JP2020040219A - 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
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 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状を造形することができる。【解決手段】三次元形状データの生成装置10は、第1の属性が各々設定された複数の第1のボクセルで表される三次元形状の三次元形状データを取得し、第1の属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置100で対応可能な第2の属性と異なる場合、第1のボクセルと等価となるように、第1のボクセルを第2の属性が設定された複数の第2のボクセルに置換する。【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、マルチマテリアル・アディティブ・マニュファクチャリングにより堆積される異なる機械的特性を有する少なくとも2つのモデリング材料の組み合わせで形成されるデジタル材料を有する身体部位の物理的再構築物であって、モデリング材料の前記組み合わせは、ボクセル単位で前記身体部位の機械的特性を模倣するように構成され、前記ボクセルは、前記身体部位の画像データに基づいて定義される、物理的再構築物が開示されている。
三次元形状を表すボクセルに設定された属性(例えば色)が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合、ボクセルに設定された属性と最も近似している属性の造形材料で三次元形状を造形することが考えられる。
しかしながら、最も近似している属性の造形材料で三次元形状を造形したとしても、元の三次元形状の属性と等価な属性とはならず、所望の属性の三次元形状を造形できない場合がある。
本発明は、三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状を造形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、前記第1の属性が、前記三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な第2の属性と異なる場合、前記第1のボクセルと等価となるように、前記第1のボクセルを前記第2の属性が設定された複数の第2のボクセルに置換する置換部と、を備える。
請求項2記載の発明は、前記複数の第2のボクセルには、複数の異なる第2の属性が各々設定され、前記置換部は、前記第1の属性が設定された前記第1のボクセルを、前記複数の異なる第2の属性が各々設定された複数の第2のボクセルに置換する。
請求項3記載の発明は、前記複数の第2のボクセルを組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第1のボクセルのサイズと同一である。
請求項4記載の発明は、前記置換部は、前記第1の属性が設定された前記第1のボクセルを、前記第2の属性が設定された少なくとも1つの第2のボクセルと、少なくとも1つの中空のボクセルと、に置換する。
請求項5記載の発明は、少なくとも1つの第2のボクセルと、少なくとも1つの中空のボクセルと、を組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第1のボクセルのサイズと同一である。
請求項6記載の発明は、前記第1の属性及び前記第2の属性は、色及び硬度の少なくとも1つである。
請求項7記載の発明の三次元造形装置は、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と、を備える。
請求項8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1〜6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、7、8記載の発明によれば、三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する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2記載の発明によれば、複数の第2のボクセルの第2の属性が全て同一の場合と比較して、精度良く元の三次元形状の属性と等価な属性を有する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3記載の発明によれば、複数の第2のボクセルを組み合わせたボクセル集合のサイズが、第1のボクセルのサイズと異なる場合と比較して、元の三次元形状のサイズと同じサイズの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4記載の発明によれば、複数の第2のボクセルに複数の異なる第2の属性が各々設定される場合と比較して、造形材料の種類を抑制できる、という効果を有する。
請求項5記載の発明によれば、少なくとも1つの第2のボクセルと、少なくとも1つの中空のボクセルと、を組み合わせたボクセル集合のサイズが、第1のボクセルのサイズと異なる場合と比較して、元の三次元形状のサイズと同じサイズの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6記載の発明によれば、三次元形状を表すボクセルに設定された色及び硬度の少なくとも1つの属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する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。
