JP2018164984A - 立体物造形装置および立体物造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物の表面における縦スジの抑制を図ることが可能なインク吐出データの簡便な作成手法を提供する。【解決手段】吐出された後に固化して立体的なドットとなるインクを積み重ねることで立体物の造形に際して、立体物の立体物層ごとにインクを吐出するためのインク吐出データを、立体物層ごとに取得した造形データを用いて作成する。このインク吐出データの作成には、ディザ法による造形データのハーフトーン処理を実行し、重なり合う立体物層の各層のハーフトーン処理では、インクが積み重なる立体物層の各層の同じ位置には、ディザマスクを異なる態様で適用する。【選択図】図９

Description

本発明は、立体物造形装置および立体物造形方法に関する。

立体物造形装置として、３Ｄ（三次元）プリンターが知られている。３Ｄ（三次元）プリンターは、吐出された後に固化して立体的なドットとなるインクを吐出し、吐出したインクを積み重ねることで立体物の造形を行う。特許文献１では、各層の層内と上下に重なる層間とにおいて、造形物の造形データを誤差拡散法によるハーフトーン処理に処して、各層ごとのインク吐出データを作成する手法が提案されている。

特開２０１５−４４２９９号公報

特許文献１で提案されたデータ作成手法は、立体造形物の表面における縦スジの抑制に有益であるものの、誤差拡散法によるハーフトーン処理を、各層の層内のみならず、上下に重なる層間においても実行している。このため、誤差拡散法による複雑なハーフトーン処理を吐出データ作成に当たって複数回必要とし、演算負荷が高まる。こうしたことから、立体造形物の表面における縦スジの抑制を図ることが可能なインク吐出データを簡便な処理にて作成可能なデータ作成手法が要請されるに到った。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、立体物造形装置が提供される。この立体物造形装置は、吐出された後に固化して立体的なドットとなるインクを積み重ねることで立体物の造形を行なう立体物造形装置であって、前記インクを吐出するノズルと、前記立体物の造形データを立体物層ごとに取得するデータ取得部と、前記立体物層ごとに前記インクを吐出するためのインク吐出データを、前記取得した前記造形データを用いて作成する吐出データ作成部と、前記立体物層ごとに前記ノズルから前記インクを吐出する吐出実行部とを備える。そして、前記吐出データ作成部は、前記インク吐出データを、ディザ法による前記造形データのハーフトーン処理を経て作成すると共に、重なり合う前記立体物層の各層の前記ハーフトーン処理では、前記インクが積み重なる前記立体物層の各層の同じ位置には、ディザマスクを異なる態様で適用して、前記インクのドット形成の有無を決定する。

この形態の立体物造形装置は、立体物層ごとのインク吐出データをディザ法によるハーフトーン処理を経て作成する。ディザ法によるハーフトーン処理は、ディザマスクにおける閾値との大小比較を行えば済むことから、インク吐出データの簡便な作成をもたらす。しかも、重なり合う立体物層の各層のハーフトーン処理では、インクが積み重なる立体物層の各層の同じ位置に対しては、ディザマスクを異なる態様で適用するので、立体造形物の表面における各層の同じ位置において、インクのドット形成が必ずしも連続しないようにでき、縦スジの抑制を図ることが可能となる。

（２）上記形態の立体物造形装置において、前記吐出データ作成部は、前記重なり合う前記立体物層の各層においての前記ハーフトーン処理では、同一のディザマスクをずらして適用して、前記インクのドット形成の有無を決定するようにしてもよい。こうすれば、閾値が異なる複数のディザマスクを用いる必要がないので、マスク記憶容量の低減を図ることができる。また、同一のディザマスクをずらして用いるに過ぎないので、演算負荷の高負荷化も回避、もしくは抑制できる。

（３）上記形態の立体物造形装置において、前記インクは複数の着色用インクであるようにしてもよい。こうすれば、複数の着色用インクに含まれる色のインクのドット形成が必ずしも連続しないようにできるので、その色の縦スジの抑制を図ることが可能となる。

（４）本発明の他の形態によれば、立体物造形方法が提供される。この立体物造形方法は、吐出された後に固化して立体的なドットとなるインクを積み重ねることで立体物の造形を行なう立体物造形方法であって、前記立体物の造形データを立体物層ごとに取得するデータ取得工程と、前記立体物層ごとに前記インクを吐出するためのインク吐出データを、前記取得した前記造形データを用いて作成する吐出データ作成工程と、前記立体物層ごとに前記インクをノズルから吐出する吐出実行工程とを備える。そして、前記吐出データ作成工程では、前記インク吐出データを、ディザ法による前記造形データのハーフトーン処理を経て作成すると共に、重なり合う前記立体物層の各層の前記ハーフトーン処理の際には、前記インクが積み重なる前記立体物層の各層の同じ位置には、ディザマスクを異なる態様で適用して、前記インクのドット形成の有無を決定する。この立体物造形方法によっても、既述した効果を奏することができる。

また、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、立体物造形データの作成装置や作成方法の形態で実現することができる。

立体物造形システムの構成を示す機能ブロック図である。 立体物造形装置の内部構造の概略を示す斜視図である。 記録ヘッドを示す説明図である。 ホストコンピューターのＣＰＵが実行するインク吐出データの生成フローチャートである。 立体物とドットとの関係を示す説明図である。 立体物のそれぞれの立体層ごとの造形データの概略を示す説明図である。 ディザマスクと造形データとの対応関係を説明する説明図である。 重なり合う立体物層の各層について同一の閾値配列を有するディザマスクを用いたハーフトーン処理を概略的に示す説明図である。 重なり合う立体物層の各層について異なる閾値配列を有するディザマスクを用いたハーフトーン処理を概略的に示す説明図である。 立体物造形装置が実行する造形処理を示すフローチャートである。 図８のハーフトーン処理を経て作成したインク吐出データに基づいて造形された立体物を示す説明図である。 図９のハーフトーン処理を経て作成したインク吐出データに基づいて造形された立体物を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。ただし、各図において、各部の寸法および縮尺は、理解の便を図って実際のものと適宜に異ならせてある。また、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明に必須のものである旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

