(57)【要約】【課題】造形物の寸法精度を向上し、美観を向上させる三次元造形方法、三次元造形装置を提供する。【解決手段】材料を所定形状に形成した断面層を積層方向に繰り返し積層させることで造形物を造形する三次元造形方法において、造形物の三次元データを受信するステップと、三次元データを処理し、造形物の所定の層厚での断面層を表すスライスデータを生成するステップと、スライスデータごとに、所定の面積に分解して第１のピクセルを得るステップと、第１のピクセルを分割して複数の第２のピクセルを得るステップと、第２のピクセルのプロパティデータを判断するステップと、第１のピクセルに含まれる第２のピクセルのプロパティデータを平均して、第１のピクセルのプロパティデータを判断するステップと、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を所定形状に形成した断面層を積層方向に繰り返し積層させることで造形物を造形する三次元造形方法であって、
前記造形物の三次元データを受信するステップと、
前記三次元データを処理し、前記造形物の所定の層厚での断面層を表すスライスデータを生成するステップと、
前記スライスデータごとに、所定の面積に分解して第１のピクセルを得るステップと、
前記第１のピクセルを分割して複数の第２のピクセルを得るステップと、
前記第２のピクセルのプロパティデータを判断するステップと、
前記第１のピクセルに含まれる前記第２のピクセルのプロパティデータを平均して、前記第１のピクセルのプロパティデータを判断するステップと、
を備える三次元造形方法。
【請求項２】
前記第１のピクセルは、前記第１のピクセルの層厚よりも小さい厚さを有する複数の前記第２のピクセルに分割される
ことを特徴とする請求項１記載の造形物の三次元造形方法。
【請求項３】
前記第１のピクセルは、前記第１のピクセルの前記所定の面積よりも小さい面積を有する複数の前記第２のピクセルに分割されることを特徴とする請求項１または２に記載の造形物の三次元造形方法。
【請求項４】
前記材料の特性に合わせて、前記第１のピクセルのプロパティデータを補正するステップと、
をさらに備える請求項１乃至３いずれか１項記載の三次元造形方法。
【請求項５】
前記補正は、前記材料の前記積層方向における特性およびまたは前記積層方向と交差する方向における特性について行われる
ことを特徴とする請求項４記載の三次元造形方法。
【請求項６】
前記第１のピクセルのプロパティデータに応じた造形条件で造形物を造形するステップと、
をさらに備える請求項１乃至５いずれか１項記載の造形物の三次元造形方法。
【請求項７】
材料を所定形状に形成した断面層を積層方向に繰り返し積層させることで造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記三次元造形装置は、
駆動部と、
前記駆動部に接続される三次元データ処理部とを有し、
前記三次元データ処理部は、
前記造形物の三次元データを受信し、
前記三次元データを処理し、前記造形物の所定の層厚での断面層を表すスライスデータを生成し、
前記スライスデータごとに、所定の面積に分解して第１のピクセルを得て、
前記第１のピクセルを分割して複数の第２のピクセルを得て、
前記第２のピクセルのプロパティデータを判断し、
前記第１のピクセルに含まれる前記第２のピクセルのプロパティデータを平均して、前記第１のピクセルのプロパティデータを判断する
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項８】
前記三次元データ処理部は、
前記第１のピクセルを、前記第１のピクセルの層厚よりも小さい厚さを有する複数の前記第２のピクセルに分割する
ことを特徴とする請求項７記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記三次元データ処理部は、
前記第１のピクセルを、前記第１のピクセルの前記所定の面積よりも小さい面積を有する複数の前記第２のピクセルに分割する
ことを特徴とする請求項７または８に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
前記三次元データ処理部は、
前記材料の特性に合わせて、前記第１のピクセルのプロパティデータを補正する
ことを特徴とする請求項７乃至９いずれか１項記載の三次元造形装置。
【請求項１１】
前記補正は、前記材料の前記積層方向における特性およびまたは前記積層方向と交差する方向における特性について行われる
ことを特徴とする請求項１０記載の三次元造形装置。
【請求項１２】
前記駆動部は、
前記第１のピクセルのプロパティデータに応じた造形条件で造形物を造形する
ことを特徴とする請求項７乃至１１いずれか１項記載の三次元造形装置。
【請求項１３】
前記造形方法は、前記材料に光を照射して硬化させることで所定形状に形成される断面層を繰り返し積層させることで造形物を造形する方法であって、
前記プロパティデータは、前記第１のピクセル、前記第２のピクセルの明るさの値である
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の三次元造形方法。
【請求項１４】
前記造形装置は、前記材料に光を照射して硬化させることで所定形状に形成される断面層を繰り返し積層させて造形物を得る造形装置であって、
前記プロパティデータは、前記第１のピクセル、前記第２のピクセルの明るさの値である
ことを特徴とする請求項７乃至１２いずれか１項記載の三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形方法及び三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元設計データに基づいて造形物を製造する三次元造形装置が知られている。このような三次元造形装置の方式としては、光造形法、粉末焼結法、インクジェット法、溶融樹脂押し出し造形法など、様々な方式が提案され、製品化されている。
【０００３】
