JP2018034421A - 三次元造形装置、方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】モデル材の配置にかかわらず、サポート材を高速に且つ適切な位置に配置可能な三次元造形装置、方法及びプログラムを提供する。【解決手段】ＸＹ平面及びＺ方向からなる三次元空間内に配置される、三次元造形物１００のＺ方向の最大位置１５６を算出する。算出された最大位置１５６よりも低い位置の集合体である射影空間（１５８）を含む部分空間（１６０）内にサポート材１０６を配置した後、三次元造形物１００の位置に対応するサポート材１０６をモデル材１０４に置換することで、部分空間（１６０）内におけるモデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する。【選択図】図７

Description

本発明は、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層して得た造形中間物から前記サポート材を除去することで、前記モデル材により構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置、方法及びプログラムに関する。

近時、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。この種の装置では、造形物を構成する「モデル材」及び造形物の形状を保持する「サポート材」を用いて造形中間物を形成した後、この造形中間物からサポート材を除去することで、所望の造形物を生成する。

特許文献１では、三次元の作業領域内におけるモデル材の存否をブール値で表現し、当該ボクセルデータを用いてサポート材の配置を決定する方法及び装置が提案されている。具体的には、注目スライスよりも上方にある全部のスライスにおけるブール値の和（ブール和）を算出した後、当該ブール和と、注目スライスにおけるブール値の差（ブール差）が非０である領域にサポート材を配置する旨が概ね記載されている。

特許第３５４５４２１号公報（請求項１、図１９等）

しかしながら、特許文献１で提案される方法等では、ブール演算の採用による処理の高速化が見込まれる反面、すべてのスライスに対して上記した演算を行う必要がある。この結果、トータルとしての演算量は大きくなり、その分だけ処理時間が掛かってしまうという問題があった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、モデル材の配置にかかわらず、サポート材を高速に且つ適切な位置に配置可能な三次元造形装置、方法及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る「三次元造形装置」は、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層して得た造形中間物から前記サポート材を除去することで、前記モデル材により構成される三次元造形物を生成する装置であって、二次元平面及び高さ方向からなる三次元空間内に配置される、前記三次元造形物の高さ方向の最大位置を算出する位置算出部と、前記位置算出部により算出された前記最大位置よりも低い位置の集合体である射影空間を含む部分空間内に前記サポート材を配置した後、前記三次元造形物の位置に対応する前記サポート材を前記モデル材に置換することで、前記部分空間内における前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する配置決定部を備える。

このように、高さ方向からの射影空間を含む部分空間内にサポート材を配置した後、三次元造形物の位置に対応するサポート材をモデル材に置換するので、２回にわたる配置処理を通じてモデル材及びサポート材を容易に配置可能となり、しかもモデル材とサポート材の接触面には演算誤差等に起因する隙間が生じなくなる。これにより、モデル材の配置にかかわらず、サポート材を高速に且つ適切な位置に配置できる。

また、前記配置決定部は、前記三次元空間を示す作業領域のうち前記部分空間に対応する部分領域内に、前記サポート材の配置を示すボクセル値を書き込むことで第１ボクセルデータを作成する第１データ作成部と、前記第１データ作成部により作成された前記第１ボクセルデータの前記部分領域に、前記三次元造形物を示すスライス群データを上書きすることで、前記造形中間物を示す第２ボクセルデータを作成する第２データ作成部を有することが好ましい。

また、前記位置算出部は、前記作業領域内に前記スライス群データを書き込んだ後、二次元平面の位置毎に、高さ方向の上側から下側に向かって前記作業領域内のボクセル値を順次判別することで前記最大位置を算出することが好ましい。最大位置の算出の際に作業領域をそのまま利用することで、メモリ資源の効率化を図ることができる。

また、前記配置決定部は、前記射影空間を二次元平面に沿って拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置し、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定することが好ましい。二次元平面に沿って拡張されたサポート材は、余剰のため掻き出されたモデル材の受け部として機能するからである。

