(57)【要約】  本発明は、層ごとの積層造形プロセスを使用して、オブジェクトの形成に使用される幾何学的データを生成する方法に関する。方法は、オブジェクトを定義するオブジェクトデータを提供し、オブジェクトデータから、積層造形プロセス中にサポートすべき、オブジェクトの表面の１つまたは複数の区域を識別するステップと、区域ごとに、区域用のサポートを提供する１つまたは複数のサポート構造を識別して、区域内にサポートの配設を生成するステップとを含む。配設の各サポートのサポート設置位置が、配設の他のサポートに対して相対的に、サポート構造の設置位置から導き出される。
2017502411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層ごとの積層造形プロセスを使用して、オブジェクトの形成に使用される幾何学的データを生成する方法であって、
前記オブジェクトを定義するオブジェクトデータを提供し、前記オブジェクトデータから、前記積層造形プロセス中にサポートすべき、前記オブジェクトの表面の１つまたは複数の区域を識別するステップと、
前記区域ごとに、前記区域用のサポートを提供する１つまたは複数のサポート構造を識別して、前記区域内にサポートの配設を生成するステップであって、前記配設の他のサポートに対して相対的な前記配設の各サポートのサポート設置位置が、前記サポート構造の設置位置から導き出される、ステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記配設内での各サポートの前記相対的な設置位置が、前記１つまたは複数のサポート構造の設置位置から、直接または間接的に導かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記配設の各サポートの前記設置位置が、前記区域内に位置する他のサポートからの前記サポートの距離から判定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記配設の各サポートの前記設置位置は、前記サポートが、近隣のサポートから、事前に設定した距離の外側となるように判定されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
サポートの配設を生成するステップが、前記区域内の解決点の組の距離を、既に識別済みの前記サポート設置位置から判定するステップと、前記判定された距離に基づき、解決点にて、前記配設のさらなるサポートの設置位置を識別するステップとを、１つまたは複数の終了基準が満たされるまで、繰り返すステップを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記１つまたは複数の終了基準が、区域内の解決点が、前記サポートの１つまたは前記１つまたは複数のサポート構造から離間した事前に設定した距離よりも遠くには無いという基準を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
区域ごとに、前記区域の外周の１つまたは複数のサポート無し線分を識別して、前記サポート無し線分の設置位置に基づき、エッジサポートの配設の設置位置を識別するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記エッジサポートが、各サポート無し線分の形状に対応するパターンで配設されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
エッジサポートごとに設置位置を識別して、近隣のエッジサポートが、所定の距離だけ離れて設置されるようにするステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
層ごとの積層造形プロセスを使用して、オブジェクトの形成に使用される幾何学的データを生成する方法であって、
前記オブジェクトを定義するオブジェクトデータを提供し、前記オブジェクトデータから、前記積層造形プロセス中にサポートすべき、前記オブジェクトの表面の１つまたは複数の区域を識別するステップと、
前記区域ごとに、サポートの配設を生成するステップであって、サポートの配設を生成するステップが、前記配設のサポートによってサポートされるとみなされる前記区域の除外ゾーンを識別するステップと、前記配設のさらなるサポートについて、前記区域内および前記除外ゾーンの外側の設置位置を識別するステップとを含む、生成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記サポートの配設は、前記配設の各サポートの設置位置を逐次的様式で識別することにより生成され、サポートごとに、前記配設のサポートの既に識別済みの設置位置に基づき、除外ゾーンが判定され、前記サポートの設置位置が、前記区域内および前記除外ゾーンの外側に識別されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記サポートの配設が、前記区域の外周の１つまたは複数のサポート無し線分のポリラインにて、または該ポリラインに近接して設置位置が識別されるエッジサポートの配設であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記エッジサポートは、前記ポリラインが、前記エッジサポートの前記除外ゾーン内に入るように、前記ポリラインに十分近く設置されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
各エッジサポートの設置位置は、前記エッジサポートの中央が、少なくとも前記サポートの厚さの半分だけ１つのサポート無し線分から埋め込まれるように、識別されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
区域ごとに、前記区域の外周の１つまたは複数のサポート有り線分を識別するステップであって、前記サポートの配設が、各サポート有り線分の設置位置に基づく、ステップを含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
層ごとの積層造形プロセスを使用して、オブジェクトの形成に使用される幾何学的データを生成する方法であって、
前記オブジェクトを定義するオブジェクトデータを提供し、前記オブジェクトデータから、前記積層造形プロセス中にサポートすべき、前記オブジェクトの表面の１つまたは複数の区域を識別するステップと、
区域ごとに、前記区域の外周の１つまたは複数のサポート有り線分を識別して、各サポート有り線分の設置位置に基づく、前記区域をサポートするためのサポートの配設を生成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記サポートの各配設は、各サポートを、少なくとも各サポート有り線分から離間した設定距離でスペーシングすることにより判定されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
