(57)【要約】【課題】視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えを維持可能な三次元造形物、並びにこれを生成する三次元造形装置及び方法を提供する。【解決手段】三次元造形物１０は、隣接角度θをなして隣接する第１外表面１８及び第２外表面２２を有する造形基体１６と、第１外表面上１８に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層２０と、第２外表面２２上に形成され、透明材を第１色と異なる第２色で着色してなる第２着色層２４と、第１着色層２０の側面と第２着色層２４の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色、第１色及び第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層２６を備える。【選択図】図２
2017105101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接角度をなして隣接する第１外表面及び第２外表面を有する造形基体と、
前記造形基体の前記第１外表面上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層と、
前記造形基体の前記第２外表面上に形成され、透明材を前記第１色と異なる第２色で着色してなる第２着色層と、
前記第１着色層の側面と前記第２着色層の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第１色及び前記第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層と
を備えることを特徴とする三次元造形物。
【請求項２】
前記第１着色層の側面は、厚み方向の外表側にある接触部位にて前記第２着色層の側面と面接触し、
前記仕切り層は、前記接触部位に対して前記厚み方向の内側に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物。
【請求項３】
前記仕切り層は、前記第１着色層及び前記第２着色層と比べて低い光透過率を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形物。
【請求項４】
前記仕切り層は、前記隣接角度が大きいほど相対的に高い光透過率を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元造形物。
【請求項５】
前記仕切り層は、前記隣接角度が閾値よりも小さい場合にのみ配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元造形物。
【請求項６】
前記第１外表面及び前記第２外表面は、不透明な無彩色であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元造形物。
【請求項７】
隣接角度をなして隣接する第１外表面及び第２外表面を有する造形基体と、
前記造形基体の前記第１外表面上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層と、
前記造形基体の前記第２外表面上に形成され、透明材を前記第１色と異なる第２色で着色してなる第２着色層と
を含む三次元造形物を、少なくとも前記第１色及び前記第２色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する三次元造形装置であって、
前記造形基体、前記第１着色層及び前記第２着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部により取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形物における前記第１着色層の側面と前記第２着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第１色及び前記第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層を配置させるデータ修正部と
を備えることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項８】
隣接角度をなして隣接する第１外表面及び第２外表面を有する造形基体と、
前記造形基体の前記第１外表面上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層と、
前記造形基体の前記第２外表面上に形成され、透明材を前記第１色と異なる第２色で着色してなる第２着色層と
を含む三次元造形物を、少なくとも前記第１色及び前記第２色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する三次元造形装置を用いた三次元造形方法であって、
前記造形基体、前記第１着色層及び前記第２着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得する取得ステップと、
取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形材における前記第１着色層の側面と前記第２着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第１色及び前記第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層を配置させる修正ステップと