また、前記配置決定部は、前記射影空間を高さ方向の上側に拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置し、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定することが好ましい。高さ方向の上側に拡張されたサポート材は、モデル材の表面粗さを調整する被覆材として機能するからである。

本発明に係る「三次元造形方法」は、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層して得た造形中間物から前記サポート材を除去することで、前記モデル材により構成される三次元造形物を生成する方法であって、二次元平面及び高さ方向からなる三次元空間内に配置される、前記三次元造形物の高さ方向の最大位置を算出する算出ステップと、算出された前記最大位置よりも低い位置の集合体である射影空間を含む部分空間内に前記サポート材を配置した後、前記三次元造形物の位置に対応する前記サポート材を前記モデル材に置換することで、前記部分空間内における前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する配置ステップをコンピュータに実行させる。

また、前記配置ステップは、前記三次元空間を示す作業領域のうち前記部分空間に対応する部分領域内に、前記サポート材の配置を示すボクセル値を書き込むことで第１ボクセルデータを作成する第１作成ステップと、作成された前記第１ボクセルデータの前記部分領域に、前記三次元造形物を示すスライス群データを上書きすることで、前記造形中間物を示す第２ボクセルデータを作成する第２作成ステップを有することが好ましい。

また、前記算出ステップでは、前記作業領域内に前記スライス群データを書き込んだ後、二次元平面の位置毎に、高さ方向の上側から下側に向かって前記作業領域内のボクセル値を順次判別することで前記最大位置を算出することが好ましい。

また、前記第１作成ステップでは、前記射影空間を二次元平面に沿って拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置した状態を示す前記第１ボクセルデータを作成することが好ましい。

また、前記第１作成ステップでは、前記射影空間を高さ方向の上側に拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置した状態を示す前記第１ボクセルデータを作成することが好ましい。

本発明に係る「三次元造形プログラム」は、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層して得た造形中間物から前記サポート材を除去することで、前記モデル材により構成される三次元造形物を生成するためのプログラムであって、二次元平面及び高さ方向からなる三次元空間内に配置される、前記三次元造形物の高さ方向の最大位置を算出する算出ステップと、算出された前記最大位置よりも低い位置の集合体である射影空間を含む部分空間内に前記サポート材を配置した後、前記三次元造形物の位置に対応する前記サポート材を前記モデル材に置換することで、前記部分空間内における前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する配置ステップをコンピュータに実行させる。

本発明に係る三次元造形装置、方法及びプログラムによれば、モデル材の配置にかかわらず、サポート材を高速に適切な位置に且つ配置できる。

この実施形態に係る三次元造形装置の要部を示す概略図である。 図１に示す三次元造形装置の電気ブロック図である。 三次元造形物及び造形中間物の形態を示す図である。 図１及び図２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。 スライス群データの描画内容を示す模式図である。 最大位置の算出方法に関する説明図である。 第１及び第２ボクセルデータの作成方法に関する説明図である。 第２ボクセルデータの作成方法に関する説明図である。 第２ボクセルデータの描画内容を示す模式図である。

以下、本発明に係る三次元造形装置について、三次元造形方法及び三次元造形プログラム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。

［三次元造形装置１０の要部構成］
図１は、この実施形態に係る三次元造形装置１０の要部を示す概略図である。より詳しくは、図１（ａ）は三次元造形装置１０の概略側面図であり、図１（ｂ）は三次元造形装置１０の概略平面図である。本図では、生成途中の三次元造形物１００であるスライス積層体１０２が表記されている。

スライス積層体１０２は、三次元造形物１００の原料・素材であるモデル材１０４と、モデル材１０４を外側又は内側から支持するサポート材１０６とから構成される。つまり、スライス積層体１０２は、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６を含む単位層（「スライス体」ともいう）を鉛直方向に沿って順次積層してなる。以下、スライス積層体１０２の最上面を「スライス面１０８」と称する場合がある。