サポートすべき区域を識別するステップが、外周を有する区域であって、前記外周に沿って、前記オブジェクトの表面が、事前に設定した自己サポート閾値角度を超える状態から、前記自己サポート閾値角度を下回る状態まで推移する、区域を識別するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記区域の線分が、サポート無線分またはサポート有り線分であるかを判定するステップが、前記線分の直下の部分の表面が、垂直線に対してサポート閾値角度未満の角度を成すかどうかを判定するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
命令を格納するデータキャリアであって、前記命令がプロセッサにより実行されると、前記プロセッサに、請求項１から１９のいずれか１項に記載の方法を実行させる、ことを特徴とするデータキャリア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザまたは電子ビームなどのエネルギビームによる材料の固化により、オブジェクトが層ごとに製造される、積層造形（アディティブマニュファクチャリング）におけるサポートの形成の向上、または形成に関する向上、に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＬＭ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌａｓｅｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ）またはＳＬＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌａｓｅｒ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）などの積層造形プロセスにおいて、オブジェクトは、レーザビームまたは電子ビームなどの集束高エネルギビームを使用して、粉末材料などの材料の固結により、層ごとに形成される。ＳＬＭまたはＳＬＳにおいては、粉末の連続層を、ビルドプラットフォーム上に体積し、集束レーザビームを、制作されているオブジェクトの断面に相当する各層の部分全体に走査して、レーザが走査される場所の粉末が固結される。形成中に、オブジェクトを定位置に固定し、かつ、巻き上がりなどのオブジェクトの変形を防ぎ、または少なくとも減少させるために、同じ材料のサポートを、ビルドプラットフォームからオブジェクトの下面まで延在させて形成することが知られている。オブジェクトを形成した後に、サポートからのオブジェクトの取外しを容易にするために、サポートの個数を最小限にすることが望ましい。しかし、使用するサポートが過度に少ないこと、またはサポートを不適切に設置することにより、結果的にオブジェクトが変形してしまう。
【０００３】
サポートを事前に規定されるパターンで形成すること、例えば、オブジェクトの下部に延在する、１組の等間隔で置かれた長手方向のサポート、などが知られている。かかる配設の一例が、米国特許第５９４３２３５号に開示さており、それにおいては、サポートが必要と思われる区域に、定型パターンのサポートが充填される。あるパターンのサポートが、所与の層上にある全ての層のオブジェクトデータのブール演算和から判定されるトータルデータと、当該所与の層のオブジェクトデータと、の間の差により定義される区域内の各層に対して塗布される。
【０００４】
Ｍａｒｃａｍ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社により市販されるＡｕｔｏＦａｂは、積層造形プロセスにて形成されるオブジェクト用のサポートを自動的に設計するソフトウェアである。このソフトウェアでは、図１に示すように、サポートすべき区域３のエッジの周囲の略連続サポート１（「エッジサポート」と呼ばれる）を生成し、中間の区域に定型パターンのサポート２（「エリアサポート」と呼ばれる）を充填する。ＡｕｔｏＦａｂでは、サポート１、２が直線であるという制約がある場合に、曲線エッジを持つ区域については、エッジサポート１は各サポート１間に小さな間隙を備えてもよい。また、図２に示すように、エッジサポート１をエッジから内側に指定の距離をおいて置くこと、または、図３に示すように、円筒状サポートを設けることもできる。
【０００５】
区域３を適切にサポートするのに必要な最低限の個数のサポートで、区域３をサポートすることが望ましく、なぜなら、サポートの個数が大きいほど、形成完了時に、オブジェクトをサポートから分離することが難しくなるからである。略連続エッジサポート１を使用すること、および／または、区域の中心を定型パターンのサポート２で大量に充填することは、区域をサポートするために必要とされるサポートの個数を最適化することを意図していない。特に、区域のエッジの周囲の略連続サポート１では、必要以上のエッジのサポートを設けることになる。さらに、このパターンのエリアサポート２では、区域のうちのいくつかの領域（領域Ａなど）について、区域のうちの他の領域（領域Ｂなど）よりも、エッジに近いサポートが設けられる。従って、このパターンのエリアサポートのスペーシングを設定して、大量のサポートで、区域の全ての領域を適切にサポートするようにすることは、区域のうちのいくつかの領域（領域Ａなど）をサポートするためのサポートとしては十分すぎる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、層ごとの積層造形プロセスを使用して、オブジェクトの形成に使用される幾何学的データを生成する方法であって、オブジェクトを定義するオブジェクトデータを提供するステップと、オブジェクトデータから、積層造形プロセス中にサポートすべき、オブジェクトの表面の１つまたは複数の区域を識別するステップと、区域が既にサポートされているようにすることを考慮して、区域をサポートするためのサポートの配設を生成するステップとを含む方法が提供される。
【０００７】
方法は、区域ごとに、区域用のサポートを提供する１つまたは複数のサポート構造を識別するステップと、区域内にサポートの配設を生成するステップであって、配設の各サポートのサポート設置位置が、配設の他のサポートに対して相対的に、サポート構造の設置位置から導き出される、ステップとを含んでもよい。
【０００８】