を備えることを特徴とする三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも最外表面が着色された三次元造形物、並びに、該三次元造形物を生成する三次元造形装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、スライス単位の層状体（以下、単位層）を固化させながら鉛直方向に沿って順次積層することで、三次元形状の造形物を生成する三次元造形装置（いわゆる、３Ｄプリンタ）が開発されている。例えば、この造形物の最外表面に対して着色を施すための技術が種々提案されている。
【０００３】
特許文献１では、造形用樹脂を吐出する造形用ノズルと、複数色の着色剤を吐出する着色用ノズルを備える三次元造形装置が提案されている。そして、内側にある非着色部位が外部に露呈するのを防止すべく、着色領域が最外表面から所定幅分だけ内側に形成された三次元造形物が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２８０２５６号公報（［００５５］、図４等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者の鋭意検討によれば、着色された最外表面側から三次元造形物を視認するとき、別の最外表面に付された色が混合して知覚され得ることを見出した。この混色は、両方の最外表面がなす頂部の近傍を視認する際に、特に知覚され易くなる傾向がある。なぜならば、頂部の近傍では三次元造形物を横切る光路長が相対的に短くなり、観察者は、複数の最外表面に関する色成分を同時に知覚するためである。
【０００６】
しかしながら、特許文献１には、上記した混色の発生及び問題について何ら記載されていない。すなわち、観察者は、特許文献１に記載された三次元造形物を視認するとき、最外表面の色が局所的に異なることに違和感を覚えてしまう。
【０００７】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えを維持可能な三次元造形物、並びにこれを生成する三次元造形装置及び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】
【０００８】
本発明に係る「三次元造形物」は、隣接角度をなして隣接する第１外表面及び第２外表面を有する造形基体と、前記造形基体の前記第１外表面上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層と、前記造形基体の前記第２外表面上に形成され、透明材を前記第１色と異なる第２色で着色してなる第２着色層と、前記第１着色層の側面と前記第２着色層の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第１色及び前記第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層を備える。
【０００９】
このように、第１着色層の側面と第２着色層の側面の間に、無彩色或いは第２色の不透明な仕切り層を配置したので、三次元造形物の外部から第１着色層に入射した外光が、第２着色層を透過して外部に出射されるのを低減又は防止可能となる。また、外部から第２着色層に入射した外光は、可視光領域にて略均一な分光反射率、或いは、第２着色層に類似する分光反射率を有する仕切り層にて反射可能となる。これらにより、三次元造形物の第２着色層を視認する際に第１着色層及び／又は仕切り層の色成分が知覚されない遮光効果が得られ、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。なお、三次元造形物の第１着色層を視認する場合についても、上記と同様の原理により色の見映えが維持される。
【００１０】
また、前記第１着色層の側面は、厚み方向の外表側にある接触部位にて前記第２着色層の側面と面接触し、前記仕切り層は、前記接触部位に対して前記厚み方向の内側に配置されることが好ましい。第１着色層又は第２着色層と異なる色の仕切り層が外部に露呈するのを防止可能となり、三次元造形物の見映えが維持される。
【００１１】
また、前記仕切り層は、前記第１着色層及び前記第２着色層と比べて低い光透過率を有することが好ましい。これにより、仕切り層による遮光効果が一層高まる。
【００１２】
また、前記仕切り層は、前記隣接角度が大きいほど相対的に高い光透過率を有することが好ましい。隣接角度が大きくなるにつれて、仕切り層を外側から視認できる角度範囲（以下、視認角という）が拡大する傾向を考慮し、隣接角度が大きいほど仕切り層の光透過率を高くする。これにより、仕切り層の表面を反射する光量を低減可能となり、その結果、三次元造形物の外側から仕切り層の存在が視認され難くなる。
【００１３】
また、前記仕切り層は、前記隣接角度が閾値よりも小さい場合にのみ配置されることが好ましい。隣接角度が大きくなるにつれて、三次元造形物の頂部近傍を横切る光路長が長くなる一方、仕切り層の視認角が拡大する２つの傾向がある。そこで、これらの傾向を併せて考慮し、外側から視認され得る仕切り層を不必要に設けることを避ける。これにより、三次元造形物の見映えが却って悪くなることを防止できる。
【００１４】
また、前記第１外表面及び前記第２外表面は、不透明な無彩色であることが好ましい。これにより、第１着色層及び第２着色層を造形基体の外周から見た場合に、第１着色層及び第２着色層が想定された色表現となる。
【００１５】
本発明に係る「三次元造形装置」は、隣接角度をなして隣接する第１外表面及び第２外表面を有する造形基体と、前記造形基体の前記第１外表面上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層と、前記造形基体の前記第２外表面上に形成され、透明材を前記第１色と異なる第２色で着色してなる第２着色層を含む三次元造形物を、少なくとも前記第１色及び前記第２色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する装置であって、前記造形基体、前記第１着色層及び前記第２着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得するデータ取得部と、前記データ取得部により取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形物における前記第１着色層の側面と前記第２着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第１色及び前記第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層を配置させるデータ修正部を備える。
