JP6624907B2

JP6624907B2 - 三次元データ作成装置および三次元造形システム

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Publication number: JP6624907B2
Application number: JP2015232584A
Authority: JP
Inventors: 剛臣太田; 健士松七五三
Original assignee: Roland DG Corp
Current assignee: Roland DG Corp
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: JP2017100283A

Description

本発明は、三次元データ作成装置および三次元造形システムに関する。

従来から、樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂硬化層を順次積層することによって、三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。この種の三次元造形装置では、例えばコンピュータプログラムを用いて、三次元造形物を造形するための三次元モデルのデータを作成している。そして、三次元モデルを所定の間隔でスライスして作成された複数のスライスモデルに基づいて、三次元造形物の断面形状に対応したスライス画像を複数作成している。

スライス画像を作成するために、通常は三次元モデルのデータとしてＳＴＬデータが用いられている。ＳＴＬデータには、三次元モデルを構成する各三角形の面の法線ベクトルと各三角形の３つの頂点の座標値とが記録されている。

従来は、造形しようとする三次元造形物が単純な形状であろうと複雑な形状であろうと、ＳＴＬデータを専用のソフトウェアで作成していた。三次元造形物を造形する際には、ＳＴＬデータを扱うソフトウェアに精通しなければならないが、ＳＴＬデータはＸＹＺ座標空間において表示される三次元形状を表示するデータであり、高度かつ専門的である。このため、一般のユーザがＳＴＬデータを作成して三次元造形物を造形するのは比較的困難であった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、三次元造形物の造形に必要な三次元データを比較的容易に作成することが可能な三次元データ作成装置、および三次元造形システムを提供することである。

本発明に係る三次元データ作成装置は、樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂硬化層を順次積層することにより三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記三次元造形物を造形するための三次元データを作成する三次元データ作成装置であって、前記三次元データは、ユーザが入力する二次元の図形に基づいて作成されるものであって、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面の図形を表示する図形情報と、Ｚ軸方向の高さを表示する高さ情報とを有し、前記情報を表示する表示装置と、ユーザによる前記情報に関する操作が入力される入力装置と、前記三次元データの作成を支援する作成支援装置と、を備え、前記作成支援装置は、前記入力装置によって入力された前記図形情報に基づいて、前記ＸＹＺ座標空間の前記ＸＹ平面上に前記図形を作成する図形作成部と、前記入力装置によって入力された前記高さ情報に基づいて、前記作成された図形および／または前記作成された図形が相似に拡大または縮小された相似図形を前記高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、前記三次元データを作成するデータ作成部と、を備えている。

本発明に係る三次元データ作成装置によれば、図形作成部は、入力装置によって入力された図形情報に基づいて、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上に所定の図形を作成する。そして、データ作成部は、入力装置によって入力された高さ情報に基づいて、作成された図形および／または前記作成された図形が相似に拡大または縮小された相似図形を高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、三次元データを作成する。このように、データ作成部は、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上に作成された二次元の図形と、高さ情報とを用いて、三次元モデルのデータとしての三次元データを作成することができる。従って、ユーザは、入力装置を用いて、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上に二次元の図形を作成し、かつ、高さ情報を決定するという比較的簡単な作業によって、三次元造形物の造形に必要な三次元データを作成することができる。

本発明によれば、三次元造形物の造形に必要な三次元データを比較的容易に作成することができる。

一実施形態に係る三次元造形システムの構造を示す斜視図である。一実施形態に係る制御装置のブロック図である。一実施形態に係る三次元データ作成装置のブロック図である。表示装置を示す概念図である。編集画面において造形タブが選択された状態を示す説明図である。ＸＹ平面上の図形の内部空間にサポート部材が配置された状態を示す説明図である。編集画面において加工タブが選択された状態を示す説明図である。三次元モデルの変形例を示す説明図である。ＸＹ平面上の図形および三次元モデルの変形例を示す説明図である。三次元モデルの変形例を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る三次元データ作成装置を備えた三次元造形システムについて説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。

図１は、本実施形態に係る三次元造形システム１０の斜視図である。三次元造形システム１０は、三次元造形物を造形するシステムである。三次元造形システム１０は、三次元造形装置２０と、三次元データ作成装置７０とを備えている。三次元造形装置２０は、三次元造形物の断面形状を表すスライス画像を用意し、樹脂材料を硬化して、スライス画像に沿った断面形状の樹脂硬化層を順次積層することによって、三次元造形物を造形する装置である。ここで、「断面形状」とは、三次元造形物を所定の厚み（例えば、０．１ｍｍ）ごとにスライスしたときの断面の形状である。本実施形態では、樹脂材料として熱可塑性樹脂を用いる場合を例に説明する。

