JP2020032561A - 三次元形状データの生成装置、三次元造形装置、及び三次元形状データの生成プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】三次元形状の部位毎に形状を指定することなく特性値を調整することができる。【解決手段】三次元形状データの生成装置10は、三次元形状を複数のボクセルの集合で表した三次元形状データのボクセル毎に特性値を設定し、三次元形状を造形する三次元造形装置の造形条件と特性値との対応関係を取得し、取得した対応関係を用いて、特性値に対応する造形条件をボクセル毎に設定する。【選択図】図1
Description
本発明は、三次元形状データの生成装置、三次元造形装置、及び三次元形状データの生成プログラムに関する。
特許文献1には、造形対象の立体物、及び、該立体物を支持する支持部を構成するドットを形成するためのドット形成部と、形成されるドットによる前記立体物及び前記支持部の造形を制御する制御部と、を備える立体物造形装置であって、前記制御部は、前記支持部において、該支持部を表現するボクセル集合に含まれるボクセルにおけるドットの形成率を表す入力値とディザマスクとに基づいて、前記立体物を支持する支持構造が形成されるようにドットを前記ボクセル集合に配置する、立体物造形装置が開示されている。
特許文献2には、液体を吐出可能なヘッドユニットと、前記ヘッドユニットから吐出された液体を硬化させてドットを形成する硬化ユニットと、造形すべき立体物の形状をボクセル集合で表し、当該ボクセル集合のうち、決定部がドットを形成する対象として決定したボクセルにドットを形成することで、ドットの集合体として前記立体物が造形されるように前記ヘッドユニットの動作を制御する造形制御部と、を備え、前記決定部は、前記ボクセル集合のうち前記立体物の内部に位置するボクセルにおけるドットの形成率に応じた値である形成指標値と、ディザマスクの有する閾値との比較結果に応じて、ドットを形成する対象のボクセルを決定する、ことを特徴とする立体物造形装置が開示されている。
特許文献3には、第1の造形物の形状を規定する第1の3次元データを用いて出力装置が出力した第1の造形物の形状を測定した測定結果を受け付ける測定結果受付部と、前記測定結果受付部が受け付けた測定結果の第1の3次元データが規定する形状からの誤差に基づいて補正用データを算出する補正用データ算出部と、前記補正用データ算出部が算出した補正用データを用いて、第2の造形物の形状を規定する第2の3次元データを補正するデータ補正部と、を有する3次元データ生成装置が開示されている。
三次元形状を造形する場合において、三次元形状の部位毎に特性値(例えば、硬度、密度等)を変えて造形したい場合がある。従来では、例えば三次元形状の部位毎に硬度を変えたい場合、実際に様々な形状を造形して硬度を測定することで硬度と形状との対応関係を予め求めておき、求めた対応関係を用いて部位毎に形状を指定することで部位毎に硬度を変えていた。
しかしながら、部位毎に形状を指定するのは非常に手間がかかる、という問題があった。
本発明は、三次元形状の部位毎に形状を指定することなく特性値を調整することができる三次元形状データの生成装置、三次元造形装置、及び三次元形状データの生成プログラムを提供することを目的とする。
請求項1記載の発明の三次元形状データの生成装置は、三次元形状を複数のボクセルの集合で表した三次元形状データの前記ボクセル毎に特性値を設定する特性値設定部と、前記三次元形状を造形する三次元造形装置の造形条件と前記特性値との対応関係を取得する取得部と、前記対応関係を用いて、前記特性値に対応する前記造形条件を前記ボクセル毎に設定する造形条件設定部と、を備える。
請求項2記載の発明は、前記特性値設定部は、硬度、密度、色度、比熱、電気抵抗率、及び隣接ボクセルとの結合度の少なくとも1つに関する値を前記特性値として前記ボクセル毎に設定する。
請求項3記載の発明は、前記特性値は、前記隣接ボクセルとの結合度であり、前記造形条件設定部は、前記隣接ボクセルとの結合度に応じて前記三次元形状を造形する際の経路を設定する。
請求項4記載の発明は、前記造形条件設定部は、前記結合度に応じて、前記結合度が設定された面の経路の造形条件を調整する。
請求項5記載の発明は、前記造形条件設定部は、前記特性値に応じて、前記三次元形状を熱溶解積層法で造形する場合の造形速度、造形材料の送り速度、前記造形材料を吐出する吐出ヘッドと前記三次元形状が造形される造形台との距離、前記吐出ヘッドの温度、及び前記造形材料の走査間隔の少なくとも1つを前記造形条件として前記ボクセル毎に設定する。
請求項6記載の発明は、前記造形条件設定部は、前記特性値に応じて、前記三次元形状をレーザー焼結法で造形する場合のレーザー光の強度、前記レーザー光の走査速度、及び前記レーザー光の焦点位置の少なくとも1つを前記造形条件として前記ボクセル毎に設定する。
請求項7記載の発明は、前記三次元形状の表面を平滑化する平滑化部を備える。
請求項8記載の発明は、前記造形条件設定部は、前記平滑化部により平滑化された形状の外周に沿って前記三次元形状を造形する際の経路を設定する。