【００１６】
本発明に係る「三次元造形方法」は、隣接角度をなして隣接する第１外表面及び第２外表面を有する造形基体と、前記造形基体の前記第１外表面上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層と、前記造形基体の前記第２外表面上に形成され、透明材を前記第１色と異なる第２色で着色してなる第２着色層を含む三次元造形物を、少なくとも前記第１色及び前記第２色の色再現が可能である複数種類の造形材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する三次元造形装置を用いた方法であって、前記造形基体、前記第１着色層及び前記第２着色層を含む、元の加色造形物を示す加色造形データを取得する取得ステップと、取得された前記加色造形データを修正することで、前記元の加色造形材における前記第１着色層の側面と前記第２着色層の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、前記第１色及び前記第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層を配置させる修正ステップを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る三次元造形物によれば、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。また、本発明に係る三次元造形装置及び方法によれば、上記した三次元造形物を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この実施形態に係る三次元造形物の斜視図である。
【図２】ＩＩ−ＩＩ線に沿った拡大断面図である。
【図３】図１に示す三次元造形物の概略透視図である。
【図４】図１〜図３に示す三次元造形物の視覚的特徴を説明する模式図である。
【図５】図１に示す三次元造形物を生成する三次元造形装置の全体構成図である。
【図６】図５に示すキャリッジ部の正面図である。
【図７】図５に示す三次元造形装置の動作説明に供されるフローチャートである。
【図８】仕切り層の配置を決定する方法に関する概略説明図である。
【図９】加色造形データの修正方法に関する概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る三次元造形物について、三次元造形装置及び三次元造形方法との関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
【００２０】
［三次元造形物１０の説明］
＜１．三次元造形物１０の構造＞
図１は、この実施形態に係る三次元造形物１０の斜視図である。図２は、ＩＩ−ＩＩ線に沿った拡大断面図である。図３は、図１に示す三次元造形物１０の概略透視図である。
【００２１】
図１に示すように、三次元造形物１０は、正八面体からアスペクト比を僅かに変更した形状を有する物体である。二等辺三角形状である４つの最外表面１２は、第１色（例えば、赤色）に着色されている。二等辺三角形状である４つの最外表面１４は、第１色とは異なる第２色（例えば、青色）に着色されている。すなわち、三次元造形物１０は、互いに隣接する最外表面１２、１４の色が異なるように、赤色及び青色の２色で加色装飾されている。
【００２２】
図２に示すように、三次元造形物１０は、基礎となる造形基体１６、１つ又は複数の第１外表面１８上に形成された１つ又は複数の第１着色層２０、１つ又は複数の第２外表面２２上に形成された１つ又は複数の第２着色層２４、及び、第１着色層２０と第２着色層２４の間に配された仕切り層２６を含んで構成される。第１外表面１８及び第２外表面２２はいずれも、平面であっても曲面であってもよい。
【００２３】
ここで、造形基体１６、第１着色層２０、第２着色層２４、及び仕切り層２６は、物理的処理又は化学的処理を経て硬化する材料、例えば、光硬化樹脂或いは熱硬化樹脂からなる。紫外線（Ultra-Violet；ＵＶ）の照射により硬化する紫外線硬化樹脂の場合、ラジカル重合反応を起こして硬化するラジカル重合型、或いは、カチオン重合反応を起こして硬化するカチオン重合型の硬化性樹脂を用いることができる。ラジカル重合型の紫外線硬化樹脂には、ウレタンアクリレート、アクリルアクリレート、エポキシアクリレートが含まれる。
【００２４】
造形基体１６は、三次元造形物１０と同様に概略正八面体の形状を有すると共に、隣接角度θをなして隣接する第１外表面１８及び第２外表面２２を４組ずつ有する。造形基体１６の少なくとも第１外表面１８及び第２外表面２２は、第１着色層２０、第２着色層２４と異なる色又は材料で形成されている。第１着色層２０及び第２着色層２４を造形基体１６の外周から見た場合に、第１着色層２０及び第２着色層２４が想定された色表現となるように、第１外表面１８及び第２外表面２２は、例えば不透明な無彩色、白色を有することが好ましい。
【００２５】
ここで、「不透明」とは、非透光性を有することであり、ＪＩＳ  Ｋ  ７３７５：２００８にて規定する「プラスチックの全光線透過率」が２０％以下（光学濃度が０．７Ｄ以上）であることを意味する。また、「無彩色」とは、ＨＬＳ表色系における彩度（Ｓ）がゼロである「厳密な定義の無彩色」のみならず、微小の値（概ね１０％以下）である「実質的な無彩色」も含まれる。