以下の説明では、左、右、上、下とは、三次元造形装置２０の正面にいる作業者から見た左、右、上、下をそれぞれ意味することとする。また、三次元造形装置２０から上記作業者に近づく方を前方、遠ざかる方を後方とする。図面中の符号Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄは、それぞれ前、後、左、右、上、下を表す。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、三次元造形装置２０の設置態様を何ら限定するものではない。

図１に示すように、三次元造形装置２０は、ハウジング２２と、造形ヘッド３０と、加工ヘッド４０と、造形テーブル５０と、制御装置５５と、キャリッジ６０とを備えている。

図１に示すように、ハウジング２２は、右側壁２２Ａと、左側壁２２Ｂと、底壁２２Ｃと、後壁２２Ｄと、上壁２２Ｅとを備えている。ハウジング２２には、その上側から前側に渡って開口２３が形成されている。ハウジング２２には、開口２３を覆う図示しないカバーが設けられている。

図１に示すように、キャリッジ６０は、ハウジング２２内に配置されている。キャリッジ６０は、ハウジング２２内に配置された一対の第１ガイドレール６１に移動自在に設けられている。キャリッジ６０は、第１ガイドレール６１に沿って左右方向に移動可能である。左右方向に延びる第１ガイドレール６１は、右側壁２２Ａと左側壁２２Ｂとに接続されている。キャリッジ６０は、第１モータ６０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて左右方向に移動する。第１モータ６０Ａは、制御装置５５によって制御される。キャリッジ６０は、一対の第２ガイドレール６２と、一対の第３ガイドレール６３とを備えている。第２ガイドレール６２および第３ガイドレール６３は、上下方向に延びる。第２ガイドレール６２は、第３ガイドレール６３の右方に配置されている。

造形ヘッド３０は、熱可塑性樹脂３８を吐出する。図１に示すように、造形ヘッド３０は、ハウジング２２内に配置されている。造形ヘッド３０は、キャリッジ６０に設けられている。キャリッジ６０が左右方向に移動することによって、造形ヘッド３０も左右方向に移動する。造形ヘッド３０は、第２ガイドレール６２に移動自在に設けられている。造形ヘッド３０は、造形ヘッド本体部３２と、熱可塑性樹脂３８を吐出するノズル３４と、ヒータ３５と、一対のローラギア３６とを備えている。造形ヘッド本体部３２は、第２ガイドレール６２に移動自在に設けられている。造形ヘッド本体部３２は、第２モータ３０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて上下方向に移動する。これにより、造形ヘッド３０は、上下方向に移動する。第２モータ３０Ａは、制御装置５５によって制御される。キャリッジ６０の上方には、カートリッジ３７が配置されている。カートリッジ３７は、熱可塑性樹脂３８を収容する。ノズル３４は、カートリッジ３７から搬送された熱可塑性樹脂３８を造形テーブル５０に吐出する。ノズル３４のノズル径は変更可能に構成されている。ノズル径を大きくすることで、三次元造形物の造形を速く行うことができる。また、ノズル径を小さくすることで、三次元造形物をより精度よく造形することができる。ヒータ３５は、カートリッジ３７から搬送された熱可塑性樹脂３８に熱を加える。ヒータ３５は、造形ヘッド本体部３２に取り付けられている。ヒータ３５は、ノズル３４より上方に配置されている。ローラギア３６は、造形ヘッド本体部３２に設けられている。一対のローラギア３６は、相互に離間して配置されている。ローラギア３６は、第３モータ３６Ａ（図２参照）の駆動力を受けて回転する。第３モータ３６Ａは、制御装置５５によって制御される。カートリッジ３７から搬送された熱可塑性樹脂３８は、一対のローラギア３６間を通過する。ローラギア３６が回転することによって、熱可塑性樹脂３８は、ノズル３４に搬送され、ノズル３４から造形テーブル５０に吐出される。熱可塑性樹脂３８は、ヒータ３５の熱によって柔らかくなり、柔らかい状態でノズル３４から造形テーブル５０に吐出される。造形テーブル５０に吐出された熱可塑性樹脂３８は、その後硬化する。造形ヘッド３０は、制御装置５５において作成されたスライス画像に対応する所定の断面形状の樹脂硬化層を順次積層する。これにより、所望の三次元造形物が造形される。