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、取得部及び置換部の一例である。
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)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。
また、本実施形態では、各ボクセルには、材料及び色の少なくとも1つを含む属性が各々設定されている。
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)、紫外線硬化インクをノズルから吐出し、インク着弾後に紫外線を照射してインクを硬化させるUVインクジェット法等が適用されるが、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、複数の吐出ヘッド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、吐出ヘッド102は、複数種類の属性の造形材料に対応して複数の造形材吐出ヘッドを備える。ここで、属性には、例えば色及び硬度の少なくとも1つが含まれるが、これらに限られるものではない。
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サポート材データを取得する。
制御部112は、取得部110が取得した三次元形状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であり、第1の属性が各々設定された複数の第1のボクセルで表される三次元形状の三次元形状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、三次元造形装置100に対して、三次元造形装置100で対応可能な第2の属性を要求する。三次元造形装置100は、自装置で対応可能な第2の属性を生成装置10へ送信する。これにより、生成装置10では、三次元造形装置100で対応可能な属性が取得される。ここで、第1の属性及び第2の属性は、色及び硬度の少なくとも一方が含まれるが、以下では、第1の属性及び第2の属性の種類が色である場合について説明する。
ステップS104では、ステップS100で取得したボクセルデータの各ボクセルに設定された第1の属性と、ステップS102で取得した三次元造形装置100で対応可能な第2の属性と、が異なるボクセルが存在するか否かを判定する。例えば、三次元造形装置100で対応可能な第2の属性が「白」及び「黒」である場合において、第1の属性が「グレー」であるボクセルが存在する場合には、ステップS104の判定は肯定される。一方、第1の属性が「白」又は「黒」のみのボクセルしか存在しない場合には、ステップS104の判定は否定される。
そして、三次元造形装置100で対応可能な第2の属性と異なる第1の属性を有するボクセルが存在する場合は、ステップS106へ移行し、各ボクセルに設定された第1の属性の全てが第2の属性と同じ場合は、ステップS108へ移行する。
ステップS106では、第1の属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置100で対応可能な第2の属性と異なる場合、第1のボクセルと等価となるように、第1のボクセルを第2の属性が設定された複数の第2のボクセルに置換する。ここで、第1のボクセルと等価な複数の第2のボクセルとは、置換された複数の第2のボクセルで表される属性が、元の第1のボクセルの属性と実質的に同じ属性であること、または、元の第1のボクセルの属性と比較して許容範囲内の属性であることをいう。
具体的には、例えば図6に示すような置換テーブルTを用いて、第1のボクセルを複数の第2のボクセルに置換する。
図6に示すように、置換テーブルTは、第1の属性、第2の属性、及び構造情報の対応関係を表すテーブルデータである。ここで、構造情報とは、置換後の複数の第2のボクセルの構造に関する情報である。具体的には、構造情報は、置換後の複数の第2のボクセルの個数、サイズ、及び配置の少なくとも1つに関する情報である。
例えば図6に示すように、置換テーブルTの1行目に定義された対応関係では、第1の属性「A」に、第2の属性として「C」、「D」が対応付けられている。この場合、図7に示すように、第1の属性「A」が設定された第1のボクセル50Aは、第2の属性「C」が設定された第2のボクセル52Cと、第2の属性「D」が設定された第2のボクセル52Dと、に置換される。
また、図6に示すように、第1の属性「A」には、構造情報として「構造1」が対応付けられている。ここで、「構造1」は、例えば、図7に示すように、第1のボクセル50Aを置換する場合の第2のボクセル52C、52Dの合計の個数が「4」であり、第2のボクセル52C、52Dのサイズが第1のボクセル50Aの1/4であり、複数の異なる第2の属性が各々設定された複数の第2のボクセル52C、52Dが均等に配置されること、を表す情報である。
これにより、図7に示すように、第1のボクセル50Aが、第2の属性が「C」である2個の第2のボクセル52Cと、第2の属性が「D」である2個の第2のボクセル52Dと、を組み合わせたボクセル集合52に置換される。ここで、ボクセル集合52のサイズは、第1のボクセル50Aのサイズと同一である。これにより、置換後に三次元形状のサイズが異なってしまうことがない。
例えば第1の属性「A」が「グレー」、第2の属性「C」が「黒」、第2の属性「D」が「白」であった場合に、構造情報「構造1」に基づいて第1のボクセル50Aを複数の第2のボクセル52C、52Dを組み合わせたボクセル集合52に置換すると、ボクセル集合52は、第1のボクセル50Aと等価となる。