一例として、光造形法を採用した三次元造形装置では、特許文献１に記載のように、液体状の光硬化性樹脂に光（紫外線）を照射して、樹脂材料を硬化させて造形物の断面層を形成し、断面層を繰り返し形成することで造形物を得る。このような三次元造形装置としては、マスクを用いて断面を一括作成する平面露光形光造形法や、一点に集中させた光を走査して断面を作成する走査型光造形法が挙げられる。また、露光方式として、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いる方式、レーザー光を直接照射する方式など、様々な方式が提案され、製品化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３９５６４号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三軸方向に並んだピクセルを構築して三次元データを作成する場合、三軸方向のいずれかに対し平行な直線で表せる部分においてはジャギーが発生せず、造形物を綺麗に造形することができる。しかし、斜めの部分や曲率のある部分においては、ピクセルの特性上、連続する線で表すことができないため、ジャギーが発生してしまう。そのため、三次元造形装置の解像度により、完成した造形物は、その輪郭に凹凸を有し、綺麗な線や曲線にならない場合もある。そこで本発明は、輪郭を滑らかに造形することで造形物の寸法精度を向上し、美観を向上させる三次元造形方法、三次元造形装置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】
【０００６】
本発明に係る三次元造形方法は、材料を所定形状に形成した断面層を積層方向に繰り返し積層させることで造形物を造形する三次元造形方法であって、造形物の三次元データを受信するステップと、三次元データを処理し、造形物の所定の層厚での断面層を表すスライスデータを生成するステップと、スライスデータごとに、所定の面積に分解して第１のピクセルを得るステップと、第１のピクセルを分割して複数の第２のピクセルを得るステップと、第２のピクセルのプロパティデータを判断するステップと、第１のピクセルに含まれる第２のピクセルのプロパティデータを平均して、第１のピクセルのプロパティデータを判断するステップと、を備える。
【０００７】
本発明に係る三次元造形装置は、材料を所定形状に形成した断面層を積層方向に繰り返し積層させることで造形物を造形する三次元造形装置であって、三次元造形装置は、駆動部と、駆動部に接続される三次元データ処理部とを有し、三次元データ処理部は、造形物の三次元データを受信し、三次元データを処理し、造形物の所定の層厚での断面層を表すスライスデータを生成し、スライスデータごとに、所定の面積に分解して第１のピクセルを得て、第１のピクセルを分割して複数の第２のピクセルを得て、第２のピクセルのプロパティデータを判断し、第１のピクセルに含まれる第２のピクセルのプロパティデータを平均して、第１のピクセルのプロパティデータを判断することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態に係る３Ｄプリンタ１００の斜視図である。
【図２】同３Ｄプリンタによる三次元造形方法を示す概略図である。
【図３】同３Ｄプリンタによる三次元造形方法を示すフローチャートである。
【図４】従来例における３Ｄプリンタによる三次元造形方法を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施の形態に係る三次元造形方法を示すフローチャートである。
【図６Ａ】第２の実施の形態に係る三次元造形方法を示すグラフである。
【図６Ｂ】第２の実施の形態に係る三次元造形方法を示すグラフである。
【図７】第２の実施の形態に係る三次元造形方法を示すフローチャートである。
【図８】従来例および一の実施の形態に係る三次元造形装置の露光パターンを示す模式図である。
【図９】造形物における曲面を有する微小な一部分を示す模式図である。
【図１０Ａ】従来例に係る三次元造形方法を示す模式図である。
【図１０Ｂ】一の実施の形態に係る三次元造形方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
［第１の実施の形態］
図１〜図５を参照して、第１の実施の形態に係る三次元造形装置及び三次元造形方法について説明する。
第１の実施の形態では、一例として、光造形法を用いる三次元造形装置に本発明を適用する場合について説明するが、本発明は様々な三次元造形装置に適用可能であり、以下の説明に限定されるものではない。
【００１１】
図１は、第１の実施の形態に係る３Ｄプリンタ１００（三次元造形装置）の斜視図である。３Ｄプリンタ１００は、液体状の樹脂材料を貯留する樹脂プール１０３、樹脂プール１０３に貯留された樹脂材料に光量を照射する照射部１０４、硬化した樹脂材料を保持する保持部１０２、保持部１０２を上下方向に移動させるための昇降部１０１、及び外部より造形データを受信し、造形データに基づいて昇降部１０１や照射部１０４等の各種機構を駆動させるための駆動部１０５を備える。本実施の形態における３Ｄプリンタ１００は、光造形法の中でも、樹脂プール１０３の下方から光量を照射する規制液面法を用いる方式の装置である。
【００１２】
また、コンピュータ２００が、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。コンピュータ２００は、図１に示すように、３Ｄデータ処理部２０１（三次元データ処理部）、造形指示部２０２を備える。「接続」とは、必ずしも物理的に配線等により接続されていることを指すものではなく、構成要素間でデータや信号を送受信できることを意味している。
【００１３】
樹脂プール１０３は、３Ｄプリンタ１００の保持部１０２と照射部１０４との間に設けられ、造形物を構成する液状の樹脂材料を貯留する。本実施の形態においては、樹脂プール１０３の下方から光量を照射する方式の３Ｄプリンタ１００を使用するため、樹脂プール１０３の底面は透明な（透光性のある）フィルム等で構成される。樹脂材料には、各種添加剤等を配合してもよい。樹脂材料は、光造形法を用いる３Ｄプリンタの場合、光硬化性樹脂が好適に用いられる。一般に、光硬化性樹脂に照射する光として紫外線が広く用いられる。
【００１４】