加工ヘッド４０は、硬化した熱可塑性樹脂３８から形成された三次元造形物の表面を加工する。図１に示すように、加工ヘッド４０は、ハウジング２２内に配置されている。加工ヘッド４０は、キャリッジ６０に設けられている。キャリッジ６０が左右方向に移動することによって、加工ヘッド４０も左右方向に移動する。加工ヘッド４０は、第３ガイドレール６３に移動自在に設けられている。加工ヘッド４０は、造形ヘッド３０より左方に配置されている。加工ヘッド４０は、造形ヘッド３０と一体となって移動する。加工ヘッド４０は、加工ヘッド本体部４２と、スピンドル４４と、スピンドル４４に着脱自在に取り付けられた加工ツール４５と、スピンドル４４を回転させるモータ４６とを備えている。スピンドル４４は、加工ツール４５を回転させる。加工ヘッド本体部４２は、第３ガイドレール６３に移動自在に設けられている。加工ヘッド本体部４２は、第４モータ４０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて上下方向に移動する。これにより、加工ヘッド４０は、上下方向に移動する。第４モータ４０Ａは、制御装置５５によって制御される。スピンドル４４は、加工ヘッド本体部４２に取り付けられている。モータ４６は、加工ヘッド本体部４２に取り付けられている。モータ４６は、スピンドル４４より上方に配置されている。

造形テーブル５０は、ノズル３４から吐出された熱可塑性樹脂３８を保持する。造形テーブル５０上に三次元造形物が造形される。造形テーブル５０は、ハウジング２２内に配置されている。造形テーブル５０は、造形ヘッド３０および加工ヘッド４０の下方に配置されている。造形テーブル５０は、底壁２２Ｃより上方に設けられている。造形テーブル５０は、底壁２２Ｃに設けられた図示しないガイドレールに移動自在に設けられている。造形テーブル５０は、第５モータ５０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて前後方向に移動する。第５モータ５０Ａは、制御装置５５によって制御される。

制御装置５５は、三次元造形物の造形および三次元造形物の加工を制御する。詳しくは、制御装置５５は、造形ヘッド３０、加工ヘッド４０、造形テーブル５０およびキャリッジ６０などを制御する。制御装置５５は、三次元データ作成装置７０によって作成された三次元データに基づいて、造形ヘッド３０および加工ヘッド４０を制御する。なお、制御装置５５の構成は特に限定されない。例えば、制御装置５５は、コンピュータであり、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという。）と、ＣＰＵが実行するプログラムなどを格納したＲＯＭと、ＲＡＭなどを備えていてもよい。

図２に示すように、制御装置５５は、記憶部５６と、スライス画像作成部５７と、第１パスデータ作成部５８Ａと、第２パスデータ作成部５８Ｂと、第３パスデータ作成部５８Ｃとを備えている。なお、三次元データとは、点群データ、即ちＸＹＺ座標値を表す三次元座標データである。

記憶部５６は、三次元データ作成装置７０によって作成される三次元データを記憶する。記憶部５６は、三次元データに基づいて造形された三次元造形物の位置情報を記憶する。ここで、三次元造形物の位置情報とは、例えば、三次元造形物の原点情報と、その原点情報を基準にした三次元造形物の表面形状を表す外形情報との両方を含む。三次元造形物の位置情報とは、三次元造形物の表面形状に基づいた三次元座標データである。

スライス画像作成部５７は、三次元データ作成装置７０によって作成された三次元データで表される三次元モデルを所定の間隔でスライスして、三次元造形物の断面形状に対応したスライス画像を複数作成する。

第１パスデータ作成部５８Ａは、作成された複数のスライス画像に基づいて、造形ヘッド３０の移動経路を示す第１パスデータを作成する。作成された第１パスデータは、記憶部５６に記憶される。制御装置５５は、第１パスデータを用いて、造形ヘッド３０等を制御し、三次元造形物を造形する。

第２パスデータ作成部５８Ｂは、作成された三次元データに基づいて、造形された三次元造形物に対する加工ヘッド４０の移動経路を示す第２パスデータを作成する。第２パスデータは、加工ヘッド４０の加工ツール４５が三次元造形物の表面全体をなぞる移動経路を示す。即ち、実際に造形された三次元造形物が、三次元データに基づいて理論上造形される三次元造形物より大きい場合には、その差分だけ加工ツール４５に削り取られることになる。作成された第２パスデータは、記憶部５６に記憶される。制御装置５５は、第２パスデータを用いて、加工ヘッド４０等を制御し、三次元造形物の表面を加工する。

第３パスデータ作成部５８Ｃは、後述する図形表示部７５ｅ（図７参照）において作成された加工図形に基づいて、表面が加工された三次元造形物に対する加工ヘッド４０の移動経路を示す第３パスデータを作成する。第３パスデータは、加工ツール４５が三次元造形物の所定の部分に加工図形を作成するときの移動経路を示す。作成された第３パスデータは、記憶部５６に記憶される。制御装置５５は、第３パスデータを用いて、加工ヘッド４０等を制御し、三次元造形物の表面に模様等を付加する。

