３次元複合機
【課題】 一つの立体物全体を表す３次元モデルデータは非常に大きい。従って、自らスキャンして被複製物の３次元モデルデータを作成したり、所定の演算処理を行い、さらにその３次元モデルデータに基づいて複製物を造形させようとすると、いわゆる演算処理の負担が大きいので、装置が高価になり、普及の阻害要因となる。
【解決手段】 スキャナー部にてスキャン対象を立体スキャン可能であり、造形部は積層によって立体物を造形することが可能である。そして、制御部は上記スキャナー部に層ごとの立体スキャンを行わせ、層ごとの立体スキャン結果から造形データを作成し、上記造形部に層ごとに造形を行わせる。
すなわち、スキャン対象である一つの立体物全体を表す造形データを処理するのではなく、層毎に造形データを処理することになるので、演算処理の負担が軽くなる。
【解決手段】 スキャナー部にてスキャン対象を立体スキャン可能であり、造形部は積層によって立体物を造形することが可能である。そして、制御部は上記スキャナー部に層ごとの立体スキャンを行わせ、層ごとの立体スキャン結果から造形データを作成し、上記造形部に層ごとに造形を行わせる。
すなわち、スキャン対象である一つの立体物全体を表す造形データを処理するのではなく、層毎に造形データを処理することになるので、演算処理の負担が軽くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元複合機に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体物の造形技術として幾つかの手法が知られている。具体的には、いわゆる光造形法（特許文献１参照）、選択的レーザー焼結法（特許文献２参照）、溶融堆積法（特許文献３参照）、粉末結合法（特許文献４参照）、シート積層法（特許文献５参照）、インクジェットによる材料の直接吐出による造形法（特許文献６参照）等の積層型の造形法が知られている。
【０００３】
また、測定対象となる立体物を３次元測定して３次元モデルデータを出力可能な３次元測定器（３次元デジタイザ）が知られている。
また、測定対象物を測定する装置や、コンピューターや、立体物の造形のための装置といった複数の装置からなるシステムによって、立体物のコピーを実現する技術が知られている（特許文献７，８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８‐１９５０６９号公報
【特許文献２】特表２０１０‐５１０１０４号公報
【特許文献３】特表２００９‐５２５２０７号公報
【特許文献４】特表２００２‐５０７９４０号公報
【特許文献５】特開２００１‐３０１０６０号公報
【特許文献６】特表２００３‐５３５７１２号公報
【特許文献７】特開２００４‐６９４０３号公報
【特許文献８】特開２００６‐２５０９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一つの立体物全体を表す３次元モデルデータは非常に大きい。従って、自らスキャンして被複製物の３次元モデルデータを作成したり、所定の演算処理を行い、さらにその３次元モデルデータに基づいて複製物を造形したりさせようとすると、いわゆる演算処理の負担が大きいので、装置が高価になり、普及の阻害要因となる。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、いわゆる演算処理の負担を軽減することで装置を安価にして普及しやすくすることが可能な３次元複合機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、スキャナー部にてスキャン対象を立体スキャン可能であり、造形部は積層によって立体物を造形することが可能である。そして、制御部は上記スキャナー部に層ごとの立体スキャンを行わせ、層ごとの立体スキャン結果から造形データを作成し、上記造形部に層ごとに造形を行わせる。
すなわち、スキャン対象である一つの立体物全体を表す造形データを処理するのではなく、層毎に造形データを処理することになるので、演算処理の負担が軽くなる。
【０００７】
また、上記制御部は、上記スキャナー部に対して、上記造形部で所定の層の造形を開始する前に同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせ、当該層と上層のスキャン結果に基づいて造形データを作成するように構成することができる。
例えば、スキャン対象に水平の面があり、その水平の面が層の区切れであるとすると、水平面までの層毎の造形をしていたときに、その次の層で、突然、外周の壁面がずれることになる。造形物を中空の構造としていたとすると、次ぎの層が小さく、現在形成中の層の中空領域に納まる大きさであれば、本来であればこの面に水平の壁面を形成しなければならない。このため、造形部で所定の層の造形を開始する前に、同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせる。そして、当該層と上層のスキャン結果に基づき、外周の壁面の変化がある部分では、その変化によっては水平の面を形成する様に造形データを作成する。
【０００８】
さらに、上記制御部は、相重なる基準層と中層の二層の立体スキャンの差異が所定の許容値の範囲内かを判定し、許容値の範囲外であれば所定の誤差対応処理を実行するように構成することができる。
外来ノイズ等があるので、立体スキャンの結果が必ずしも正確とは限らない。一つの立体物全体を表す造形データを処理するときは、周囲のデータを参照して立体造形面としての修正は可能であるが、層毎に処理するときに高度な演算で修正をすることで演算処理の負荷が大きくなるようでは層毎に処理するメリットが無くなる。このため、相重なる基準層と中層の二層の立体スキャンの結果を比較し、その差異が所定の許容値の範囲内かを判定する。そして、許容値の範囲外であれば所定の誤差対応処理を実行することにして演算の負荷の低減を図っている。
【０００９】
より具体的には、上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、基準層と最上層との間の差異が所定の許容値の範囲内にある場合に、間の中層の立体スキャンの結果を誤りとみなした処理を実行し、上記差異が基準層と最上層とで所定の許容値の範囲を超える場合に、中層の立体スキャンの結果を正常と見なした処理を実行する。
【００１０】
また、上記制御部は、上記誤差対応処理として、再度中層の立体スキャンを実行させるようにしてもよいし、さらに上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、差異の大きい部分では基準層と最上層との補間演算によって中層の立体スキャン結果を修正するようにしてもよい。
ところで、造形に加えて着色を同時に行う構成とすることができる。この場合、上記スキャナー部は、上記スキャン対象に対して側面から立体スキャンするのに加えて、同スキャン対象の画像を上方から写すことが可能としてあり、上記造形部は、立体物の形状の造形に加えて着色が可能とする。そして、上記制御部は、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を上記造形部にて着色するように制御する。
【００１１】
立体スキャンでは側面から見たスキャンを実施して形状を得られるが、立体部に特有な水平面の図柄に対応できない。このため、スキャナー部はスキャン対象の画像を上方から写すこととし、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を造形部にて着色することで対応している。
