(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ処理システム（１００）により実施される方法であって、以下のステップを含む、すなわち、
・複数の境界表現（ｂ−ｒｅｐ）表面（６２０）を含む、製造すべき物理的実体に関するソリッドモデル（６００）を受け取るステップ（３０５）と、
・可能性のあるサポート材ロケーション（６２２）に対するポイントサンプル（６２４）を生成するために、前記境界表現表面（６２０）を分析するステップ（３１０）と、
・サポート材ロケーション（６２２）を最適化するステップと、但し、当該最適化するステップは、サポート材ロケーション（６２２）を生成するために、前記ポイントサンプル（６２４）の少なくともいくつかに対応する、前記ソリッドモデル上の複数のポイントをクラスタリングするステップ（３１５）を含み、当該クラスタリングするステップは、可能性のある線状のサポート材のための１つの線上にある、生成された複数の前記ポイントサンプル（６２４）を含むクラスタを同定し、これにより、同定されたクラスタの複数の同定された前記ポイントサンプル（６２４）のうちのただ１つのみが支柱サポート材（６０４）のための１つのサポート材ロケーション（６２２）として用いられる、ステップを含み、
・前記サポート材ロケーション（６２２）のところで本来のソリッドモデル（６００）とつながる支柱サポート材（６０４）を、前記ソリッドモデルに生成するステップ（３２０）と、
・前記支柱サポート材（６０４）を含め、前記ソリッドモデル（６００）を記憶するステップ（３３０）と
を含む、
データ処理システム（１００）により実施される方法。
【請求項２】
前記データ処理システム（１００）はユーザとのインタラクションも行い、前記ソリッドモデル（６００）における前記支柱サポート材を編集する（３２５）、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記データ処理システム（１００）は、前記ソリッドモデル（６００）における変更に従い、前記支柱サポート材（６０４）の自動的な調節も行う、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記支柱サポート材（６０４）を、製造すべき前記物理的実体の表面を擦傷または損傷することなく、製造すべき前記物理的実体から簡単に除去できるよう、前記支柱サポート材（６０４）は、前記サポート材ロケーション（６２２）のところで前記ソリッドモデル（６００）と最小限の接触を有する形状である、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ソリッドモデル（６００）およびコンタクトビルドプレート（６１０）との衝突を最小限に抑えるように設計されたロケーションおよび角度で、前記支柱サポート材（６０４）を生成する、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記データ処理システムは、前記物理的実体を作成するため、３Ｄプリンタと通信することにより、前記ソリッドモデル（６００）のプリントも行う（３３５）、
請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記支柱サポート材（６０４）のうちの少なくとも１つは、第１の錐体と円柱と第２の錐体の組み合わせとして形成されている、
請求項１記載の方法。
【請求項８】
データ処理システム（１００）であって、該データ処理システム（１００）は、プロセッサ（１０２）とアクセス可能メモリ（１０８）とを含み、特に以下のように構成されている、すなわち、
・複数の境界表現（ｂ−ｒｅｐ）表面（６２０）を含む、製造すべき物理的実体に関するソリッドモデル（６００）を受け取り（３０５）、
・可能性のあるサポート材ロケーション（６２２）に対するポイントサンプル（６２４）を生成するために、前記境界表現表面（６２０）を分析し（３１０）、
・サポート材ロケーション（６２２）を最適化し、但し、当該最適化は、サポート材ロケーション（６２２）を生成するために、前記ポイントサンプル（６２４）の少なくともいくつかに対応する、前記ソリッドモデル上の複数のポイントをクラスタリングすること（３１５）を含み、当該クラスタリングは、可能性のある線状のサポート材のための１つの線上にある、生成された複数の前記ポイントサンプル（６２４）を含むクラスタを同定し、これにより、同定されたクラスタの複数の同定された前記ポイントサンプル（６２４）のうちのただ１つのみが支柱サポート材（６０４）のための１つのサポート材ロケーション（６２２）として用いられる、ことを含み、
・前記サポート材ロケーション（６２２）のところで本来のソリッドモデル（６００）とつながる支柱サポート材（６０４）を、前記ソリッドモデルに生成し（３２０）、
・前記支柱サポート材（６０４）を含め、前記ソリッドモデル（６００）を記憶する（３３０）、
データ処理システム（１００）。
【請求項９】
前記データ処理システム（１００）はユーザとのインタラクションも行い、前記ソリッドモデル（６００）における前記支柱サポート材を編集する（３２５）、
請求項８記載のデータ処理システム。
【請求項１０】
前記データ処理システム（１００）は、前記ソリッドモデル（６００）における変更に従い、前記支柱サポート材（６０４）の自動的な調節も行う、
請求項８記載のデータ処理システム。
【請求項１１】