本実施形態では、立体物造形装置として、樹脂エマルジョンを含むレジンインクや、紫外線硬化型インク等の、硬化性インク（「液体」の一例）を吐出して立体物Ｏｂｊを造形する、インクジェット式の立体物造形装置を例示して説明する。この硬化性インクは、吐出された後に固化して立体的なドットとなるインクに相当する。

図１は、立体物造形システム１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、立体物造形システム１００は、立体物を造形するためのデータを生成するホストコンピューター９０と、立体物を造形する立体物造形装置１０と、を備える。立体物造形装置１０は、インクを吐出し、吐出したインクをその固化を経て積み重ねることで立体物Ｏｂｊの造形を行なう。こうして得られた立体物Ｏｂｊは、インク固化後のドットにより所定の厚さで形成された立体物層が層状に重なった立体造形物である。ホストコンピューター９０は、立体物造形装置１０が造形する立体物Ｏｂｊを構成する複数の造形体の各々の形状および色彩を定める造形データＦＤを生成するデータ生成処理を実行する。

図１に示すように、ホストコンピューター９０は、ホストコンピューター９０の各部の動作を制御するＣＰＵ（図示省略）と、ディスプレイ等の表示部（図示省略）と、キーボードやマウス等の操作部９１と、ホストコンピューター９０の制御プログラム、立体物造形装置１０のドライバープログラム、および、ＣＡＤ（computer aided design）ソフト等のアプリケーションプログラムを記憶する情報記憶部（図示省略）と、モデルデータＤａｔを生成するモデルデータ生成部９２と、モデルデータＤａｔに基づいて造形データＦＤを生成するデータ生成処理を実行する造形データ生成部９３と、を備える。

ここで、モデルデータＤａｔとは、立体物造形装置１０が造形すべき立体物Ｏｂｊを表すモデルの形状および色彩を示すデータであり、立体物Ｏｂｊの形状および色彩を指定するためのデータである。なお、以下において、立体物Ｏｂｊの色彩には、立体物Ｏｂｊに複数色が付される場合における当該複数色の付され方、すなわち、立体物Ｏｂｊに付される複数色により表される模様、文字、その他の画像も含むこととする。

モデルデータ生成部９２は、ホストコンピューター９０のＣＰＵが情報記憶部に記憶されているアプリケーションプログラムを実行することにより実現される機能ブロックである。このモデルデータ生成部９２は、例えばＣＡＤアプリケーションであり、立体物造形システム１００の利用者が操作部９１を操作して入力した情報等に基づいて、立体物Ｏｂｊの形状および色彩を指定するモデルデータＤａｔを生成する。

なお、本実施形態では、モデルデータＤａｔが、立体物Ｏｂｊの外部形状と表面の色彩を指定する場合を想定する。換言すれば、モデルデータＤａｔが、立体物Ｏｂｊを中空の物体であると仮定した場合の当該中空の物体の形状、すなわち、立体物Ｏｂｊの輪郭の形状を指定するデータである場合を想定する。例えば、立体物Ｏｂｊが球体である場合には、モデルデータＤａｔは当該球体の輪郭である球面の形状を示す。但し、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、モデルデータＤａｔは、少なくとも立体物Ｏｂｊの外部形状を特定可能な情報を含むものであればよい。例えば、モデルデータＤａｔは、立体物Ｏｂｊの外部形状や色彩に加えて、立体物Ｏｂｊの内部の形状や材料等を指定するものであってもよい。モデルデータＤａｔとしては、例えば、ＡＭＦ（Additive Manufacturing File Format）、または、ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）等のデータ形式を例示することができる。

造形データ生成部９３は、ホストコンピューター９０のＣＰＵが情報記憶部に記憶されている立体物造形装置１０のドライバープログラムを実行することにより実現される機能ブロックである。造形データ生成部９３は、データ取得部として機能し、モデルデータ生成部９２が生成するモデルデータＤａｔに基づいて、立体物造形装置１０が形成する造形体の形状および色彩を定める造形データＦＤを立体物層ごとに作成する。また、この造形データ生成部９３は、吐出データ作成部としても機能し、立体物層ごとのインク吐出データを、取得した造形データＦＤを用いて作成する。造形データ生成部９３は、データ取得部および吐出データ作成部として機能すべく、着色領域決定部９４と、吐出データ生成部９５とを備え、立体物造形装置１０が形成する造形体の形状および色彩を定める造形データＦＤを作成するデータ生成処理を実行する。本実施形態では、造形データＦＤを作成する造形データ生成部９３をホストコンピューター９０に設けたが、造形データ生成部９３を立体物造形システム１００に設けてもよい。

なお、以下では、立体物Ｏｂｊが、Ｑ個の立体物層を重ねた層状の造形体を積層させることで造形される場合を想定する（Ｑは、Ｑ≧２を満たす自然数）。また、以下では、立体物造形装置１０が造形体を形成する処理を積層処理と称する。すなわち、立体物造形装置１０が立体物Ｏｂｊを造形する造形処理は、Ｑ回の積層処理を含む。