また、図示は省略しているが、３Ｄプリンタ１００は、昇降部１０１、保持部１０２及び樹脂プール１０３を覆うためのカバーを備える。カバーは着脱可能に構成され、３Ｄプリンタ１００の動作時にカバーをかぶせることにより、外部からの光が直接樹脂プール１０３に当たることを防ぐことができる。カバーは、紫外線などを遮断し、且つカバー内部の状況が確認できるように透明又は半透明の材料により構成されることが好ましい。
【００１５】
照射部１０４は、樹脂プール１０３の下方に設けられ、３Ｄデータを処理して得られる造形データに基づいて、樹脂プール１０３に光量を照射する。ここで、光とは、樹脂材料を硬化させるための硬化エネルギーであり、照射する光量と照射時間との積（光量×時間）で表すことができる。また、樹脂材料に光量を照射する露光方式として、例えば、デジタルマイクロミラーデバイスを用いる方式、レーザー光を直接樹脂材料に照射する方式等、様々な方式を採用することができる。
【００１６】
図１に示す例において、照射部１０４は、デジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤ素子という）を用いたプロジェクタである。図示は省略しているが、ＤＭＤ素子は、多数の可動式ミラーを基板上に配列し、それぞれ独立して角度の変更が可能とされたＭＥＭＳデバイスである。あるＤＭＤ素子に信号が入力されると、その電荷によりミラーが光を反射するように角度が変更される。この方式によれば、光源の強さを変更しなくとも、ミラーを傾ける速度や角度を変更することで、樹脂材料に対する露光量を調節することができる。
【００１７】
昇降部１０１は、樹脂プール１０３の上方に設けられ、Ｚ方向（積層方向）に上下移動可能に構成される。また、昇降部１０１は、造形物を保持するための保持部１０２を備える。なお、本実施の形態においては、硬化させた樹脂材料を上方に引き上げる方式の３Ｄプリンタを使用した場合の例について説明するが、樹脂プールの中に昇降部が配置され、硬化した樹脂材料を引き下げる方式の３Ｄプリンタや、特許文献２に記載のように、シート上に光硬化性樹脂の薄層を形成して光量を照射し、シートを移動させて、造形物を上に引き上げる方式の３Ｄプリンタ等、様々な光造形装置において本実施の形態は適用可能である。
【００１８】
コンピュータ２００は、３Ｄデータ処理部２０１、造形指示部２０２を備えている。これらの構成は、コンピュータ２００の内部において、コンピュータプログラムにより実現することができる。
【００１９】
３Ｄデータ処理部２０１は、後述するように、造形しようとする造形物の三次元形状を示す３Ｄデータを外部から得て、３Ｄデータを複数のスライスデータＳＤに分割し、さらにスライスデータＳＤを第１のピクセルＰ１に分割し、第１のピクセルＰ１の各々に与えるべき特性を示すプロパティデータを付与する機能を有する。プロパティデータは、例えば光造形法においては、第１のピクセルに光量を照射するための明るさの値であり、溶融樹脂押し出し造形法においては、プロパティデータは、第１のピクセルに吐出する樹脂の量等として与えられ得る。スライスデータＳＤの数や第１のピクセルＰ１のサイズは、形成される造形物のサイズ、形状、精度等によって決定される。
【００２０】
上記のように、３Ｄデータ処理部２０１で３Ｄデータを処理することで、造形データが得られる。造形指示部２０２は、３Ｄデータ処理部２０１から造形データを受領し、当該造形データを３Ｄプリンタ１００に送信する。造形データを受信すると、３Ｄプリンタ１００の駆動部１０５は、当該造形データを解析して照射部１０４や昇降部１０１を駆動させ、造形を行う。なお、造形データのデータ量が多い場合は、コンピュータ２００の造形支持部２０２は、定期的に３Ｄプリンタ１００の状況を確認しながら造形データの送信を行い、造形が終了するまで対応する。
【００２１】
次に、図２及び図３を参照して本実施の形態に係る三次元造形方法の概要について説明する。図２は、本実施の形態に係る三次元造形方法の概要を示す模式図である。
【００２２】
まず、造形物の三次元形状を表す３Ｄデータ（三次元データ）を用意する。３Ｄデータの作成には、例えば三次元ＣＡＤソフトや、三次元コンピュータグラフィックス（３ＤＣＧ）ソフト、３Ｄスキャナ等が用いられ、例えばコンピュータ２００等、３Ｄプリンタ１００の外部の端末で行われる。図２の例では、球体の３Ｄデータが用意されているものとする。次に、コンピュータ２００の３Ｄデータ処理部２０１は、図２の左側に示すように、３Ｄデータを所定の厚さ（スライスピッチＤｚ）ごとに分割したスライスデータＳＤを作成する。次に、図２の右側に示すように、造形指示部２０２は、３Ｄデータをスライス等して処理した造形データを３Ｄプリンタ１００に送信する。３Ｄプリンタ１００の駆動部１０５は、受信した造形データに基づいて照射部１０４、昇降部１０１を駆動させ、１層ずつ光量を照射して樹脂材料を硬化させていくことで、造形物を造形する。
【００２３】
図３は、本実施の形態に係る３Ｄプリンタ１００の造形動作を示すフローチャートである。３Ｄプリンタ１００の駆動部１０５は、造形データを受信すると、樹脂プール１０３の表面まで昇降部１０１を降下させる（ステップＳ１）。次に、駆動部１０５は、照射部１０４を点灯させる(ステップＳ２)。次に、照射部１０４は、スライスデータＳＤに基づく露光パターンで、樹脂材料に光（紫外線）を照射して硬化させる（ステップＳ３）。光量が照射された箇所の樹脂が硬化し、スライスデータＳＤ１層分の造形物が得られると、１層の厚さの分だけ昇降部１０１が上昇する（ステップＳ４）。全スライスデータＳＤに対してこのステップＳ１〜Ｓ４までを行うことで、所望の造形物を得ることができる。
【００２４】
次に、図４を参照して、従来の造形方法について説明する。図４は、従来例における造形方法を示すフローチャートである。まず、コンピュータ２００の３Ｄデータ処理部２０１は、ＣＡＤソフト等で作成した３Ｄデータを取得する（ステップＳ１１）。