【００２６】
第１着色層２０は、透明材を第１色に着色して構成される層であり、これに対応する第１外表面１８の全体を一定の厚さで被覆する。第２着色層２４は、透明材を第２色に着色して構成される層であり、これに対応する第２外表面２２の全体を一定の厚さで被覆する。第１着色層２０及び第２着色層２４の厚さは、造形基体１６のサイズが十分に大きい場合には５０〜１０００μｍであり、より好ましくは２００〜５００μｍである。
【００２７】
第１着色層２０の側面は、最外表面１２側（厚み方向の外表側）にある接触部位２８にて、隣接する第２着色層２４の側面と面接触する。接触部位２８に対して第１外表面１８側（厚み方向の内側）に、造形基体１６と一体となった仕切り層２６が配置されている。この仕切り層２６は、不透明な無彩色、例えば造形基体１６と同じ白色を有する。
【００２８】
仕切り層２６は、光透過率が相対的に低い材料から構成されているので、第１着色層２０及び第２着色層２４と比べて低い光透過率を有する。これと併せて又はこれとは別に、仕切り層２６は、層の厚みが相対的に大きく設けられているので、第１着色層２０及び第２着色層２４と比べて低い光透過率を有する。
【００２９】
図３に示すように、４つの仕切り層２６は、三次元造形物１０の稜線３０（二点鎖線で図示）に沿って該稜線３０の僅か内側に設けられている。仕切り層２６は、一定の幅を有する帯状であり、且つ、長さ方向の中間位置にて概略Ｌ字状に屈曲している。４つの仕切り層２６は、一端側にて相互に連結されると共に、他端側にて相互に連結される。
【００３０】
ここで、頂点Ｐに隣接する頂点をそれぞれＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とする。最外表面１２をなす平面Ｑ１ＰＱ２と、最外表面１４をなす平面Ｑ１ＰＱ３の間の隣接角度はθ＝９０度である。また、最外表面１２をなす平面Ｑ１ＰＱ２と、最外表面１４をなす平面Ｑ３ＰＱ４の間の隣接角度はθ＝１２０度である。
【００３１】
仕切り層２６は、隣接角度θと閾値θｔｈ（例えば１００度）の間の大小関係に応じて設けられる。具体的には、隣接角度θ＝９０度である稜線３０（辺ＰＱ１、辺ＰＱ４）の近傍に配置される一方、隣接角度θ＝１２０度である稜線３０（辺ＰＱ２、辺ＰＱ３）の近傍に配置されない。換言すれば、隣接角度θが閾値θｔｈよりも小さい場合にのみ、仕切り層２６が配置される点に留意する。
【００３２】
＜２．三次元造形物１０の視覚的特徴＞
この実施形態に係る三次元造形物１０は、以上のように構成される。続いて、図１〜図３に示す三次元造形物１０の視覚的特徴について図４を参照しながら説明する。
【００３３】
図４（ａ）は、仕切り層２６が存在しない物体（従来の三次元造形物）の頂部を最外表面１４側から視認した際の、光学的現象を説明する模式図である。観察者は、目３２に受光される外光３４の分光特性及び位置分布に基づいて、この物体の色及び形状を認識する。例えば、最外表面１４側に入射された外光３４は、最外表面１４又は接触部位２８にて反射され、青色の光を多く含む反射成分３６として受光される。
【００３４】
ところで、頂部又はその近傍を横切る光路は、他の部位と比べて相対的に短くなっており、しかも不透明（非透光性）の造形基体１６を全く横切らない。つまり、第２着色層２４側に入射される外光３４は、分光反射率が可視光領域で不均一である接触部位２８にて反射され、青色の光が相対的に少ない反射成分３８として受光されることがある。また、最外表面１２側に入射される外光３４は、第１着色層２０及び第２着色層２４を順次通過し、緑色の光を多く含む透過成分３８として受光されることがある。
【００３５】
この位置関係下にて物体を最外表面１４側から視認するとき、最外表面１４とは別の最外表面１２に付された色が混合して知覚され得る。具体的には、観察者は、反射成分３６のみを受光した領域を「青色」と視認し、反射成分３６及び透過成分３８を同時に受光した領域を「青緑色」と視認する。その結果、観察者は、最外表面１４の色が局所的に異なることに違和感を覚えることがある。
【００３６】
図４（ｂ）は、仕切り層２６が存在する三次元造形物１０の頂部を最外表面１４側から視認した際の、光学的現象を説明する模式図である。図４（ａ）の場合と同様に、最外表面１４側に入射された外光３４は、青色の光を多く含む反射成分３６として受光される。
【００３７】
本図から理解されるように、頂部又はその近傍を横切る光路の間には、不透明な無彩色の仕切り層２６が配置されている。つまり、第２着色層２４側に入射される外光３４は、可視光領域にて略均一の分光反射率を有する仕切り層２６にて反射され、青色の光を多く含む透過成分３８として受光される。また、最外表面１２側に入射される外光３４は、第１着色層２０を通過するが、その全部又は大半が仕切り層２６にて反射される。
【００３８】
これにより、三次元造形物１０の第２着色層２４を視認する際、第１着色層２０及び仕切り層２６の色成分が知覚されない遮光効果が得られる。これと同様に、三次元造形物１０の第１着色層２０を視認する際、第２着色層２４及び仕切り層２６の色成分が知覚されない遮光効果が得られる。これにより、観察者は、視認の位置が頂部であるか否かにかかわらず、第１着色層２０の全領域を「赤色」と視認できると共に、第２着色層２４の全領域を「青色」と視認できる。
【００３９】
＜３．三次元造形物１０による効果＞
以上のように、三次元造形物１０は、隣接角度θをなして隣接する第１外表面１８及び第２外表面２２を有する造形基体１６と、造形基体１６の第１外表面１８上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層２０と、造形基体１６の第２外表面２２上に形成され、透明材を第２色で着色してなる第２着色層２４と、第１着色層２０の側面と第２着色層２４の側面の間に配置される、彩度がゼロか微小の値である無彩色の不透明な仕切り層２６を備える。