造形データ生成部９３は、所定の厚さを有するＱ個の造形体の形状および色彩を定めるＱ個の造形データＦＤを生成するために、まず、モデルデータＤａｔの示す三次元の形状を所定の厚さＬｚ毎にスライスすることで、各造形体と１対１に対応する断面モデルデータを生成する。ここで、断面モデルデータとは、モデルデータＤａｔの示す三次元の形状をスライスして得られる断面体の形状および色彩を示すデータである。但し、断面モデルデータは、モデルデータＤａｔの示す三次元の形状をスライスしたときの断面の形状および色彩を含むデータであればよい。厚さＬｚは、インクのドットの高さ方向の大きさに対応している。

次に、造形データ生成部９３は、断面モデルデータの示す形状および色彩に対応する造形体を形成するために、立体物造形装置１０が形成すべきドットの配置を決定し、決定結果を、造形データＦＤとして出力する。つまり、造形データＦＤは、断面モデルデータの示す形状および色彩を格子状に細分化することで、断面モデルデータの示す形状および色彩をドットの集合として表した場合に、複数のドットの各々を形成するためのインクの種別を指定するデータである。ドットの大きさを示すデータを含んでいても良い。ここで、ドットとは、１回の吐出によるインクが固化されて形成される立体的なものである。本実施形態では、便宜上、直方体または立方体であり、所定の厚さＬｚを有し、所定体積を有する直方体または立方体としている。また、本実施形態において、ドットの体積およびサイズは、インクを吐出するノズルのピッチ、インクの吐出間隔、インクの粘度等により定められる。

着色領域決定部９４は、立体物造形装置１０が形成すべきドットのうち、着色用インクで形成されるドットが配置される領域を決定する。着色領域決定部９４は、造形用インクによるドットの集合の表面に着色用インクを吐出して着色を行なう着色領域を、立体物Ｏｂｊの表面の法線方向における深さの相違を抑制するように決定する。例えば、着色領域の表面からの深さのバラツキを一定とする。

吐出データ生成部９５は、造形データである、造形用インクを吐出するための造形用インク吐出データと、着色用インクを吐出するための着色用インク吐出データとを生成する。

上述のとおり、本実施形態に係るモデルデータＤａｔは、立体物Ｏｂｊの外部形状（輪郭の形状）を指定する。このため、モデルデータＤａｔの示す形状を有する立体物Ｏｂｊを忠実に造形した場合、立体物Ｏｂｊの形状は、厚みを有さない輪郭だけの中空形状となる。しかし、立体物Ｏｂｊを造形する場合には、立体物Ｏｂｊの強度等を考慮して、立体物Ｏｂｊの内部の形状を決定することが好ましい。具体的には、立体物Ｏｂｊを造形する場合には、立体物Ｏｂｊの内部の一部または全部が中実構造であることが好ましい。このため、本実施形態に係る造形データ生成部９３は、モデルデータＤａｔの指定する形状が中空形状であるか否かに関わらず、立体物Ｏｂｊの内部の一部または全部が中実構造となるような造形データＦＤを生成する。

なお、立体物Ｏｂｊの形状によっては、ｎ層目のドットの下側の層であるｍ層目にドットが存在しない場合がある。このような場合、ｎ層目のドットを形成しようとしても、当該ドットが下側に落下してしまう可能性がある。よって、造形体を構成するためのドットを本来形成されるべき位置にドットを形成するためには、当該ドットの下側に、当該ドットを支持するための支持部を設ける必要がある。本実施形態では、支持部は、立体物Ｏｂｊと同様に固化したインクであるドットによって形成される。そこで、本実施形態では、造形データＦＤが、立体物Ｏｂｊの他に、立体物Ｏｂｊを造形する際に必要となる支持部を形成するドットを形成するためのデータを含むこととする。つまり、本実施形態において、造形体には、立体物Ｏｂｊのうちｑ回目の積層処理で形成すべき部分と、支持部のうちｑ回目の積層処理で形成すべき部分と、の双方が含まれる。換言すれば、造形データＦＤは、立体物Ｏｂｊのうち造形体として形成される部分の形状および色彩をドットの集合として表したデータと、支持部のうち造形体として形成される部分の形状をドットの集合として表したデータと、を含む。本実施形態に係る造形データ生成部９３は、断面モデルデータまたはモデルデータＤａｔに基づいて、ドットの形成のために支持部を設ける必要があるか否かを判定する。そして、造形データ生成部９３は、当該判定の結果が肯定である場合には、立体物Ｏｂｊの他に支持部が設けられるような造形データＦＤを生成する。なお、支持部は、立体物Ｏｂｊの造形後に容易に除去することのできる材料、例えば、水溶性のインクで構成されることが好ましい。この支持部に用いられるドットを形成するためのインクを「サポートインク」と呼ぶ。

図２は、立体物造形装置１０の内部構造の概略を示す斜視図である。以下、図２に加えて図１も参照しながら説明する。図１および図２に示すように、立体物造形装置１０は、筐体４０と、造形台４５と、立体物造形装置１０の各部の動作を制御する処理制御部１５と、ヘッドユニット１３と、硬化ユニット６１と、キャリッジ４１と、位置変化機構１７と、立体物造形装置１０の制御プログラムやその他の各種情報を記憶する記憶部１６と、を備える。キャリッジ４１は、ヘッドユニット１３および６個のインクカートリッジ４８を搭載する。ヘッドユニット１３は、ノズル列３３〜３８を具備する記録ヘッド３０を備えており、ノズル列３３〜３８から造形台４５に向かってインクの液滴ＬＱを吐出する。硬化ユニット６１は、造形台４５の上に吐出されたインクを硬化させるためのものである。位置変化機構１７は、筐体４０に対するキャリッジ４１、造形台４５、および、硬化ユニット６１の位置を変化させる。なお、処理制御部１５および造形データ生成部９３は、立体物造形システム１００の各部の動作を制御するシステム制御部として機能する。