従って、サポートを配設する本方法では、区域に既に提供されているサポートを考慮する。従って、区域をサポートするオブジェクトの一部、および／または、区域をサポートするためのサポート、例えば、設置位置が既に識別済みのエッジサポート、エリアサポート、またはユーザ設置のサポート、などのサポート構造のサポート機能を重複しないサポートを、生成することができる。かかる方法では、結果として、サポートのパターンが区域の外周の形状（また、恐らくは、外周の線分が、オブジェクトの下層にある部分によってサポートされるかどうか）および／またはエッジサポートの設置位置に依存することになり、かつ、区域全体のサポートが不規則なパターンとなる。
【０００９】
サポートの配設は、配設のサポートによってサポートされるとみなされる区域の除外ゾーンを識別すること、および、配設のさらなるサポートについて、区域内および除外ゾーンの外側の設置位置を識別することにより生成されてもよい。サポートの配設は、配設の各サポートの設置位置を逐次的様式で識別することにより生成されてもよく、サポートごとに、配設のサポートの既に識別済みの設置位置に基づき、除外ゾーンが判定され、サポートの設置位置が、区域内および除外ゾーンの外側に識別される。配設におけるサポートの設置位置は、１つまたは複数の終了基準が満たされるまで、この様に識別されてもよい。
【００１０】
区域の範囲が、線で定義されてもよく、この線で、オブジェクトの表面が自己サポートから非自己サポートに推移するとみなされる。表面の一部が自己サポートするとみなされるかどうかは、表面が垂直線に対して成す角度に依存する。表面が、事前に設定した自己サポート閾値角度を超えるまたは下回る状態から、それぞれ自己サポート角度を下回るまたは超えるまで、推移する線が、区域の外周を定義してもよい。表面が複数の三角形などの多角形により定義される場合、外周は、隣接する多角形の共有線分により定義されてもよく、線分ごとに、隣接多角形のうちの１つが、自己サポート閾値角度を下回る表面を定義し、隣接多角形の他方が、自己サポート閾値角度を超える表面を定義する。区域は、自己サポート閾値角度を下回る多角形により定義されてもよい。自己サポート閾値角度は、ユーザにより事前に設定されてもよいし、材料に依存するものでもよい。自己サポート閾値角度は４５度としてもよい。
【００１１】
区域の外周は、サポート無線分および／またはサポート有り線分のポリラインを含んでもよい。サポート有り線分は、既に形成済みのオブジェクトの一部によって、形成中、適切にサポートされるとみなされる、区域の外周の線分である。サポート無し線分は、既に形成済みのオブジェクトの一部によって、形成中、適切にサポートされないとみなされる、区域の外周の線分である。方法は、外周の線分が、サポート有り線分であるか、サポート無し線分であるかを判定するステップを含んでもよい。線分が適切にサポートされるか否かを判定するステップは、オブジェクトの１つまたは複数の幾何学的属性の評価を含み、これは、形成中のオブジェクトの方向づけ配置に依存するものであってよい。
【００１２】
例えば、線分が適切にサポートかどうかを判定するステップは、線分の直下の部分の表面が、垂直線に対してサポート閾値角度未満の角度、例えば、１５未満、を成すかどうかを判定するステップを含んでもよい。サポート閾値角度はユーザにより選択されてもよいし、材料に依存するものでもよい。表面の角度が、サポート閾値角度を超える場合でも、線分と、サポート閾値角度未満の表面との間の距離および／または領域が、閾値距離および／または閾値領域を下回るならば、線分は適切にサポートされるものとみなされてもよい。これにより、サポート閾値角度未満の表面を含む短い長さのオブジェクトが、該長さが閾値距離未満である場合、および／または、領域が閾値領域を下回る場合は、自己サポートするということを考慮することができる。また、閾値距離および／または閾値領域は、ユーザにより設定されてもよいし、材料に依存するものでもよい。
【００１３】
区域の線分がサポート無し線分であるかどうかを判定するステップは、線分の直下の部分の表面が、例えば、表面が、垂直線に対してサポート閾値角度を超える角度を成すという理由で、適切にサポートされる線分とみなされない、かどうかを判定するステップを含んでもよい。
【００１４】
方法は、区域ごとに、区域の外周の１つまたは複数のサポート無し線分を識別するステップと、サポートの配設、例えば、１つまたは複数の線分をサポートするためのエッジサポートの配設を、１つまたは複数のサポート無し線分の設置位置に基づき、生成するステップとを含んでもよい。方法は、エッジサポートが境界となる領域内にエリアサポートの配設を生成するステップであって、各エリアサポートの設置位置が、他のエリアサポートに対して相対的に、エッジサポートを含むサポート構造の位置から導かれるステップ、をさらに含んでもよい。
【００１５】
方法は、区域ごとに、区域の外周の１つまたは複数のサポート有り線分を識別するステップと、区域をサポートするためのサポートの配設であって、各サポート有り線分の設置位置に基づく配設、を生成するステップとを含んでもよい。エッジサポートおよび／またはエリアサポートの設置位置は、サポート有り線分の設置位置に基づくものとしてもよい。サポートの各配設は、各サポートを、少なくとも各サポート有り線分から離間した設定距離でスペーシングすることにより判定されてもよい。除外ゾーンは、サポート有り線分の設置位置に基づき判定されてもよく、エッジサポートおよび／またはエリアサポートの設置位置は、除外ゾーンに基づき、好ましくは、除外ゾーンの外側に、識別されてもよい。
【００１６】
配設内での各サポートの相対的な設置位置は、サポート構造の設置位置から、直接または間接的に導かれてもよい。例えば、配設内でのエリアサポートの相対的設置位置は、近隣のエリアサポートのみに対して相対的に判定されてもよいが、少なくとも１つの近隣のエリアサポートの相対的設置位置が、少なくとも一部は、エッジサポートおよび／またはサポート有り線分などの他のサポート構造の設置位置から、直接判定されもよい。このように、エリアサポートの相対的設置位置は、サポート構造の設置位置から直接にでも間接的にでも導くことができる。これは、事前に設定したパターンのサポートとは異なり、パターン内のサポートの相対的設置位置は、事前に設定されるものである（パターンの絶対的設置位置が、エッジサポートの設置位置／区域の外周により影響を受けるような場合でも当てはまる）。
【００１７】
配設の各サポートの設置位置は、区域内に位置する他のサポートからのサポートの距離から判定されてもよい。サポートの設置位置は、区域内の解決点が、前記サポートから事前に設定した距離より遠くには無いように、判定されてもよい。サポートの配設を生成するステップは、区域内の解決点の組の距離を、既に識別済みのサポート設置位置から判定するステップと、判定された距離に基づき、解決点にて、さらなるサポートの設置位置を識別するステップとを含むステップを、１つまたは複数の終了基準が満たされるまで、繰り返してもよい。１つまたは複数の終了基準は、区域内の解決点が、サポートまたはサポート有り線分のいずれから離間した事前に設定した距離よりも遠くには無いという基準を含んでもよい。サポートによりサポートされる区域の範囲は、サポートの周囲で設定距離に近似させることができる。従って、サポートの設置位置を、他のサポートからの距離に基づき識別することにより、他のサポートにより提供されるサポート機能の重複を回避または減少させる設置位置を選択することが可能となる。