三次元造形装置１０は、スライス積層体１０２を載置する載置部１２、モデル材１０４及びサポート材１０６の吐出機構を搭載するキャリッジ１４、及び、キャリッジ１４をＸ方向及びＹ方向に駆動させるキャリッジ駆動部１６を含んで構成される。

載置部１２は、平坦な作業面１８を有する載置台２０と、作業面１８の法線方向（Ｚ方向）に載置台２０を移動させるステージ駆動部２２を有する。キャリッジ駆動部１６は、Ｘ方向に沿って平行に延びる一対のガイドレール２４、２４（Ｘバー）と、各ガイドレール２４に沿って移動可能な２つのスライダ２６、２６と、２つのスライダ２６、２６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２８（Ｙバー）を有する。

キャリッジ１４は、該キャリッジ１４を取り付けたキャリッジレール２８に沿って、又は、キャリッジレール２８と一体的に各ガイドレール２４、２４に沿って移動可能に構成される。これにより、キャリッジ１４及び載置台２０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。

キャリッジ１４には、流動性のモデル材１０４及び流動性のサポート材１０６（以下、総称して「液滴３０」ともいう）を作業面１８に向けて吐出する吐出ユニット３２と、スライス面１０８を平坦化する平坦化ローラ３４と、スライス面１０８上の液滴３０を硬化する硬化ユニット３６がそれぞれ搭載される。

吐出ユニット３２の吐出面３８は、作業面１８或いはスライス面１０８に対向する位置関係下にある。吐出ユニット３２は、同一の又は異なる色のモデル材１０４を吐出する複数の吐出ヘッド４０、及び、サポート材１０６を吐出する１つの吐出ヘッド４２を含んで構成される。吐出ヘッド４０、４２による液滴３０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３０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１０４又はサポート材１０６を加熱することで気泡を発生させ、その圧力で液滴３０を吐出する方式を適用してもよい。

各吐出ヘッド４０、４２の吐出面３８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４４を並べたノズル列４６が形成されている。吐出ユニット３２に６つの吐出ヘッド４０が設けられている場合、例えば、６つの吐出ヘッド４０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１０４の液滴３０をそれぞれ吐出する。

硬化ユニット３６は、各種エネルギーを付与することでモデル材１０４の液滴３０を硬化させる装置である。例えば、モデル材１０４が紫外線硬化樹脂である場合、硬化ユニット３６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１０４が熱硬化樹脂である場合、硬化ユニット３６は、熱エネルギーを付与する加熱装置、必要に応じてスライス積層体１０２を冷却する冷却装置を含んで構成される。

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１０６は、三次元造形物１００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。

［三次元造形装置１０の電気ブロック図］
図２は、図１に示す三次元造形装置１０の電気ブロック図である。三次元造形装置１０は、図１にそれぞれ示したキャリッジ駆動部１６、ステージ駆動部２２、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６の他、制御部５０、画像入力Ｉ／Ｆ５２、入力部５４、出力部５６、記憶部５８、三次元駆動部６０、及び駆動回路６２を含んで構成される。

画像入力Ｉ／Ｆ５２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１００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５４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５６は、ディスプレイ又はスピーカを含んで構成される。

記憶部５８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。

三次元駆動部６０は、載置台２０及び吐出ユニット３２の少なくとも一方を駆動することで、載置台２０に対して吐出ユニット３２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６０は、吐出ユニット３２をＸ方向及びＹ方向に移動させるキャリッジ駆動部１６と、載置台２０をＺ方向に移動させるステージ駆動部２２とから構成される。

制御部５０は、三次元造形装置１０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５０は、記憶部５８に格納された「三次元造形プログラム」を読み出し実行することで、作業領域定義部６４、データ処理部６６、位置算出部６８、及び配置決定部７０（第１データ作成部７２及び第１データ作成部７４を有する）を含む各機能を実現可能である。