硬化ユニット６１は、造形台４５の上に吐出されたインクを硬化させるための構成要素であり、例えば、紫外線硬化型インクに対して紫外線を照射するための光源や、レジンインクを加熱するための加熱器等を例示することができる。硬化ユニット６１が紫外線の光源である場合、硬化ユニット６１は、例えば造形台４５の上側（＋Ｚ方向）に設けられる。一方、硬化ユニット６１が過熱器である場合、硬化ユニット６１は、例えば造形台４５の内部または造形台４５の下側に設けられればよい。以下では、硬化ユニット６１が紫外線の光源である場合を想定し、硬化ユニット６１が造形台４５の＋Ｚ方向に位置する場合を想定して説明する。

６個のインクカートリッジ４８は、立体物Ｏｂｊを造形するための５色の造形用インクと、支持部を形成するための支持用インク（サポートインク）と、の合計６種類のインクと１対１に対応して設けられたものである。各インクカートリッジ４８には、当該インクカートリッジ４８に対応する種類のインクが充填されている。立体物Ｏｂｊを造形するための５色の造形用インクには、有彩色の色材成分を有する有彩色インク（「着色用インク」とも呼ぶ。）と、無彩色の色材成分を有する無彩色インクと、有彩色インクおよび無彩色インクと比較して単位重量または単位体積あたりの色材成分の含有量が少ないクリア（ＣＬ）インクと、が含まれる。本実施形態では、有彩色インクとして、シアン（ＣＹ）、マゼンタ（ＭＧ）、および、イエロー（ＹＬ）の３色のインクを採用する。また、本実施形態では、無彩色インクとして、ホワイト（ＷＴ）のインクを採用する。本実施形態に係るホワイトインクとは、可視光の波長領域（概ね、４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に属する波長を有する光がホワイトインクに照射された場合において、当該照射された光のうち、所定の割合以上の光を反射するインクである。なお、「所定の割合以上の光を反射する」とは、「所定の割合未満の光を吸収または透過する」ことと同義であり、例えば、ホワイトインクに照射される光の光量に対する、ホワイトインクで反射される光の光量の比率が、所定の割合以上である場合が該当する。本実施形態において、「所定の割合」とは、例えば、３０％以上で且つ１００％以下の任意の割合であればよく、好ましくは、５０％以上の任意の割合、より好ましくは、８０％以上の任意の割合である。また、本実施形態において、クリアインクは、有彩色インクおよび無彩色インクと比較して、色材成分の含有量が少なく透明度の高いインクである。

各インクカートリッジ４８は、キャリッジ４１に搭載される代わりに、立体物造形装置１０の別の場所に設けられるものであってもよい。

図１および図２に示すように、位置変化機構１７は、昇降機駆動モーター７１と、キャリッジ駆動モーター７２，７３と、硬化ユニット駆動モーター７４と、モータードライバー７５〜７８を備える。昇降機駆動モーター７１は、処理制御部１５からの指示を受けて、造形台４５を＋Ｚ方向およびＺ方向（以下、＋Ｚ方向およびＺ方向を「Ｚ軸方向」と総称する場合がある）に昇降させるよう、造形台昇降機構７９ａを駆動する。キャリッジ駆動モーター７２は、処理制御部１５からの指示を受けて、キャリッジ４１をガイド７９ｂに沿って＋Ｙ方向およびＹ方向（以下、＋Ｙ方向およびＹ方向を「Ｙ軸方向」と総称する場合がある）に移動させる。キャリッジ駆動モーター７３は、処理制御部１５からの指示を受けて、キャリッジ４１をガイド７９ｃに沿って＋Ｘ方向およびＸ方向（以下、＋Ｘ方向およびＸ方向を「Ｘ軸方向」と総称する場合がある）に移動させる。硬化ユニット駆動モーター７４は、処理制御部１５からの指示を受けて、硬化ユニット６１をガイド７９ｄに沿って＋Ｘ方向およびＸ方向に移動させる。モータードライバー７５は、昇降機駆動モーター７１を駆動し、モータードライバー７６、７７は、キャリッジ駆動モーター７２，７３を駆動し、モータードライバー７８は、硬化ユニット駆動モーター７４を駆動する。

ヘッドユニット１３は、記録ヘッド３０と、駆動信号生成部３１を備える。駆動信号生成部３１は、処理制御部１５からの指示を受けて、記録ヘッド３０を駆動させるための駆動波形信号および波形指定信号を含む各種信号を生成させ、これら生成した信号を記録ヘッド３０に出力する。駆動信号生成部３１や、駆動波形信号については、説明を省略する。

図３は、記録ヘッド３０を示す説明図である。記録ヘッド３０は、６個のノズル列３３〜３８を備える。各ノズル列３３〜３８は、ピッチＬｘの間隔で設けられた複数のノズルＮｚを備える。ノズル列３３〜３５は着色用インクである有彩色インク（シアン、マゼンタ、イエロー）を吐出するノズルＮｚを有する。ノズル列３６は、無彩色インクであるホワイトのインク（「ホワイトインク」とも呼ぶ。）を吐出するノズルＮｚを有する。ノズル列３７は、クリアインクを吐出するノズルＮｚを有する。ノズル列３８は、サポートインクを吐出するノズルＮｚを有する。ここで、造形用インクとしては、サポートインクを除いた他のインクが全て用いられ、着色用インクとしては、有彩色インクとホワイトインクが用いられる。したがって、造形用インクを吐出する第１ノズルには、ノズル列３３〜３７のノズルＮｚが含まれ、着色用インクを吐出する第２ノズルには、ノズル列３３〜３６のノズルＮｚが含まれる。