請求項9記載の発明の三次元造形装置は、請求項1〜8の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置により生成された三次元形状データに基づいて三次元形状を造形する造形部を備える。
請求項10記載の発明の三次元形状データの生成プログラムは、コンピュータを、請求項1〜8の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置の各部として機能させるためのプログラムである。
請求項1、9、10記載の発明によれば、三次元形状の部位毎に形状を指定することなく特性値を調整することができる、という効果を有する。
請求項2記載の発明によれば、様々な特性値をボクセル毎に設定することができる、という効果を有する。
請求項3記載の発明によれば、隣接ボクセルとの結合度を用いて経路を設定することができる、という効果を有する。
請求項4記載の発明によれば、結合度に応じた造形条件を設定することができる、という効果を有する。
請求項5記載の発明によれば、三次元形状を熱溶解積層法で造形する場合に、様々な造形条件をボクセル毎に設定することができる、という効果を有する。
請求項6記載の発明によれば、三次元形状をレーザー焼結法で造形する場合に、様々な造形条件をボクセル毎に設定することができる、という効果を有する。
請求項7記載の発明によれば、三次元形状の表面を平滑化しない場合と比較して、精度良く三次元形状を造形することができる、という効果を有する。
請求項8記載の発明によれば、平滑化された形状の外周に沿って経路を設定しない場合と比較して、三次元形状の外周を更に滑らかにすることができる、という効果を有する。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る三次元造形システム1の構成図である。図1に示すように、三次元造形システム1は、三次元形状データの生成装置10及び三次元造形装置100を備える。
次に、図2を参照して、第1実施形態に係る三次元形状データの生成装置10の構成について説明する。
生成装置10は、例えばパーソナルコンピュータ等で構成され、コントローラ12を備える。コントローラ12は、CPU(Central Processing Unit)12A、ROM(Read Only Memory)12B、RAM(Random Access Memory)12C、不揮発性メモリ12D、及び入出力インターフェース(I/O)12Eを備える。そして、CPU12A、ROM12B、RAM12C、不揮発性メモリ12D、及びI/O12Eがバス12Fを介して各々接続されている。
また、I/O12Eには、操作部14、表示部16、通信部18、及び記憶部20が接続されている。なお、CPU12Aは、特性値設定部、取得部、造形条件設定部、及び平滑化部の一例である。
操作部14は、例えばマウス及びキーボードを含んで構成される。
表示部16は、例えば液晶ディスプレイ等で構成される。
通信部18は、三次元造形装置100等の外部装置とデータ通信を行うためのインターフェースである。
記憶部20は、ハードディスク等の不揮発性の記憶装置で構成され、後述する三次元形状データの生成プログラム、三次元形状データ(ボクセルデータ)、詳細は後述するが三次元造形装置100の造形条件と特性値との対応関係を表すテーブルデータ等を記憶する。CPU12Aは、記憶部20に記憶された三次元形状データの生成プログラムを読み込んで実行する。
図3には、三次元形状をボクセルの集合で表した三次元形状データ(ボクセルデータ)によって表された三次元形状32を示した。図3に示すように、三次元形状32は、複数のボクセル34で構成される。
ここで、ボクセル34は、三次元形状32の基本要素であり、例えば直方体が用いられるが、直方体に限らず、球又は円柱等を用いてもよい。ボクセル34を積み上げることで所望の三次元形状が表現される。
三次元形状を造形する三次元造形法としては、例えば熱可塑性樹脂を溶かし積層させることで三次元形状を造形する熱溶解積層法(FDM:Fused Deposition Modeling)、粉末状の金属材料にレーザービームを照射し、焼結することで三次元形状を造形するレーザー焼結法(SLS法:Selective Laser Sintering)等が適用されるが、他の三次元造形法を用いても良い。本実施形態では、熱溶解積層法を用いて三次元形状を造形する場合について説明する。
次に、三次元形状データの生成装置10により生成された三次元形状データを用いて三次元形状を造形する三次元造形装置について説明する。
図4には、本実施の形態に係る三次元造形装置100の構成を示した。三次元造形装置100は、熱溶解積層法により三次元形状を造形する装置である。
図4に示すように、三次元造形装置100は、吐出ヘッド102、吐出ヘッド駆動部104、造形台106、造形台駆動部108、取得部110、及び制御部112を備える。なお、吐出ヘッド102、吐出ヘッド駆動部104、造形台106、及び造形台駆動部108は造形部の一例である。