前記支柱サポート材（６０４）を、製造すべき前記物理的実体の表面を擦傷または損傷することなく、製造すべき前記物理的実体から簡単に除去できるよう、前記支柱サポート材（６０４）は、前記サポート材ロケーション（６２２）のところで前記ソリッドモデル（６００）と最小限の接触を有する形状である、
請求項８記載のデータ処理システム。
【請求項１２】
前記ソリッドモデル（６００）およびコンタクトビルドプレート（６１０）との衝突を最小限に抑えるように設計されたロケーションおよび角度で、前記支柱サポート材（６０４）を生成する、
請求項８記載のデータ処理システム。
【請求項１３】
前記データ処理システムは、前記物理的実体を作成するため、３Ｄプリンタと通信することにより、前記ソリッドモデル（６００）のプリントも行う（３３５）、
請求項８記載のデータ処理システム。
【請求項１４】
前記支柱サポート材（６０４）のうちの少なくとも１つは、第１の錐体と円柱と第２の錐体の組み合わせとして形成されている、
請求項８記載のデータ処理システム。
【請求項１５】
実行可能な命令によってコーディングされた非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体（１２６）であって、前記命令が実行されると、１つまたは複数のデータ処理システム（１００）は以下を実行する、すなわち、
・複数の境界表現（ｂ−ｒｅｐ）表面（６２０）を含む、製造すべき物理的実体に関するソリッドモデル（６００）を受け取り（３０５）、
・可能性のあるサポート材ロケーション（６２２）に対するポイントサンプル（６２４）を生成するために、前記境界表現表面（６２０）を分析し（３１０）、
・サポート材ロケーション（６２２）を最適化し、但し、当該最適化は、サポート材ロケーション（６２２）を生成するために、前記ポイントサンプル（６２４）の少なくともいくつかに対応する、前記ソリッドモデル上の複数のポイントをクラスタリングすること（３１５）を含み、当該クラスタリングは、可能性のある線状のサポート材のための１つの線上にある、生成された複数の前記ポイントサンプル（６２４）を含むクラスタを同定し、これにより、同定されたクラスタの複数の同定された前記ポイントサンプル（６２４）のうちのただ１つのみが支柱サポート材（６０４）のための１つのサポート材ロケーション（６２２）として用いられる、ことを含み、
・前記サポート材ロケーション（６２２）のところで本来のソリッドモデル（６００）とつながる支柱サポート材（６０４）を、前記ソリッドモデルに生成し（３２０）、
・前記支柱サポート材（６０４）を含め、前記ソリッドモデル（６００）を記憶する（３３０）、
コンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項１６】
前記データ処理システム（１００）はユーザとのインタラクションも行い、前記ソリッドモデル（６００）における前記支柱サポート材を編集する（３２５）、
請求項１５記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項１７】
前記データ処理システム（１００）は、前記ソリッドモデル（６００）における変更に従い、前記支柱サポート材（６０４）の自動的な調節も行う、
請求項１５記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項１８】
前記支柱サポート材（６０４）を、製造すべき前記物理的実体の表面を擦傷または損傷することなく、製造すべき前記物理的実体から簡単に除去できるよう、前記支柱サポート材（６０４）は、前記サポート材ロケーション（６２２）のところで前記ソリッドモデル（６００）と最小限の接触を有する形状である、
請求項１５記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項１９】
前記ソリッドモデル（６００）およびコンタクトビルドプレート（６１０）との衝突を最小限に抑えるように設計されたロケーションおよび角度で、前記支柱サポート材（６０４）を生成する、
請求項１５記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項２０】
前記データ処理システムは、前記物理的実体を作成するため、３Ｄプリンタと通信することにより、前記ソリッドモデル（６００）のプリントも行う（３３５）、
請求項１５記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本願は、２０１４年６月１３日に出願された米国特許仮出願第６２／０１１，９３２号の出願日の利益を請求するものであり、ここで参照したことによりその開示内容全体を本明細書の一部とする。
【０００２】
技術分野
本発明は、全般的に言えば、コンピュータ支援による設計、視覚化および製造システム("CAD/CAM system")、製品ライフサイクルマネージメント（"PLM"）システム、ならびに製品および他の項目のデータを管理する同等のシステム（これらをまとめて「製品データ管理」システムまたはＰＤＭシステムと称する）に関する。
【０００３】
発明の背景
サポート材構造は、熱溶解積層法（Fused Deposition Modeling FDM）または光造形法（ステレオリソグラフィ）といった技術を用いて、部品の積層造形を確実に成功させるために必要とされる付加的なスキャフォールド型構造である。ある１つの部品は一般に、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムにおいてソリッドモデルを用いて定義され、コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）システムを用いて製造するために準備される。現在市販されているＣＡＤ／ＣＡＭシステムは、ソリッドモデルの積層造形用のサポート材構造を生成するために十分な機能を備えていない。したがって、改善されたシステムが望まれる。