【００４０】
このように、第１着色層２０の側面と第２着色層２４の側面の間に、無彩色の不透明な仕切り層２６を配置したので、三次元造形物１０の外部から第１着色層２０に入射した外光３４が、第２着色層２４を透過して外部に出射されるのを低減又は防止可能となる。また、外部から第２着色層２４に入射した外光は、可視光領域にて略均一な分光反射率を有する仕切り層２６にて反射可能となる。これらにより、三次元造形物１０の第２着色層２４を視認する際に第１着色層２０及び仕切り層２６の色成分が知覚されない遮光効果が得られ、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。なお、三次元造形物１０の第１着色層２０を視認する場合についても、上記と同様の原理により色の見映えが維持される。
【００４１】
また、第１着色層２０の側面は、厚み方向の外表側にある接触部位２８にて第２着色層２４の側面と面接触し、仕切り層２６は、接触部位２８に対して厚み方向の内側に配置されてもよい。第１着色層２０又は第２着色層２４と異なる色の仕切り層２６が外部に露呈するのを防止可能となり、三次元造形物１０の見映えが維持される。
【００４２】
また、仕切り層２６は、第１着色層２０及び第２着色層２４と比べて低い光透過率を有することが好ましい。これにより、仕切り層２６による遮光効果が一層高まる。
【００４３】
また、仕切り層２６は、隣接角度θが閾値θｔｈよりも小さい場合にのみ配置されてもよい。隣接角度θが大きくなるにつれて、三次元造形物１０の頂部近傍を横切る光路長が長くなる一方、仕切り層２６を外側から視認できる角度範囲（以下、視認角という）が拡大する２つの傾向がある。そこで、これらの傾向を併せて考慮し、外側から視認され得る仕切り層２６を不必要に設けることを避ける。これにより、三次元造形物１０の見映えが却って悪くなることを防止できる。
【００４４】
＜４．変形例＞
なお、三次元造形物１０の形態はこれに限られず、任意の形状、色彩又は模様を付与できることは言うまでもない。特に、上記の遮光効果を有効に発揮させるため、仕切り層２６の形態を種々変更してもよい。
【００４５】
［１］例えば、仕切り層２６の色は、白色、灰色、黒色又はこれらに近い無彩色に限られず、第１色及び第２色のうちいずれか１色であってもよい。例えば、第１色の仕切り層２６を設けた場合、第１着色層２０側に入射された外光３４は、第２着色層２４に類似する分光反射率を有する仕切り層２６にて反射され、第１色の色成分を多く含む反射成分３６として受光される。つまり、仕切り層２６を第１色（又は第２色）に着色することで、第１着色層２０（又は第２着色層２４）の色再現性に影響を与え難くなるという利点がある。
【００４６】
これにより、三次元造形物１０の第１着色層２０を視認する際に第２着色層２４の色成分が知覚されない遮光効果が得られ、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される。或いは、第２色の仕切り層２６を設けた場合、三次元造形物１０の第２着色層２４を視認する際に、上記と同様の原理により色の見映えが維持される。
【００４７】
［２］また、隣接角度θがθ≧θｔｈを満たす場合であっても、第１着色層２０の側面と第２着色層２４の側面の間に仕切り層２６を設けてもよい。このとき、隣接角度が大きくなるにつれて仕切り層２６の視認角が拡大する傾向を考慮し、隣接角度θが大きいほど仕切り層２６の光透過率を高くすればよい。これにより、仕切り層２６の表面を反射する光量を低減可能となり、その結果、三次元造形物１０の外側から仕切り層２６の存在が視認され難くなる。
【００４８】
［三次元造形装置１００の説明］
続いて、上記した三次元造形物１０を生成する三次元造形装置１００について、図５〜図９を参照しながら説明する。
【００４９】
＜１．要部の説明＞
図５は、この実施形態に係る三次元造形装置１００の要部を示す概略図である。より詳しくは、図５（ａ）は三次元造形装置１００の概略側面図であり、図５（ｂ）は三次元造形装置１００の概略平面図である。本図では、生成途中の三次元造形物１０である積層構造体５０が表記されている。
【００５０】
積層構造体５０は、三次元造形物１０の原料・素材であるモデル材５２（造形材）と、モデル材５２を外側又は内側から支持するサポート材５４とから構成される。つまり、積層構造体５０は、モデル材５２及び／又はサポート材５４を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層してなる。以下、積層構造体５０の最上面を「単位層面５６」と称する場合がある。
【００５１】
三次元造形装置１００は、積層構造体５０を載置する載置部６０、モデル材５２及びサポート材５４の吐出機構を搭載するキャリッジ６２、及び、キャリッジ６２をＸ方向及びＹ方向に駆動させるキャリッジ駆動部６４を含んで構成される。
【００５２】
載置部６０は、平坦な作業面６６を有する載置台６８と、作業面６６の法線方向（Ｚ方向）に載置台６８を移動させるステージ駆動部７０を有する。キャリッジ駆動部６４は、Ｘ方向に沿って平行に延びる一対のガイドレール７２、７２（Ｘバー）と、各ガイドレール７２に沿って移動可能な２つのスライダ７４、７４と、２つのスライダ７４、７４間に架け渡されると共にＹ方向に延びるキャリッジレール７６（Ｙバー）を有する。
【００５３】
キャリッジ６２は、該キャリッジ６２を取り付けたキャリッジレール７６に沿って、又は、キャリッジレール７６と一体的に各ガイドレール７２、７２に沿って移動可能に構成される。これにより、キャリッジ６２及び載置台６８は、互いに交差するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対してそれぞれ相対的に移動可能である。この実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向は「水平方向」に、Ｚ方向は「鉛直方向」にそれぞれ一致し、３つの方向は互いに直交する関係下にある。