【００１８】
「解決点」とは、サポートからの距離が判定される区域上の点を意味するということは理解されるであろう。解決点の個数は、分析について設定される解像度に依存する。解像度はユーザにより選択されてもよい。選択された解像度は、処理速度とサポートの配置の精度とのバランスであってもよい。
【００１９】
ノードのグリッド（交点）は、正方形グリッドなどの規則的なパターンを持ち（少なくとも１方向から見ると、鳥瞰図のようなものとなる）、区域、および、グリッドのノードごとに計算される最も近いサポートからの距離、の全体に渡って生成されてもよい。サポートの設置には、サポートをノードに設置して、少なくとも影響を受けるノードについて、最も近いサポートからの距離を再計算することを繰り返すことが含まれてもよい。各サポートは、最も近いサポートから最も遠い距離にあるノードに設置されてもよい。サポートは、各ノードのその最も近いサポートからの距離が閾値を下回るまで生成されてもよい。閾値は、ユーザにより設定されてもよく、オブジェクトの形成に使用される材料などの要因に依存するものでもよい。ノードと、最も近いサポートとの間の距離は、オブジェクトの表面に沿った距離でなくてもよく、オブジェクトが形成されるビルドプレートに平行する平面などの、二次元平面内のノード間の距離であってもよい、ことは理解されるであろう。
【００２０】
サポートを生成する本方法により、サポートの配設は、区域の二次元表現に基づくものとすることができ、オブジェクトの三次元表現に基づくアルゴリズムを使用するよりも処理を速くすることができる。さらに、サポートの設置位置を判定するために、必ずしもオブジェクトをセクションにスライスする必要が無いため、サポートの自動生成を、積層造形プロセスにおいて形成される層を判定するスライス操作から切り離すことができる。
【００２１】
方法は、エッジサポートの設置位置を識別して、エッジサポートが、各サポート無し線分の形状に対応するパターンで配設されるようにするステップを含んでもよい。方法は、エッジサポートごとに設置位置を識別して、近隣のエッジサポートが、所定の距離だけ離れて設置されるようにするステップを含んでもよい。
【００２２】
エッジサポートの配設は、エッジサポートの設置位置を、１つまたは複数のサポート無し線分のポリラインにて、または該ポリラインに近接して識別することにより生成されてもよい。エッジサポートの配設は、配設の１つまたは複数のエッジサポートによってサポートされるとみなされる区域の除外ゾーンを識別すること、および、配設のさらなるサポートについて、区域内および除外ゾーンの外側の設置位置を識別することにより生成されてもよい。エッジサポートの配設は、配設の各エッジサポートの設置位置を逐次的様式で識別することにより生成されてもよく、エッジサポートごとに、配設のエッジサポートの既に識別済みの設置位置に基づき、除外ゾーンが判定され、エッジサポートの設置位置が、区域内および除外ゾーンの外側に識別される。配設におけるエッジサポートの設置位置は、１つまたは複数の終了基準が満たされるまで、この様に識別されてもよい。１つまたは複数の終了基準は、ポリライン全体を包含するエッジサポートの除外ゾーンを含んでもよい。
【００２３】
エッジサポートは、ポリラインが、エッジサポートについて判定される除外ゾーン内に入るように、ポリラインに十分近く設置されてもよい。除外ゾーンは、ユーザにより設定される事前に設定した距離に基づくものとすることができる。各エッジサポートの設置位置は、エッジサポートの中央が、少なくともエッジサポートの厚さの半分だけポリラインから埋め込まれるように、識別されてもよい。
【００２４】
サポートは、略矩形の多角形、好ましくは円の断面を有する「点」サポートとすることができ、該点において、サポートはサポートすべき区域と接触する。かかるサポートの輪郭は、かかる点サポートが、区域のこれらの中央領域をサポートするのに適切な強度を持つと考えられるため、エリアサポートに適すると思われる。エッジサポートは、エリアサポート、また線サポートのように、点サポートとすることができる。線サポートは、直線でもよく、カーブしていてもよく、また、区域の外周のサポート無し線分の形状に対応する形状を有していてもよい。線サポートは、点サポートに相対して増加する強度を提供することができ、形成中、オブジェクトにおいて生じるストレスによりサポートにかかる力に、より良好に抵抗することができる。
【００２５】
方法は、最初に、エッジサポート配設を判定して、次に、エッジサポートについて識別された設置位置に基づき、エリアサポートの配設を判定するステップを含んでもよい。
【００２６】
方法により判定されたサポートの配設は、規則的または不規則なパターンのサポートであってもよく、サポートすべき区域の形状に依存することになる。
【００２７】
サポートは、１つまたは複数のユーザ設置のサポートを含んでもよい。エッジサポートおよび／またはエリアサポートの配設は、ユーザ設置のサポートの設置位置を考慮に入れて判定されてもよく、ユーザ設置のサポートについて識別される除外ゾーンに基づき判定されてもよい。
【００２８】
区域内のサポートの配設が判定されると、各サポートの三次元形状が生成されてもよい。
【００２９】
本発明の第２の態様によると、層ごとの積層造形プロセスを使用して、オブジェクトの形成に使用される幾何学的データを生成する方法であって、オブジェクトを定義するオブジェクトデータを提供するステップと、オブジェクトを、積層造形プロセスにおいて層として形成されるセクションにスライスするステップと、サポートすべきオブジェクトの区域を識別するステップと、少なくとも区域の一部を形成するセクションのうちの１つのエッジの設置位置に基づき、区域内にサポート用の箇所を選択するステップを含む。
【００３０】
このように、形成の層状化された段階と、各層が前の層にオーバハングする範囲とを考慮に入れて、サポートを提供することができる。
【００３１】
幾何学的データには、積層造形プロセス中に形成されるサポートの定義を含んでもよい。方法は、幾何学的データに、積層造形プロセス中に連続して形成されるサポートの層を定義するステップを含んでもよい。従って、幾何学的データを用意する従来の方法とは異なり、オブジェクトにおける層が識別された後に、サポートの設置位置が識別されるため、オブジェクトにおける層と、サポートにおける層とが、別個のプロセスで定義される。従って、方法は、オブジェクトを記述するオブジェクトデータを受け取るステップと、オブジェクトデータを修正して、層ごとの積層造形プロセスにて連続して形成されるオブジェクトの層を定義するステップと、データに定義されたオブジェクトの層に基づき、オブジェクトをサポートためのサポートをデータに定義するステップと、層ごとの積層造形プロセスにて連続して形成されるサポートに層を定義するステップとを順に含む。