吐出ヘッド102は、三次元形状40を造形するための造形材料を吐出する造形材吐出ヘッドと、サポート材を吐出するサポート材吐出ヘッドと、を含む。サポート材は、三次元形状のオーバーハング部分(「張り出し部分」ともいう)を、造形が完了するまで支持する用途で用いられ、造形完了後に除去される。
吐出ヘッド102は、吐出ヘッド駆動部104によって駆動され、XY平面上を二次元に走査される。また、造形材吐出ヘッドは、複数種類の属性(例えば色)の造形材料に対応して複数の吐出ヘッドを備える場合がある。
造形台106は、造形台駆動部108によって駆動され、Z軸方向に昇降される。
取得部110は、三次元形状データの生成装置10が生成した三次元形状データ及び造形材料の吐出経路を表す経路データ並びにサポート材データ及びサポート材の吐出経路を表す経路データを取得する。
制御部112は、取得部110が取得した造形材料の経路データに従って造形材料が吐出されると共に、サポート材の経路データに従ってサポート材が吐出されるように、吐出ヘッド駆動部104を駆動して吐出ヘッド102を二次元に走査させると共に、吐出ヘッド102による造形材料及びサポート材の吐出を制御する。
また、制御部112は、各層の造形が終了する毎に、造形台駆動部108を駆動して造形台106を予め定めた積層間隔分降下させる。
次に、図5を参照して、本実施の形態に係る生成装置10の作用を説明する。CPU12Aにより三次元形状データの生成プログラムを実行させることで、図5に示す生成処理が実行される。なお、図5に示す生成処理は、例えば、ユーザーの操作により生成プログラムの実行が指示された場合に実行される。また、本実施形態では、サポート材データ及びサポート材の経路データの生成処理については説明を省略する。
ステップS100では、造形対象の三次元形状に対応するボクセルデータを例えば記憶部20から読み出すことにより取得する。なお、通信部18を介して外部装置からボクセルデータを通信により取得してもよい。
ステップS102では、ステップS100で取得したボクセルデータから三次元形状の表示データを生成し、表示部16に表示させる。
ステップS104では、ボクセル毎に特性値を設定する。例えば、ユーザーは、操作部14を操作して、表示部16に表示された三次元形状のうち特性値を設定するボクセルを選択し、選択したボクセルに所望の特性値を設定するよう指示する。
ここで、特性値としては、一例として、硬度、密度、色度、比熱、電気抵抗率、及び隣接ボクセルとの結合度の少なくとも1つに関する値が挙げられるが、これらに限られるものではない。
なお、ユーザーは、ボクセル1つ1つに特性値を設定するよう指示してもよいが、複数のボクセルを含む範囲を指定し、指定した範囲に同一の特性値をまとめて設定するよう指示してもよい。
また、以下では、特性値として硬度を設定した場合について説明する。図6には、三次元形状をXY平面でスライスしたスライス面の一部に含まれる複数のボクセル50を示した。各ボクセル50内の数値は、ユーザーにより設定された硬度を表している。図6の例では、各ボクセル50には、硬度として「1」〜「5」が設定されている。なお、本実施形態では硬度の数値が高いほど硬くなり、硬度の数値が低いほど柔らかくなるものとする。
ステップS106では、三次元造形装置100の造形条件と特性値との対応関係を表すテーブルデータを記憶部20から読み出すことにより取得する。
ここで、造形条件としては、一例として、三次元形状を熱溶解積層法で三次元造形装置100により造形する場合の造形速度、造形材料の送り速度、造形材料を吐出する吐出ヘッド102と三次元形状が造形される造形台106との距離、吐出ヘッド102の温度、及び造形材料の走査間隔の少なくとも1つが挙げられるが、これらに限られるものではない。
本実施形態では、造形条件が造形速度であり、特性値が硬度である場合について説明する。この場合、テーブルデータは、例えば図7に示すような造形速度と硬度との対応関係52を表すテーブルデータである。なお、テーブルデータではなく、造形速度と硬度との対応関係を表す数式を用いても良い。
対応関係52は、実際に様々な造形速度で三次元形状を造形した場合の硬度を各々測定した測定結果から得られる。他の特性値と造形条件との対応関係も同様であり、様々な組み合わせの特性値と造形条件との対応関係を予め求めておき、記憶部20に記憶しておけばよい。
図7に示すように、造形速度と硬度との関係は、造形速度が速くなるに従って硬度が低くなり、造形速度が遅くなるに従って硬度が高くなる関係である。造形速度が速くなるに従って単位面積当たりの造形材料の吐出量は少なくなり、造形速度が遅くなるに従って単位面積当たりの造形材料の吐出量は多くなる。このため、例えば直線形状を造形する場合、造形速度が速くなるに従って直線形状の幅が細くなるため硬度は低くなり、造形速度が遅くなるに従って直線形状の幅が太くなるため硬度は高くなる。
なお、SLS法により三次元形状を造形する場合の造形条件は、一例として、三次元形状をレーザー焼結法で造形する場合のレーザー光の強度、レーザー光の走査速度、及びレーザー光の焦点位置の少なくとも1つが挙げられるが、これらに限られるものではない。