【０００４】
発明の概要
本発明による種々の実施形態には、市販のＣＡＤ／ＣＡＭシステムのユーザが、部品の幾何要素を定義して製造オペレーションを生成するために用いられる同じシステム内で、サポート材構造を生成および変更できるようにするための方法およびシステムが含まれる。この場合、ソリッドモデルに直接、サポート材を生成することができ、これによってデータまたは幾何要素の変換が不要となる。Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. (Plano, Texas)から販売されているようなＮＸ ＣＡＤ／ＣＡＭシステムのユーザ定義フィーチャ機能を用いて、サポート材を生成することができ、これによりＣＡＤ／ＣＡＭシステム自体の中で、容易に変更および保管できるようになる。
【０００５】
他の実施形態には、ソリッドモデルの積層造形用のサポート材構造のためのシステムおよび方法が含まれる。方法には、複数の境界表現（ｂ−ｒｅｐ）表面を含む、製造すべき物理的実体に対するソリッドモデルを受け取るステップが含まれる。この方法には、可能性のあるサポート材ロケーションのためのポイントサンプルを発生させるために、ｂ−ｒｅｐ表面を分析するステップが含まれる。この方法には、サポート材ロケーションを生成するために、少なくともいくつかのポイントサンプルに対応する、ソリッドモデル上のポイントをクラスタリングするステップが含まれる。この方法にはさらに、サポート材ロケーションのところで本来のソリッドモデルとつながる支柱サポート材を、ソリッドモデルに生成するステップが含まれる。さらにこの方法には、支柱サポート材を含め、ソリッドモデルを記憶するステップが含まれる。
【０００６】
これまでの記載は、以下の詳細な説明を当業者がよりよく理解できるよう、本発明の特徴および技術的な利点をどちらかと言えば大雑把に略述したものである。各請求項の要旨を成す本発明のその他の特徴および利点については、以下で述べることにする。当業者であれば理解できるように、当業者は開示された着想や特定の実施形態を、本発明と同じ目的を成し遂げるための変更または異なる構造設計のベースとして、ただちに使用することができる。さらに当業者であれば、かかる等価の構造が最も広い形態で開示した本発明の着想および範囲を逸脱しないことを理解するであろう。
【０００７】
以下の発明の詳細な説明に入る前に、本明細書全体を通して用いられるいくつかの用語や表現について、ここで定義しておくのがよいと思われる。「を含む」および「を有する」なる表現ならびにそれらの派生語は、制限のない包含を表す。「または」なる表現は、「および／または」の意味も含む。「と関連する」および「それと関連する」ならびにそれらの派生語は、「含む」、「の中に含まれる」、「と相互接続する」、「を含有する」、「の中に含有される」、「に接続する」または「と接続する」、「に結合する」または「と結合する」、「と連携可能である」、「と共働する」、「をはさむ」、「に並置する」、「のすぐ近くにある」、「に結び付けられる」または「と結び付けられる」、「を有する」、「の所有物である」等を意味する場合もある。さらに「コントローラ」なる用語は、ハードウェアで実装されていようと、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらのうち少なくとも２つの組み合わせで実装されていようと、少なくとも１つのオペレーションを制御する何らかのデバイス、システムまたはそれらの一部分を表す。さらにここで留意しておきたいのは、いずれかの特定のコントローラと結び付けられた機能を、ローカルであろうとリモートであろうと、集中させてもよいし分散させてもよい、ということである。いくつかの用語および表現に対する定義は、本明細書全体にわたって規定されるものであり、当業者であれば理解できるように、かかる定義は、大部分の事例ではないにしても数多くの事例において、ここで定義した用語および表現の以前の使用にも将来の使用にも適用される。いくつかの用語は、幅広い種類の実施形態を含むことができるけれども、添付の特許請求の範囲では、それらの用語が特定の実施形態に明確に制限されてもよい。
【０００８】
本発明およびその利点について、いっそう完全に理解できるようにする目的で、添付の図面を参照しながら本発明について以下で説明する。なお、図中、対象が同じであれば同じ参照符号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】１つの実施形態を実現可能なデータ処理システムを示すブロック図
【図２Ａ】本発明の実施形態に従って積層造形すべき本来の幾何要素の一例を示す図
【図２Ｂ】積層造形すべき本来の幾何要素の一例を、本明細書で開示されるサポート材構造を含めて示す図
【図３】本発明の実施形態によるプロセスを示すフローチャート
【図４】本発明の実施形態に従い、複数の支柱サポート材により支持された小さいテストプレートを示す図であって、それらの支柱サポート材が各々ただ１つのポイントでプレートと接触していることを示す図
【図５Ａ】本発明の実施形態による種々のサポート材構造形状を示す図
【図５Ｂ】本発明の実施形態による種々のサポート材構造形状を示す図
【図５Ｃ】本発明の実施形態による種々のサポート材構造形状を示す図
【図６】本発明の実施形態による衝突回避の一例を示す図