また、当該層と上層のスキャン結果に基づいて天井壁の要否を判断し、必要であれば天井壁を形成する造形データを作成するようにしてもよい。
この他、各種の造形にあたり、造形物の高さは予測上のものと一致するとは限らず、周囲の環境の影響を受けることがある。一つの立体物全体を表す造形データに基づいて造形した場合、下層において予期したとおりの高さの造形物が得られないと全体の高さは縮んでしまう。むろん、高さが足りないということは全体的な形状が根本的にずれてくることになる。しかし、上記制御部は、上記造形部にて造形した高さの情報を上記スキャナー部による立体スキャンの高さ情報としてフィードバックして立体スキャンを行わせることで、造形している層毎に確実にスキャン対象の寸法と一致することになるので、正確な３次元複写を実現できる。
なお、これらは、３次元複写方法・３次元プログラムとしても実現可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の３次元複合機は、層毎の処理とすることで、一つの立体物の全体の造形データを一度に処理しなくても済むため、演算処理の負荷が低く、演算処理能力を高くしないで実現できる３次元複合機を提供できる。
また、層毎の処理を前提として、簡易な構成で正確な造形を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】３次元複合機の外観例を示した斜視図である。
【図２】３次元複合機の構成を概略的に示した図である。
【図３】プラットフォームの構成例を示した図である。
【図４】３次元複合機の複合処理を示すフローチャートである。
【図５】一層上の上層の立体スキャン結果で天井壁を形成する処理のフローチャートである。
【図６】一層上の上層の立体スキャン結果との差が大きい場合の処理のフローチャートである。
【図７】上方から撮影して着色情報を得る処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
１．複合機の構成
図１は、本実施形態にかかる３次元複合機１０の外観例を斜視図により示している。３次元複合機１０は、装置全体を覆う筺体１１の前面側に扉１２ａ，１２ｂを有している。また、筺体１１の内部には、処理用空間としてのチャンバー１３ａ，１３ｂが形成されている。すなわち、図面上の左方側がスキャン対象（測定対象物）の立体スキャンを行う測定側のチャンバー１３ａとその扉１２ａが備えられ、右方側が造形物を形成する造形側でのチャンバー１３ｂとその扉１２ｂが備えられている。ユーザは、扉１２ａ，１２ｂを開けることで、チャンバー１３ａ，１３ｂ内にアクセス可能であり、測定側のチャンバー１３ａ内に測定対象物Ｍとしての立体物を載置したり、載置した測定対象物Ｍを取り出したりする。また、チャンバー１３ｂ内で造形された立体物（造形物Ｒ）を扉１２ｂを開けて取り出したりすることができる。３次元複合機１０は、筺体１１表面の所定位置に、ユーザに対する表示部としての表示装置１１ａ（液晶パネル等）や、ユーザからの操作を受け付ける操作受付部１１ｂとしてのスイッチやボタンやタッチパネル等を適宜備える。
【００１５】
図２は、３次元複合機１０の構成を概略的に示している。３次元複合機１０は、チャンバー１３ａ内に載置された測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを取得可能な測定部（スキャナー部）２０と、与えられた３次元モデルデータに基づいてチャンバー１３ｂ内に造形物Ｒを造形可能な造形部３０と、測定部２０と造形部３０とを制御する制御部４０とを含む。ここで言う与えられた３次元モデルデータとは、外部から３次元複合機１０に接続されたコンピューターや記憶媒体（メモリーカード等）から３次元複合機１０が読み込む３次元モデルデータと、測定部２０によって取得される３次元モデルデータとの両方を含む意味である。つまり、一台の３次元複合機１０は、立体物の３次元測定機能と、立体物の造形機能と、これら機能を合わせた立体物の複製機能とを兼ね備えている。また、３次元複合機１０は、各チャンバー１３ａ，１３ｂの底面側に配設された略水平な台（プラットフォーム１４ａ，１４ｂ）と、プラットフォーム１４ａ，１４ｂをチャンバー１３ａ，１３ｂ内において３次元複合機１０の上下方向（縦方向）に移動させることが可能なモーター等からなるプラットフォーム移動機構１５ａ，１５ｂを含む。
【００１６】
測定部２０は、測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを取得可能な機構であれば、公知の非接触型の３次元デジタイザを含めて種々の構成を採ることができる。ただし、この測定部２０は測定対象物Ｍの全体を測定するのではなく、Ｚ軸方向の所定高さを各層として層ごとに立体スキャンを行うものである。
測定部２０は、例えば、照射光を発する光源２１、光源２１から照射された照射光の測定対象物Ｍからの反射光を読み取るイメージセンサー２２、イメージセンサー２２による読み取り結果に基づいて所定のフォーマットの３次元モデルデータを生成するファイル生成部２３などを備える。また、本測定部２０は測定対象物Ｍを上方から下方に対面して撮影するためのイメージセンサー２４も備えている。従って、このイメージセンサー２４は測定対象物Ｍを上方から見下ろすように撮影した撮影データを生成する。
【００１７】
ファイル生成部２３は、例えば、ＳＴＬやＯＢＪやＩＧＥＳ等のフォーマットで３次元モデルデータを生成可能であり、３次元ＣＡＤやＣＧのソフトウェアによって実現される機能ブロックである。一例として、ファイル生成部２３がＳＴＬフォーマットの３次元モデルデータを生成する場合、３次元モデルデータは、３つの頂点（座標値）を有する三角形の集合により立体を表現する。ここでいう座標値とは、例えば、チャンバー１３内に定義された空間（互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸により定義された空間）における座標値（Ｘ成分値、Ｙ成分値、Ｚ成分値）である。また、各三角形は面法線ベクトルを有し、各面法線ベクトルが向く方向は立体物の表面が向く方向を示している。本実施形態では、Ｚ軸は上記上下方向（縦方向）を向き、これに垂直なＸＹ平面は、水平面を形成するものする。本実施例の３次元複合機１０は、上記のような３次元モデルデータを層ごとに生成するた。
【００１８】
造形部３０は、３次元モデルデータに基づいて立体物を造形可能な機構であればよく、上述したような積層型の造形法のいずれかにより造形を行なう。３次元モデルデータが層ごとに生成されるのに伴い、造形部３０は、例えば、立体スキャンの際の層ごとの３次元モデルデータを造形機構が対応する各層の造形のためのスライスデータに変換するデータ変換部３１、造形法に応じた造形のための造形ヘッド３２、造形ヘッド３２をチャンバー１３内においてＸ，Ｙ軸方向それぞれに移動させることが可能なモーター等からなるヘッド移動機構３３などを備える。データ変換部３１は、３次元モデルデータの断面形状であって、例えば、Ｚ軸方向に垂直な断面形状（ＸＹ平面における形状）を演算により取得する。データ変換部３１は、このような断面形状をＺ軸方向において一定間隔（スライス幅）で取得する。このようなスライス幅毎の断面形状を表したデータを、スライスデータと呼ぶ。
【００１９】