駆動回路６２は、制御部５０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６２は、吐出ユニット３２の吐出制御を司る吐出制御部７６と、硬化ユニット３６の硬化制御を司る硬化制御部７８とから構成される。

吐出制御部７６は、制御部５０から供給される吐出データに基づき、吐出ヘッド４０、４２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３２側に向けて出力する。硬化制御部７８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３６側に向けて出力する。

［三次元造形物１００及び造形中間物１２０の形態］
図３は、三次元造形物１００及び造形中間物１２０の形態を示す図である。より詳しくは、図３（ａ）は三次元造形物１００の正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った三次元造形物１００の断面図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）に対応する造形中間物１２０の断面図である。この造形中間物１２０は、スライス積層体１０２の完成状態に相当し、サポート材１０６（支持部材１２２）が未だ除去されていない造形物である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、モデル材１０４で構成される三次元造形物１００は、外表面１１２が球面状である本体部１１４と、本体部１１４の内部に形成された球状の空洞部１１６と、空洞部１１６を外部に連通させる連通孔１１８を有する。

図３（ｃ）に示すように、造形中間物１２０は、上記した三次元造形物１００と、三次元造形物１００の内側及び外側から同時に支持する支持部材１２２を有する。支持部材１２２は、三次元造形物１００の下半分側に配される概略鉢状の台座部１２４と、空洞部１１６及び連通孔１１８を埋め尽くす充填部１２６が一体となって構成される。なお、台座部１２４の上面側には、環状の受け部１２８が形成されている。

［三次元造形装置１０の動作］
続いて、図１及び図２に示す三次元造形装置１０の動作、特に三次元造形物１００（図３）の生成動作について、図４のフローチャート及び図５〜図９を適宜参照しながら説明する。

ステップＳ１において、制御部５０は、画像入力Ｉ／Ｆ５２を介して、３Ｄ−ＣＡＤ（Computer Aided Design）データを含む造形データを取得する。例えば、ワイヤフレームモデルの造形データは、三次元造形物１００の三次元フレームを示す形状モデルデータ、及び、外表面１１２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、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。

ステップＳ２において、作業領域定義部６４は、三次元空間を示す作業領域１５０（図５等）を定義する。具体的には、作業領域定義部６４は、図１及び図３に示す「Ｘ方向」「Ｙ方向」「Ｚ方向」をそれぞれ「Ｘ軸」「Ｙ軸」「Ｚ軸」とし、特定の基準位置（例えば、最端点の１つ）を「原点Ｏ」とする作業領域１５０を定義する。これと併せて、作業領域定義部６４は、作業領域１５０を構成するボクセルの解像度（実サイズとの対応付け）も決定しておく。

ステップＳ３において、データ処理部６６は、ステップＳ１で取得された造形データに対してラスタライズ処理を施すことで、作業領域１５０内での定義に従ったスライス群データ１４０を生成する。

図５に示すように、スライス群データ１４０は、Ｚ軸に沿った単位層毎のスライスデータ１４２から構成される。各スライスデータ１４２は、モデル材１０４の液滴３０の有無及び吐出位置を示す二次元画像データである。本図例のスライスデータ１４２は、原点Ｏの近くに配置されたＣ字状の造形領域１４４と、造形領域１４４を除く残りの領域である余白領域１４６をそれぞれ示す。

ここで、造形領域１４４はモデル材１０４が吐出・配置される位置の集合体に相当し、余白領域１４６はモデル材１０４が吐出・配置されない位置の集合体に相当する。造形領域１４４を構成する三次元画素（いわゆる「ボクセル」）には、モデル材１０４の種類を特定する１バイトのボクセル値が書き込まれる。例えば、シアンは「１」、マゼンタは「２」、イエローは「３」、ブラックは「４」、クリアは「５」、ホワイトは「６」と予め設定される。また、余白領域１４６を構成するボクセルには、「吐出なし」を示すボクセル値（０）が書き込まれる。

データ処理部６６は、上記したラスタライズ処理の他、ディザ法・誤差拡散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、打滴数の制限処理等の各種画像処理を実行してもよい。