【図７】本発明の実施形態による衝突回避投影パターン探索の一例を示す図
【図８Ａ】本発明の実施形態に従い、外側のサポート材ロケーションの角度を外側に向かわせて、ソリッドモデルの幾何要素から逸らすことができる様子を示す図
【図８Ｂ】本発明の実施形態に従い、外側のサポート材ロケーションの角度を外側に向かわせて、ソリッドモデルの幾何要素から逸らすことができる様子を示す図
【００１０】
詳細な説明
本発明の基本原理を説明するために、以下で説明する図１〜図８Ｂおよび種々の実施形態が用いられているが、これらは例示の目的で用いたにすぎず、いかなる点においても本発明の範囲の限定を意図したものではない。当業者であれば理解できるように、本発明の基本原理を、適切に構成された任意の装置において実現することができる。本発明の数多くの革新的な着想について、具体例として挙げた非限定的な実施形態を参照しながら説明する。
【００１１】
積層造形（本明細書では"AM"または「３Ｄプリンティング」とも称する）は、ソリッドな物理的実体を一般的にはビルドプレートから積層により階層状に構築していく製造技術である。「ビルドプレート」のことを、本明細書ではプリンタの台座、台板、またはコンタクトビルドプレートとも称する。したがってこれらのシステムは理想的には、構築方向とは反対向きの自立領域を支持する手段を有する。これらの構造に対しては、何らかの構造的な歪みを避けるため、製造プロセス中、ある１つの部品のすべてのフィーチャを所定の位置に保持する、という要求も課される。このことは、付加的なスキャフォールド型構造である「サポート材構造」を使用することにより行われ、このような構造によって上述の領域が支持されて、ＦＤＭまたは光造形法（ステレオリソグラフィ）などの技術を用いた部品の積層造形が確実に成功するようになる。１つの部品は一般に、ＣＡＤシステムにおけるソリッドモデルを用いて定義され、ＣＡＭシステムを用いた製造のために準備される。現在市販されているＣＡＤ／ＣＡＭシステムは、ソリッドモデルの積層造形用のサポート材構造を生成するために十分な機能を備えていない。
【００１２】
たいていの場合、ソリッドモデルは、サポート材幾何要素を生成する別個のソフトウェアパッケージにエクスポートされる。その際、エクスポート中または別個のソフトウェアパッケージ内で、ソリッドが最初にポリゴンメッシュに変換される可能性があり、その結果、積層造形技術のエンドユーザにとって、精度の損失およびデータ変換の問題が発生し、さらにワークフローの複雑さが増すことになる。本明細書において特に説明するのは、市販のＣＡＤ／ＣＡＭシステムのユーザが、部品の幾何要素を定義して製造オペレーションを生成するために用いられる同じシステム内で、サポート材構造を生成および変更できるようにした実施形態である。この場合、ソリッドモデルにおいて直接、サポート材を生成することができ、これによってデータまたは幾何要素の変換が不要となる。
【００１３】
１つの実施形態によれば、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムの「ユーザ定義フィーチャ」機能を用いてサポート材が生成され、それによりＣＡＤ／ＣＡＭシステム自体の中で、容易に変更および保管できるようになる。ユーザ定義フィーチャは、ＣＡＤアプリケーション内の１つのエンティティであり、このエンティティは標準フィーチャを生成できるものであり、このような標準フィーチャは、容易にパラメータ化可能であり、かつ設計にあたり再利用可能であり、かつライブラリとして組織化して管理可能である。図示されている実施形態によれば、製造中に部品の重量を適切に支えること、および製造終了後に容易に除去できること、という（ときとして相反する）二面性の目的を満たすサポート材構造が生成される。これらに加えこのアプローチによれば、他の利点もある中で特に、ＣＡＤ／ＣＡＭ環境における他の幾何要素のように、サポート材幾何要素のパラメータ化による生成後、ユーザはそれらのサポート構造をさらに精密化することができ、さらにそれらを編集することができる。しかも、ユーザ定義フィーチャを用いることにより、サポート材幾何要素を以下のようにルールに従い生成できるようになり、すなわち、部品の幾何要素が変形されたならば、サポート材幾何要素をそれらのルールとパラメータ化とに基づき、そのような部品の変形に適合させることができるようになり、これは本発明によるアプローチに特有の特徴である。
【００１４】
図１には、１つの実施形態を実現することのできるデータ処理システムのブロック図が示されている。これはたとえば、特に以下で述べるプロセスを実行するためのソフトウェアまたは他の手段によって構築されたＰＤＭシステムとして実現可能であり、特に、以下で説明するように、相互接続され通信を行う複数のシステムのうちの１つとして実現可能である。図示されているデータ処理システムには、レベル２キャッシュ／ブリッジ１０４と接続されたプロセッサ１０２が含まれており、キャッシュ／ブリッジ１０４自体はローカルシステムバス１０６と接続されている。たとえばローカルシステムバス１０６を、ＰＣＩ（peripheral component interconnect）アーキテクチャのバスとすることができる。図示の実施例ではローカルシステムバスにさらに、メインメモリ１０８とグラフィックアダプタ１１０も接続されている。グラフィックアダプタ１１０を、ディスプレイ１１１と接続することができる。
【００１５】
ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）／ワイドエリアネットワーク／ワイヤレス（たとえばWiFi）アダプタ１１２などといった他の周辺機器を、ローカルシステムバス１０６と接続することもできる。拡張バスインタフェース１１４によって、ローカルシステムバス１０６が入出力（Ｉ／Ｏ）バス１１６と接続されている。Ｉ／Ｏバス１１６は、キーボード／マウスアダプタ１１８、ディスクコントローラ１２０、およびＩ／Ｏアダプタ１２２と接続されている。ディスクコントローラ１２０を記憶装置１２６と接続することができ、この記憶装置１２６を、機械で使用可能または機械で読み取り可能な任意の適切な記憶媒体とすることができ、このような記憶媒体には、以下に限定されるわけではないが、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）など不揮発性で変更不可能な媒体、または消去可能であり電気的にプログラミング可能なリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気テープ媒体、ユーザが記録可能なタイプの媒体たとえばフロッピーディスク、ハードディスクドライブ、およびコンパクトディスク型リードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、またはディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、さらに他の周知の光学的、電気的または磁気的な記憶デバイスが含まれる。
【００１６】
図示されているこの実施例では、Ｉ／Ｏバス１１６にオーディオアダプタ１２４も接続されており、サウンド再生のためにこのアダプタにスピーカ（図示せず）を接続することができる。キーボード／マウスアダプタ１１８によって、マウス、トラックボール、トラックポインタ、タッチスクリーンなどポインティングデバイス（図示せず）のための接続が提供される。
【００１７】
当業者であれば理解できるように、図１に描かれているハードウェアを個々の実現形態に合わせて変更できる。たとえば、図示されているハードウェアに加えて、またはその代替として、光ディスクドライブなどのような他の周辺機器を使用してもよい。図示されている実施例は、例示目的で示されているにすぎず、本発明に関して構造上の制限を意図したものではない。
【００１８】
本発明の１つの実施形態によるデータ処理システムには、グラフィックユーザインタフェースを用いるオペレーティングシステムが含まれている。このオペレーティングシステムによれば、同時に複数のディスプレイウィンドウをグラフィックユーザインタフェースとして表示させることができ、各ディスプレイウィンドウによって、それぞれ異なるアプリケーションに対するインタフェースが提供され、または同じアプリケーションの異なるインスタンスに対するインタフェースが提供される。ユーザはポインティングデバイスによって、グラフィックユーザインタフェースのカーソルを操作することができる。その際、カーソルのポジションを変更することができ、および／または、望ましいレスポンスを生じさせるために、マウスボタンのクリックなどのイベントを発生させることができる。
【００１９】
適切に変更を加えれば、様々な市販のオペレーティングシステムのうちの１つを採用することができ、たとえば, Washington州RedmondのMicrosoft社の製品であるMicrosoft Windows（登録商標）の１つのバージョンを採用することができる。オペレーティングシステムは、ここで説明する本発明に従って変更または作成される。
【００２０】
ＬＡＮ／ＷＡＮ／ワイヤレスアダプタ１１２を（データ処理システム１００の一部ではない）ネットワーク１３０に接続することができ、このネットワークを、当業者に周知のように、公用または専用のデータ処理システムネットワークあるいは複数のネットワークの組み合わせとすることができ、これにはインターネットが含まれる。データ処理システム１００は、ネットワーク１３０を介してサーバシステム１４０と通信することができ、このサーバシステムもデータ処理システム１００の一部ではないが、たとえば別個の異なるデータ処理システム１００として実装してもよい。
【００２１】
製造プロセス中、積層造形しようとする幾何要素の部品が理想的に支えられ、またはそうでなければ所定の位置に保持される。積層造形デザインは最初、材料が取り付けられる台板またはビルドプレートによって支持される。先行する層に、それよりもあとの層が取り付けられる。
【００２２】
幾何要素によっては、台板または先に生成された幾何要素の層に取り付けることができない場合もあるので、ある種のタイプのサポート材を構築しておくことが必要とされる場合もある。このようなサポート材は、最終デザインが完成した後に除去される。
【００２３】
図２Ａには、積層造形すべき本来の幾何要素２００の一例が示されている。ここで留意したいのは、この幾何要素を一般的な技術を用いて底部から頂部に向かってプリントする場合、本来の幾何要素２００には底部の大部分についてサポート材がなく、したがってこの幾何要素をうまく製造することができない、という点である。
【００２４】
図２Ｂには、積層造形すべき本来の幾何要素２００の一例が、本明細書で開示されるサポート材構造２０２を含めて示されている。サポート材構造２０２も底部から上へ向かってプリントされ、プリントすべき幾何要素２００のためのサポート材を提供する。ここで留意したいのは、サポート材構造２０２は各々、本来の幾何要素２００と接触するポイントに向かって狭幅しており、これによってそれらを簡単に取り外すことができ、幾何要素２００の底部表面に対しできるかぎり僅かな変形しか引き起こさないようにすることができる、という点である。