造形ヘッド３２は、チャンバー１３内にてプラットフォーム１４上をヘッド移動機構３３によってＸ，Ｙ軸方向に移動させられながら、一枚のスライスデータが示す形状に応じて所定の材料や光を発することで一層の造形を行なう。各種積層型の造形法は公知であるため造形法自体の詳細な説明は省くが、粉末結合法では造形ヘッド３２はプラットフォーム１４上に粉末層を形成すると共に、このプラットフォーム１４上の粉末層に対して結合材を吐出する。また、本実施例では、結合材とは別に着色剤も吐出可能としている。すなわち、造形ヘッド３２は、粉末層、結合材、着色剤をそれらに適した吐出機構からなる複数のヘッドの複合体として形成されている。
【００２０】
３次元複合にあたり、スライスデータに応じた一層分の造形と、Ｚ軸方向に沿ったプラットフォーム１４の当該一層分の移動（下降）とを繰り返すことで、プラットフォーム１４上に層単位での造形結果が積層され、造形物Ｒが完成する。また、造形のみならず着色を行うには、造形物の断面外側部分には一定の厚みで着色剤を吐出することとして外面上の模様を含めた３次元の複写と２次元の複写とを実現している。なお、粉末結合法以外にも、光造形法、選択的レーザー焼結法も採用可能である。シート積層法などであればレーザー光をプラットフォーム１４上の樹脂や粉末層やシート部材に対して照射するし、溶融堆積法であれば溶融させた樹脂をプラットフォーム１４上に吐出（押し出し）するし、インクジェットによる材料の直接吐出による造形法であれば造形物Ｒの形成に用いられる材料をプラットフォーム１４上に吐出する。
【００２１】
制御部４０は、ＣＰＵ４１やメモリー４２などを備え、ＣＰＵ４１がメモリー４２に記憶された所定のプログラムに従って測定部（スキャナー部）２０や造形部３０を制御する。また制御部４０は、造形部３０による造形時に、プラットフォーム移動機構１５のモーターを数値制御することでプラットフォーム１４のＺ軸方向の移動距離や移動速度を制御し、ヘッド移動機構３３のモーターを数値制御することで造形ヘッド３２のＸ，Ｙ軸方向の移動距離や移動速度を制御する。本発明では、立体物全体の３次元モデルデータを処理するのではなく、層ごとに処理を行うようにしており、そのためのメモリー４２容量は少なくて済み、ＣＰＵ４１の演算能力も高くなくて構わない。従って、制御部４０全体としての構成を小さくすることができる。例えば、立体物全体の３次元モデルデータを処理するのであれば、制御部４０の構成は、測定部や造形部の構成と比較しても格段に高性能のコンピューターが必要になるが、層ごとの処理では１層〜３層程度の立体スキャンデータを処理するのに必要な程度の小さめの制御部４０で実現可能となる。
【００２２】
図３は、チャンバー１３ａ，１３ｂ内におけるプラットフォーム１４ａ，１４ｂの構成例を示している。図３に示すプラットフォーム１４ａ，１４ｂは円形状であり、且つ中心が軸１６ａ，１６ｂにより下方から支持されている。軸１６ａ，１６ｂは、上記プラットフォーム移動機構１５ａ，１５ｂによりＺ軸方向に沿って移動可能であり且つ回転可能である。この軸１６ａ，１６ｂの回転についても制御部４０により数値制御される。つまり図３の例では、プラットフォームはターンテーブルとなっている。測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、このターンテーブルとしてのプラットフォーム１４ａに測定対象物Ｍが載置され、プラットフォーム１４ａが回転する状況で測定が行なわれる。回転するターンテーブルに測定対象物Ｍが載ることで、イメージセンサー２２は、それ自体が固定されていても測定対象物Ｍを３６０度満遍無く読み取ることができる。つまり、造形用の空間として使用されるチャンバー１３ａ内において効率よく測定対象物Ｍについての正確な３次元モデルデータを取得できる。一方、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、プラットフォーム１４ｂは基本的には回転せず、Ｚ軸方向に沿った移動を行なう。むろん、造形法に応じて回転を行うものであっても良い。
【００２３】
この他にも、プラットフォーム１４（１４ａ，１４ｂ）の構成として、プラットフォームは矩形状であり、矩形内の一部が円形にくり抜かれ、このくり抜かれた領域に円形のターンテーブルを収容するものであってもよい。また、測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、図示しないターンテーブルに測定対象物Ｍが載置され、同ターンテーブルが回転する状況で測定を行うようにしてもよい。なお、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、ターンテーブルは基本的には回転せず、プラットフォーム全体（プラットフォームおよびターンテーブル）のＺ軸方向の位置が同一位置に保たれながら、プラットフォーム全体がＺ軸方向に沿って移動するようにしてもよい。この他、矩形状の板のプラットフォーム１４に、円形のターンテーブルを載置した状態でユーザによって立体スキャン対象を載置する。ターンテーブルは、中心が軸により下方から支持され、軸は上記プラットフォーム移動機構１５によりＺ軸方向に沿って移動可能であり且つ回転可能としてもよい。この軸の回転は制御部４０により数値制御される。測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、プラットフォーム１はターンテーブルに載置されず、ターンテーブルに測定対象物Ｍが載置され、ターンテーブルが回転する状況で測定が行なわれる。一方、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、ターンテーブルにプラットフォームが載置され、ターンテーブルは基本的には回転せずＺ軸方向に沿った移動を行なう。
【００２４】
２．複製処理の説明
次に、上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。
図４は、本発明の３次元複合機１０における層ごとに測定と造形を繰り返して造形を実現するための処理（３次元複合機の処理：１）の流れをフローチャートにより示している。なお、後述するように一部は簡略化して全体の流れを把握しやすくしている。
ステップＳ１００では、それぞれの造形法に応じた造形準備が行われる。演算処理のための初期値の設定に加え、材料の準備に伴うセンサーの結果の待機なども含まれる。粉末結合法であれば、最初の粉末層を用意することを含めることが可能である。また、底を開口とするか閉じるかをユーザーから選択することも可能である。
【００２５】
ステップＳ１０２では、測定対象物（スキャン対象）Ｍを測定部２０のプラットフォーム１４ａに載置すされるのを待機している。これは、作業者が扉１２ａを開けて測定対象物をプラットフォーム１４ａ上に載置した後、扉１２を閉じて操作受付部１１ｂで所定の操作がなされるのを待機する。続いて操作者が操作受付部１１ｂのボタン操作として複製処理の開始を指示すると、ステップＳ１０４では同複製処理の開始指示を受付ける。
【００２６】
ステップＳ１０６では、測定対象物Ｍを上方から撮影する。形状によって水平面を有しているときなどは、側面からの形状を測定するだけでは水平面に描写された模様などが分からない。このため、上方から撮影することで水平な面に表れている模様の情報を得る。なお、彩色を行えない造形方法や彩色を行わない設定の場合には、このステップＳ１０６を省略する。