【００２５】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、取得した３Ｄデータをスライスピッチ（層厚）ＤｚごとにスライスしてＭｚ個の層に分割し、造形物をスライスした断面層を示すスライスデータＳＤを取得する（ステップＳ１２）。次に、スライスデータＳＤごとに、ＸＹ平面をＸ方向にＤｘのピッチでＭｘ個に分割、Ｙ方向にＤｙのピッチでＭｙ個に分割し、各辺の長さがＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚである第１のピクセルＰ１を得る（ステップＳ１３）。
【００２６】
第１のピクセルＰ１の大きさは、３Ｄプリンタ１００の照射部１０４が光量の照射を行う際の最小単位となる分解能と同等の大きさであり、第１のピクセルＰ１を最小単位として光量の照射が行われることとなる。ここで、第１のピクセルＰ１におけるプロパティデータを、「ａｉｊｋ」とする。ｉ、ｊ、ｋはそれぞれ、ｉ＝０〜Ｍｘ−１、ｊ＝０〜Ｍｙ−１、ｋ＝０〜Ｍｚ−１の範囲で変動する変数であり、ＭｘはＸ方向における第１のピクセルＰ１の数、ＭｙはＹ方向における第１のピクセルＰ１の数、ＭｚはＺ方向における第１のピクセルＰ１の数（スライスデータＳＤの数）である。すなわち、「ａｉｊｋ」は、ＸＹＺ方向においてそれぞれｉ番目、ｊ番目、ｋ番目の位置にある第１のピクセルＰ１のプロパティデータを示している。
【００２７】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、第１のピクセルＰ１の各々について、プロパティデータａｉｊｋを判断する（ステップＳ１４）。例えば、３Ｄプリンタのプロパティデータの分解能が１ビットである場合、図４に示す例のように、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋは０または１となる。このプロパティデータａｉｊｋに基づいて、第１のピクセルＰ１の露光量が決まる。このとき、プロパティデータａｉｊｋが１である第１のピクセルＰ１に光量が照射され、プロパティデータａｉｊｋが０である第１のピクセルＰ１には光量が照射されないこととなる。
【００２８】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、全ての第１のピクセルＰ１においてプロパティデータａｉｊｋが得られたら、３Ｄプリンタ１００に送信するための全体的な造形データＡ＝［ａｉｊｋ］を得る（ステップＳ１５）。
【００２９】
次に、造形指示部２０２は、３Ｄデータ処理部２０１より造形データＡを受領し、３Ｄプリンタ１００に送信する（ステップＳ１６）。
【００３０】
次に、造形データＡを受信した３Ｄプリンタ１００は、図３に示した造形動作に基づいて造形を開始し、断面層ごとに、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋに応じた光量を照射して、造形物を生成する（ステップＳ１７）。
【００３１】
以上のような従来の造形方法では、図８のＡに示すように、ＸＹ平面の輪郭がジャギーになり、Ｚ方向においても年輪状の模様が生じてしまい、全体として大きく美観を損ねていることが問題であった。
【００３２】
第１の実施の形態における三次元造形方法では、３Ｄデータに対して所定のデータ処理を行うことで、造形物においてジャギーの発生、年輪状の模様やモワレの発生を抑制し、美的感性を想起させる造形物にも適用できる三次元造形装置、造形方法を提供することができる。
【００３３】
図５を参照して、本実施の形態に係る三次元造形方法について説明する。図５は、本実施の形態に係る三次元造形方法を示すフローチャートである。
【００３４】
まず、３Ｄデータ処理部２０１は、ＣＡＤソフト等で作成した３Ｄデータを取得する（ステップＳ１０１）。
【００３５】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、取得した３ＤデータをスライスピッチＤｚごとにスライスしてＭｚ個の層に分割し、造形物をスライスした断面層を示すスライスデータＳＤを取得する（ステップＳ１０２）。次に、３Ｄデータ処理部２０１は、スライスデータＳＤの各々を、Ｘ方向にＤｘのピッチでＭｘ個に分割し、Ｙ方向にＤｙのピッチでＭｙ個に分割する。これにより、各辺の長さがＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚである第１のピクセルＰ１を得る（ステップＳ１０３）。
【００３６】
第１のピクセルＰ１の大きさは、３Ｄプリンタ１００の照射部１０４が光量の照射を行う際の最小単位となる分解能と同等の大きさであり、第１のピクセルＰ１を最小単位として光量の照射が行われることとなる。ここで、第１のピクセルＰ１におけるプロパティデータを、「ａｉｊｋ」とする。ｉ、ｊ、ｋはそれぞれ、ｉ＝０〜Ｍｘ−１、ｊ＝０〜Ｍｙ−１、ｋ＝０〜Ｍｚ−１の範囲で変動する変数であり、ＭｘはＸ方向における第１のピクセルの数、ＭｙはＹ方向における第１のピクセルＰ１の数、ＭｚはＺ方向における第１のピクセルＰ１の数（スライスデータＳＤの数）である。すなわち、「ａｉｊｋ」は、ＸＹＺ方向においてそれぞれｉ番目、ｊ番目、ｋ番目の位置にある第１のピクセルＰ１のプロパティデータを示している。
【００３７】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、第１のピクセルＰ１において、各辺の長さＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚをそれぞれ分割し、各辺の長さがｄｘ、ｄｙ、ｄｚである第２のピクセルＰ２をｍｘｍｙｍｚ個得る（ステップＳ１０４）。ここで、第２のピクセルＰ２のプロパティデータを「ｂｐｑｒ」とする。ｐ、ｑ、ｒはそれぞれ、ｐ＝０〜ｍｘ−１、ｑ＝０〜ｍｙ−１、ｒ＝０〜ｍｚ−１の範囲で変動する変数であり、ｍｘは１つの第１のピクセルＰ１内に含まれるＸ方向に沿った第２のピクセルＰ２の数、ｍｙはＹ方向における第２のピクセルＰ２の数、ｍｚはＺ方向における第２のピクセルＰ２の数である。なお、第１のピクセルＰ１を分割する際、第１のピクセルＰ１の各辺の分割数は特に限定されず、ＸＹＺ方向に沿った第２のピクセルＰ２の数ｍｘ、ｍｙ、ｍｚの数は、全て同じでもよいし、異なっていてもよい。また、第１のピクセルＰ１の分割は、すべての第１のピクセルＰ１に対し行ってもよいし、造形物の輪郭部に対応する第１のピクセルＰ１のみに対し行ってもよい。