なお、本実施形態では、図３に示すように、各ノズル列３３〜３８のノズルＮｚがＸ軸方向に一列に整列するように配置される場合を例示しているが、例えば、各ノズル列３３〜３８を構成する複数のノズルＮｚのうち一部のノズルＮｚ（例えば、偶数番目のノズルＮ）と、その他のノズルＮｚ（例えば、奇数番目のノズルＮｚ）とのＹ軸方向の位置が異なる、所謂千鳥状に配列されるものであってもよい。また、各ノズル列３３〜３８において、ノズルＮｚ間の間隔（ピッチＬｘ）は、印刷解像度（ｄｐｉ：dot per inch）に応じて適宜設定され得る。

処理制御部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等を含んで構成され、当該ＣＰＵ等が記憶部１６に記憶されている制御プログラムに従って動作することで、立体物造形装置１０の各部の動作を制御する。記憶部１６は、ホストコンピューター９０から供給される造形データＦＤを格納する不揮発性半導体メモリーの一種であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）と、立体物Ｏｂｊを造形する造形処理等の各種処理を実行する際に必要なデータを一時的に格納し、あるいは造形処理等の各種処理が実行されるように立体物造形装置１０の各部を制御するための制御プログラムを一時的に展開するＲＡＭ（Random Access Memory）と、制御プログラムを格納する不揮発性半導体メモリーの一種であるＰＲＯＭと、を備える。

処理制御部１５は、ホストコンピューター９０から供給される造形データＦＤに基づいて、ヘッドユニット１３および位置変化機構１７の動作を制御することにより、造形台４５上にモデルデータＤａｔに応じた立体物Ｏｂｊを造形する造形処理の実行を制御する。具体的には、処理制御部１５は、まず、ホストコンピューター９０から供給される造形データＦＤを記憶部１６に格納する。次に、処理制御部１５は、造形データＦＤ等の記憶部１６に格納されている各種データに基づいて、ヘッドユニット１３の駆動信号生成部３１を制御して記録ヘッド３０を駆動させるための駆動波形信号および波形指定信号を含む各種信号を生成させ、これら生成した信号を記録ヘッド３０へ出力させる。また、処理制御部１５は、造形データＦＤ等の記憶部１６に格納されている各種データに基づいて、モータードライバー７５〜７８の動作を制御するための各種信号を生成し、これら生成した信号をモータードライバー７５〜７８に出力し、造形台４５に対するヘッドユニット１３の相対位置を制御する。

このように、処理制御部１５は、モータードライバー７５〜７７の制御を介して、造形台４５に対するヘッドユニット１３の相対位置を制御し、モータードライバー７５とモータードライバー７８の制御を介して、造形台４５に対する硬化ユニット６１の相対位置を制御する。また、処理制御部１５は、ヘッドユニット１３の制御を介して、ノズルＮｚからのインクの吐出の有無、インクの吐出量、および、インクの吐出タイミング等を制御する。これにより、処理制御部１５は、造形台４５上に吐出されたインクにより形成されるドットサイズおよびドット配置を調整しつつ造形台４５上にドットを形成し、造形台４５上に形成されたドットを硬化させて造形体を形成する積層処理の実行を制御する。更に、処理制御部１５は、積層処理を繰り返し実行することで、既に形成された造形体の上に新たな造形体を積層することで、モデルデータＤａｔに対応する立体物Ｏｂｊを形成する造形処理の実行を制御する。こうした各種制御を行う処理制御部１５は、立体物層ごとにヘッドユニット１３のノズル列３３〜３８の各ノズルからインクを吐出する吐出実行部として機能する。

図４は、ホストコンピューター９０のＣＰＵが実行するインク吐出データの生成フローチャートである。この処理は、ホストコンピューター９０のモデルデータ生成部９２によってモデルデータＤａｔが作成された後で、造形データ生成部９３に相当するＣＰＵにより実行される。この処理が開始されると、ステップＳ１００で、造形データ生成部９３は、モデルデータＤａｔから断面モデルデータを生成する。ステップＳ１００に続くステップＳ１１０では、着色領域決定部９４は、着色領域を決定する。具体的には、各層を構成するドットＤＴのうち、どのドットＤＴを着色用インクで構成するかを決定する。なお、着色領域決定部９４は、着色領域だけで無く、透明層、遮蔽層、造形層も決定する。

図５は、立体物ＯｂｊとドットＤＴとの関係を示す説明図である。図５では、説明の便宜上、立体物Ｏｂｊを第１層から第ｎ層（ｎ＝５）までの立方体形状の造形物として示している。造形データ生成部９３は、立体物Ｏｂｊの形状を縦、横、高さが、Ｌｙ、Ｌｘ、ＬｚのドットＤＴの集合体の形状として構成する。ここで、Ｌｘは、ドットＤＴのｘ方向の大きさであり、ノズルＮｚのピッチに等しい。Ｌｙは、ドットＤＴのｙ方向の大きさであり、インクの吐出間隔に応じた記録ヘッド３０の移動長さである。Ｌｚは、ドットＤＴのｚ方向の大きさである。Ｌｚは、ドットを形成するインクの粘度や量により決まる。各層の断面モデルデータは、例えば、ｘ方向、ｙ方向の二次元に配置されたドットＤＴの集合として構成され、ｚ方向の各層の立体物層ごとの造形データＦＤに対応する。