【００２５】
本発明の種々の実施形態によれば、最終デザインに付加または堆積させたときに材料を所定の位置に保持することができるサポート材を定義および構築するために、多種多様なソリッドモデリング幾何要素が用いられる。これらのサポート材は、製造完了後に事後処理ステップとして、簡単に除去することができる。本明細書で開示するサポート材は、部品の擦傷またはその他の損傷を回避するために、部品との接触を最低限に抑えることができ、また、サポート材における材料の使用を最小量にすることができ、さらに部品構築時間を最小限にすることができる。
【００２６】
幾何学的表現および幾何学的計算によって、Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. (Plano, Texas)から入手可能なSiemens Parasolid geometric kernelに見られるような、高度に精密な境界表現（ｂ−ｒｅｐ）のソリッド幾何要素を用いることができる。
【００２７】
図３には、本発明の実施形態によるプロセスのフローチャートが示されている。このフローチャートは、データ処理システム１００などのようなデータ処理システム（以下では総称的に「システム」と呼ぶ）によって実施可能な方法３００を示している。
【００２８】
システムは、製造すべき物体のために、複数のｂ−ｒｅｐ表面を含むソリッドモデルを受け取る（３０５）。本明細書において用いられる「受け取る」という表現には、記憶装置からのロード、他のデバイスからの受け取り、ユーザとのインタラクションを介した受け取り、またはその他のものを含めることができる。
【００２９】
システムは、可能性のあるサポート材ロケーションのためのポイントサンプルを発生させるために、Ｂ−Ｒｅｐ表面を分析する（３１０）。この分析の一部としてシステムは、Ｂ−Ｒｅｐ表面の曲率と角度を調べて、１つまたは複数のサポートポイントを配置するのに最良な場所を決定する。
【００３０】
システムは、サポート材ロケーションを生成するために、少なくともいくつかのポイントサンプルに対応する、ソリッドモデル上のポイントをクラスタリングする（３１５）。本明細書で用いられる「クラスタリング」とは、サポート材ロケーション各々について１つまたは複数のポイントが同定される、ということを意味しており、複数のポイントサンプルが互いに接近して存在しているいくつかのケースでは、複数のポイントのこの「クラスタ」に対し、ただ１つのサポート材ロケーションが用いられる。
【００３１】
システムは、サポート材ロケーションのところで本来のソリッドモデルとつながる支柱サポート材を、ソリッドモデルに生成する（３２０）。種々の実施形態によれば、ソリッドモデルにおける変更に応じて、システムは支柱サポート材を自動的に調節することができる。種々の実施形態によれば、生成される支柱サポート材は、サポート材ロケーションのところでソリッドモデルと最低限の接触を有するように形成されており、その際、必要とされる重量を支柱サポート材によって支持することができ、かつ製造すべき物体の表面を擦傷または損傷することなく簡単に除去することができる。システムは、ソリッドモデルおよびコンタクトビルドプレートとの衝突を最小限に抑えるように設計されたロケーションおよび角度で、支柱サポート材を生成することができる。さらにシステムは、支柱サポート材の撓みおよび破断をコントロールして、支柱サポート材に関するソリッドモデルの応力集中が最大および最小になるように、支柱サポート材を生成することができる。
【００３２】
システムは、ユーザとのインタラクションを行って、サポート材を編集および精密化することができる（３２５）。
【００３３】
システムは、支柱サポート材を含めてＣＡＤモデルを記憶する（３３０）。
【００３４】
システムは、ソリッドモデルをプリントして、物理的実体を生成することができる（３３５）。これをたとえば、ソリッドモデルをプリントする３Ｄプリンタと通信するシステムによって実施することができる。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、ソリッドモデルとサポート材構造との間の接触を最小限に抑えようとしており、その一方では、接触ポイントにおける横応力、直接応力およびねじり応力集中を考慮している。
【００３６】
積層造形ツールのユーザは、製造に続いて、サポート材の材料の容易な除去を要求する場合もある。本発明の実施形態によれば、サポート材が部品と接触しているロケーションに任意の撓みまたは破断を生じさせる応力集中を生成することができる。サポート材構造ごとにただ１つのポイントにサポート材を設けることで、最大の応力集中がもたらされ、これによって任意の方向にねじれおよび撓みを生じさせることができる。線状の接触は、より大きいレベルの支持をもたらすものであるが、１つの方向だけにしか曲げることができないし、幾何要素が「フラットな」ロケーションを提供している場合にしか用いることができない。
【００３７】
図４には、９つの「支柱サポート材」４１０によって支持された小さいテストプレート４０２が示されており、これらの支柱サポート材は各々、ただ１つのポイント４１２でプレートと接触している。モデルと各サポート材との間にただ１つの接触ポイントだけしか存在しないのは、サポート材の除去にとって理想的である。ただし、サポート材幾何要素を複数のポイントに及んで配置すれば、回転自由度が少なくなり、何らかの方向に応力集中を生じさせる能力にも影響が及ぼされる。この理由から、各ポイントを各々固有の支柱で支持することによって、（１つの線上にない）付加的な複数のポイントよりも良好な２つのポイントを用いて、最適な解決策がもたらされる。