【００３８】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、第２のピクセルＰ２の各々について、プロパティデータｂｐｑｒを判断する（ステップＳ１０５）。プロパティデータの分解能が８ビットの３Ｄプリンタの場合、図５に示す例のように、プロパティデータｂｉｊｋは０または２５５となる。このとき、プロパティデータｂｐｑｒが２５５である第２のピクセルＰ２に光量が照射され、プロパティデータｂｐｑｒが０である第２のピクセルＰ２には光量が照射されないこととなる。
【００３９】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、全ての第２のピクセルＰ２においてプロパティデータｂｐｑｒが得られたら、これらを統合して仮想的な造形データＢ＝［ｂｐｑｒ］を得る（ステップＳ１０６）。
【００４０】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、下記の［数１］に示す再合成計算式に基づき、ｍｘｍｙｍｚ個の第２のピクセルＰ２を合成して第１のピクセルＰ１を再合成し（ステップＳ１０７）、第１のピクセルＰ１の各々のプロパティデータａｉｊｋが０〜２５５のいずれであるかを判断する（ステップＳ１０８）。換言すると、３Ｄデータ処理部２０１は、ステップＳ１０７、Ｓ１０８において、第１のピクセルＰ１に含まれる第２のピクセルＰ２のプロパティデータｂｐｑｒを平均して、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋが０〜２５５のいずれであるかを判断している。このプロパティデータａｉｊｋに基づいて、第１のピクセルＰ１の露光量が決まる。このとき、プロパティデータａｉｊｋが２５５である第１のピクセルＰ１に光量が照射され、プロパティデータａｉｊｋが０である第１のピクセルＰ１には光量が照射されないこととなり、またプロパティデータａｉｊｋが０〜２５５の間にある第１ピクセルＰ１においては段階的に露光量が制御される。
【数１】
2017177528.tif 000003
【００４１】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、全ての第１のピクセルＰ１においてプロパティデータａｉｊｋが得られたら、３Ｄプリンタ１００に送信するための全体的な造形データＡ＝［ａｉｊｋ］を得る（ステップＳ１０９）。
【００４２】
次に、造形指示部２０２は、３Ｄデータ処理部２０１より造形データＡを受領し、造形データＡを３Ｄプリンタ１００に送信する（ステップＳ１１０）。
【００４３】
次に、３Ｄプリンタ１００の駆動部１０５は、造形データＡを解析して、図３に示した造形動作に基づいて昇降部１０１、照射部１０４を駆動させて造形を開始する。照射部１０４は、断面層ごとに、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋに応じた光量を照射して、造形物を生成する（ステップＳ１１１）。
【００４４】
このように、本実施の形態では、３Ｄデータを、３Ｄプリンタ１００の分解能である第１のピクセルＰ１よりも細かい第２のピクセルＰ２に分解して、それぞれの第２のピクセルＰ２のプロパティデータｂｐｑｒを得て、第２のピクセルＰ２のプロパティデータｂｐｑｒを平均することで第１のピクセルＰ１におけるプロパティデータａｉｊｋを得て、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋに応じた光量を樹脂材料に照射する。第１のピクセルＰ１の２５６段階の露光量の調節は、上述のように、ＤＭＤ素子のミラーの角度や、ミラーを傾ける速度で調節できる。あるいは、レーザー光を直接照射する方式の３Ｄプリンタにおいては、レーザー光の強度を変化させることで露光量を調節できる。
【００４５】
第１のピクセルＰ１の露光量が、従来例では０または１の２段階であったのに対して、この三次元造形方法によれば、０〜２５５の２５６段階となるため、ＸＹ平面の輪郭におけるジャギーの発生のみならず、Ｚ方向における年輪状の模様の発生も抑制し、より美観の整った造形物を得ることができる。
【００４６】
以上、第１の実施の形態について説明したが、本実施の形態に係る三次元造形方法は、上述の光造形法に限定されるものではなく、様々な三次元造形方法、三次元造形装置に適用可能である。例えば、溶融樹脂押出法を用いた三次元造形装置に本実施の形態を適用する場合、プロパティデータを、第１のピクセルＰ１に対し照射する光の明るさの値の代わりに、第１のピクセルＰ１に対し吐出する樹脂の量とすることができる。この場合においても、第１のピクセルＰ１に吐出する樹脂の量が、従来例では０または１の２段階の調節であったのに対して、この造形方法によれば、０〜２５５の２５６段階の調節が可能となるため、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
また、例えばインクジェット方式の三次元造形装置においても、本実施の形態に係る方法を適用することで、第１のピクセルＰ１に吐出するインクの量、照射する紫外線の量を細かく調節できるため、同様の効果が得られる。また、石膏等に接着剤を吐出する方式の三次元造形装置においても、本実施の形態に係る方法を適用すると、接着剤の吐出量をより細かく制御できるようになり、上記同様の効果を奏することができる。
【００４８】
さらに、本実施の形態では３Ｄデータの処理を、３Ｄプリンタ１００に接続されるコンピュータ２００で行う場合について説明したが、このコンピュータ２００の有する構成や機能を内蔵し、スタンドアロンで実行できる三次元造形装置においても、本発明は適用可能である。
【００４９】
［第２の実施の形態］