図６は、立体物Ｏｂｊのそれぞれの立体層ごとの造形データＦＤの概略を示す説明図である。第１層〜第５層の各立体物層の造形データＦＤは、５Ｘ５のマトリクス型のデータ構成であり、各ドットのデータ値（階調値）には、そのドットの色彩や性質、具体的には着色領域、或いは、透明層、遮蔽層、造形層のいずれかであるかと言った性質を規定するデータが含まれている。なお、説明の便宜上、各層における造形データＦＤの各ドットの階調値を１００と仮定した。ステップＳ１１０での着色領域などの決定に当たり、着色領域決定部９４は、造形データＦＤに基づいて、着色領域だけで無く、透明層、遮蔽層、造形層も決定する。造形層は、立体物Ｏｂｊの主たる形状を形成する層である。造形層は、サポートインク以外のインクであれば、どのインクを用いて形成されても良い。造形層の表面には、遮蔽層が形成される。遮蔽層は、造形層の色が見えないように遮蔽するための層であり、ホワイトインクで形成される。遮蔽層の表面には、着色層が形成される。着色層は、着色領域であり、立体物Ｏｂｊに色を付ける。着色層は、有彩色インクとホワイトインクで形成される。ここで、有彩色インクの階調が低い場合、有彩色インクが打たれない領域が生じる場合が有り得る。有彩色インクも形状を構成するインクであるため、有彩色インクが打たれない領域は、形状欠損が生じるおそれがある。ホワイトインクは、その有彩色インクを打たない領域を埋めて形状欠損の発生を抑制する。なお、ホワイトインクの代わりにクリアインクを用いても良い。透明層は、着色層を保護するための層であり、透明なインクであるクリアインクにより形成される。なお、透明層は無くても良い。本実施形態の立体物造形装置１０は、この透明層、或いは、透明層がない場合の表層である着色層におけるインク吐出データの生成手順に特徴があるので、透明層、着色層、遮蔽層、造形層の決定手順については、その説明を省略する。

以上説明した着色領域等の決定の後、ホストコンピューター９０のＣＰＵは、図４のステップＳ１１０に続いて、ステップＳ１６０以降の処理を行う。図４のステップＳ１６０では、吐出データ生成部９５は、各立体層におけるドットごとのハーフトーン処理をディザ法により実行した後、ステップＳ１７０においてインク吐出データを生成（作成）する。ステップＳ１６０のハーフトーン処理は、二次元のプリンターにおける処理とほぼ同様の処理であるが、以下の２つの点で異なる。第１の相違点は、二次元のプリンターでは、有彩色インクであるマゼンタ、シアン、イエローのインクをディザマスクの閾値と対比してピクセルに割り当てるが、有彩色インクの階調によっては、ディザマスク閾値との対比の結果、インクが割り当てられないドットが存在する場合がある。二次元のプリンターでは、媒体が存在するため、インクが割り当てられないドットが存在しても問題は生じない。これに対し、本実施形態の立体物造形装置１０では、着色用インクも立体物Ｏｂｊの形状を構成するドットＤＴを形成するため、着色用インクが割り当てられないドットＤＴが存在すると、立体形状に欠損が生じてしまう。そのため、吐出データ生成部９５は、有彩色インクであるマゼンタ、シアン、イエローのインクが割り当てられないドットＤＴに対して、ホワイトインクを割り当てる。ディザマスク閾値との対比を経た着色インクのドット決定については、この点を除けば、他の処理は二次元のプリンターと同様である。

第２の相違点は、重なり合う立体物層、具体的には、図６に示す第１層目の立体層におけるハーフトーン処理と第２層目の立体層におけるハーフトーン処理とでは、異なる閾値配列を有するディザマスクを用いる点である。第２層目と第３層目、第３層目と第４層目、第４層目と第５層目についても同様である。以下、この点に付き、詳述する。

図７は、ディザマスクと造形データＦＤとの対応関係を説明する説明図である。図示するように、ディザマスクは、４Ｘ４のマトリクス構造であるのに対し、造形データＦＤは、ディザマスクより大きな５Ｘ５のマトリクス構造である。なお、以下のハーフトーン処理の説明の都合上、マトリクス構造を上記のようにしたが、実機の立体物造形装置１０では、６４Ｘ６４や、５１２Ｘ５１２、１０２４Ｘ１０２４と言った多行多列のマトリクス構造のディザマスクを用い、実際の立体物Ｏｂｊに対応した各立体物層の造形データＦＤは、これより大きなマトリクス構造である。

ディザマスクが造形データＦＤより小さなマトリクス構造であることから、４Ｘ４のマトリクス構造のディザマスクを用いて、５Ｘ５のディザマスクが生成される。つまり、図７に示すように、４Ｘ４のマトリクス構造では足りない領域としての第１補足領域ＭＨ１と、第２補足領域ＭＨ２と、第３補足領域ＭＨ３を、４Ｘ４のマトリクス構造のディザマスクを用いて作成する。第１補足領域ＭＨ１には、４Ｘ４のマトリクス構造のディザマスクの１行目の閾値が用いられ、第２補足領域ＭＨ２には、４Ｘ４のマトリクス構造のディザマスクの１列目の閾値が用いられる。そして、第３補足領域ＭＨ３には、４Ｘ４のマトリクス構造のディザマスクの１行１列目の閾値が用いられる。こうして、５Ｘ５のディザマスクが生成され、この５Ｘ５のディザマスクが５Ｘ５の造形データＦＤとの対比を経たハーフトーン処理での二値化に用いられる。このハーフトーン処理により、図７の下段に示すように、５Ｘ５のディザマスクの閾値を超える階調値を有するドットは図中黒塗りのドットＯＮとされ、閾値以下の階調値を有するドットは図中白塗りのドットＯＦＦとされる。なお、ドットＯＦＦは、そのドットにおいてインク吐出を行わないと言うことではなく、既述したように有彩色インクであるマゼンタ、シアン、イエローのインクに代わってホワイトインクを吐出して、立体形状に欠損が生じないようにすることを意味する。