以上、本実施形態に係る三次元造形装置２０の構成について説明した。三次元造形装置２０では、制御装置５５が造形ヘッド３０および加工ヘッド４０をどのように制御するのかなどを示した三次元データが必要である。本実施形態では、三次元造形装置２０による三次元造形物の造形に先立って、造形する三次元造形物の三次元データは、三次元データ作成装置７０によって作成される。三次元造形装置２０は、三次元データ作成装置７０によって作成された三次元データに基づいて、造形ヘッド３０から熱可塑性樹脂３８を吐出し、かつ、加工ヘッド４０によって三次元造形物の表面を加工することで、所望の三次元造形物を造形する。

次に、三次元データ作成装置７０について説明する。図１に示すように、三次元データ作成装置７０は、三次元造形装置２０と別体である。三次元データ作成装置７０は、三次元造形装置２０に内蔵されていてもよい。例えば、三次元データ作成装置７０は、公知のコンピュータであり、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラムなどを格納したＲＯＭと、ＲＡＭなどを備えていてもよい。ここでは、コンピュータ内に保存されたプログラムを使用して、三次元造形装置２０で使用する三次元データを作成する。三次元データ作成装置７０は、三次元造形装置２０のための専用のコンピュータであってもよく、汎用のコンピュータであってもよい。

三次元データは、三次元造形物を造形する前に作成されるデータである。三次元データは、ユーザが入力する二次元の図形に基づいて作成される。三次元データは、図形情報と、高さ情報と、サポート情報とを有している。図形情報とは、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面の図形を表示する情報である。ＸＹ平面の図形には、ユーザが入力する二次元の図形と、ユーザが入力する二次元の図形が相似に拡大または縮小された相似図形とが含まれる。図形情報には、該図形の外表面を基準にしたＸ軸方向および／またはＹ軸方向の厚み情報が含まれる。高さ情報とは、Ｚ軸方向の高さを表示する情報である。即ち、高さ情報とは、三次元モデル７４Ｙ（図５参照）のＺ軸方向の高さを表示する情報である。サポート情報とは、該図形の内部空間の一部に配置されたサポート部材を表示する情報である。

図３は、三次元データ作成装置７０のブロック図である。図３に示すように、三次元データ作成装置７０は、表示装置７１と、入力装置７８と、作成支援装置８０とを備えている。

図４に示すように、表示装置７１は、例えば、画面７２を備えている。ここでは、画面７２に表示されたボタン７２ａを押すことで、図５に示すように、編集画面７３が画面７２に表示される。編集画面７３は、造形タブ７４と加工タブ７５とを備えている。

図５に示すように、造形タブ７４を選択することによって、三次元データの各情報を設定する画面が表示される。編集画面７３には、予め登録された二次元の図形を表示する図形選択部７４ａと、図形を編集する際に用いられる編集ツールを表示するツール選択部７４ｂと、Ｚ軸方向の高さを設定する高さ設定部７４ｃと、図形の外表面を基準にした厚みを設定する厚み設定部７４ｄと、ＸＹ平面上に作成された図形を表示する図形表示部７４ｅと、三次元データに基づいて造形される三次元造形物を表示する造形物表示部７４ｆと、予め登録されたサポート部材を表示するサポート選択部７４ｇと、が設けられている。編集画面７３において造形タブ７４が選択されると、編集画面７３には、図形選択部７４ａ等が表示される。