ステップＳ１０８では、測定部（スキャナー部）２０のスキャナーを最下層へ移動させる。本実施例ではスキャナーを構成するのがイメージセンサー２２である。イメージセンサー２２は光源２１と伴って測定対象物Ｍの側面で最下層から最上層へ至るまで、一層ごとに高さを変えながら、層ごとの立体スキャンを行う。なお、このとき、形状のみの測定ではなく、測定対象物Ｍの外表面の模様も得ておく。そして、これらを実現するイメージセンサー２２などを最下層に移動させる。最下層の位置では、ステップＳ１１０にて、測定部（スキャナー部）２０により３次元測定であるスキャン対象の現在の層での立体スキャンをする。以下、各層ごとの立体スキャンと造形を繰り返し行なうに先立ち、ステップＳ１１２では、スキャナーが最上層にあるか否かを判断する。これは立体スキャンの結果を利用しており、現在の層に測定対象がない場合には層ごとの処理を終えるというものである。ステップＳ１１８にて徐々に上層へと移動させられており、測定対象物の高さを超えたところまで移動させられた時点で最上層にあると判断されることになる。
【００２７】
ステップＳ１１４では、立体スキャン結果に基づいて造形データを演算する。具体的には、層ごとに立体スキャン結果から造形データを作成することである。この処理に表れるように、層ごとに立体スキャンを行い、その結果から造形データを作成するので演算処理の負荷は小さい。また、１１６では、造形部３０で当該層の造形を実行する。このように、造形部３０は層ごとに造形を行なっている。この意味では、一層ごとに立体スキャンを行い、それに対応するように一層ごとに造形を行うので処理も容易である。
【００２８】
一層の造形が終わったので、ステップＳ１１８では、上述したようにスキャナーを一層上げる。一般的には造形できる層の高さは一定であるが、造形方法によってはこの高さが一定でない場合もある。このため、層ごとに立体スキャンと造形を繰り返す本発明では、造形部３０での造形済みの層の高さの情報を、測定部２０による立体スキャンの高さ情報としてフィードバックして次の層の高さを求めるようにしてもよい。すなわち、制御部４０が造形部３０にて造形した高さの情報を測定部（スキャナー部）２０による立体スキャンの高さ情報としてフィードバックして立体スキャンを行わせるのである。この結果、より正確な形状の造形物Ｒを提供できるようになる。
【００２９】
一方、上述したように最上層まで達したときには、ステップＳ１２０にて造形の処理を終える。ステップＳ１２０では、造形終了処理を行っており、演算の処理の終了であるとか、徐々に上げていった測定部２０や造形部３０をデフォルトの所定高さの位置に戻すといった処理も含んでいる。造形は完了して、取り出せるようにデフォルト位置へ戻した後、ステップＳ１２２では、造形物Ｒの取出しを催促し、ステップＳ１２４では、操作者が造形物Ｒの取り出しを実行する。そして、この操作者の操作を検知しているのが、ステップＳ１２６であり、取り出されたと判断するまで待機する。
【００３０】
以上の処理では層ごとの処理の概略を説明した。次に着色についての改良を説明する。すなわち、側面からのイメージセンサー２２での測定の場合、ある層と次の層との間で水平な平面が生じているときには水平面（天井壁部）の壁面を形成する処理が必要である。例えば、ある高さまでは直径３cmで次の層で直径４cmになったとする。この場合、直径３cmの壁面から直径４cmの壁面へ続く部位でドーナツ型の壁面が形成されて両者をつなぐことができる。
【００３１】
このため、上述した説明では特にことわらなかったが、制御部４０は、測定部（スキャナー部）２０に対して、造形部３０で所定の層の造形を開始する前に、同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせている。そして、当該層と上層のスキャン結果に基づいて制御部４０は造形データを作成するようにしている。より具体的には水平面が生じている部分で水平な壁面を形成する。
【００３２】
図５は、この場合にＳ１１０からＳ１１４で行う具体的な処理をフローチャートにより示している。この３次元複合機１０においては、ステップＳ１３０では、前回立体スキャンした一つ上の上層の立体スキャンのスキャン結果を、造形部３０での今回の造形の層（基準層）のスキャン結果として保存する。上述したようにある層を造形する際にその上層の立体スキャンを必要的に行っているので、上層へ向かうたびに再度その立体スキャンを繰り返すのではなく、前回測定した上層のスキャン結果を現在の層のデータとして有効利用すべく保存する。
【００３３】
今回の層のデータはこのようにして得られることになり、ステップＳ１３２では、測定部（スキャナー部）２０に対して今回の造形の層（以下、基準層と呼ぶ）よりも一つ上の上層（以下、中層と呼ぶ）を立体スキャンさせる。
そして、ステップＳ１３４では、今回の造形の層（基準層）と上層の層（中層）の立体スキャンのスキャン結果から天井壁部に該当する部分があるかないか確認する。すなわち、今回の造形の層と上層の層の立体スキャンのスキャン結果に基づいて今回の造形の層が上層の層よりも所定の閾値以上に大きいと判断された場合に、今回の造形の層におけるスキャン結果が大きく異なる部分には天井壁部の存在を確認できるといえる。また、今回の造形の層（基準層）が最上層であり上層の層（中層）が存在しない場合には、今回の造形の層（基準層）全体が天井壁部であると言える。逆に、今回の造形の層と上層の層の立体スキャンのスキャン結果に基づいて今回の造形の層が上層の層よりも所定の閾値以上に小さいと判断された場合に、上層の層におけるスキャン結果が大きく異なる部分には天井壁部の存在を確認できるといえる。そして、ステップＳ１３６では、天井壁部がある場合は、側壁に加えて少なくとも天井壁部がある部分に天井壁部を形成する造形データを作成する。
さらに、ステップＳ１３８では、ステップＳ１１２の場合と同様に、最上層か否かを判断する。ここでは、今回の造形の層よりも一つ上の上層（中層）に測定対象がなければ最上層と判定する。そして、最上層であればステップＳ１２０へ進むことになる。なお、この際上層階中の判断はＳ１３０の後であっても構わない。その場合は現在の層のデータに基づいて判定する。
【００３４】
この例では、各層ごとに基準層と中層の二つのデータが必要であるが、中層のデータは次の層で基準層のデータとして利用するので、各層ごとに二度の立体スキャンを行うというわけではない。ただし、一時的には二層分の立体スキャン結果を保持する必要がある。これに対して、単に天井壁部を確認するという意味では中層は外形だけが分かればよいので、中層については本来の立体スキャン結果を保持するのではなく、外形形状だけを確認できるだけの最低限のデータとする。このようにすれば必要とする演算資源が少なくて済む。
【００３５】
ところで、天井壁部と似て非なる状況として測定誤りの対処も必要である。
図６はこの場合にＳ１１４で行う処理をフローチャートにより示している。
ステップＳ１４０では、今回の造形の層（基準層）と上層の層（中層）の立体スキャンの差異が所定の許容値の範囲内かを判定する。壁面だけに注目し、水平面（天井壁部）が存在しないとすれば、各層ごとに徐々に変化することはあっても突然急に変化するということはないはずである。もし、許容値の範囲外であるときには、ステップＳ１４２以下で＜所定の誤差対応処理＞を実施する。具体的には、ステップＳ１４４では、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施する。この状態で、三層（基準層、中層、最上層）の立体スキャン結果が得られている。基準層に対して中層が大きくずれたことが正しいのか否かを判断するとき、さらにその上の最上層を見てみる。この立体スキャン結果が基準層に近づいたなら、中層のデータが誤っていただけの可能性が高い。しかし、そうでなく最上層と中層とが近い場合には中層の立体スキャン結果は正しい可能性が高い。このような判定方針の下で、ステップＳ１４６では、差異の大きい部分が基準層と最上層とで所定の許容値の範囲内にあるか否かを判断する。この差異が所定の許容値の範囲内であるというのであれば、中層の立体スキャン結果は誤りということである。このため、上記判断に基づいて、ステップＳ１４８（範囲内）では、中層の立体スキャンの結果を誤りとみなした処理を実行する。その一例として、ステップＳ１４８Ａであれば、再度中層の立体スキャンを実行させる処理を行うし、ステップＳ１４８Ｂであれば、もう一層上の最上層の立体スキャンの結果（上述したように実施済み）を利用し、差異の大きい部分では基準層と最上層との補間演算によって中層の立体スキャン結果を修正する。むろん、ステップＳ１４８ＡとステップＳ１４８Ｂの処理はいずれか一方だけでよい。ここで、ステップＳ１４８Ａでは、再度のスキャン結果が、差異が所定の許容値の範囲内になるものであればその再度のスキャン結果を基準層のスキャン結果とし、所定回数（１回以上の任意の回数）立体スキャンを繰り返しても、差異が所定の許容値の範囲内にならなければ、天井壁部が存在していて中層の立体スキャン結果は正しい可能性が高い。よって、最後にスキャンした結果を基準層のスキャン結果とする。