【００３２】
サポート用の箇所は、下のサセクションのエッジからの、セクションのうちの１つのオーバハングエッジの距離に基づき判定されてもよい。
【００３３】
破壊を防ぐためにどの層にもサポートを提供することは必ずしも必要ではない。従って、サポートに接続する層（「サポート有り層」と呼ぶ）が、サポートに接続しない層（「サポート無し層」と呼ぶ）の中に分散されてもよい。サポート有り層間のサポート無し層の数は、それら層により形成されるオブジェクトの一部の形状により変化してもよい。例えば、形成中、水平線に対してより急角度を成して下方に面する表面を有するセクションよりも、形成中、水平線に対してより小さい角度を成して下方に面する表面を有するオブジェクトのセクションに対して、より多くの個数のサポート有り層を（さらには、サポート有り層の間により少ない個数のサポート無し層を）提供することを可能とすることができる。従って、サポート有り層の間のサポート無し層の数は、これらの層により形成される、下方に面する表面の、形成中の、水平線に対する傾きの角度に基づき選択されてもよい。方法は、水平線に対して閾値角度を下回る、下方に面する表面のみについて、サポートの設置位置を識別するステップを含んでもよい。
【００３４】
本発明の第３の態様によると、本発明の第１または第２の態様の方法を実行するために配置されるプロセシングユニットを備える装置が提供される。
【００３５】
プロセッサは、積層造形機の一部であってもよい。
【００３６】
本発明の第４の態様によると、命令を格納するデータキャリアであって、命令がプロセッサにより実行されると、プロセッサに、本発明の第１または第２の態様の方法を実行させる、ことを特徴とするデータキャリアが提供される。
【００３７】
本発明の上述の態様のデータキャリアは、非一時的データキャリアなどの、マシンに命令を提供するのに適切な媒体とすることができ、例えば、フロッピーディスク、ＣＤ  ＲＯＭ、ＤＶＤ  ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷおよび＋Ｒ／＋ＲＷを含む）、ＨＤ  ＤＶＤ、ＢｌｕＲａｙ（商標）ディスク、メモリ（メモリスティック（商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュカードなど）、ディスクドライブ（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の磁気／光記憶装置、または一時的データキャリア、例えば、有線もしくは光ファイバ上の信号、または無線信号、例えば、有線または無線のネットワーク（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）を介して送信される信号、が含まれる。
【００３８】
本発明の第５の態様によると、本発明の第１または第２の態様の方法を実行することにより幾何学的データを生成するステップと、次に、幾何学的データに基づき積層造形プロセスを使用してオブジェクトを形成するステップを含む、オブジェクトを形成する方法が提供される。
【００３９】
本発明の第６の態様によると、本発明の第５の態様に従って製造される三次元オブジェクトが提供される。
【００４０】
本発明の第７の態様によると、本発明の第５の態様に従って製造されるサポートを介して、ベースプレートに接続される三次元オブジェクトが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術の方法に従って生成されたサポート配設の一例を示す図である。
【図２】従来技術の方法に従って生成されたサポート配設の一例を示す図である。
【図３】従来技術の方法に従って生成されたサポート配設の一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、積層造形機を示す図である。
【図５】形成されるオブジェクトの断面を示す図であり、サポートを必要としない区域と、本発明に従って定められるように、サポートを必要とする区域と、を示す図である。
【図６】サポートを必要とする区域に、識別の目的で影をつけた、一連の接し合う三角形で定義されるオブジェクトの斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態に従う、サポートを必要とする区域の平面図であり、区域の周囲のエッジサポートの配置を概略的に示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に従う、エリアサポートの配設の生成の進行を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に従う、エリアサポートの配設の生成の進行を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に従う、エリアサポートの配設の生成の進行を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に従う、エリアサポートの配設の生成の進行を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に従う、エリアサポートの配設の生成の進行を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に従う、エリアサポートの配設の生成の進行を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る、サポートの設置位置を識別する方法を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の別の実施形態に従って、サポートの設置位置がどのように識別されるのかを概略的に示す、オブジェクトの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図４は、典型的なＳＬＭ装置１０１を説明する図である。この装置は、３次元部品１０３を内部で作製するビルドチャンバ１０２を画定しており、３次元部品１０３を上にサポートする下降可能なビルドプラットフォーム１０４を備える。ビルドチャンバ１０２はまた、粉末１５５の層をビルドプラットフォームの表面全体に広げるための粉末調剤塗膜装置（図示せず）を収容する。光モジュール１０６（ビルドチャンバの内部または外側のいずれかに収容される）は、レーザ１０５により生成されるレーザビーム１１８を、粉末層上の選択された場所に供給して、これらの場所にて粉末を固結させてオブジェクトを形成するための、可動光学を備える。ビルドプラットフォーム１０４は、ビルドシリンダ１１７の孔内部で下降可能に構成され、これにより、オブジェクト１０３が、連続する粉末層から形成される間、最上粉末層の表面を、造形機内にて略同一平面にしておくことができる。ビルドプラットフォーム１０４は、ビルドサポート１０４ｂおよびビルドプレート１０４ａの両方を組み込み、ビルドプレート１０４ａは、ビルドサポート１０４ｂに対して着脱可能に締着可能であり、ビルドサポート１０４ｂに対してオブジェクト１０３を、形成の間固定しておくことができる。