次に、上記のようにして生成した５Ｘ５のディザマスクを用いたハーフトーン処理の様子について説明する。図８は、重なり合う立体物層の各層について同一の閾値配列を有するディザマスクを用いたハーフトーン処理を概略的に示す説明図である。図９は、重なり合う立体物層の各層について異なる閾値配列を有するディザマスクを用いたハーフトーン処理を概略的に示す説明図である。図８に示すハーフトーン処理は、本実施形態の立体物造形装置１０が採用した特徴的なハーフトーン処理と対比するためのものである。

図８のハーフトーン処理では、第１層〜第５層までの各立体物層の造形データＦＤに対して、同一の閾値配列を有するディザマスクを用いたことから、図中黒塗りのドットＯＮと図中白塗りのドットＯＦＦの並びは、いずれの立体層においても同一となる。そして、ドットＯＮとドットＯＦＦの並びがいずれの立体層においても同一なインク吐出データがステップＳ１７０で作成される。これに対し、本実施形態の立体物造形装置１０が採用した図９のハーフトーン処理では、図９の最下段に示した第１層目の造形データＦＤに対して用いる５Ｘ５のディザマスクを、第２層目に対して用いる際には、図における右方に１ドット列ずらした。つまり、第１層目の造形データＦＤに対して用いた５Ｘ５のディザマスクのうちの４Ｘ４のディザマスクが右方に１ドット列ずれ、このズレで４Ｘ４のマトリクス構造では足りない領域としての第１補足領域ＭＨ１〜第３補足領域ＭＨ３を、４Ｘ４のマトリクス構造のディザマスクを用いて作成する。この場合、予め１つの４Ｘ４のディザマスクの周囲に同一の４Ｘ４のディザマスクを並べた仮想的なディザマスクにおいて、５Ｘ５のディザマスクをずらしながら、用いてもよい。こうすることで、重なり合う第１層目と第２層目の立体層では、異なる閾値配列を有するディザマスクを用いたディザ法によるハーフトーン処理がなされることになる。第２層目と第３層目、第３層目と第４層目、第４層目と第５層目についても同様である。これにより、重なり合う立体物層の各層のハーフトーン処理では、インクが積み重なる立体物層の各層の同じ位置には、ディザマスクの異なる閾値が適用されることになる。よって、図９のハーフトーン処理では、図中黒塗りのドットＯＮと図中白塗りのドットＯＦＦの並びが重なり合う立体層において相違することになる。そして、ドットＯＮとドットＯＦＦの並びが重なり合う立体層において相違するインク吐出データがステップＳ１７０で作成される。こうして作成されたインク吐出データは、造形用インク（サポートインクを除いたインク）を吐出するための造形用インク吐出データと、着色用インク（有彩色インクとホワイトインク）を吐出するための着色用インク吐出データを含む、各種インクを吐出するためのインク吐出データを含んでいる。

図１０は、立体物造形装置１０の処理制御部１５が実行する造形処理を示すフローチャートである。この処理は、既述したインク吐出データの作成に続いて開始される。図１０の処理を開始すると、処理制御部１５は、変数ｑに１を代入する（ステップＳ２００）。ｑは、何層目かを示す変数であり、ｑが１である場合は、ｚ方向の下側から１層目の立体層を形成することを意味する。続くステップＳ２１０では、処理制御部１５は、位置変化機構１７を制御して、造形台４５を１層目の造形体を形成する高さに移動させる。ステップＳ２２０では、インク吐出データに基づいて、第１層目の造形体を形成する。具体的には、処理制御部１５は、ノズル列３３〜３８のノズルＮｚから、各種インクを造形台４５の上に吐出させ、その後、硬化ユニット６１を用いてインクを固化させてドットＤＴを形成する。ステップＳ２３０では、処理制御部１５は、ｑ≧Ｑか否かを判断する。Ｑは、立体物Ｏｂｊを構成する造形体の層の数である。ｑ≧Ｑであれば、１層目からＱ層目までの全ての造形体の生成が終了し、立体物Ｏｂｊの生成が完了しているため、処理制御部１５は、処理を終了する。一方、ｑ＜Ｑの場合には、ステップＳ２４０に移行して、変数ｑに１を加えステップＳ２１０に移行する。２回目以降のステップＳ２１０では、位置変化機構１７は、造形台４５を、ドットＤＴの高さＬｚだけ造形台４５を下げる。その後ステップＳ２２０に移行し、ステップＳ２３０でｑ≧Ｑを満たすまで同様の処理を繰り返す。

図１１は、図８のハーフトーン処理を経て作成したインク吐出データに基づいて造形された立体物Ｏｂｊを示す説明図である。図１２は、図９のハーフトーン処理を経て作成したインク吐出データに基づいて造形された立体物Ｏｂｊを示す説明図である。図１１に示すように、図８のインク吐出データに基づいて造形された立体物Ｏｂｊは、既述したようにドットＯＮとドットＯＦＦの並びが重なり合う立体層において同一であることから、立体層の重なり方向に沿ったＸＺ平面およびＹＺ平面において、縦スジが生じる。これに対して、図９のインク吐出データに基づいて造形された立体物Ｏｂｊは、既述したようにドットＯＮとドットＯＦＦの並びが重なり合う立体層において相違することから、立体層の重なり方向に沿ったＸＺ平面およびＹＺ平面において、縦スジの発生が抑制される。

以上説明したように、本実施形態の立体物造形装置１０は、立体物Ｏｂｊを構成する立体物層ごとのインク吐出データを作成するに当たり、ディザマスクにおける閾値との大小比較を行えば済むディザ法によるハーフトーン処理を行う。しかも、重なり合う立体物層の各層のハーフトーン処理では、異なる閾値配列を有するディザマスクを用いることで、インクが積み重なる立体物層の各層の同じ位置に対して異なる閾値を適用する。これらの結果、本実施形態の立体物造形装置１０によれば、立体物Ｏｂｊの表面における各層の同じ位置にインクのドット形成が連続しないようにして縦スジの抑制を図ることを、容易に達成できる。