ステップＳ４において、位置算出部６８は、三次元空間内に配置される三次元造形物１００のＺ方向の最大位置１５６を算出する。以下、予め定義された作業領域１５０を利用して最大位置１５６を算出する方法について、図６を参照しながら詳細に説明する。

図６（ａ）は、三次元造形物１００を示す仮想オブジェクトを作業領域１５０内に配置した模式図である。図６〜図８では、図示の便宜のため、ＸＹＺ座標系のうちＹ軸を省略したＸ軸−Ｚ軸平面で表記する。ここで、サポート材１０６を配置する空間を確保するため、仮想オブジェクトは元の位置に対して（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）だけ平行移動される点に留意する。

Ｃ字状の造形領域１５２は、本体部１１４（図３（ｂ）参照）の直径をＤとするとき、Ｘ軸にて［ΔＸ，Ｄ−ε＋ΔＸ］、Ｙ軸にて［ΔＹ，Ｄ＋ΔＹ］、Ｚ軸にて［ΔＺ，Ｄ＋ΔＺ］の範囲に存在する。εは、連通孔１１８の存在によって減少した、Ｘ軸方向の幅量に相当する。なお、余白領域１５４は、作業領域１５０のうち造形領域１５２を除く残りの領域であり、ボクセル値はいずれも「０」で初期化されている。

図６（ｂ）に示すように、位置算出部６８は、造形領域１５２の上端から十分に離れた位置（アドレス）を起点とし、破線矢印に沿ってボクセル値を順次参照する。そして、ボクセル値が初めて「０」でない位置（アドレス）を最大位置１５６として算出する。ところで、「０≦Ｘ＜ΔＸ」又は「Ｘ＞Ｄ−ε＋ΔＸ」の範囲ではボクセル値がすべて「０」であるため、最大位置１５６は最小値（＝０）と算出される。

このように、位置算出部６８は、作業領域１５０内にスライス群データ１４０を書き込んだ後、Ｘ軸−Ｙ軸平面の位置毎に、Ｚ軸（高さ方向）の正側（上側）から負側（下側）に向かって作業領域１５０内のボクセル値を順次判別することで最大位置１５６を算出してもよい。最大位置１５６の算出の際に作業領域１５０をそのまま利用することで、メモリ資源の効率化を図ることができる。

ステップＳ５において、配置決定部７０は、ステップＳ４で算出された最大位置１５６に基づいて、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する。この配置処理は、［１］第１データ作成部７２による第１ボクセルデータ１７１（図７（ａ）参照）の作成工程、［２］第２データ作成部７４による第２ボクセルデータ１７２ｅ（図８参照）の作成工程から構成される。

図７（ａ）に示すように、第１データ作成部７２は、作業領域１５０のうちハッチングで示す射影領域１５８内にて同一のボクセル値（＝７）をすべて書き込む。なお、射影領域１５８は、位置算出部６８により算出された最大位置１５６よりも低い位置（アドレス）の集合である。また、「７」は、サポート材１０６の吐出・配置を示すボクセル値に相当する。

このようにして、第１データ作成部７２は、三次元空間を示す作業領域１５０のうち射影領域１５８を含む部分領域１６０内に、サポート材１０６の配置を示すボクセル値を書き込むことで第１ボクセルデータ１７１を作成する。この実施形態では、部分領域１６０は、射影領域１５８に完全に一致している。

次いで、図７（ｂ）に示すように、第２データ作成部７４は、第１ボクセルデータ１７１の部分領域１６０にスライス群データ１４０を上書きすることで、第２ボクセルデータ１７２を作成する。このとき、部分領域１６０と造形領域１５２が重複する領域（造形領域１５２）では、ボクセル値が「サポート材１０６」から「モデル材１０４」に置換される。一方、部分領域１６０と造形領域１５２が重複しない領域（支持領域１６２）では、ボクセル値が「サポート材１０６」のまま維持される。