【００５４】
キャリッジ６２には、流動性のモデル材５２及び流動性のサポート材５４（以下、総称して「液滴７８」ともいう）を作業面６６に向けて吐出する吐出ユニット８０と、単位層面５６を平坦化する平坦化ローラ８２と、単位層面５６上の液滴７８を硬化する硬化ユニット８４がそれぞれ搭載される。
【００５５】
吐出ユニット８０の吐出面８６は、作業面６６或いは単位層面５６に対向する位置関係下にある。吐出ユニット８０は、同一の又は異なる色のモデル材５２を吐出する複数の吐出ヘッド８８、及び、サポート材５４を吐出する１つの吐出ヘッド９０を含んで構成される。吐出ヘッド８８、９０による液滴７８の吐出機構として種々の方式を採ってもよい。例えば、圧電素子を含んで構成されるアクチュエータの変形によって液滴７８を吐出する方式を適用してもよい。また、ヒータ（発熱体）を介してモデル材５２又はサポート材５４を加熱することで気泡を発生させ、その圧力で液滴７８を吐出する方式を適用してもよい。
【００５６】
各吐出ヘッド８８、９０の吐出面８６側には、配列方向（本図例ではＸ方向）に沿って複数のノズル９２を並べたノズル列９４が形成されている。吐出ユニット８０に６つの吐出ヘッド８８が設けられている場合、例えば、６つの吐出ヘッド８８は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）、クリア（ＣＬ）、ホワイト（Ｗ）に着色されたモデル材５２の液滴７８をそれぞれ吐出する。
【００５７】
硬化ユニット８４は、各種エネルギーを付与することでモデル材５２の液滴７８を硬化させる装置である。例えば、モデル材５２が紫外線硬化樹脂である場合、硬化ユニット８４は、光エネルギーとしての紫外線を照射する紫外光源を含んで構成される。また、モデル材５２が熱硬化樹脂である場合、硬化ユニット８４は、熱エネルギーを付与する加熱装置、必要に応じて積層構造体５０を冷却する冷却装置を含んで構成される。
【００５８】
なお、紫外光源として、希ガス放電灯、水銀放電灯、蛍光灯ランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイ等を用いることができる。また、サポート材５４は、三次元造形物１０を変質させずに除去可能な材料、例えば、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等からなる。
【００５９】
＜２．電気ブロック図＞
図６は、この実施形態に係る三次元造形装置１００の電気ブロック図である。三次元造形装置１００は、図５にそれぞれ示したキャリッジ駆動部６４、ステージ駆動部７０、吐出ユニット８０及び硬化ユニット８４の他、制御部１０２、画像入力Ｉ／Ｆ１０４、入力部１０６、出力部１０８、記憶部１１０、三次元駆動部１１２、及び駆動回路１１４を含んで構成される。
【００６０】
画像入力Ｉ／Ｆ１０４は、シリアルＩ／Ｆ、パラレルＩ／Ｆ、ＵＳＢ Ｉ／Ｆ、又はイーサネット（登録商標）Ｉ／Ｆで構成され、三次元造形物１０を示す画像情報を含む電気信号を図示しない外部装置から受信する。入力部１０６は、マウス、キーボード、タッチセンサ又はマイクロフォンを含んで構成される。出力部１０８は、ディスプレイ又はスピーカを含んで構成される。
【００６１】
記憶部１１０は、非一過性であり、且つ、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体で構成される。ここで、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、この記憶媒体は、短時間に且つ動的にプログラムを保持するものであっても、一定時間プログラムを保持するものであってもよい。
【００６２】
三次元駆動部１１２は、載置台６８及び吐出ユニット８０の少なくとも一方を駆動することで、載置台６８に対して吐出ユニット８０を三次元方向に相対移動させる。この実施形態では、三次元駆動部１１２は、吐出ユニット８０をＸ方向及びＹ方向に移動させるキャリッジ駆動部６４と、載置台６８をＺ方向に移動させるステージ駆動部７０とから構成される。
【００６３】
制御部１０２は、三次元造形装置１００を構成する各部の制御を司る演算装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro-Processing Unit）によって構成されている。制御部１０２は、記憶部１１０に格納されたプログラムを読み出し実行することで、三次元造形物１０の形態を示す加色造形データに対して所望の画像処理を施すデータ処理部１１６を含む各機能を実現可能である。
【００６４】
データ処理部１１６は、画像入力Ｉ／Ｆ１０４を介して加色造形データ１５０（図９）を取得するデータ取得部１１８、加色造形データ１５０を修正するデータ修正部１２０、及び、液滴７８の吐出の有無及び吐出位置を示す中間データ（以下、吐出データ）を作成するデータ作成部１２２を有する。
【００６５】
駆動回路１１４は、制御部１０２と電気的に接続されると共に、各ユニットを駆動することで造形処理を実行させる電気回路である。この実施形態では、駆動回路１１４は、吐出ユニット８０の吐出制御を司る吐出制御部１２４と、硬化ユニット８４の硬化制御を司る硬化制御部１２６とから構成される。
【００６６】
吐出制御部１２４は、制御部１０２から供給される吐出データに基づき、吐出ヘッド８８、９０が備えるアクチュエータの駆動波形信号を生成し、この波形信号を吐出ユニット８０側に向けて出力する。硬化制御部１２６は、各種エネルギーを付与するための駆動信号を生成し、この駆動信号を硬化ユニット８４側に向けて出力する。
【００６７】
＜３．三次元造形装置１００の動作＞
この実施形態に係る三次元造形装置１００は以上のように構成される。続いて、三次元造形装置１００の動作について、図７のフローチャート、図８及び図９を参照しながら説明する。