次に、図６Ａ〜図８を参照して、第２の実施の形態に係る三次元造形方法について説明する。第１の実施の形態と同様の構成を有する箇所には同様の符号を付して、その説明を省略する。第２の実施の形態では、第１の実施形態と同様に、デジタルマイクロミラーデバイスを用いた規制液面法の３Ｄプリンタを使用する場合について説明する。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、３Ｄデータ処理部２０１は、３ＤデータをスライスデータＳＤに分解し、スライスデータＳＤを第１のピクセルＰ１に分解し、さらに第１のピクセルＰ１を第２のピクセルに分割して、第２のピクセルＰ２のプロパティデータｂｐｑｒを平均して第１のピクセルＰ１を再合成する。
【００５０】
第２の実施の形態では、３Ｄデータ処理部２０１が、第１のピクセルＰ１の再合成に加え、樹脂材料の特性に応じて第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを補正するように構成される。以下に説明する例では、３Ｄデータ処理部２０１は、樹脂材料の露光による硬化特性により第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを補正して、露光量を調節する。
【００５１】
図６Ａ及び６Ｂは、樹脂材料の露光による硬化特性を示すグラフであり、ある樹脂材料に対する露光量Ｐと硬化深度ｄとの関係を示している。図６Ｂは、露光量Ｐの常用対数を横軸としたグラフである。図６Ａ及び６Ｂに示す樹脂材料の例では、露光量が増加するに従い樹脂材料の体積が増加するという特徴が見られる。このグラフの形状は、樹脂材料の種類や添加剤等の配合によって変化する。このように、樹脂材料の特性を考慮せずに樹脂材料に光量を照射すると、所望の寸法から外れた造形物が得られることとなる。
【００５２】
そこで、本実施の形態では、樹脂材料の硬化特性を予め計測し、得られた樹脂材料の硬化特性に応じて第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを補正して、露光量を調節する。下記の［数２］で表されるように、図６Ｂの片対数グラフの傾きＣは、樹脂材料の硬化特性を示している。
【数２】
2017177528.tif 000004
【００５３】
一例として、下記の［数３］は、露光による樹脂材料の体積のＺ方向における増加を補正するための補正式である。下記の数式３に、上記数式２で得られたＣの値を代入することで、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを補正して、補正したプロパティデータａ’ｉｊｋを得る。この数式３は、露光により体積が増加しやすい樹脂材料を使用する場合に、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを低く補正するための補正式である。
【数３】
2017177528.tif 000005
【００５４】
上記［数３］により補正したプロパティデータａ’ｉｊｋに基づいて露光量を調節して造形物を造形することで、樹脂材料のＺ方向における特性を考慮した造形を行うことができるため、造形物の寸法精度を高めることができる。
【００５５】
ＸＹ方向についても同様に、補正式は省略しているが、ＸＹ方向における露光による体積の増加を考慮して、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを低く補正することができる。また、例えば、上述のように、樹脂材料の硬化特性が露光により体積が減少する場合には、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを高く補正する補正式が用いられる。
【００５６】
このように、樹脂材料の種類や、２種以上の樹脂材料の配合比、添加剤の有無等、樹脂材料の条件が変わることで特性も変わるため、それぞれの条件によって補正式も変わることとなる。この補正は、コンピュータ２００の３Ｄデータ処理部２０１で行ってもよいし、３Ｄプリンタ１００内で、造形データＡの受信後に行えるようにしてもよい。
【００５７】
次に、図７を参照して、本実施の形態に係る造形方法について詳細に説明する。図７は、本実施の形態に係る造形方法を示すフローチャートである。
【００５８】
まず、３Ｄデータ処理部２０１は、ＣＡＤソフト等で作成した３Ｄデータを取得する（ステップＳ２０１）。
【００５９】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、取得した３ＤデータをスライスピッチＤｚごとにスライスしてＭｚ個の層に分割し、造形物をスライスした断面層を示すスライスデータＳＤを取得する（ステップＳ２０２）。次に、スライスデータＳＤの各々を、Ｘ方向にＤｘのピッチでＭｘ個に分割し、Ｙ方向にＤｙのピッチでＭｙ個に分割する。これにより各辺の長さがＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚである第１のピクセルＰ１を得る（ステップＳ２０３）。
【００６０】
第１のピクセルＰ１の大きさは、３Ｄプリンタ１００の照射部１０４が光量の照射を行う際の最小単位となる分解能と同等の大きさであり、第１のピクセルＰ１を最小単位として光量の照射が行われることとなる。ここで、第１のピクセルＰ１のプロパティデータを「ａｉｊｋ」とする。ｉ、ｊ、ｋはそれぞれ、ｉ＝０〜Ｍｘ−１、ｊ＝０〜Ｍｙ−１、ｋ＝０〜Ｍｚ−１の範囲で変動する変数であり、ＭｘはＸ方向におけるピクセル数、ＭｙはＹ方向における第１のピクセルＰ１の数、ＭｚはＺ方向における第１のピクセルＰ１の数（スライスデータＳＤの数）である。すなわち、「ａｉｊｋ」は、ＸＹＺ方向においてそれぞれｉ番目、ｊ番目、ｋ番目の位置にある第１のピクセルＰ１のプロパティデータを示している。
【００６１】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、第１のピクセルＰ１の各々において、各辺の長さＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚをそれぞれ分割し、各辺の長さがｄｘ、ｄｙ、ｄｚである第２のピクセルＰ２をｍｘｍｙｍｚ個得る（ステップＳ２０４）。ここで、第２のピクセルＰ２のプロパティデータを「ｂｐｑｒ」とする。ｐ、ｑ、ｒはそれぞれ、ｐ＝０〜ｍｘ−１、ｑ＝０〜ｍｙ−１、ｒ＝０〜ｍｚ−１の範囲で変動する変数であり、ｍｘは１つの第１のピクセルＰ１内に含まれるＸ方向に沿った第２のピクセルＰ２の数、ｍｙはＹ方向における第２のピクセルＰ２の数、ｍｚはＺ方向における第２のピクセルＰ２の数である。なお、第１のピクセルＰ１を分割する際、第１のピクセルＰ１の各辺の分割数は特に限定されず、ＸＹＺ方向に沿った第２のピクセルＰ２の数ｍｘ、ｍｙ、ｍｚの数は、全て同じでもよいし、異なっていてもよい。また、第１のピクセルＰ１の分割は、すべての第１のピクセルＰ１に対し行ってもよいし、造形物の輪郭部に対応する第１のピクセルＰ１のみに対し行ってもよい。