【００３６】
ステップＳ１４６の判断で基準層と最上層とが所定の許容値の範囲外と判断された場合、最上層と中層とが所定の許容値の範囲内と判断された場合、又はこれらの両方が成立する場合は中層の測定結果は正しい場合である。従って、ステップＳ１５０では、中層の立体スキャンの結果を正常と見なした処理を実行すればよい。
造形だけであれば天井壁部などは上下の層の立体スキャン結果だけに基づいて生成できるが、模様の再現を行うためには、何らかの画像データが必要である。立体スキャン結果には側面からの測定だけの場合も多いので、これだけでは不足が生じる。
【００３７】
図７はこのような場合に対応すべく、上方から撮影して着色情報を得る処理をフローチャートにより示している。
同図に示すように、ステップＳ１６０では、測定対象物Ｍを上方から撮影する。なお、この処理は先に示したステップＳ１０６の処理である。これにより、測定部（スキャナー部）２０は、スキャン対象に対して側面から立体スキャンするのに加えて、同スキャン対象の画像を上方から写すことができたことになる。ステップＳ１６２では、制御部４０は、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を造形部３０にて着色させる。
【００３８】
造形部３０は粉末層の生成、結合材の吐出に加え、着色剤の吐出が可能である。この着色剤の機能を利用することで造形と着色を行える。なお、着色剤は立体形状における外側の表面層に該当する部分だけに行えばよい。むろん、壁材の内部から着色することも可能である。天井壁部については状況に応じて外面側となる下面側か上面側に着色剤を吐出することになる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
【００４０】
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１０…３次元複合機、１１…筺体、１１ａ…表示装置、１１ｂ…操作受付部、１２ａ，１２ｂ…扉、１３ａ，１３ｂ…チャンバー、１４ａ，１４ｂ…プラットフォーム、１５ａ，１５ｂ…プラットフォーム移動機構、２０…測定部（スキャナー部）、２１…光源、２２，２４…イメージセンサー、２３…ファイル生成部、３０…造形部、３１…データ変換部、３２…造形ヘッド、３３…ヘッド移動機構、４０…制御部、４１…ＣＰＵ、４２…メモリー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元複合機に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体物の造形技術として幾つかの手法が知られている。具体的には、いわゆる光造形法（特許文献１参照）、選択的レーザー焼結法（特許文献２参照）、溶融堆積法（特許文献３参照）、粉末結合法（特許文献４参照）、シート積層法（特許文献５参照）、インクジェットによる材料の直接吐出による造形法（特許文献６参照）等の積層型の造形法が知られている。
【０００３】
また、測定対象となる立体物を３次元測定して３次元モデルデータを出力可能な３次元測定器（３次元デジタイザ）が知られている。
また、測定対象物を測定する装置や、コンピューターや、立体物の造形のための装置といった複数の装置からなるシステムによって、立体物のコピーを実現する技術が知られている（特許文献７，８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８‐１９５０６９号公報
【特許文献２】特表２０１０‐５１０１０４号公報
【特許文献３】特表２００９‐５２５２０７号公報
【特許文献４】特表２００２‐５０７９４０号公報
【特許文献５】特開２００１‐３０１０６０号公報
【特許文献６】特表２００３‐５３５７１２号公報
【特許文献７】特開２００４‐６９４０３号公報
【特許文献８】特開２００６‐２５０９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一つの立体物全体を表す３次元モデルデータは非常に大きい。従って、自らスキャンして被複製物の３次元モデルデータを作成したり、所定の演算処理を行い、さらにその３次元モデルデータに基づいて複製物を造形したりさせようとすると、いわゆる演算処理の負担が大きいので、装置が高価になり、普及の阻害要因となる。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、いわゆる演算処理の負担を軽減することで装置を安価にして普及しやすくすることが可能な３次元複合機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、スキャナー部にてスキャン対象を立体スキャン可能であり、造形部は積層によって立体物を造形することが可能である。そして、制御部は上記スキャナー部に層ごとの立体スキャンを行わせ、層ごとの立体スキャン結果から造形データを作成し、上記造形部に層ごとに造形を行わせる。
すなわち、スキャン対象である一つの立体物全体を表す造形データを処理するのではなく、層毎に造形データを処理することになるので、演算処理の負担が軽くなる。
【０００７】
また、上記制御部は、上記スキャナー部に対して、上記造形部で所定の層の造形を開始する前に同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせ、当該層と上層のスキャン結果に基づいて造形データを作成するように構成することができる。
例えば、スキャン対象に水平の面があり、その水平の面が層の区切れであるとすると、水平面までの層毎の造形をしていたときに、その次の層で、突然、外周の壁面がずれることになる。造形物を中空の構造としていたとすると、次ぎの層が小さく、現在形成中の層の中空領域に納まる大きさであれば、本来であればこの面に水平の壁面を形成しなければならない。このため、造形部で所定の層の造形を開始する前に、同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせる。そして、当該層と上層のスキャン結果に基づき、外周の壁面の変化がある部分では、その変化によっては水平の面を形成する様に造形データを作成する。
【０００８】
さらに、上記制御部は、相重なる基準層と中層の二層の立体スキャンの差異が所定の許容値の範囲内かを判定し、許容値の範囲外であれば所定の誤差対応処理を実行するように構成することができる。