【００６８】
ステップＳ１において、制御部１０２（データ取得部１１８）は、画像入力Ｉ／Ｆ１０４を介して、３Ｄ−ＣＡＤ（Computer Aided Design）データを含む加色造形データを取得する。この加色造形データは、三次元造形物１０と外観が等しい元の加色造形物を示すデータである。例えば、ワイヤフレームモデルの加色造形データは、三次元造形物１０の三次元フレームを示す形状モデルデータ、及び、最外表面１２、１４上の画像を示す表面画像データの組み合わせからなる。なお、加色造形データの表現方式は、ワイヤフレームモデルに限られず、サーフェスモデル又はソリッドモデルであってもよい。
【００６９】
ステップＳ２において、データ作成部１２２は、ステップＳ１で取得されたベクトルデータ形式の加色造形データに対してラスタライズ処理を実行する。この処理に先立ち、データ作成部１２２は、フレーム内の色（例えばホワイト）を特定し、公知のテクスチャマッピング手法を用いてフレーム面上に表面画像を配置する。その後、データ作成部１２２は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の三次元解像度に応じたラスタデータに変換する。以下、説明の便宜上、データ形式を変更した場合であっても、データの描画内容が実質的に等価であることを条件に、変わらず「加色造形データ」と称する。
【００７０】
ステップＳ３において、制御部１０２（データ修正部１２０）は、ステップＳ１で取得された加色造形データを解析することで、仕切り層２６の要否及び配置を決定する。具体的には、データ修正部１２０は、形状モデルデータに含まれるフレーム情報（頂点及び結合関係）を用いて幾何学的計算を実行することで、最外表面１２、１４の隣接角度θをそれぞれ求める。また、データ修正部１２０は、表面画像データの画素値を解析することで、最外表面１２、１４の色をそれぞれ求める。
【００７１】
図８は、仕切り層２６の配置を決定する方法に関する概略説明図である。本図は、予め定義された三次元作業領域１４０内に、加色造形データ１５０（図９）が示す仮想オブジェクト１４２を配置した状態を表記している。図３で既に説明した通り、最外表面１２をなす平面Ｑ１ＰＱ２と、最外表面１４をなす平面Ｑ１ＰＱ３の間の隣接角度はθ＝９０度である。これにより、辺ＰＱ１、辺ＰＱ４の近傍に仕切り層２６を配置することが決定される。
【００７２】
仮想オブジェクト１４２の重心をＯとするとき、仕切り層２６は、線分ＯＰの一部を含んで配置される点に留意する。ここで、外端点Ｒｏは、頂点Ｐから特定の距離（稜線３０からの深さ）だけ内側に離れた線分ＯＰ上の点である。また、内端点Ｒｉは、外端点Ｒｏから特定の距離（仕切り層２６の幅）だけ内側に離れた線分ＯＰ上の点である。
【００７３】
データ修正部１２０は、頂点Ｐを除く他の頂点に関して同様に演算し、外端点Ｒｏ及び内端点Ｒｉをそれぞれ特定する。そして、隣接する外端点Ｒｏ或いは内端点Ｒｉを順次結ぶことで、図３に示す仕切り層２６の配置領域が決定される。
【００７４】
ステップＳ４において、データ修正部１２０は、ステップＳ２にてラスタライズ処理がなされた加色造形データ１５０を修正することで、ステップＳ３での決定結果に従って仕切り層２６を配置させる。この修正方法について図９を参照しながら詳細に説明する。
【００７５】
図９（ａ）は、修正前の加色造形データ１５０を構成する画素値を示す図であり、図４（ａ）の描画内容に概ね対応する。本図の左側には、カラーチャンネルがＣ（シアン）である連続調スライスデータ１５１が表記されている。各画像領域を示す正方形内の数字は画素値（８ビット階調）を示し、「２５５」が階調の最高レベルに、「０」が階調の最低レベルにそれぞれ相当する。
【００７６】
連続調スライスデータ１５１の描画内容から理解されるように、第１着色層２０に対応する画素値は「ｃ１」（第１色）であり、第２着色層２４に対応する画素値は「ｃ２」（第２色）である。また、造形基体１６に対応する画素値は「０」（無彩色）であり、余白部に対応する画素値は「０」（無色）である。
【００７７】
本図の右側には、カラーチャンネルがＷ（ホワイト）である連続調スライスデータ１５２が表記されている。この描画内容から理解されるように、第１着色層２０に対応する画素値は「０」（第１色）であり、第２着色層２４に対応する画素値は「０」（第２色）である。また、造形基体１６に対応する画素値は「２５５」（無彩色）であり、余白部に対応する画素値は「０」（無色）である。
【００７８】
ここで、データ修正部１２０は、連続調スライスデータ１５１に対して、仕切り層２６に対応する画素値を「ｃ１」から「０」に、「ｃ２」から「０」にそれぞれ上書き更新する。また、データ修正部１２０は、連続調スライスデータ１５２に対して、仕切り層２６に対応する画素値を「０」から「２５５」に上書き更新する。
【００７９】
図９（ｂ）は、修正後の加色造形データ１５０、すなわち修正済み造形データ１６０を構成する画素値を示す図であり、図４（ｂ）の描画内容に概ね対応する。本図の左側にはＣ（シアン）の連続調スライスデータ１６１が、右側にはＷ（ホワイト）の連続調スライスデータ１６２がそれぞれ表記されている。
【００８０】
ステップＳ５において、データ作成部１２２は、ステップＳ４で修正された修正済み造形データ１６０に対して種々の画像処理を施すことで、液滴７８の吐出制御に供される吐出データを作成する。この画像処理には、例えば、ディザ法を含むハーフトーン処理、同系色／異系色間の分版処理、ドットサイズ（液滴量）の割り付け処理、打滴数の制限処理が含まれる。
【００８１】
ステップＳ６において、三次元造形装置１００は、ステップＳ５で作成された吐出データに基づいて造形処理を実行する。具体的には、三次元造形装置１００は、載置台６８及び吐出ユニット８０を三次元方向に相対移動させながら、モデル材５２及びサポート材５４を含む単位層をＺ方向に沿って順次積層する。つまり、［１］吐出ユニット８０による液滴７８の吐出、［２］平坦化ローラ８２による単位層面５６の平坦化、［３］硬化ユニット８４による液滴７８の硬化、及び［４］積層構造体５０の成長、を順次実行することで、積層構造体５０の完成状態である造形中間物を得る。