具体的には、例えば、図形選択部７４ａには、四角形、台形、円、星形等の図形が表示される。ツール選択部７４ｂには、直線を追加するツール、図形を拡大するツール等が表示される。図形表示部７４ｅには、ＸＹ平面上に作成された図形および作成途中の図形（以下、これらを総称してＸＹ図形７４Ｘとする。）が表示される。即ち、ユーザは、図形表示部７４ｅにおいて所望のＸＹ図形７４Ｘを作成する。図５に示す例では、ＸＹ図形７４Ｘは、内部空間７４ＸＸを備えている。高さ設定部７４ｃには、高さ入力スライダ７４ｃａと、高さ入力ボックス７４ｃｂとが設けられている。ユーザは、高さ入力スライダ７４ｃａを上下方向に移動させることによって、Ｚ軸方向の高さｈを設定することができる。また、ユーザは、高さ入力ボックス７４ｃｂに所望の寸法を入力することによって、Ｚ軸方向の高さｈを設定することができる。厚み設定部７４ｄには、厚み入力スライダ７４ｄａと、厚み入力ボックス７４ｄｂとが設けられている。ユーザは、厚み入力スライダ７４ｄａを左右方向に移動させることによって、ＸＹ図形７４Ｘの厚みｔを設定することができる。また、ユーザは、厚み入力ボックス７４ｄｂに所望の寸法を入力することによって、ＸＹ図形７４Ｘの厚みｔを設定することができる。これにより、ＸＹ図形７４Ｘの内部空間７４ＸＸの大きさを変更できる。造形物表示部７４ｆには、図形表示部７４ｅにおいて作成されたＸＹ図形７４Ｘを、高さ設定部７４ｃにおいて設定された高さｈだけＺ軸方向に複製された三次元造形物の三次元モデル７４Ｙがプレビュー表示される。図６に示すように、高さｈを大きくすると、三次元モデル７４Ｙも高さｈだけＺ軸方向に大きくなる。図５に示すように、サポート選択部７４ｇには、パターン選択部７４ｇａと、パターン太さ入力ボックス７４ｇｂとが設けられている。パターン選択部７４ｇａには、ＸＹ平面上に作成されたＸＹ図形７４Ｘの内部空間７４ＸＸに配置されるサポート部材のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅが複数表示される。例えば、サポート部材のテンプレート７９Ａは、ハニカム構造のパターンである。ユーザは、パターン太さ入力ボックス７４ｇｂに所望の寸法を入力することによって、パターンの太さを設定することができる。図６に示すように、ユーザによって、複数のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅのうち１つのテンプレートが選択され、かつパターンの太さが入力されると、ＸＹ図形７４Ｘの内部空間７４ＸＸにサポート部材７４Ｚが配置される。ここでは、テンプレート７９Ａが選択されている。

図７に示すように、加工タブ７５を選択することによって、作成された三次元データの所望の位置に所定の切削加工を設定する画面が表示される。編集画面７３には、切削加工の種類を表示する加工選択部７５ａと、予め登録された二次元の加工図形を表示する図形選択部７５ｂと、加工図形を編集する際に用いられる編集ツールを表示するツール選択部７５ｃと、加工時の深さを設定する深さ設定部７５ｄと、加工図形を表示する図形表示部７５ｅと、が設けられている。編集画面７３において加工タブ７５が選択されると、編集画面７３には、加工選択部７５ａ等が表示される。

具体的には、例えば、加工選択部７５ａには、「切り出し」、「穴あけ」および「線」等が表示される。「切り出し」とは、三次元造形物の所定の面の一部を切削して凸部を形成したり、所定の箇所を切り落としたりすることを意味する。「穴あけ」とは、三次元造形物の所定の面に穴または長穴を形成することを意味する。「線」とは、三次元造形物に所望の長さの直線状の溝を形成することを意味する。図形選択部７５ｂには、四角形、台形、円、星形等の加工図形が表示される。ツール選択部７５ｃには、直線を追加するツール、図形を拡大するツール等が表示される。深さ設定部７５ｄには、深さ入力スライダ７５ｄａと、深さ入力ボックス７５ｄｂとが設けられている。ユーザは、深さ入力スライダ７５ｄａを上下方向に移動させることによって、加工図形の深さを設定することができる。また、ユーザは、深さ入力ボックス７５ｄｂに所望の寸法を入力することによって、加工図形の深さを設定することができる。図形表示部７５ｅには、ＸＹ平面上に作成された図形および加工図形が表示され、ユーザがプレビューすることができる。即ち、ユーザは、図形表示部７５ｅにおいて所望の加工図形を作成する。作成された加工図形のデータは、制御装置５５に送信される。

入力装置７８（図３参照）は、ユーザによって、三次元データの情報に関する操作が入力される装置である。即ち、造形タブ７４および加工タブ７５がそれぞれ選択されたときの編集画面７３に設けられた各項目に関する操作が入力される装置である。入力装置７８は、特に限定されず、例えば、キーボードおよびマウスである。ユーザは、入力装置７８を操作することで、例えば、造形タブ７４または加工タブ７５を選択したり、図形表示部７４ｅ上にＸＹ図形７４Ｘを作成したり、高さ入力スライダ７４ｃａを操作してＺ軸方向の高さｈ（即ち三次元モデル７４Ｙの高さｈ）を設定したりすること等ができる。

図３に示すように、作成支援装置８０は、ユーザによって入力された二次元のＸＹ図形７４Ｘに基づいて、三次元造形物を造形するために用いられる三次元データの作成を支援する装置である。ここでは、作成支援装置８０は、三次元造形装置２０の制御装置５５（図１参照）に接続されている。三次元データ作成装置７０によって作成された三次元データは、作成支援装置８０を通じて制御装置５５に送信される。作成支援装置８０は、記憶部８２と、図形作成部８４と、サポート作成部８６と、データ作成部８８と、表示部９０とを備えている。なお、上述した各部は、ソフトウェアによって構成されていてもよいし、ハードウェアによって構成されていてもよい。