【００４３】
装置は、光モジュール１０６内の可動光学系、レーザ１０５、粉末調剤拡散装置、およびビルドプラットフォームの下降、を制御するためのプロセッサ１０８をさらに備える。プロセッサ１０８は、メモリ１８５に記憶される幾何学的データに基づき光学系を制御して、品（オブジェクトとサポート）が、幾何学的データに記述されているものに従って形成されるようにする。従って、幾何学的データには、形成されるオブジェクト、およびオブジェクトと並行して形成されるサポートに関するデータが含まれ、サポートは形成中のオブジェクトの破壊を防ぐものである。幾何学的データはまた、オブジェクトとサポートとを形成するために、積層造形プロセスの各段階で形成される固結層を定義する。この幾何学的データは、コンピュータ、メモリスティックなどの適切なソースからアップロードすることができる。
【００４４】
ここで、図５から１４を参照して、本発明の一実施形態に従う、幾何学的データを生成する方法について説明する。外部ソースからインポートされるＣＡＤデータ形式の、オブジェクトの三次元表現などのオブジェクトデータが提供される。ＣＡＤデータは、ＳＴＬ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｓｅｌｌａｔｉｏｎ  Ｌａｎｇｕａｇｅ（標準テッセレーション言語））などのデータ形式に変換することができ、ＳＴＬは、接し合う三角形の組としてのオブジェクトの表面幾何構造のみを記述するものであり、色、テクスチャなどのＣＡＤデータには記述されているようなオブジェクトの他のプロパティは記述されていない。
【００４５】
そして、ユーザまたはコンピュータは、所望の形成方向に、オブジェクトを方向づけ配置する。方向づけ配置の選択は、形成中、および形成の時に発生するかもしれないストレスを最小限にすることなど、多数の要因に依存する。方向づけ配置は、相対する要因の間で折衷したものとなる。
【００４６】
オブジェクトの方向づけ配置後、形成の間、オブジェクトの下方に面する表面をサポートするサポートが設計されてもよい。サポートの設置位置は、完全に自動化された様式で行ってもよいし、サポートの設置位置の自動および手動の識別を組み合わせてもよい。
【００４７】
自動的にサポート１０６を生成するために、コンピュータは、まず、形成中の区域の破壊を防ぐために、ＳＬＭプロセスの間、サポートの追加が必要ではないとみなされる、オブジェクトの自己サポート区域と、サポートの追加が必要とみなされる、オブジェクトの非自己サポート区域と、を識別する（３０１）。区域が、自己サポートするとみなされるかどうかは、ユーザにより設定されるパラメータによって依存するものでもよいし、異なる形成ごとに異なってもよい。例えば、区域が自己サポートするかどうかは、形成に使用される材料、レーザパワー、露出時間、スポット距離、走査速度、およびスポット系、などのパラメータに依存するものでもよい。しかし、本実施形態では、ユーザが、区域が自己サポートすると考えられる限度となる、垂直線に対する自己サポート閾値角度を設定する。例えば、４５度の角度が、自己サポート閾値角度として選択されてもよい。
【００４８】
図５は、サポート区域ｓ２０５ａから２０５ｄ、および非サポート区域２０６ａから２０６ｃを含むオブジェクト２０４の断面を示す。非サポート区域２０６ａから２０６ｃの範囲（外周）が線で定義され、この線で、表面が自己サポート閾値角度未満の角度から、自己サポート閾値角度を超える角度まで成すよう推移する。例えば、図５には、閾値点２０７ａから２０７ｅおよび２０８が示される。
【００４９】
サポートすべき区域が識別されると、各区域の外周を形成する線分が、これらの線分の下のオブジェクトの一部によって、適切にサポートされる（「サポート有り線分」と呼ぶ）かどうかが判定される。本実施形態では、線分の直下の表面が、垂直線に対してサポート閾値角度未満の角度を成す場合、線分がサポート有り線分として識別される。サポート閾値角度はユーザによって設定されてもよく、材料に依存する。例えば、サポート閾値角度は、典型的には１５度程度である。
【００５０】
閾値点２０７ａから２０７ｅは、表面２０６ａ、２０５ｃ、２０６ｂ、および２０６ｃが垂直線に対してサポート閾値角度を超える角度を成すため、サポート無し線分に沿った点であり、一方、点２０８は、表面２０５ｄが垂直線に対してサポート閾値角度未満の角度を成すため、サポート有り線分に沿った点である。
【００５１】
図５に示すように、二重の角度基準により、区域２０５ｃは、サポートを必要としないが、２０７ｂなどの点についてはサポートが設けられないとみなされるようにすることが可能であり、何故なら、表面２０５ｃがθを成し、これは、自己サポート角度閾値未満であるが、サポート角度閾値を超えるからである。
【００５２】
図６を参照すると、本実施形態では、非自己サポート区域が、オブジェクトの定義に使用される三角形２０９から識別される。アルゴリズムにより、三角形２０９を検索して三角形２０９ａから２０９ｄを求め、三角形２０９ａから２０９ｄは、自己サポート角度閾値に違反するものである（例えば、三角形に対する法線の垂直線に対する角度を調べることにより行う）。２０９ｄなどの角度基準に違反する三角形には、区域ＩＤを付し、図６では０１および０２で示す。角度基準に違反する三角形２０９ｃを探知すると、近隣の三角形が検査されて、該近隣の三角形が角度基準に違反するかどうかが判定される。２０９ｃなどの近隣の三角形が角度基準に違反する場合、該三角形には同じ区域ＩＤを付す。このプロセスは、区域のうちの全ての近隣の三角形を探知して角度基準を満たすまで繰り返される。例えば、４つの近隣の三角形（そのうちの３つ、２０９ｅから２０９ｇを示す）が角度基準を満たすため、区域０１は三角形２０９ｃおよび２０９ｄに広がるだけである。残りの三角形２０９が検索され、２０９ａおよび２０９ｂなどの角度基準に違反するさらなる三角形が探知されると、これらには、異なる区域ＩＤ、例えば０２が付される．全ての三角形２０９が検査されると、プロセスは終了する。
【００５３】
異なる各区域０１、０２は、サポートが生成される区域である。
【００５４】