【００３８】
システムは、最適な解決策のために、個々の単一ポイントの支柱サポート材に対する要望と他の要求とのバランスをとることができる。支柱の物理的なサイズが制限されているかもしれないし、または材料の総使用量を少なくするために支柱数を減らす必要性があるかもしれない。このシステムによって生成される支柱を、要求に応じて融合または「ブーリアン演算」することができる。
【００３９】
積層造形ハードウェアの制限に応じて、支柱を任意の方向に構築することができる。理想的には、支柱は機械の台板に垂直に下ろされる（またはいくつかの機械では上に向かって垂直に伸ばされる）。ただし、ＡＭ方式の機械によっては、最大の角度で異なる方向が必要とされる場合がある。たとえばＦＤＭ方式の機械は一般に、サポート材を必要とすることなく４５度までの張り出しを含む幾何要素を生成することができる。この場合、支柱サポート材自体を、４５度の角度まで構築することができる。
【００４０】
本発明の実施形態は、任意の形状の支柱をサポートすることができる。たとえば、支柱サポート材４１０は、円錐、円柱または他の錐体の支柱として形成され、さらに上述の基準を満たす様々な形状の多数の支柱が考えられる。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、初期段階の錐体を、支持すべきポイントで部品表面に接触させる。その後、錐体基部からプリンタの台座またはビルドプレートに向かって、円柱を突出させる。基部との接着力を最大にするため、基部が押し出し部分および台板と同一平面にある第２の錐体を生成し、支柱と「ブーリアン演算」する。支柱サポート材４１０によって描かれているように、この第２の錐体は、円柱の半径よりも大きい基部半径を有している。
【００４２】
図５Ａ〜図５Ｃには、種々のサポート材構造形状が示されている。図５Ａは、半球５１２によって表された基部のところで取り付けられた支柱５１０を示している。
【００４３】
図５Ｂは、もっと小さい基部５２２を有する支柱５２０を示している。これにより基部のところに応力集中が発生し、それによってプリンタプラットフォームからの基部の破断が著しく容易になる。この例はおそらく、プリンタプラットフォームから最も「剥がれやすく」なるものであろう。
【００４４】
図５Ｃに示されている支柱サポート材５３０は、底部上の「パッド」５３２のように、円柱基部とのブーリアン演算により得られた錐体形状を有している。このような形状により、パッドがプリンタの台座と接触する個所に生じる応力が小さくなる。これについては２つの例外がある。いくつかのケースでは、第１の錐体の高さは実際には、サポートポイントから台板までの距離よりも大きい。このケースでは、必要とされる錐体の一部だけが使用され、円柱または第２の錐体は生成されない。２つめの例外は、サポート材基部がモデルに取り付けられ、プリンタ台板には取り付けられない場合である。このケースでは、第２の錐体は使用されず、（より大きい基部ではなく）より小さい基部を代わりとして用いることができる。この目的は、サポート材を簡単に除去できるようにする応力集中を生じさせるためである。
【００４５】
本発明の実施形態によれば、サポート材構造が生成されるときに、衝突回避を実施することもできる。既存の幾何要素の頂部に構築されるサポート材は、いくつかのケースにおいて問題となる可能性がある。たとえば、あるサポート材構造によれば、製造プロセス中に外れないよう十分に強くモデルと接続されることが要求される。しかしながらこのように接続が強化されると、モデル完成後にそれらを除去するのも難しくなる。さらにモデルとの接触によって、モデル表面を擦傷したり、または他のかたちで損傷するおそれがあったりし、その結果、モデルの魅力が劣化し、さらに事後処理の時間が長くなる。
【００４６】
これらの理由からしばしば望まれるのは、プリンタプラットフォームとの接続強度を最大にし、プリントすべき実際の幾何要素との接続強度を最小にするサポート材を生成することである。
【００４７】
図６には、衝突回避の一例が示されており、この場合、マグのソリッドモデル６００の取っ手６０２のためにサポート材が必要とされる。取っ手底部のための支柱サポート材６０４を、プリンタプラットフォームまたはコンタクトビルドプレート６１０に向かってまっすぐに伸ばすことができる。しかしながら、取っ手頂部に設けられる支柱サポート材６０６の角度は、取っ手底部との衝突を回避するため、外側に向かわされている。このため、取っ手頂部のサポート材６０６は、マグの取っ手６０２の底部との衝突を回避している。さらにこの例は、ｂ−ｒｅｐ表面６２０と、ｂ−ｒｅｐ表面６２０上の（誇張された円として示された）ポイントサンプル６２４を説明するためにも用いられる。これらのポイントサンプル６２４は、クラスタリングしてサポート材ロケーション６２２として使うことができる。
【００４８】
支柱が他の幾何要素と交差するか否かを判定するために、支柱の２Ｄ断面を空間を通して投影することによって、理想的な方向の識別を行うことができる。ここで開示する１つの技術によれば、サポート材ロケーションからプリンタの台座へ「まっすぐ下に向かって」１つの支柱を投影し、ソリッドモデルまたは他のサポート材構造との衝突についてテストすることから始められる。ついでシステムは、そこから「螺旋状に」外側に向かって各方向で支柱を投影し、ソリッドモデルまたは他のサポート材構造との衝突についてテストする。
【００４９】