記憶部８２は、図形選択部７４ａ（図５参照）に表示される二次元の図形を複数記憶している。記憶部８２は、サポート選択部７４ｇ（図５参照）に表示されるサポート部材のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅを複数記憶している。上記二次元の図形やサポート部材のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅは、例えば、ユーザの操作によって、記憶媒体から、又はＷＥＢサイトからダウンロード、又は他のコンピュータ（図示せず）から記憶部８２に読み込まれる。また、記憶部８２は、ユーザの操作によって作成された二次元の図形やサポート部材のテンプレート等を記憶する。

図形作成部８４は、入力装置７８によって入力された図形情報に基づいて、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上に図形を作成する。これにより、図５に示すように、図形表示部７４ｅには、図形作成部８４によって作成されたＸＹ図形７４Ｘが表示される。図形情報としては、例えば、図形選択部７４ａにおいて選択された二次元の図形、ツール選択部７４ｂのツールを用いて作成されたり修正されたりした図形、厚み設定部７４ｄにおいて設定された図形の厚み、および、図形内部に設けられた内部空間が含まれる。

サポート作成部８６は、入力装置７８によって入力されたサポート情報に基づいて、図形作成部８４によって作成された図形の内部空間の一部にサポート情報に対応するサポート部材を作成する。これにより、図５に示すように、図形表示部７４ｅ（図５参照）には、サポート作成部８６によって作成されたサポート部材７４ＺがＸＹ図形７４Ｘの内部空間７４ＸＸ内に表示される。なお、内部空間７４ＸＸにサポート部材７４Ｚが配置される場合、サポート部材７４Ｚが内部空間７４ＸＸの全体に密に充填されることはなく、内部空間７４ＸＸが依然として存在する。サポート情報としては、例えば、ツール選択部７４ｂのツールを用いて作成されたサポート部材、パターン選択部７４ｇａに表示される複数のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅのうちユーザによって選択されたテンプレート、および、パターン太さ入力ボックス７４ｇｂにおいて設定されたパターンの太さが含まれる。

データ作成部８８は、Ｚ軸方向の高さ情報に基づいて、サポート部材を含む図形を高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、三次元データを作成する。Ｚ軸方向の高さ情報としては、例えば、入力装置７８によって入力される。高さ情報には、高さ設定部７４ｃの高さ入力スライダ７４ｃａまたは高さ入力ボックス７４ｃｂにおいて設定された三次元モデル７４ＹのＺ軸方向の高さｈが含まれる。なお、サポート作成部８６においてサポート部材が作成されない場合、データ作成部８８は、図形作成部８４によって作成された図形を高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、三次元データを作成する。

表示部９０は、データ作成部８８によって作成された三次元データに基づいて造形される三次元造形物の三次元モデル７４Ｙを表示装置７１に表示する。より具体的には、図６に示すように、表示部９０は、三次元モデル７４Ｙを編集画面７３の造形物表示部７４ｆに表示する。

次に、ユーザが三次元データ作成装置７０を使用して三次元データを作成する手順について説明する。ここでは、表示装置７１の画面７２には、編集画面７３は表示されておらず、ボタン７２ａが表示されている。まず、ユーザが入力装置７８を操作してボタン７２ａを押すことで、図５に示すように、編集画面７３が画面７２に表示される。次に、ユーザが入力装置７８を操作して、図形選択部７４ａおよびツール選択部７４ｂを適宜用いて、図形表示部７４ｅに、所望の二次元の図形を作成する。また、ユーザが入力装置７８を操作して、厚み設定部７４ｄにおいて図形の厚みｔを設定する。これにより、図形作成部８４は、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上に内部空間７４ＸＸを備えたＸＹ図形７４Ｘを作成する。次に、ユーザは、パターン選択部７４ｇａに表示される複数のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅのうちから例えばテンプレート７９Ａを選択し、パターン太さ入力ボックス７４ｇｂにパターンの太さを入力する。これにより、サポート作成部８６は、ＸＹ図形７４Ｘの内部空間７４ＸＸの一部にサポート部材７４Ｚを作成する。

その後、ユーザは、高さ設定部７４ｃにおいて高さｈを設定する。これにより、データ作成部８８は、サポート部材７４Ｚを含むＸＹ図形７４Ｘを高さｈだけＺ軸方向に複製することによって、三次元データを作成する。このとき、表示部９０は、作成された三次元データに基づいて造形される三次元モデル７４Ｙを造形物表示部７４ｆに表示する。作成された三次元データは、制御装置５５の記憶部５６に送信される。