ステップ３０２にて、各区域０１、０２の線分２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、および２０８が識別される。サポートを必要とする区域の外周は、該区域を定義する三角形のエッジに沿った線分２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、および２０８から成る閉じたポリラインである。線分２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、および２０８が探知されると、線分２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、および２０８ごとに、該線分が、サポート有り線分２０８またはサポート無し線分２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃであるかどうかが判定される。本判定は、該線分を共有するが区域の一部ではない、近隣の三角形２０９ｅ、２０９ｆ、２０９ｇを識別すること、および、近隣の三角形が、線分を共有する三角形の下にあるかどうか、および、三角形の平面が、垂直線に対してサポート閾値角度未満の角度を成すかどうか、を識別することにより、行われる。よって、図６では、三角形２０９ｅが、線分２０８のサポート三角形であるとみなされ、一方、三角形２０９ｆおよび２０９ｇは、線分２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃのサポート三角形ではない。従って、線分２０８は、サポート有り線分であると判定され、一方、線分２０７ａ、２０７ｂ、および２０７ｃは、サポート無し線分であるとみなされる。同じ分析を使用して、区域０２の線分２０７ｄから２０７ｇは、全てサポート無し線分であるとみなされる。
【００５５】
上記の説明から分かるように、サポートを必要としない表面は、上にある表面に必ずしも十分なサポートを提供しない。このため、区域がサポートを必要とするかどうか、および、区域の外周の線分が、適切にサポートされるかどうか、を判定するための、別の角度基準がある。
【００５６】
ここで、区域用エッジサポートの配設を生成するための方法について、図７を参照して説明する。エッジサポート２１１の設置位置は、サポート無し線分２０７によって形成されるポリラインごとに識別される（３０３）。エッジサポートの設置位置は、サポート無し線分２０７の設置位置、およびエッジサポート用の所与の設定スペーシングｄ、に基づき識別される。設定スペーシングｄは、ユーザにより定義されてもよい。エッジサポートはまた、任意のサポート有り線分２０８からの設定スペーシングｄなど、設定距離で設置される。
【００５７】
まず、除外ゾーン／区域２１０が、区域２０６について、区域２０６のサポート有り線分２０８それぞれの設置位置に基づいて判定される。除外ゾーンは、区域２０６の一領域であり、サポート有り線分から距離ｄ以内にある。距離ｄは、区域の表面に沿ってではなく、水平面内で測定されるものであってよい。第１のエッジサポート２１１ａの設置位置は、サポート無し線分２０７のポリラインに沿った方向へ（矢印で図示する）への移動の際に、除外ゾーン２１０のエッジにおいて、サポート無し線分２０７ａ上で識別されるか、サポート無し線分２０７ａからわずかに埋め込まれるように設けられる。ポリラインに沿った進行の方向は、進行方向に対する区域の設置位置（左右いずれか）を指定する「巻き上げ方向」に基づく。本実施形態では、巻き上げ方向は、区域を右に維持するものである。
【００５８】
除外ゾーン２１３が、そのエッジサポート２１１ａに対して生成され、さらなるエッジサポート２１１ｂの設置位置は、これが、サポート無し線分２０７のポリラインに沿って指定の巻き上げ方向に移動を続けるのにつれて、本除外ゾーン２１３のエッジにおいて、サポート無し線分２０７ａ上で識別されるか、サポート無し線分２０７ａからわずかに差し込むように設けられる。エッジサポート２１１の設置位置は、サポート無し線分２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃにより形成されるポリラインに沿って、この様式で連続して識別される。エッジサポート２１１ｃから分かるように、エッジサポート間のスペーシングは、ポリラインに沿った距離ではない二次元点間距離に基づく。このように、エッジサポートの適切な密度が実現される。
【００５９】
最後のエッジサポートとサポート有り線分との間のスペーシング（サポート無し線分の開いたポリラインの場合）、または、最後と最初のエッジサポートの間のスペーシング（サポート無し線分の閉じたポリラインの場合）は、設定スペーシングｄのものでなくてもよい。本実施形態では、次のエッジサポート２１２が、サポート有り線分２０８／第１のエッジサポート２１１ａから０．５ｄ以内に設置されると判定される場合、エッジサポート２１２は、この設置位置に設置されるべきではないと判断され、このポリラインに沿ってエッジサポートの設置位置を判定するためのアルゴリズムは終了する。しかし、エッジサポート２１２の識別された設置位置が、サポート有り線分／第１のエッジサポートから０．５ｄよりも離れている場合、この設置位置が、エッジサポート２１２に適していると識別される。従って、ポリラインの最後のエッジサポートは、サポート有り線分／第１のエッジサポートから０．５ｄ〜１．５ｄ以内に設置されてもよい。
【００６０】
エッジサポートの設置位置は、サポート無し線分２０７の全てのポリラインについて、この様式で判定される。
【００６１】
各エッジサポート２１１はまた、方向性のあるサポートをオフセットおよび整列するための、方向づけ配置を与える。本実施形態では、所与のエッジサポート設置位置について、方向づけ配置は、垂直なｚ軸と２つの近接するエッジサポートを結ぶ線との外積である。サポートは、求めた方向づけ配置に基づき、オフセットおよび／または整列される。各エッジサポートは、サポート無し線分から、エッジサポートの、オブジェクトに接触する半径内範囲分だけオフセットされてもよい。サポートがオブジェクトに接触する、各サポートの半径内範囲／幅は、より下方のサポートの半径内範囲／幅より小さくしてもよく、サポートを、オブジェクトの近位にある端部に向かって先細にして、サポートをオブジェクトから取り外す際により簡単に砕くことが可能な、弱い／壊れやすい部分を提供するようにしてもよい。
【００６２】
ユーザはまた、さらなるエッジサポートを、設置位置の手動識別を通じて、ユーザがこれを適切／必要とみなす場合に、生成することができる。
【００６３】
図８から１３を参照して、エッジサポート２１１の設置位置が識別されると、ノードグリッド２１４が、各サポート無し表面２０６全体に生成される（３０４）（図８の拡大部分２１５に最も明確に示す）。ノードグリッドは、サポート無し表面２０６上に対する水平面の２Ｄグリッドのプロジェクションである。従って、表面上のノード点間の距離は、表面が水平面に対して成す角度によって、水平面上のノード点間の距離と異なってもよい。二次元グリッドに基づきエリアサポートの設置位置を判定することで、三次元空間での処理に比べて処理が簡略になる。