【００６２】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、第２のピクセルＰ２の各々について、プロパティデータｂｐｑｒを判断する（ステップＳ２０５）。プロパティデータの分解能が８ビットの３Ｄプリンタの場合、第１の実施の形態と同様に、プロパティデータｂｉｊｋは０または２５５となる。
【００６３】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、全ての第２のピクセルＰ２においてプロパティデータｂｐｑｒが得られたら、これらを統合して仮想的な造形データＢ＝［ｂｐｑｒ］を得る（ステップＳ２０６）。
【００６４】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、上記の［数１］に示す再合成計算式のように、ｍｘｍｙｍｚ個の第２のピクセルＰ２を合成して第１のピクセルＰ１を再合成し（ステップＳ２０７）、第１のピクセルＰ１の各々のプロパティデータａｉｊｋが０〜２５５のいずれであるかを判断する（ステップＳ２０８）。換言すると、ステップＳ２０７、Ｓ２０８において、第１のピクセルＰ１に含まれる第２のピクセルＰ２のプロパティデータｂｐｑｒを平均して、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋが０〜２５５のいずれであるかを判断している。
【００６５】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、全ての第１のピクセルＰ１においてプロパティデータａｉｊｋが得られたら、３Ｄプリンタに送信するための全体的な造形データＡ＝［ａｉｊｋ］を得る（ステップＳ２０９）。
【００６６】
ステップＳ２０９において造形データＡが得られた後、上記［数３］等の補正式に樹脂材料の硬化特性を合わせて第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを補正する（ステップＳ２１０）。この補正により、第１のピクセルＰ１の補正後のプロパティデータａ’ｉｊｋが得られる（ステップＳ２１１）。
【００６７】
次に、３Ｄデータ処理部２０１は、全ての第１のピクセルＰ１においてプロパティデータａ’ｉｊｋが得られたら、３Ｄプリンタに送信するための全体的な造形データＡ’＝［ａ’ｉｊｋ］を得る（ステップＳ２１２）。
【００６８】
次に、造形指示部２０２は、造形データＡ’を３Ｄデータ処理部２０１より受領し、造形データＡ’を３Ｄプリンタ１００に送信（ステップＳ２１３）。
【００６９】
次に、３Ｄプリンタ１００の駆動部１０５は、受信した造形データＡ’を解析して、図３に示した造形動作に基づいて昇降部１０１、照射部１０４を駆動させて造形を開始する。照射部１０４は、断面層ごとに、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａ’ｉｊｋに応じた光量を照射して、造形物を生成する（ステップＳ２１４）。
【００７０】
このように、本実施の形態に係る造形方法によると、造形物の美観を向上させることに加え、寸法精度の高い造形物を得ることができる。
【００７１】
例えば、所望の造形物が円形の穴を有する場合、本実施の形態の三次元造形方法を適用することで、寸法精度が向上し、より真円に近づいた穴を有する造形物を造形することができる。これにより、例えば当該穴が、円柱状の構造体を挿入する用途で形成される場合、従来は造形の寸法精度が悪いために円柱状の構造体をうまく挿入できなかったものが、本実施の形態によれば、寸法精度を向上できるため挿入しやすくなる。このように、本実施の形態に係る三次元造形方法を適用することで、特に曲面を有する造形物を造形する際に、顕著な効果が見られる。
【００７２】
以上、第２の実施の形態について説明したが、樹脂材料の特性に応じて、第１のピクセルＰ１のプロパティデータ（光造形法においては、明るさの値）を補正する造形方法は、上述の光造形方法に限定されるものではなく、様々な三次元造形方法、三次元造形装置に適用可能である。例えば、溶融樹脂押出法を用いる三次元造形装置においては、樹脂材料の熱収縮や、吸湿性による体積変化に応じて、第１のピクセルＰ１の樹脂の吐出量を補正することができる。また、例えば石膏等に接着剤を吐出する方式の三次元造形装置においては、接着剤の硬化特性に応じて接着剤の吐出量を補正することができる。
【００７３】
また、例えばインクジェット方式の三次元造形装置においても、本実施の形態に係る方法を適用することで、第１のピクセルＰ１に吐出するインクの量、照射する紫外線の量を細かく調節できるため、同様の効果が得られる。また、石膏等に接着剤を吐出する方式の三次元造形装置においても、本実施の形態に係る方法を適用すると、接着剤の吐出量をより細かく制御できるようになり、より寸法精度の高い造形物を得ることができる。
【００７４】
さらに、本実施の形態では３Ｄデータの処理を３Ｄプリンタ１００に接続されるコンピュータ２００で行う場合について説明したが、このコンピュータ２００の有する構成や機能を内蔵し、スタンドアロンで実行できる三次元造形装置においても、本発明は適用可能である。
【００７５】
次に、図８〜図１０Ｂを参照して、一の実施の形態に係る三次元造形方法、三次元造形装置による効果について説明する。
図８は、ある断面層（スライスデータ）における、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋに従い、ＤＭＤ素子の調節を行って得られる露光パターンを示した模式図である。図８のＡは、従来例における露光パターンを示している。従来例においては、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋが０または１の２段階であるため、図示の通りに光量を照射すると、造形物の輪郭部にジャギーが生ずることとなる。