ステップS108では、ステップS106で取得したテーブルデータを参照して、ボクセル毎に造形条件を設定する。すなわち、ステップS104でボクセル毎に設定された特性値に対応する造形条件を、ステップS106で取得したテーブルデータを参照して設定する。これにより、ボクセル毎に造形条件が設定されたボクセルデータが生成される。
ステップS110では、ステップS108で生成されたボクセルデータに基づいて、造形材料の吐出経路を表す経路データを生成すると共に、サポート材データに基づいてサポート材の吐出経路を表す経路データを生成する。
図8には、造形材料の吐出経路の一例を矢印で示した。図8の例では、ボクセル50毎に造形材料の吐出経路が矢印で表されている。各経路の矢印の太さは、吐出された造形材料によって形成された線の太さを表す。すなわち、硬度が高いほど造形速度が遅く設定されるため、吐出される造形材料によって形成される線は太くなる。
従来では、三次元形状の部位毎に、硬度に応じた形状を指定して三次元形状データを生成する必要があり手間がかかっていた。例えば硬度が高くなるほど形状の太さを太くすることで硬度を部位毎に調整していた。
これに対し、本実施形態では、三次元形状の部位毎に形状を指定することなく造形条件を硬度に応じて設定するので、三次元形状データの生成の手間が抑制される。
三次元造形装置100の取得部110は、三次元形状データの生成装置10が生成した造形材料及びサポート材の経路データを取得する。また、制御部112は、取得部110が取得した経路データに従って造形材料及びサポート材が吐出されるように、吐出ヘッド駆動部104を駆動して吐出ヘッド102を二次元に走査させると共に、吐出ヘッド102による造形材料及びサポート材の吐出を制御する。
制御部112は、造形材料を吐出させる制御を行う際には、生成装置10が生成した三次元形状データで表されるボクセル毎に設定された造形条件で造形材料が吐出されるように制御する。すなわち、硬度が低くなるに従って造形速度が速くなり、硬度が高くなるに従って造形速度が遅くなるように制御する。
なお、ステップS110で造形材料の経路データを生成する際に、例えばマーチングキューブ法等の平滑化手法を用いて三次元形状の表面を平滑化した形状に沿って経路を設定してもよい。図9には、マーチングキューブ法を用いて三次元形状の表面、すなわち外周を平滑化した形状に沿って設定された経路54を示した。
また、図10に示すように、平滑化した三次元形状の外周に沿って連続的に造形材料を吐出する経路56を設定してもよい。
また、特性値が硬度に加えて隣接ボクセルとの結合度も含む場合、隣接ボクセルとの結合度に応じて三次元形状を造形する際の経路を設定するようにしてもよい。
この場合、ステップS104において、硬度に加えて、ボクセル毎に、ボクセルの各面に隣接ボクセルとの結合度を設定する。ボクセルが直方体の場合は、ボクセルは6個の面で構成されるため、6個の面の各々について隣接ボクセルとの結合度を設定する。
図11には、ボクセル毎に隣接ボクセルとの結合度を設定した例を示した。例えばボクセル50Aについては、隣接ボクセルであるボクセル50Bと接する面及びボクセル50Cと接する面に結合度「0」が各々設定され、ボクセル50Dと接する面には結合度「100」が設定され、ボクセル50Eと接する面には結合度「50」が設定されている。なお、結合度の値が大きいほど隣接ボクセルとの結合度が高いことを表す。
そして、ステップS110では、結合度を用いてボクセル単位の経路を設定してもよい。具体的には、結合度が強い面に向かうようにボクセル単位の経路が設定される。例えば図11の例の場合、破線で示すようなボクセル単位の経路58が設定される。
また、結合度に応じて、結合度が設定された面の経路の造形条件を調整してもよい。例えば、結合度が高くなるに従って、結合度が設定された面の経路の硬度が高くなるように造形速度を調整してもよい。
例えば図12に示す例では、ボクセル50Dの、隣接するボクセル50Aと接する面に結合度「100」が設定されているため、結合度「100」が設定された面の経路54Aについては、硬度「3」に対応した造形速度から予め定めた補正量を減算した造形速度に設定する。なお、補正量は、結合度が高くなるに従って多くなり、結合度が低くなるに従って少なくなるように設定される。これにより、図11に示す経路54Bの造形速度よりも、図12に示す経路54Aの造形速度の方が遅くなり、硬度が高くなる。
以上、各実施形態を用いて本発明について説明したが、本発明は各実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本実施形態では、三次元形状データを生成する生成装置10と三次元形状データに基づいて三次元形状を造形する三次元造形装置100とが別個の構成の場合について説明したが、三次元造形装置100が生成装置10の機能を備えた構成としてもよい。
すなわち、三次元造形装置100の取得部110がボクセルデータを取得し、制御部112が図5の生成処理を実行して三次元形状データを生成してもよい。