以上のように、本実施形態の三次元データ作成装置７０によれば、図形作成部８４は、入力装置７８によって入力された図形情報に基づいて、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上にＸＹ図形７４Ｘを作成する。そして、データ作成部８８は、入力装置７８によって入力された高さ情報（高さｈ）に基づいて、作成されたＸＹ図形７４Ｘを高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、三次元データを作成する。このように、データ作成部８８は、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上に作成された二次元のＸＹ図形７４Ｘと、高さ情報とを用いて、三次元モデルのデータとしての三次元データを作成することができる。従って、ユーザは、入力装置７８を用いて、ＸＹＺ座標空間のＸＹ平面上に二次元のＸＹ図形７４Ｘを作成し、かつ、高さ情報を決定するという比較的簡単な作業によって、三次元造形物の造形に必要な三次元データを作成することができる。

本実施形態では、図３に示すように、作成支援装置８０は、サポート作成部８６を備えている。サポート作成部８６は、図６に示すように、入力装置７８（図３参照）によって入力されたサポート情報に基づいて、作成されたＸＹ図形７４Ｘの内部空間７４ＸＸの一部にサポート情報に対応するサポート部材７４Ｚを作成する。このように、三次元データを用いて造形される三次元造形物は内部空間を備えているため、造形時に使用される熱可塑性樹脂３８を低減することができると共に、造形された三次元造形物の軽量化を実現することができる。また、内部空間の一部にはサポート部材が形成されるため、三次元造形物が内部空間を備えていても十分な強度が確保される。

本実施形態では、図３に示すように、作成支援装置８０は、内部空間７４ＸＸ（図６参照）の一部に配置されるサポート部材７４Ｚ（図６参照）のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅ（図６参照）を複数記憶した記憶部８２を備えている。これにより、内部空間７４ＸＸにサポート部材７４Ｚを作成する場合には、ユーザは記憶部８２に予め記憶された複数のテンプレート７９Ａ〜７９Ｅのうち１つのテンプレートを選択すればよい。このように、ユーザが入力装置７８を用いて、ＸＹ図形７４Ｘの内部空間７４ＸＸにサポート部材７４Ｚを一から作成する必要がないため、サポート情報を有する三次元データを容易に作成することができる。

本実施形態では、図３に示すように、作成支援装置８０は、作成された三次元データに基づいて造形される三次元造形物の三次元モデル７４Ｙ（図５参照）を表示装置７１（図５参照）に表示する表示部９０を備えている。これにより、ユーザは三次元データに基づいて造形される三次元モデル７４Ｙを造形前に確認することができ、必要に応じてＸＹ図形７４Ｘ等を修正することができる。

本実施形態では、図１に示すように、三次元造形システム１０は、三次元造形装置２０と、三次元データ作成装置７０とを備えている。三次元造形装置２０は、三次元データ作成装置７０によって作成された三次元データに基づいて、造形ヘッド３０および加工ヘッド４０を制御する制御装置５５を備えている。熱可塑性樹脂を硬化させて複数の樹脂硬化層からなる三次元造形物を造形する場合、造形された三次元造形物の表面には凹凸が発生し得る。特に、ノズル３４のノズル径を大きくして三次元造形をより速く行う場合に発生し得る。本実施形態の三次元造形装置２０は、加工ヘッド４０を備えているため、三次元造形物の表面を加工することができる。即ち、三次元造形物を速く行った後、加工ヘッド４０によって三次元造形物の表面を加工することで、所望の三次元造形物を素早くかつ精度よく造形することができる。さらに、三次元造形物を造形する際に造形ヘッド３０において用いられる三次元データは、加工ヘッド４０においても用いられる。このため、加工ヘッド４０用に新たな三次元データを準備することなく、三次元造形物の表面を加工することができる。

本実施形態では、図１に示すように、造形ヘッド３０および加工ヘッド４０は、キャリッジ６０に設けられている。これにより、造形ヘッド３０と加工ヘッド４０とを一体に移動させることができる。造形ヘッド３０および加工ヘッド４０をそれぞれ独立させて移動させる場合と比較して、構造および制御が簡単である。また、造形ヘッド３０と加工ヘッド４０とが一体に移動するため、造形ヘッド３０および加工ヘッド４０のいずれか一方において原点調整すればよい。

上述した実施形態では、データ作成部８８は、入力されたＺ軸方向の高さ情報に基づいて、サポート部材を含む図形を高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、三次元データを作成していたが、これに限定されない。データ作成部８８は、Ｚ軸方向の高さ情報に基づいて、サポート部材を含む図形および／またはサポート部材を含む図形が相似に拡大または縮小された相似図形を高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、三次元データを作成してもよい。編集画面７３（図６参照）には、サポート部材７４Ｚ（図６参照）を含むＸＹ図形７４Ｘ（図６参照）の拡大または縮小の程度を設定することができる図示しない図形拡縮部が設けられている。図形拡縮部では、Ｚ軸方向の高さごとに、ＸＹ図形７４Ｘの拡大または縮小の程度を設定することができる。