図７には、本発明の実施形態による衝突回避投影パターン７００の探索の一例が示されている。中心７０２が最初に試みられ、これに付随して、この中心から螺旋状に外側に向かう他のすべての試みが、たとえば投影パターン７００として行われる。衝突しない支柱サポート材の投影が見つかったならば、このことは結果として、幾何要素にぶつからない（垂直に下ろした方向から）最小の角度が得られた、ということになる。衝突しない支柱サポート材の投影が見つかれば、パターン探索を停止することができるので、一般的なケースによれば、実際には、例示したパターンにおいて考えられるすべてのポイントで投影が行われることにはならない。
【００５０】
図８Ａおよび図８Ｂには、ソリッドモデル８００の幾何要素から逸らすために、外側のサポート材ロケーションの角度を外側に向かわせることできることが例示されている。この例によれば、外側のサポート材８０２の角度が外側に向けられて、ソリッドモデルの基部８０４と衝突することなく、プリンタの台座８２０に到達している。
【００５１】
図８Ｂには、図８Ａの領域８３０がさらに詳細に示されている。図８Ｂに示されているように、内側のサポート材８０８は、角度が大きくなりすぎてしまうことからプリンタの台座８２０には到達できないという理由で、システムはその代わりに、内側のサポート材８０８をソリッドモデル８００の「ステム」８１０に取り付けることができる。
【００５２】
システムは、サポート材のポイントロケーションを決定するために、ソリッドモデルのｂ−ｒｅｐ幾何要素を分析する。サポート材を生成するための幾何要素におけるロケーションは、プリントすべき幾何要素を構成するＢ−ｒｅｐ表面の分析に基づく。幾何要素の面すべてに対応する表面が分析される。その際、構築方向によって規定される所定の角度範囲内に表面法線がある領域が抽出される。抽出された領域において、複数の代表的なポイントロケーションが計算される。支柱サポート材構造の頂部錐体が、これらのロケーションにおいて表面と接触することになる。
【００５３】
これらのポイントロケーションは、複数の係数に基づき最適化され、たとえば各ポイントの間隔、表面の曲率、表面勾配の局所的な最小値および最大値、ならびに「線状のサポート材」のために１つの線上に配置されたポイントのように、類似するポイントのクラスタリングに対する要求、などに基づき最適化される。
【００５４】
当業者に自明のとおり、オペレーションシーケンスにより特に指示または要求がなされないかぎり、上述のプロセスにおけるいくつかのステップを省略してもよいし、同時に実施しても逐次実施してもよく、あるいは異なる順序で実施してもよい。
【００５５】
さらに当業者に理解できるとおり、簡単かつ明瞭にするため、本発明による使用に適したあらゆるデータ処理システムの構造およびオペレーションを、本明細書においてすべて描いたまたは説明したわけではない。そうではなく、データ処理システムのうち、本発明に特有のところだけを、または本発明の理解に必要なところだけを描いて説明したにすぎない。データ処理システム１００の構造およびオペレーションのその他の部分は、この分野で周知の現在行われている様々な実装形態および実施手法の任意のものに適合させることができる。
【００５６】
ここで特に述べておきたいのは、本発明には、完全に機能的なシステムに関連した説明が含まれているけれども、当業者に自明であるとおり、本発明におけるメカニズムは少なくとも部分的には、機械で使用可能な媒体、コンピュータで使用可能な媒体、またはコンピュータで読み取り可能な媒体に記憶された命令として、任意の種類の形態で配布可能なものであること、さらに本発明は、特定のタイプの命令、信号担体または記憶媒体が使用されようとも、そのような配布物を実際に実行するために等しく適用されることである。機械で使用可能／読み取り可能な媒体、またはコンピュータで使用可能／読み取り可能な媒体の例として、以下のものが含まれる：リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）など不揮発性で変更不可能にコーディングされたタイプの媒体、または消去可能であり電気的にプログラミング可能なリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、ならびにユーザが記録可能なタイプの媒体たとえばフロッピーディスク、ハードディスクドライブ、およびコンパクトディスク型リードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、またはディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）。
【００５７】
これまで本発明の実施例について詳しく説明してきたが、当業者であれば理解できるように、最も広い形態で開示した本発明の着想および範囲を逸脱することなく、様々な変更、置き換え、変形ならびに本明細書で開示した改善を行うことができる。
【００５８】
本願の記載内容のいずれも、何らかの特定の部材、ステップまたは機能が特許請求の範囲に含まれなければならない必須の要素である、という趣旨で読まれるべきではない。本発明の範囲は、特許付与された請求項によってのみ定められるものである。しかも、厳密な語「〜のための手段」の次に分詞が続かないのであれば、これらの請求項のいずれも、米国特許法第１１２条（ｆ）が適用されることを意図したものではない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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