【００６４】
ステップ３０５にて、区域２０６と、区域２０６上に既に設置位置が識別済みのエッジサポート２１１との境界となるサポート有り線分２０８などのサポート構造から、ノードまでの距離に基づき、ノードごとに値が生成される。図８には、サポート有り線分が示されない。図８の拡大部分には、エッジサポートの設置位置２１１、および、エッジサポート２１１からノードまでの距離に基づき、ノードごとに算出された値、が示される。図８の非拡大部分には、サポート無し表面全体のヒートマップとしてノードに与えられる値が示され、図中、明るい色は、サポートから遠く離れた「熱い」領域を識別し、暗い領域は、サポートに近い「冷たい」領域を識別する。
【００６５】
ノードごとに値が識別されると、任意のノードが、ノードとサポートの間の最大許容スペーシング（除外ゾーンを定義する）を超える値を有するかどうかが判定される（３０６）。最大許容スペーシングは、ユーザによって設定されてもよく、エッジサポートに対して指定される設定スペーシングｄから導かれるものでもよい。例えば、最大許容スペーシングは、ｄ／２とすることができる。１つまたは複数のノードが、最大許容スペーシングより大きい値を有する場合、既存のサポート、および、存在する場合にはサポート線分（単数または複数）、から最大距離にあるノードに、エリアサポートの設置位置が指定される（３０７）。かかる工程が図９に示され、ここでは、エリアサポートの設置位置が、サポート無し表面の中央に識別され、図９のヒートマップは、エリアサポートをこの設置位置に設置することに基づき、再判定されたノードの値を示す。
【００６６】
これらの工程は、全てのノードが最大許容距離を下回る値を有するまで繰り返される。この時点で、アルゴリズムが終了する（３０８）。図９から１３は、識別されていくエリアサポートの設置位置、および、新規に識別されたサポートの設置位置に基づき再計算されたノードの値、と共にアルゴリズムの進行を示す。（なお、図９から１３それぞれで、温度スケールは変わる）。図１３から分かるように、各エリアサポートと、その近隣のエリアサポートとの間のスペーシングは、どのエリアサポートも他のサポートに対して非常に近くまたは非常に離れて設置されていない状態では、略同一であるため、各サポートは同程度のサポート機能を提供する。このように、過剰なサポートや、過少なサポートが回避される。
【００６７】
ノード幅は、ユーザによるノード幅の選択により変更可能である。より小さいノード幅を選択することにより、エリアサポートの配置の精度を上げることができ、一方、より大きいノード幅を選択することで、エリアサポートの設置位置が判定される処理速度を上げることができる。本実施形態では、ユーザが選択できるノード幅は、ノードとサポート間の最大スペーシング未満、例えば、ノードのスペーシングの５０％以下、好ましくは１０％以下、に限定される。
【００６８】
エッジサポートおよびエリアサポートの両方について、サポートされている表面２０６から遠位にあるサポートの端部の設置位置（終了点）は、いずれか一方が、オブジェクトの別の部分またはベースプレートに接触するまで、サポートを垂直なｚ方向の下方に突出させることにより、判定される。しかし、垂直なサポートではなく、米国特許第５５９５７０３号に記載されるように、サポートをツリー構造に固結させるなど、他のサポート構造が使用されてもよいことは理解されるであろう。
【００６９】
サポートが設計されると、サポートをスライスして、積層造形プロセス中に形成される層、および、スライスごとに決められる走査経路、を定義することができる。そして、幾何学的データは、積層造形装置１００のメモリ１８５に転送される。形成中、装置上のプロセッサ１０８は、命令を読み込み、レーザ１０５および光学系１０６を制御して、幾何学的データに定義される走査経路に従って、層ごとの（レイヤバイレイヤ）様式でオブジェクトおよびサポートを適切に形成する。
【００７０】
形成の後、オブジェクトが造形機から取り外され、サポートがオブジェクトから切り離される。
【００７１】
ここで、本発明のさらなる実施形態について、図１５を参照して説明する。図１５では、オブジェクトの区域がサポートされるかどうかは、オブジェクトについて判定された層（スライス）４１７に基づく。オブジェクトの記述をするＳＴＬファイルを、積層造形機を駆動させる命令にする処理の間、積層造形プロセス中に固化すべき連続層４１７が、ＳＴＬファイルに記述される幾何学的オブジェクトから判定される。オーバハング層４１７’ごとに、層４１７’のオーバハングエッジから、下の層のエッジまでの距離Ｌが判定される。距離Ｌが、閾値距離（図１５に矢印で示す）よりも大きい場合、層４１７’は、サポートを必要とする層４１７’として識別される。図１５では、層４０６ａおよび４０６ｂのオーバハングが、サポートの設置の基準を満たし、一方、層４０５が該基準を満たさない。そして、サポートは、第１の実施形態について上述した方法に従って、層４１７’ごとに設計されてもよい。サポートは、層４１７’ごとに個々に判定されてもよく、または、層４１７’を、区域にグループ化し、例えば、層を４０６ａとしてグループ化するなどして、グループで定義される区域に対してサポートを判定してもよい。本方法では、形成中に大きなサポート無し領域が存在することを回避することができ、どの層状構造が発生するのかを、サポートを設置する際に考慮しない。本明細書において定義される発明から逸脱することなく、上述の実施形態に対する代替および変形がなされてもよい。例えば、ノードグリッドは、三角形または六角形のグリッドなど、別の規則的なタイリングを備えてもよい。
【図４】
2017502411.tif 000003
【図５】
2017502411.tif 000004
【図６】
2017502411.tif 000005
【図７】
2017502411.tif 000006
【図１４】
2017502411.tif 000007
【図１５】
2017502411.tif 000008
【図１】
2017502411.tif 000009
【図２】
2017502411.tif 000010
【図３】
2017502411.tif 000011
【図８】
2017502411.tif 000012
【図９】
2017502411.tif 000013
【図１０】
2017502411.tif 000014
【図１１】
2017502411.tif 000015
【図１２】
2017502411.tif 000016
【図１３】
2017502411.tif 000017
【国際調査報告】
2017502411.tif 000018
2017502411.tif 000019