次いで、図８に示すように、第２データ作成部７４は、支持領域１６２に隣接する特定の領域（以下、拡張領域１６４、１６６）内にて同一のボクセル値（＝７）をすべて書き込むことで、第２ボクセルデータ１７２を更新する。ここで、拡張領域１６４、１６６はいずれも、余白領域１５４に接する支持領域１６２の一部を、Ｘ軸−Ｙ軸平面に沿って外方に所定量（ΔＸ）だけ拡張した領域に相当する。具体的には、拡張領域１６４は［０，ΔＸ］の範囲まで拡張した領域であり、拡張領域１６６は［Ｄ−ε＋ΔＸ，Ｄ−ε＋２ΔＸ］の範囲まで拡張した領域である。

図９に示すように、更新された第２ボクセルデータ１７２ｅは、Ｚ軸に沿った単位層毎のスライスデータ１８０から構成される。各スライスデータ１８０は、モデル材１０４及びサポート材１０６の液滴３０の有無及び吐出位置を示す二次元画像データである。本図例のスライスデータ１８０は、原点Ｏの近くに配置されたＣ字状の造形領域１５２と、造形領域１５２を隙間なく囲繞する支持領域１６２と、造形領域１５２及び支持領域１６２を除く残りの領域である余白領域１５４をそれぞれ示す。

ステップＳ６において、三次元造形装置１０は、ステップＳ５で作成された第２ボクセルデータ１７２ｅ（最終的な吐出データ）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１０は、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層をＺ方向に沿って順次積層することでスライス積層体１０２を生成する。
つまり、［１］吐出ユニット３２による液滴３０の吐出、［２］平坦化ローラ３４によるスライス面１０８の平坦化、［３］硬化ユニット３６による液滴３０の硬化、及び［４］スライス積層体１０２の成長、が順次実行される。ここで、［２］平坦化ローラ３４によるスライス面１０８の平坦化は毎回必ず実行する必要はなく、複数回に１度実行してもよい。最後に、スライス積層体１０２の完成状態である造形中間物１２０（図３（ｃ）参照）を得る。

ところで、三次元造形装置１０は、造形中間物１２０を生成する過程で、スライス面１０８に沿って平坦化ローラ３４を移動させることで、スライス面１０８を平坦化させると共に、余剰のモデル材１０４を外側に掻き出す。そうすると、掻き出されたモデル材１０４は、載置台２０上に垂れ落ちることなく受け部１２８の上に留まる。

このように、配置決定部７０は、射影領域１５８をＸＹ平面（二次元平面）に沿って拡張させた部分領域１６０内にサポート材１０６を配置し、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定してもよい。ＸＹ平面に沿って拡張されたサポート材１０６は、余剰のため掻き出されたモデル材１０４の受け部１２８として機能するからである。なお、サポート材１０６は、隙間なく配置されることが好ましいが、隙間を形成する構成で配置させても構わない。

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１２０に対してサポート材１０６の除去処理を施すことで、図３（ａ）（ｂ）に示す三次元造形物１００を生成する。この除去処理は、サポート材１０６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。

ところで、三次元造形物１００の表面の光沢性が、その外形に依存して局所的に変化することがあり得る。具体的には、サポート材１０６との接触があった面は、接触がなかった面よりも非光沢性が強く現われる傾向がみられる。そこで、三次元造形物１００の外表面１１２の全体にわたってサポート材１０６を被覆することで、上記した光沢性を均質化することができる。

すなわち、配置決定部７０は、射影領域１５８をＺ方向（高さ方向）の上側に拡張させた部分領域１６０内にサポート材１０６を配置し、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定してもよい。Ｚ方向の上側に拡張されたサポート材１０６は、モデル材１０４の表面粗さを調整する被覆材として機能するからである。

［三次元造形装置１０による効果］
以上のように、三次元造形装置１０は、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６を含む単位層をＺ方向に沿って順次積層して得た造形中間物１２０からサポート材１０６を除去することで、モデル材１０４により構成される三次元造形物１００を生成する装置である。