外来ノイズ等があるので、立体スキャンの結果が必ずしも正確とは限らない。一つの立体物全体を表す造形データを処理するときは、周囲のデータを参照して立体造形面としての修正は可能であるが、層毎に処理するときに高度な演算で修正をすることで演算処理の負荷が大きくなるようでは層毎に処理するメリットが無くなる。このため、相重なる基準層と中層の二層の立体スキャンの結果を比較し、その差異が所定の許容値の範囲内かを判定する。そして、許容値の範囲外であれば所定の誤差対応処理を実行することにして演算の負荷の低減を図っている。
【０００９】
より具体的には、上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、基準層と最上層との間の差異が所定の許容値の範囲内にある場合に、間の中層の立体スキャンの結果を誤りとみなした処理を実行し、上記差異が基準層と最上層とで所定の許容値の範囲を超える場合に、中層の立体スキャンの結果を正常と見なした処理を実行する。
【００１０】
また、上記制御部は、上記誤差対応処理として、再度中層の立体スキャンを実行させるようにしてもよいし、さらに上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、差異の大きい部分では基準層と最上層との補間演算によって中層の立体スキャン結果を修正するようにしてもよい。
ところで、造形に加えて着色を同時に行う構成とすることができる。この場合、上記スキャナー部は、上記スキャン対象に対して側面から立体スキャンするのに加えて、同スキャン対象の画像を上方から写すことが可能としてあり、上記造形部は、立体物の形状の造形に加えて着色が可能とする。そして、上記制御部は、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を上記造形部にて着色するように制御する。
【００１１】
立体スキャンでは側面から見たスキャンを実施して形状を得られるが、立体部に特有な水平面の図柄に対応できない。このため、スキャナー部はスキャン対象の画像を上方から写すこととし、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を造形部にて着色することで対応している。
また、当該層と上層のスキャン結果に基づいて天井壁の要否を判断し、必要であれば天井壁を形成する造形データを作成するようにしてもよい。
この他、各種の造形にあたり、造形物の高さは予測上のものと一致するとは限らず、周囲の環境の影響を受けることがある。一つの立体物全体を表す造形データに基づいて造形した場合、下層において予期したとおりの高さの造形物が得られないと全体の高さは縮んでしまう。むろん、高さが足りないということは全体的な形状が根本的にずれてくることになる。しかし、上記制御部は、上記造形部にて造形した高さの情報を上記スキャナー部による立体スキャンの高さ情報としてフィードバックして立体スキャンを行わせることで、造形している層毎に確実にスキャン対象の寸法と一致することになるので、正確な３次元複写を実現できる。
なお、これらは、３次元複写方法・３次元プログラムとしても実現可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の３次元複合機は、層毎の処理とすることで、一つの立体物の全体の造形データを一度に処理しなくても済むため、演算処理の負荷が低く、演算処理能力を高くしないで実現できる３次元複合機を提供できる。
また、層毎の処理を前提として、簡易な構成で正確な造形を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】３次元複合機の外観例を示した斜視図である。
【図２】３次元複合機の構成を概略的に示した図である。
【図３】プラットフォームの構成例を示した図である。
【図４】３次元複合機の複合処理を示すフローチャートである。
【図５】一層上の上層の立体スキャン結果で天井壁を形成する処理のフローチャートである。
【図６】一層上の上層の立体スキャン結果との差が大きい場合の処理のフローチャートである。
【図７】上方から撮影して着色情報を得る処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
１．複合機の構成
図１は、本実施形態にかかる３次元複合機１０の外観例を斜視図により示している。３次元複合機１０は、装置全体を覆う筺体１１の前面側に扉１２ａ，１２ｂを有している。また、筺体１１の内部には、処理用空間としてのチャンバー１３ａ，１３ｂが形成されている。すなわち、図面上の左方側がスキャン対象（測定対象物）の立体スキャンを行う測定側のチャンバー１３ａとその扉１２ａが備えられ、右方側が造形物を形成する造形側でのチャンバー１３ｂとその扉１２ｂが備えられている。ユーザは、扉１２ａ，１２ｂを開けることで、チャンバー１３ａ，１３ｂ内にアクセス可能であり、測定側のチャンバー１３ａ内に測定対象物Ｍとしての立体物を載置したり、載置した測定対象物Ｍを取り出したりする。また、チャンバー１３ｂ内で造形された立体物（造形物Ｒ）を扉１２ｂを開けて取り出したりすることができる。３次元複合機１０は、筺体１１表面の所定位置に、ユーザに対する表示部としての表示装置１１ａ（液晶パネル等）や、ユーザからの操作を受け付ける操作受付部１１ｂとしてのスイッチやボタンやタッチパネル等を適宜備える。
【００１５】
図２は、３次元複合機１０の構成を概略的に示している。３次元複合機１０は、チャンバー１３ａ内に載置された測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを取得可能な測定部（スキャナー部）２０と、与えられた３次元モデルデータに基づいてチャンバー１３ｂ内に造形物Ｒを造形可能な造形部３０と、測定部２０と造形部３０とを制御する制御部４０とを含む。ここで言う与えられた３次元モデルデータとは、外部から３次元複合機１０に接続されたコンピューターや記憶媒体（メモリーカード等）から３次元複合機１０が読み込む３次元モデルデータと、測定部２０によって取得される３次元モデルデータとの両方を含む意味である。つまり、一台の３次元複合機１０は、立体物の３次元測定機能と、立体物の造形機能と、これら機能を合わせた立体物の複製機能とを兼ね備えている。また、３次元複合機１０は、各チャンバー１３ａ，１３ｂの底面側に配設された略水平な台（プラットフォーム１４ａ，１４ｂ）と、プラットフォーム１４ａ，１４ｂをチャンバー１３ａ，１３ｂ内において３次元複合機１０の上下方向（縦方向）に移動させることが可能なモーター等からなるプラットフォーム移動機構１５ａ，１５ｂを含む。
【００１６】
測定部２０は、測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを取得可能な機構であれば、公知の非接触型の３次元デジタイザを含めて種々の構成を採ることができる。ただし、この測定部２０は測定対象物Ｍの全体を測定するのではなく、Ｚ軸方向の所定高さを各層として層ごとに立体スキャンを行うものである。
測定部２０は、例えば、照射光を発する光源２１、光源２１から照射された照射光の測定対象物Ｍからの反射光を読み取るイメージセンサー２２、イメージセンサー２２による読み取り結果に基づいて所定のフォーマットの３次元モデルデータを生成するファイル生成部２３などを備える。また、本測定部２０は測定対象物Ｍを上方から下方に対面して撮影するためのイメージセンサー２４も備えている。従って、このイメージセンサー２４は測定対象物Ｍを上方から見下ろすように撮影した撮影データを生成する。
【００１７】
