。このサポート構造データは、液抜き穴１２にかかる部分を考慮することなく作成することができるので、より簡単な計算プロセスによりデータを作成できる。同時に、サポート構造データが連続した液通路が確保される解放系の網目構造を有するようにすれば、内部の未硬化樹脂液が格子構造の内部にトラップされることなく、外部に容易に流出する。
【００２０】
そして、図２（ｂ）に示す薄肉中空の光造形物を表すデータと、図２（ｅ）に示す網目構造２を表すデータを合成することにより、薄肉中空であって内部に網目構造を有する光造形物を示すデータを作成することができる。図２（ｃ）に、この光造形物を示す。
【００２１】
以上、説明したように、本発明の実施の形態１にかかる立体構造データの作成方法によれば、網目構造にかかるサポート構造データは、液抜き穴にかかる部分を考慮することなく作成することができるので、より簡単な計算プロセスによりデータを作成できるという効果を奏する。同時に、サポート構造データを連続した液通路が確保される解放系の網目構造を有するようにすれば、未硬化樹脂液の容易な排出も実現できる。
【００２２】
発明の実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかる光造形用データの作成方法について、図３乃至図９を用いて説明する。
図３は、光硬化樹脂を用いて造形される光造形物の構造を示す斜視図である。この光造形物は中央に穴部を有している。図４は、光造形物の内部に設けられた内部の網目構造２と、外部から支える外部のサポート構造４を表示したものである。
【００２３】
図５のフローチャートに示されるように、まず、中実形状データより中空構造データを作成する（Ｓ１０１）。例えば、前述のソフトウェア「Ｍａｇｉｃｓ」のＨｏｌｌｏｗ　Ｐａｒｔｓ機能を使用して薄肉化処理を実行し、中空構造データを作成する。
さらに、内部に未硬化樹脂液が閉じ込められることを防止するために、液抜き用穴をモデルに作成する（Ｓ１０２）。例えば、前述のソフトウェア「Ｍａｇｉｃｓ」のＢｏｏｌｅａｎ機能を使用することにより液抜き用穴を作成することができる。
【００２４】
次に、必要に応じて、外部のサポート構造データを作成する（Ｓ１０３）。外部のサポート構造データは、本発明のサポート構造データとは区別される、一般的なサポート構造を表すデータである。このサポート構造は、前述のソフトウェア「Ｍａｇｉｃｓ」により容易に作成することができる。図６に外部のサポート構造４を有するモデルの斜視図を示す。この例にかかる外部のサポート構造４は、光造形物を下方から指示する構造を有し、断面が網目状（格子状、ハニカム状）に構成されている。
続いて、内部のサポート構造データを作成する（Ｓ１０４）。より具体的には、まず、中実構造データの外表面の法線方向を反転する処理を実行する。尚、反転処理後の光造形物の構造には、液抜き穴は形成されていない。尚、サポート構造データを作成した後は、中実モデルのデータは使用しないため、所定の記憶手段より消去してもよい。
また、今後内部のサポート構造データ又はサポート構造データと記載した場合は実施の形態１で説明した本発明におけるサポート構造データを指し、外部のサポート構造データと記載した場合は外部に形成される一般的なサポート構造データを指すものとする。同様に今後内部のサポート構造又はサポート構造と記載した場合は光造形物の外表面の内部に形成される網目構造を指し、外部のサポート構造と記載した場合は一次的に外部に形成されるサポート構造を指すものとする。
【００２５】
さらに、反転処理後の構造データに対して、サポート構造の作成処理を実行する。このサポート構造は、前述のソフトウェア「Ｍａｇｉｃｓ」により容易に作成することができる。反転処理を行っているため光造形物の外表面の内側に作成されることになる。この反転処理が行われた内部のサポート構造は図７に示されるようになる。この例にかかるサポート構造は、図８に示されるような格子形状（ハニカム形状）を有している。即ち、側面に複数の菱形の穴が相互に近接する状態で配列された構造を有している。内部のサポート構造をこのような形状のサポートを格子状に使用することによって、内部に未硬化の樹脂液が残存することを防止できる。
【００２６】
次に、外部のサポート構造データと内部のサポート構造データを合成し、サポート造形用データを生成する（Ｓ１０５）。より具体的には、図９に示されるように、外部のサポート構造データにより得られる構成（Ｂ）と内部のサポート構造データにより得られる構成（Ｃ）とを合成することによって、構成（Ｄ）に示されるサポート造形用データを生成する。
続いて、Ｓ１０１及びＳ１０２において作成した液抜き用穴を有する中空構造データと、Ｓ１０５において作成したサポート造形用データとを合成する。この合成により、図９の構成（Ｅ）に示されるデータが作成される。外部のサポート構造データ、内部のサポート構造データ及び中空構造データの合成は、以上の記載にかかわらず、どのような順序で行ってもよいし、これら３種類のデータを一度に合成しても良い。
【００２７】
以上、説明したように、本発明の実施の形態２にかかる光造形用データの作成方法によれば、サポート構造データは、液抜き穴にかかる部分を考慮することなく作成することができるので、より簡単な計算プロセスによりデータを作成できるという効果を奏する。同時に、サポート構造データを解放系の網目すれば、未硬化樹脂液の排出も実現できる。
【００２８】
上述の例において、制御データ生成部１００において制御データを生成するコンピュータプログラムは、様々な種類の記憶媒体に格納することが可能であり、また、通信媒体を介して伝達されることが可能である。ここで、記憶媒体には、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＲＯＭカートリッジ、バッテリバックアップ付きＲＡＭメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等を含む。また、通信媒体には、電話回線等の有線通信媒体、マイクロ波回線等の無線通信媒体等を含み、インターネットも含まれる。
【発明の効果】
本発明によれば、内部にサポート構造を有する光造形物を作成するためのデータ処理を簡単に行うことができる光造形方法及び光造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光造形方法を実現するための光造形装置の構成を示す図である。
【図２】本発明にかかる光造形方法の処理を説明するための図である。
【図３】本発明にかかる光造形方法により作成する光造形物を示す斜視図である。
【図４】本発明にかかる光造形方法により作成する光造形物の構造データを示す図である。
【図５】本発明にかかる光造形方法の処理フローを示すフローチャートである。
【図６】本発明にかかる光造形方法においてモデルの外側にサポート構造を形成した様子を示す図である。
【図７】本発明にかかる光造形方法によりモデルの内側にサポート構造を形成した様子を示す図である。
【図８】本発明にかかる光造形方法により作成したモデルの内部のサポート構造の詳細な構造を示す図である。
【図９】本発明にかかる光造形方法におけるデータの合成処理を示す図である。
【図１０】従来の光造形方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１　薄肉中空の光造形物　２　内部の網目構造
３　外表面　４　外部のサポート構造　１２　液抜き穴
【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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