【００７６】
図８のＢは、一の実施の形態における三次元造形方法を適用した場合の、ある断面層（スライスデータ）において、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋに従い、ＤＭＤ素子の調節を行って得られる露光パターンを示している。上述したように、第１のピクセルＰ１をさらに細かい第２のピクセルＰ２に分解して、第２のピクセルＰ２のプロパティデータｂｐｑｒを平均することで第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを得ることで、第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋが０〜２５５の２５６段階になる。これにより、図８のＢに示すように、ＸＹ平面だけでなくＺ方向においても、造形物の断面層の輪郭部をなめらかに形成することができる。さらに、樹脂材料の特性に応じて第１のピクセルＰ１のプロパティデータａｉｊｋを補正して露光量を調節することで、ＸＹ方向、Ｚ方向いずれにおいても寸法精度の高い造形物を得ることができるようになる。
【００７７】
図９は、造形物における曲面を有する輪郭部の微小な一部分を示す模式図である。図９に示す微小な一部分は、６つの第１のピクセルＰ１で表される。上述のように、第１のピクセルＰ１は、３Ｄプリンタ１００におけるプロパティデータ付与の最小単位となる。第１のピクセルＰ１のＺ方向における長さＤｚは、１つの断面層（スライスデータ）の厚さを表しており、第１のピクセルＰ１のＸＹ方向における面積ＤｘＤｙは、例えば光造形法の３Ｄプリンタにおいては、光量の照射の最小単位となる。
【００７８】
図１０Ａ及び１０Ｂは、図９に示した６つの第１のピクセルＰ１におけるプロパティデータを示す模式図である。図１０Ａは、従来の三次元造形方法によるプロパティデータを示し、図１０Ｂは、一の実施の形態に係る三次元造形方法によるプロパティデータを示している。
【００７９】
上述のように、従来の三次元造形方法では、第１のピクセルＰ１に付与するプロパティデータは、３Ｄプリンタ１００のプロパティデータの分解能が８ビットである場合、０または２５５の２段階で表される。ここで、図１０Ａに示すように、プロパティデータが２５５の第１のピクセルＰ１をＡ、プロパティデータが０の第１のピクセルＰ１をＢと表すと、微小な一部分は、Ａの第１のピクセルＰ１が３つ、Ｂの第１のピクセルＰ１が３つとなる。このように、２段階のみのプロパティデータで曲面を表すと、造形時に、造形物の輪郭部において階段状の凹凸を生じてしまう。
【００８０】
そこで、一の実施の形態に係る三次元造形方法では、図１０Ｂに示すように、第１のピクセルＰ１の各辺を３分割して、３×３×３＝２７つの第２のピクセルＰ２を得る。上述のように、第２のピクセルＰ２の各辺の長さは、ｄｘ、ｄｙ、ｄｚで表される。
【００８１】
次に、２７つの第２のピクセルＰ２の各々について、プロパティデータが０または２５５のいずれであるかを判断して合計し、合計された値を２７で割ることで、プロパティデータの平均を取る。
【００８２】
図９に示した６つの第１のピクセルＰ１について、それぞれプロパティデータの平均化を行うことで、図１０Ｂに示すように、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで表される第１のピクセルＰ１を得ることができる。上述のようにＡの第１のピクセルＰ１におけるプロパティデータを２５５、Ｂを０とすると、Ｃは例えば１２８〜２５４、Ｄは例えば１〜１２７の値で表すことができる。図１０Ｂに示すように、ＡとＢで表される第１のピクセルＰ１の間に、中間のプロパティデータを表すＣ、Ｄの第１のピクセルＰ１を得ることができるため、造形物の輪郭部をぼかして造形を行うことができる。
【００８３】
このように、第１のピクセルＰ１を分割して、複数の第２のピクセルＰ２を得て、第２のピクセルＰ２のプロパティデータを平均化することで、第１のピクセルＰ１のプロパティデータを２段階以上の値で表すことができる。これにより、造形時に造形物の輪郭をぼかして造形を行うことができ、曲面がより滑らかな造形物を得ることができる。
【００８４】
図１０Ｂに示す例においては、第１のピクセルＰ１の各辺を３分割にする場合を説明している。このように、造形物の三次元形状を表す３Ｄデータ（三次元データ）は、３Ｄデータ処理部により３Ｄプリンタの解像度より細かく分割ができ、本発明のように分割数を多くすることでより正確な第１ピクセルＰ１のプロパティデータを得る事ができるため、より良い造形物を造形する事ができる。なお、分割数や第１のピクセルＰ１の露光量は３Ｄプリンタや状況等に合わせ任意に設定をすれば良く、上述の実施の形態に限定しているものではない。
【００８５】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８６】
１００      ３Ｄプリンタ
１０１      昇降部
１０２      保持部
１０３      樹脂プール
１０４      照射部
１０５      駆動部
２００      コンピュータ
２０１      ３Ｄデータ処理部
２０２      造形指示部
【図１】
2017177528.tif 000006
【図２】
2017177528.tif 000007
【図３】
2017177528.tif 000008
【図４】
2017177528.tif 000009
【図５】
2017177528.tif 000010
【図６Ａ】
2017177528.tif 000011
【図６Ｂ】
2017177528.tif 000012
【図７】
2017177528.tif 000013
【図８】
2017177528.tif 000014
【図９】
2017177528.tif 000015
【図１０Ａ】
2017177528.tif 000016
【図１０Ｂ】
2017177528.tif 000017