ファイル生成部２３は、例えば、ＳＴＬやＯＢＪやＩＧＥＳ等のフォーマットで３次元モデルデータを生成可能であり、３次元ＣＡＤやＣＧのソフトウェアによって実現される機能ブロックである。一例として、ファイル生成部２３がＳＴＬフォーマットの３次元モデルデータを生成する場合、３次元モデルデータは、３つの頂点（座標値）を有する三角形の集合により立体を表現する。ここでいう座標値とは、例えば、チャンバー１３内に定義された空間（互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸により定義された空間）における座標値（Ｘ成分値、Ｙ成分値、Ｚ成分値）である。また、各三角形は面法線ベクトルを有し、各面法線ベクトルが向く方向は立体物の表面が向く方向を示している。本実施形態では、Ｚ軸は上記上下方向（縦方向）を向き、これに垂直なＸＹ平面は、水平面を形成するものする。本実施例の３次元複合機１０は、上記のような３次元モデルデータを層ごとに生成するた。
【００１８】
造形部３０は、３次元モデルデータに基づいて立体物を造形可能な機構であればよく、上述したような積層型の造形法のいずれかにより造形を行なう。３次元モデルデータが層ごとに生成されるのに伴い、造形部３０は、例えば、立体スキャンの際の層ごとの３次元モデルデータを造形機構が対応する各層の造形のためのスライスデータに変換するデータ変換部３１、造形法に応じた造形のための造形ヘッド３２、造形ヘッド３２をチャンバー１３内においてＸ，Ｙ軸方向それぞれに移動させることが可能なモーター等からなるヘッド移動機構３３などを備える。データ変換部３１は、３次元モデルデータの断面形状であって、例えば、Ｚ軸方向に垂直な断面形状（ＸＹ平面における形状）を演算により取得する。データ変換部３１は、このような断面形状をＺ軸方向において一定間隔（スライス幅）で取得する。このようなスライス幅毎の断面形状を表したデータを、スライスデータと呼ぶ。
【００１９】
造形ヘッド３２は、チャンバー１３内にてプラットフォーム１４上をヘッド移動機構３３によってＸ，Ｙ軸方向に移動させられながら、一枚のスライスデータが示す形状に応じて所定の材料や光を発することで一層の造形を行なう。各種積層型の造形法は公知であるため造形法自体の詳細な説明は省くが、粉末結合法では造形ヘッド３２はプラットフォーム１４上に粉末層を形成すると共に、このプラットフォーム１４上の粉末層に対して結合材を吐出する。また、本実施例では、結合材とは別に着色剤も吐出可能としている。すなわち、造形ヘッド３２は、粉末層、結合材、着色剤をそれらに適した吐出機構からなる複数のヘッドの複合体として形成されている。
【００２０】
３次元複合にあたり、スライスデータに応じた一層分の造形と、Ｚ軸方向に沿ったプラットフォーム１４の当該一層分の移動（下降）とを繰り返すことで、プラットフォーム１４上に層単位での造形結果が積層され、造形物Ｒが完成する。また、造形のみならず着色を行うには、造形物の断面外側部分には一定の厚みで着色剤を吐出することとして外面上の模様を含めた３次元の複写と２次元の複写とを実現している。なお、粉末結合法以外にも、光造形法、選択的レーザー焼結法も採用可能である。シート積層法などであればレーザー光をプラットフォーム１４上の樹脂や粉末層やシート部材に対して照射するし、溶融堆積法であれば溶融させた樹脂をプラットフォーム１４上に吐出（押し出し）するし、インクジェットによる材料の直接吐出による造形法であれば造形物Ｒの形成に用いられる材料をプラットフォーム１４上に吐出する。
【００２１】
制御部４０は、ＣＰＵ４１やメモリー４２などを備え、ＣＰＵ４１がメモリー４２に記憶された所定のプログラムに従って測定部（スキャナー部）２０や造形部３０を制御する。また制御部４０は、造形部３０による造形時に、プラットフォーム移動機構１５のモーターを数値制御することでプラットフォーム１４のＺ軸方向の移動距離や移動速度を制御し、ヘッド移動機構３３のモーターを数値制御することで造形ヘッド３２のＸ，Ｙ軸方向の移動距離や移動速度を制御する。本発明では、立体物全体の３次元モデルデータを処理するのではなく、層ごとに処理を行うようにしており、そのためのメモリー４２容量は少なくて済み、ＣＰＵ４１の演算能力も高くなくて構わない。従って、制御部４０全体としての構成を小さくすることができる。例えば、立体物全体の３次元モデルデータを処理するのであれば、制御部４０の構成は、測定部や造形部の構成と比較しても格段に高性能のコンピューターが必要になるが、層ごとの処理では１層〜３層程度の立体スキャンデータを処理するのに必要な程度の小さめの制御部４０で実現可能となる。
【００２２】
図３は、チャンバー１３ａ，１３ｂ内におけるプラットフォーム１４ａ，１４ｂの構成例を示している。図３に示すプラットフォーム１４ａ，１４ｂは円形状であり、且つ中心が軸１６ａ，１６ｂにより下方から支持されている。軸１６ａ，１６ｂは、上記プラットフォーム移動機構１５ａ，１５ｂによりＺ軸方向に沿って移動可能であり且つ回転可能である。この軸１６ａ，１６ｂの回転についても制御部４０により数値制御される。つまり図３の例では、プラットフォームはターンテーブルとなっている。測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、このターンテーブルとしてのプラットフォーム１４ａに測定対象物Ｍが載置され、プラットフォーム１４ａが回転する状況で測定が行なわれる。回転するターンテーブルに測定対象物Ｍが載ることで、イメージセンサー２２は、それ自体が固定されていても測定対象物Ｍを３６０度満遍無く読み取ることができる。つまり、造形用の空間として使用されるチャンバー１３ａ内において効率よく測定対象物Ｍについての正確な３次元モデルデータを取得できる。一方、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、プラットフォーム１４ｂは基本的には回転せず、Ｚ軸方向に沿った移動を行なう。むろん、造形法に応じて回転を行うものであっても良い。
【００２３】
この他にも、プラットフォーム１４（１４ａ，１４ｂ）の構成として、プラットフォームは矩形状であり、矩形内の一部が円形にくり抜かれ、このくり抜かれた領域に円形のターンテーブルを収容するものであってもよい。また、測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、図示しないターンテーブルに測定対象物Ｍが載置され、同ターンテーブルが回転する状況で測定を行うようにしてもよい。なお、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、ターンテーブルは基本的には回転せず、プラットフォーム全体（プラットフォームおよびターンテーブル）のＺ軸方向の位置が同一位置に保たれながら、プラットフォーム全体がＺ軸方向に沿って移動するようにしてもよい。この他、矩形状の板のプラットフォーム１４に、円形のターンテーブルを載置した状態でユーザによって立体スキャン対象を載置する。ターンテーブルは、中心が軸により下方から支持され、軸は上記プラットフォーム移動機構１５によりＺ軸方向に沿って移動可能であり且つ回転可能としてもよい。この軸の回転は制御部４０により数値制御される。測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、プラットフォーム１はターンテーブルに載置されず、ターンテーブルに測定対象物Ｍが載置され、ターンテーブルが回転する状況で測定が行なわれる。一方、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、ターンテーブルにプラットフォームが載置され、ターンテーブルは基本的には回転せずＺ軸方向に沿った移動を行なう。
【００２４】
２．複製処理の説明
次に、上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。