【００８２】
ステップＳ７において、ステップＳ６にて得られた造形中間物に対してサポート材５４の除去処理を施すことで、図１に示す三次元造形物１０を生成する。この除去処理は、サポート材５４の性質に応じた物理的処理又は化学的処理、具体的には、水溶、加熱、化学反応、水圧洗浄、電磁波の照射によって実現できる。
【００８３】
＜４．三次元造形装置１００による効果＞
以上のように、三次元造形装置１００は、隣接角度θをなして隣接する第１外表面１８及び第２外表面２２を有する造形基体１６と、造形基体１６の第１外表面１８上に形成され、透明材を第１色で着色してなる第１着色層２０と、造形基体１６の第２外表面２２上に形成され、透明材を第２色で着色してなる第２着色層２４を含む三次元造形物１０を、少なくとも第１色及び第２色の色再現が可能である複数種類のモデル材５２を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層することで生成する。
【００８４】
そして、三次元造形装置１００は、造形基体１６、第１着色層２０及び第２着色層２４を含む、元の加色造形物を示す加色造形データ１５０を取得するデータ取得部１１８と、取得された加色造形データ１５０を修正することで、元の加色造形物における第１着色層２０の側面と第２着色層２４の側面の間に、彩度がゼロか微小の値である無彩色、第１色及び第２色のうちいずれか１色の不透明な仕切り層２６を配置させるデータ修正部１２０を備える。
【００８５】
また、この三次元造形装置１００を用いた三次元造形方法は、元の加色造形物を示す加色造形データ１５０を取得する取得ステップ（Ｓ１）と、取得された加色造形データ１５０を修正する修正ステップ（Ｓ４）を備える。このように構成しているので、視認の位置又は角度の違いにかかわらず色の見映えが維持される三次元造形物１０（図１〜図４）が得られる。
【００８６】
［備考］
なお、この発明は、上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【００８７】
例えば、三次元造形装置１００は、仕切り層２６の配置情報を設定可能に構成されてもよい。この場合、制御部１０２は、作業者による入力部１０６を介した操作に応じて配置情報を取得し、この配置情報に応じて修正済み造形データ１６０を作成する。この配置情報には、具体的に、仕切り層２６の形態（例えば、厚さ、幅、位置、色）又は配置有無の判定条件（例えば、閾値θｔｈ、配置の要否）が含まれる。
【００８８】
この実施形態では、データ修正部１２０はラスタデータ形式の加色造形データ１５０を修正しているが、修正処理の実行はこのタイミングに限られない。例えば、ハーフトーン処理後の段階にて多階調データを修正してもよいし、ラスタライズ処理前の段階にてベクトルデータを修正してもよい。
【００８９】
この実施形態では、載置台６８及び吐出ユニット８０の両方とも移動可能であるが、一方が固定された状態下に他方が移動可能であってもよいし、３つの移動方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の組み合わせは任意である。
【００９０】
この実施形態では、主にインクジェット方式の三次元造形装置１００について説明したが、この造形方式に限られない。例えば、熱融解積層方式、光造形方式、粉末焼結方式、プロジェクション方式、インクジェット粉末積層方式にも適用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１０‥三次元造形物                      １２、１４‥最外表面
１６‥造形基体                          １８‥第１外表面
２０‥第１着色層                        ２２‥第２外表面
２４‥第２着色層                        ２６‥仕切り層
２８‥接触部位                          ３０‥稜線
５０‥積層構造体                        ５２‥モデル材（造形材）
５４‥サポート材                        ５６‥単位層面
６０‥載置部                            ６２‥キャリッジ
６４‥キャリッジ駆動部                  ６６‥作業面
６８‥載置台                            ７０‥ステージ駆動部
７２‥ガイドレール                      ７４‥スライダ
７６‥キャリッジレール                  ７８‥液滴
８０‥吐出ユニット                      ８２‥平坦化ローラ
８４‥硬化ユニット                      ８８、９０‥吐出ヘッド
１００‥三次元造形装置                  １０２‥制御部
１１２‥三次元駆動部                    １１４‥駆動回路
１１６‥データ処理部                    １１８‥データ取得部
１２０‥データ修正部                    １２２‥データ作成部
１２４‥吐出制御部                      １２６‥硬化制御部
１５０‥加色造形データ                  １６０‥修正済み造形データ
【図１】
2017105101.tif 000003
【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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