そして、この三次元造形装置１０は、［１］ＸＹ平面（二次元平面）及びＺ方向（高さ方向）からなる三次元空間内に配置される、三次元造形物１００のＺ方向の最大位置１５６を算出する位置算出部６８と、［２］算出された最大位置１５６よりも低い位置の集合体である射影空間（１５８）を含む部分空間（１６０）内にサポート材１０６を配置した後、三次元造形物１００の位置に対応するサポート材１０６をモデル材１０４に置換することで、部分空間（１６０）内におけるモデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する配置決定部７０と、を備える。

具体的には、配置決定部７０は、作業領域１５０のうち部分領域１６０内に、サポート材１０６の配置を示すボクセル値を書き込むことで第１ボクセルデータ１７１を作成する第１データ作成部７２と、作成された第１ボクセルデータ１７１の部分領域１６０に、三次元造形物１００を示すスライス群データ１４０を上書きすることで、造形中間物１２０を示す第２ボクセルデータ１７２ｅを作成する第２データ作成部７４を有する。

また、この三次元造形方法及びプログラムは、Ｚ方向の最大位置１５６を算出する算出ステップ（図４のステップＳ４）と、部分領域１６０内におけるモデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する配置ステップ（図４のステップＳ５）を、コンピュータとしての三次元造形装置１０に実行させる。

このように構成するので、２回にわたる配置処理を通じてモデル材１０４及びサポート材１０６を容易に配置可能となり、しかもモデル材１０４とサポート材１０６の接触面には演算誤差等に起因する隙間が生じなくなる。これにより、モデル材１０４の配置にかかわらず、サポート材１０６を適切な位置に且つ高速に配置できる。

［備考］
なお、この発明は、上述した実施形態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。

この実施形態では、第２データ作成部７４は、第１ボクセルデータ１７１の部分領域１６０にスライス群データ１４０を上書きした後に支持領域１６２を拡張するデータ処理を行っているが、この処理順番に限られない。例えば、図７（ａ）に示す部分領域１６０の端点Ｅ１、Ｅ２から外方に拡張する補外処理を行った後にスライス群データ１４０を上書きしてもよい。

この実施形態では、三次元造形装置１０に「三次元造形プログラム」を実行させているが、このシステム構成に限られない。例えば、別体のコンピュータが当該プログラムを実行することで第２ボクセルデータ１７２ｅを作成した後、三次元造形装置１０に向けて送信する構成を採ってもよい。

この実施形態では、載置台２０及び吐出ユニット３２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。

この実施形態では、インクジェット方式の三次元造形装置１０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。

１０‥三次元造形装置 １２‥載置部
１４‥キャリッジ １６‥キャリッジ駆動部
１８‥作業面 ２０‥載置台
２２‥ステージ駆動部 ２４‥ガイドレール
２６‥スライダ ２８‥キャリッジレール
３０‥液滴 ３２‥吐出ユニット
３４‥平坦化ローラ ３６‥硬化ユニット
３８、４０‥吐出ヘッド ４２‥ノズル
４４‥ノズル列 ５０‥制御部
６０‥三次元駆動部 ６２‥駆動回路
６４‥作業領域定義部 ６６‥吐出データ生成部
６８‥配置処理部 ７０‥位置算出部
７２‥第１データ作成部 ７４‥第２データ作成部
７６‥吐出制御部 ７８‥硬化制御部
１００‥三次元造形物 １０２‥スライス積層体
１０４‥モデル材 １０６‥サポート材
１０８‥スライス面 １２０‥造形中間物
１２２‥支持部材 １２４‥台座部
１２６‥充填部 １２８‥受け部
１４０‥スライス群データ １４２、１８０‥スライスデータ
１４４、１５２‥造形領域 １４６、１５４‥余白領域
１５０‥作業領域 １５６‥最大位置
１５８‥射影領域（射影空間） １６０‥部分領域（部分空間）
１６２‥支持領域 １６４、１６６‥拡張領域
１７１‥第１ボクセルデータ １７２、１７２ｅ‥第２ボクセルデータ