例えば、図８に示すように、データ作成部８８によって、サポート部材７４Ｚ（図６参照）を含むＸＹ図形７４Ｘ（図６参照）がＺ軸方向の上方に向かうほど相似に縮小された相似図形を複製することによって、四角錐の三次元モデル７４Ｙを作成することができる。

また、例えば、図９に示すように、データ作成部８８によって、サポート部材７４Ｚを含む円形のＸＹ図形７４ＸがＺ軸方向の上方に向かうほど相似に拡大された相似図形１７４Ｘを複製することによって、円錐台の三次元モデル７４Ｙを作成することができる。図９中の相似図形１７４Ｘは、ＸＹ図形７４Ｘが相似に拡大された相似図形の一例である。

さらに、例えば、図１０に示すように、データ作成部８８によって、サポート部材７４Ｚを含むＸＹ図形７４ＸがＺ軸方向の上方に向かうほど相似に縮小された相似図形を所定の高さだけ複製して第１部分７４ＹＡを作成し、かつ、サポート部材７４Ｚを含むＸＹ図形７４Ｘを所定の高さだけ複製して第２部分７４ＹＢを作成し、かつ、サポート部材７４Ｚを含むＸＹ図形７４ＸをＺ軸方向の上方に向かうほど相似に拡大した相似図形を所定の高さだけ複製して第３部分７４ＹＣを作成することによって、２つの円錐台７４ＹＡ、７４ＹＣと、該２つの円錐台７４ＹＡ、７４Ｃの間に配置された円柱７４Ｂと、を含む三次元モデル７４Ｙを作成することができる。

３０造形ヘッド
４０加工ヘッド
５５制御装置
７０三次元データ作成装置
７１表示装置
７８入力装置
８０作成支援装置
８２記憶部
８４図形作成部
８６サポート作成部
８８データ作成部
９０表示部

Claims

樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂硬化層を順次積層することにより三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記三次元造形物を造形するための三次元データを作成する三次元データ作成装置であって、
前記三次元データは、ユーザが入力する二次元の図形に基づいて作成されるものであって、内部空間を備えるＸＹＺ座標空間のＸＹ平面の図形を表示する図形情報と、Ｚ軸方向の高さを表示する高さ情報と、前記内部空間の一部に配置されたサポート部材を表示するサポート情報とを有し、
前記情報を表示する表示装置と、
ユーザによる前記情報に関する操作が入力される入力装置と、
前記三次元データの作成を支援する作成支援装置と、
を備え、
前記作成支援装置は、
前記入力装置によって入力された前記図形情報に基づいて、前記ＸＹＺ座標空間の前記ＸＹ平面上に前記内部空間を備えた前記図形を作成する図形作成部と、
前記入力装置によって入力された前記サポート情報に基づいて、前記作成された図形の前記内部空間の一部に前記サポート情報に対応するサポート部材を作成するサポート作成部と、
前記入力装置によって入力された前記高さ情報に基づいて、前記サポート部材を含む前記作成された図形および／または前記サポート部材を含む前記作成された図形が相似に拡大または縮小された相似図形を前記高さ情報分だけＺ軸方向に複製することによって、前記三次元データを作成するデータ作成部と、を備えている、三次元データ作成装置。
前記作成支援装置は、前記内部空間の一部に配置されるサポート部材のテンプレートを複数記憶した記憶部をさらに備え、
前記サポート作成部は、前記複数のテンプレートのうちユーザによって選択されたテンプレートに基づいて、前記作成された図形の前記内部空間の一部に前記テンプレートに対応するサポート部材を作成する、請求項１に記載の三次元データ作成装置。
前記作成支援装置は、前記作成された三次元データに基づいて造形される三次元造形物の三次元モデルを前記表示装置に表示する表示部を備えている、請求項１または２に記載の三次元データ作成装置。
前記三次元造形装置と、
請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元データ作成装置と、を備えた三次元造形システムであって、
前記三次元造形装置は、
樹脂材料として熱可塑性樹脂を吐出する造形ヘッドと、
前記造形ヘッドから吐出された前記熱可塑性樹脂を保持する造形テーブルと、
前記硬化した熱可塑性樹脂から形成された三次元造形物の表面を加工する加工ヘッドと、
前記三次元データ作成装置によって作成された前記三次元データに基づいて、前記造形ヘッドおよび前記加工ヘッドを制御する制御装置と、を備えている、三次元造形システム。
前記三次元造形装置は、所定方向に移動可能なキャリッジを備え、
前記造形ヘッドおよび前記加工ヘッドは、前記キャリッジに設けられている、請求項４に記載の三次元造形システム。