本実施形態の立体物造形装置１０は、重なり合う立体物層の各層のハーフトーン処理において同一のディザマスクをずらして用いることで、インクが積み重なる立体物層の各層の同じ位置に対して異なる閾値を適用する。よって、本実施形態の立体物造形装置１０によれば、閾値が異なる複数のディザマスクを用いる必要がないので、マスク記憶容量の低減を図ることができる。また、同一のディザマスクをずらして用いるに過ぎないので、処理制御部１５における演算負荷の高負荷化も回避、もしくは抑制できる。

本発明は、上述の実施形態や実施形態、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

既述した実施形態では、同一のディザマスクを列方向に１ドット列ずらして用いるようにしたが、重なり合う立体層において、異なる列数ずつずらしてもよい。例えば、第２層では第１層から１ドット列ずらし、第３層では第２層から２ドット列ずらすようにしたりしてもよい。また、規則性なく定めた列数ずつずらしてもよい。この他、同一のディザマスクを行方向に１ドット行ずつ、或いは異なる行数ずつずらしてもよい。あるいは、同一のディザマスクを９０度等の所定角度で回転させたり、行方向や列方向で反転させてもよい。

既述した実施形態では、同一のディザマスクをずらすことで、インクが積み重なる立体物層の各層の同じ位置にはディザマスクの異なる閾値を適用したが、閾値配列が相違する異なるディザマスクを各層ごとに用いるようにしてもよい。こうしても、インクが積み重なる立体物層の各層の同じ位置には異なる態様でディザマスクが適用されることになる。

ヘッドユニットから吐出されるインクは、熱可塑性樹脂等といった熱可塑性の液体でもよい。この場合、ヘッドユニットは、液体を加熱して溶融状態で吐出してもよい。また、硬化ユニットは、立体物造形装置においてヘッドユニットからの液体によるドットが冷却されて固化する部位でもよい。本技術において、「硬化」は「固化」を含む。また、造形用インクと支持用インクとで異なった種類の硬化・固化プロセスを有する液体を用いても良い。例えば、造形用インクに紫外線硬化型樹脂を用いて支持用インクに熱可塑性樹脂を用いてもよい。

硬化ユニット６１は、キャリッジに搭載されてもよい。

また、上述した例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術および上述した例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。

１０…立体物造形装置 １３…ヘッドユニット １５…処理制御部 １６…記憶部 １７…位置変化機構 ３０…記録ヘッド ３３〜３８…ノズル列 ４０…筐体 ４１…キャリッジ ４５…造形台 ４８…インクカートリッジ ６１…硬化ユニット ７１…昇降機駆動モーター ７２…キャリッジ駆動モーター ７３…キャリッジ駆動モーター ７４…硬化ユニット駆動モーター ７５〜７８…モータードライバー ７９ａ…造形台昇降機構 ７９ｂ、７６ｃ、７６ｄ…ガイド ９０…ホストコンピューター ９１…操作部 ９２…モデルデータ生成部 ９３…造形データ生成部 ９４…着色領域決定部 ９５…吐出データ生成部 １００…立体物造形システム ＤＴ…ドット Ｄａｔ…モデルデータ ＦＤ…造形データ ＬＱ…液滴 Ｎｚ…ノズル Ｏｂｊ…立体物

Claims (4)

1. 吐出された後に固化して立体的なドットとなるインクを積み重ねることで立体物の造形を行なう立体物造形装置であって、
   前記インクを吐出するノズルと、
   前記立体物の造形データを立体物層ごとに取得するデータ取得部と、
   前記立体物層ごとに前記インクを吐出するためのインク吐出データを、前記取得した前記造形データを用いて作成する吐出データ作成部と、
   前記立体物層ごとに前記ノズルから前記インクを吐出する吐出実行部とを備え、
   前記吐出データ作成部は、
   前記インク吐出データを、ディザ法による前記造形データのハーフトーン処理を経て作成すると共に、重なり合う前記立体物層の各層の前記ハーフトーン処理では、前記インクが積み重なる前記立体物層の各層の同じ位置には、ディザマスクを異なる態様で適用して、前記インクのドット形成の有無を決定する、
   立体物造形装置。
2. 請求項１に記載の立体物造形装置であって、
   前記吐出データ作成部は、
   前記重なり合う前記立体物層の各層においての前記ハーフトーン処理では、同一のディザマスクをずらして適用して、前記インクのドット形成の有無を決定する、立体物造形装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の立体物造形装置であって、
   前記インクは複数の着色用インクである、立体物造形装置。
4. 吐出された後に固化して立体的なドットとなるインクを積み重ねることで立体物の造形を行なう立体物造形方法であって、
   前記立体物の造形データを立体物層ごとに取得するデータ取得工程と、
   前記立体物層ごとに前記インクを吐出するためのインク吐出データを、前記取得した前記造形データを用いて作成する吐出データ作成工程と、
   前記立体物層ごとに前記インクをノズルから吐出する吐出実行工程とを備え、
   前記吐出データ作成工程では、
   前記インク吐出データを、ディザ法による前記造形データのハーフトーン処理を経て作成すると共に、重なり合う前記立体物層の各層の前記ハーフトーン処理の際には、前記インクが積み重なる前記立体物層の各層の同じ位置には、ディザマスクを異なる態様で適用して、前記インクのドット形成の有無を決定する、
   立体物造形方法。

Images