Claims (11)

1. モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層して得た造形中間物から前記サポート材を除去することで、前記モデル材により構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置であって、
   二次元平面及び高さ方向からなる三次元空間内に配置される、前記三次元造形物の高さ方向の最大位置を算出する位置算出部と、
   前記位置算出部により算出された前記最大位置よりも低い位置の集合体である射影空間を含む部分空間内に前記サポート材を配置した後、前記三次元造形物の位置に対応する前記サポート材を前記モデル材に置換することで、前記部分空間内における前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する配置決定部と
   を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記配置決定部は、
   前記三次元空間を示す作業領域のうち前記部分空間に対応する部分領域内に、前記サポート材の配置を示すボクセル値を書き込むことで第１ボクセルデータを作成する第１データ作成部と、
   前記第１データ作成部により作成された前記第１ボクセルデータの前記部分領域に、前記三次元造形物を示すスライス群データを上書きすることで、前記造形中間物を示す第２ボクセルデータを作成する第２データ作成部と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記位置算出部は、前記作業領域内に前記スライス群データを書き込んだ後、二次元平面の位置毎に、高さ方向の上側から下側に向かって前記作業領域内のボクセル値を順次判別することで前記最大位置を算出することを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
4. 前記配置決定部は、前記射影空間を二次元平面に沿って拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置し、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定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装置。
5. 前記配置決定部は、前記射影空間を高さ方向の上側に拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置し、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
6. モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層して得た造形中間物から前記サポート材を除去することで、前記モデル材により構成される三次元造形物を生成する三次元造形方法であって、
   二次元平面及び高さ方向からなる三次元空間内に配置される、前記三次元造形物の高さ方向の最大位置を算出する算出ステップと、
   算出された前記最大位置よりも低い位置の集合体である射影空間を含む部分空間内に前記サポート材を配置した後、前記三次元造形物の位置に対応する前記サポート材を前記モデル材に置換することで、前記部分空間内における前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する決定ステップと
   をコンピュータに実行させることを特徴とする三次元造形方法。
7. 前記配置ステップは、
   前記三次元空間を示す作業領域のうち前記部分空間に対応する部分領域内に、前記サポート材の配置を示すボクセル値を書き込むことで第１ボクセルデータを作成する第１作成ステップと、
   作成された前記第１ボクセルデータの前記部分領域に、前記三次元造形物を示すスライス群データを上書きすることで、前記造形中間物を示す第２ボクセルデータを作成する第２作成ステップと
   を有することを特徴とする請求項６に記載の三次元造形方法。
8. 前記算出ステップでは、前記作業領域内に前記スライス群データを書き込んだ後、二次元平面の位置毎に、高さ方向の上側から下側に向かって前記作業領域内のボクセル値を順次判別することで前記最大位置を算出することを特徴とする請求項７に記載の三次元造形方法。
9. 前記決定ステップでは、前記射影空間を二次元平面に沿って拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置し、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
10. 前記決定ステップでは、前記射影空間を高さ方向の上側に拡張させた前記部分空間内に前記サポート材を配置し、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
11. モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を鉛直方向に沿って順次積層して得た造形中間物から前記サポート材を除去することで、前記モデル材により構成される三次元造形物を生成するための三次元造形プログラムであって、
    二次元平面及び高さ方向からなる三次元空間内に配置される、前記三次元造形物の高さ方向の最大位置を算出する算出ステップと、
    算出された前記最大位置よりも低い位置の集合体である射影空間を含む部分空間内に前記サポート材を配置した後、前記三次元造形物の位置に対応する前記サポート材を前記モデル材に置換することで、前記部分空間内における前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する配置ステップと
    をコンピュータに実行させることを特徴とする三次元造形プログラム。

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