また、例えばボクセルの解像度よりも三次元造形装置100の造形の解像度の方が低い場合、すなわち、ボクセルのサイズよりも三次元造形装置100の造形材料の吐出間隔の方が小さい場合は、図5のステップS108において、複数のボクセルの特性値の平均値を算出し、算出した平均値に対応した造形条件を複数のボクセルの各々に設定するようにしてもよい。
また、例えば、図5に示した三次元形状データの生成処理をASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウエアで実現するようにしてもよい。この場合、ソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。
また、各実施形態では、三次元形状データの生成プログラムが記憶部20にインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本実施形態に係る三次元形状データの生成プログラムを、コンピュータ読取可能な記憶媒体に記録した形態で提供してもよい。例えば、本発明に係る三次元形状データの生成プログラムを、CD(Compact Disc)−ROM及びDVD(Digital Versatile Disc)−ROM等の光ディスクに記録した形態、若しくはUSB(Universal Serial Bus)メモリ及びメモリカード等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。また、本実施形態に係る三次元形状データの生成プログラムを、通信部18に接続された通信回線を介して外部装置から取得するようにしてもよい。
1 三次元造形システム
10 生成装置
12 コントローラ
32、40 三次元形状
34、50 ボクセル
100 三次元造形装置
10 生成装置
12 コントローラ
32、40 三次元形状
34、50 ボクセル
100 三次元造形装置
Claims (10)
- 三次元形状を複数のボクセルの集合で表した三次元形状データの前記ボクセル毎に特性値を設定する特性値設定部と、
前記三次元形状を造形する三次元造形装置の造形条件と前記特性値との対応関係を取得する取得部と、
前記対応関係を用いて、前記特性値に対応する前記造形条件を前記ボクセル毎に設定する造形条件設定部と、
を備えた三次元形状データの生成装置。 - 前記特性値設定部は、硬度、密度、色度、比熱、電気抵抗率、及び隣接ボクセルとの結合度の少なくとも1つに関する値を前記特性値として前記ボクセル毎に設定する
請求項1記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記特性値は、前記隣接ボクセルとの結合度であり、
前記造形条件設定部は、前記隣接ボクセルとの結合度に応じて前記三次元形状を造形する際の経路を設定する
請求項2記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記造形条件設定部は、前記結合度に応じて、前記結合度が設定された面の経路の造形条件を調整する
請求項3記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記造形条件設定部は、前記特性値に応じて、前記三次元形状を熱溶解積層法で造形する場合の造形速度、造形材料の送り速度、前記造形材料を吐出する吐出ヘッドと前記三次元形状が造形される造形台との距離、前記吐出ヘッドの温度、及び前記造形材料の走査間隔の少なくとも1つを前記造形条件として前記ボクセル毎に設定する
請求項1〜4の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記造形条件設定部は、前記特性値に応じて、前記三次元形状をレーザー焼結法で造形する場合のレーザー光の強度、前記レーザー光の走査速度、及び前記レーザー光の焦点位置の少なくとも1つを前記造形条件として前記ボクセル毎に設定する
請求項1〜4の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記三次元形状の表面を平滑化する平滑化部
を備えた請求項1〜6の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記造形条件設定部は、前記平滑化部により平滑化された形状の外周に沿って前記三次元形状を造形する際の経路を設定する
請求項7記載の三次元形状データの生成装置。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置により生成された三次元形状データに基づいて三次元形状を造形する造形部
を備えた三次元造形装置。 - コンピュータを、請求項1〜8の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置の各部として機能させるための三次元形状データの生成プログラム。
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