また、別の例として、置換テーブルTの2行目に定義された対応関係では、第1の属性「B」に、第2の属性として「E」が対応付けられている。また、第1の属性「B」には、構造情報として「構造2」が対応付けられている。ここで、「構造2」は、例えば、図7に示すように、置換後の複数の第2のボクセル52Eの個数が「3」であり、第2のボクセルのサイズが第1のボクセル50Aの1/4であり、第1のボクセル50Aの1/4のサイズである中空のボクセル52Xを1個含むこと、を表す情報である。これにより、図7に示すように、第1のボクセル50Aが、第2の属性が「E」である3個の第2のボクセル52Eと、1個の中空のボクセル52Xと、を組み合わせたボクセル集合52Aに置換される。ここで、ボクセル集合52Aのサイズは、第1のボクセル50Aのサイズと同一である。これにより、置換後に三次元形状のサイズが異なってしまうことがない。
例えば第1の属性「B」が「グレー」、第2の属性「E」が「黒」であった場合に、構造情報「構造2」に基づいて第1のボクセル50Aを複数の第2のボクセル52E及び中空のボクセル52Xを組み合わせたボクセル集合52Aに置換すると、ボクセル集合52Aは、第1のボクセル50Aと等価となる。
なお、上記の「構造1」、「構造2」は構造情報の一例であり、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で属性を置換したボクセルデータを三次元造形装置100に送信する。
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から送信された生成したボクセルデータを取得する。また、制御部112は、取得部110が取得したボクセルデータに従って造形材料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による造形材料の吐出を制御する。これにより、三次元形状が造形される。
このように、本実施形態では、第1の属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置100で対応可能な第2の属性と異なる場合、第1のボクセルと等価となるように、第1のボクセルを第2の属性が設定された複数の第2のボクセルに置換する。これにより、三次元形状を表すボクセルに設定された属性が、三次元形状を造形する三次元造形装置100で対応可能な属性と異なる場合でも、元の三次元形状の属性と等価な属性を有する三次元形状が造形される。
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、属性が色の場合におけるボクセルの置換について説明したが、属性が硬度の場合も同様に、第1のボクセルを、第1のボクセルと等価な複数の第2のボクセルに置換すればよい。
また、図7の例では、複数の第2のボクセルのサイズが全て同一の場合について説明したが、複数の第2のボクセルのサイズが全て同一でなくてもよい。
また、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、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、50A、50C、50D、50E、50X ボクセル
100 三次元造形装置
52、52A ボクセル集合
10 生成装置
12 コントローラ
32、40 三次元形状
34、50A、50C、50D、50E、50X ボクセル
100 三次元造形装置
52、52A ボクセル集合
Claims (8)
- 第1の属性が各々設定された複数の第1のボクセルで表される三次元形状の三次元形状データを取得する取得部と、
前記第1の属性が、前記三次元形状を造形する三次元造形装置で対応可能な第2の属性と異なる場合、前記第1のボクセルと等価となるように、前記第1のボクセルを前記第2の属性が設定された複数の第2のボクセルに置換する置換部と、
を備えた三次元形状データの生成装置。 - 前記複数の第2のボクセルには、複数の異なる第2の属性が各々設定され、
前記置換部は、前記第1の属性が設定された前記第1のボクセルを、前記複数の異なる第2の属性が各々設定された複数の第2のボクセルに置換する
請求項1記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記複数の第2のボクセルを組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第1のボクセルのサイズと同一である
請求項2記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記置換部は、前記第1の属性が設定された前記第1のボクセルを、前記第2の属性が設定された少なくとも1つの第2のボクセルと、少なくとも1つの中空のボクセルと、に置換する
請求項1記載の三次元形状データの生成装置。 - 少なくとも1つの第2のボクセルと、少なくとも1つの中空のボクセルと、を組み合わせたボクセル集合のサイズが、前記第1のボクセルのサイズと同一である
請求項4記載の三次元形状データの生成装置。 - 前記第1の属性及び前記第2の属性は、色及び硬度の少なくとも1つである
請求項1〜5の何れか1項に記載の三次元形状データの生成装置。 - 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と、
を備えた三次元造形装置。 - コンピュータを、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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