図４は、本発明の３次元複合機１０における層ごとに測定と造形を繰り返して造形を実現するための処理（３次元複合機の処理：１）の流れをフローチャートにより示している。なお、後述するように一部は簡略化して全体の流れを把握しやすくしている。
ステップＳ１００では、それぞれの造形法に応じた造形準備が行われる。演算処理のための初期値の設定に加え、材料の準備に伴うセンサーの結果の待機なども含まれる。粉末結合法であれば、最初の粉末層を用意することを含めることが可能である。また、底を開口とするか閉じるかをユーザーから選択することも可能である。
【００２５】
ステップＳ１０２では、測定対象物（スキャン対象）Ｍを測定部２０のプラットフォーム１４ａに載置すされるのを待機している。これは、作業者が扉１２ａを開けて測定対象物をプラットフォーム１４ａ上に載置した後、扉１２を閉じて操作受付部１１ｂで所定の操作がなされるのを待機する。続いて操作者が操作受付部１１ｂのボタン操作として複製処理の開始を指示すると、ステップＳ１０４では同複製処理の開始指示を受付ける。
【００２６】
ステップＳ１０６では、測定対象物Ｍを上方から撮影する。形状によって水平面を有しているときなどは、側面からの形状を測定するだけでは水平面に描写された模様などが分からない。このため、上方から撮影することで水平な面に表れている模様の情報を得る。なお、彩色を行えない造形方法や彩色を行わない設定の場合には、このステップＳ１０６を省略する。
ステップＳ１０８では、測定部（スキャナー部）２０のスキャナーを最下層へ移動させる。本実施例ではスキャナーを構成するのがイメージセンサー２２である。イメージセンサー２２は光源２１と伴って測定対象物Ｍの側面で最下層から最上層へ至るまで、一層ごとに高さを変えながら、層ごとの立体スキャンを行う。なお、このとき、形状のみの測定ではなく、測定対象物Ｍの外表面の模様も得ておく。そして、これらを実現するイメージセンサー２２などを最下層に移動させる。最下層の位置では、ステップＳ１１０にて、測定部（スキャナー部）２０により３次元測定であるスキャン対象の現在の層での立体スキャンをする。以下、各層ごとの立体スキャンと造形を繰り返し行なうに先立ち、ステップＳ１１２では、スキャナーが最上層にあるか否かを判断する。これは立体スキャンの結果を利用しており、現在の層に測定対象がない場合には層ごとの処理を終えるというものである。ステップＳ１１８にて徐々に上層へと移動させられており、測定対象物の高さを超えたところまで移動させられた時点で最上層にあると判断されることになる。
【００２７】
ステップＳ１１４では、立体スキャン結果に基づいて造形データを演算する。具体的には、層ごとに立体スキャン結果から造形データを作成することである。この処理に表れるように、層ごとに立体スキャンを行い、その結果から造形データを作成するので演算処理の負荷は小さい。また、１１６では、造形部３０で当該層の造形を実行する。このように、造形部３０は層ごとに造形を行なっている。この意味では、一層ごとに立体スキャンを行い、それに対応するように一層ごとに造形を行うので処理も容易である。
【００２８】
一層の造形が終わったので、ステップＳ１１８では、上述したようにスキャナーを一層上げる。一般的には造形できる層の高さは一定であるが、造形方法によってはこの高さが一定でない場合もある。このため、層ごとに立体スキャンと造形を繰り返す本発明では、造形部３０での造形済みの層の高さの情報を、測定部２０による立体スキャンの高さ情報としてフィードバックして次の層の高さを求めるようにしてもよい。すなわち、制御部４０が造形部３０にて造形した高さの情報を測定部（スキャナー部）２０による立体スキャンの高さ情報としてフィードバックして立体スキャンを行わせるのである。この結果、より正確な形状の造形物Ｒを提供できるようになる。
【００２９】
一方、上述したように最上層まで達したときには、ステップＳ１２０にて造形の処理を終える。ステップＳ１２０では、造形終了処理を行っており、演算の処理の終了であるとか、徐々に上げていった測定部２０や造形部３０をデフォルトの所定高さの位置に戻すといった処理も含んでいる。造形は完了して、取り出せるようにデフォルト位置へ戻した後、ステップＳ１２２では、造形物Ｒの取出しを催促し、ステップＳ１２４では、操作者が造形物Ｒの取り出しを実行する。そして、この操作者の操作を検知しているのが、ステップＳ１２６であり、取り出されたと判断するまで待機する。
【００３０】
以上の処理では層ごとの処理の概略を説明した。次に着色についての改良を説明する。すなわち、側面からのイメージセンサー２２での測定の場合、ある層と次の層との間で水平な平面が生じているときには水平面（天井壁部）の壁面を形成する処理が必要である。例えば、ある高さまでは直径３cmで次の層で直径４cmになったとする。この場合、直径３cmの壁面から直径４cmの壁面へ続く部位でドーナツ型の壁面が形成されて両者をつなぐことができる。
【００３１】
このため、上述した説明では特にことわらなかったが、制御部４０は、測定部（スキャナー部）２０に対して、造形部３０で所定の層の造形を開始する前に、同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせている。そして、当該層と上層のスキャン結果に基づいて制御部４０は造形データを作成するようにしている。より具体的には水平面が生じている部分で水平な壁面を形成する。
【００３２】
図５は、この場合にＳ１１０からＳ１１４で行う具体的な処理をフローチャートにより示している。この３次元複合機１０においては、ステップＳ１３０では、前回立体スキャンした一つ上の上層の立体スキャンのスキャン結果を、造形部３０での今回の造形の層（基準層）のスキャン結果として保存する。上述したようにある層を造形する際にその上層の立体スキャンを必要的に行っているので、上層へ向かうたびに再度その立体スキャンを繰り返すのではなく、前回測定した上層のスキャン結果を現在の層のデータとして有効利用すべく保存する。
【００３３】
今回の層のデータはこのようにして得られることになり、ステップＳ１３２では、測定部（スキャナー部）２０に対して今回の造形の層（以下、基準層と呼ぶ）よりも一つ上の上層（以下、中層と呼ぶ）を立体スキャンさせる。
そして、ステップＳ１３４では、今回の造形の層（基準層）と上層の層（中層）の立体スキャンのスキャン結果から天井壁部に該当する部分があるかないか確認する。すなわち、今回の造形の層と上層の層の立体スキャンのスキャン結果に基づいて今回の造形の層が上層の層よりも所定の閾値以上に大きいと判断された場合に、今回の造形の層におけるスキャン結果が大きく異なる部分には天井壁部の存在を確認できるといえる。また、今回の造形の層（基準層）が最上層であり上層の層（中層）が存在しない場合には、今回の造形の層（基準層）全体が天井壁部であると言える。逆に、今回の造形の層と上層の層の立体スキャンのスキャン結果に基づいて今回の造形の層が上層の層よりも所定の閾値以上に小さいと判断された場合に、上層の層におけるスキャン結果が大きく異なる部分には天井壁部の存在を確認できるといえる。そして、ステップＳ１３６では、天井壁部がある場合は、側壁に加えて少なくとも天井壁部がある部分に天井壁部を形成する造形データを作成する。
さらに、ステップＳ１３８では、ステップＳ１１２の場合と同様に、最上層か否かを判断する。ここでは、今回の造形の層よりも一つ上の上層（中層）に測定対象がなければ最上層と判定する。そして、最上層であればステップＳ１２０へ進むことになる。なお、この際上層階中の判断はＳ１３０の後であっても構わない。その場合は現在の層のデータに基づいて判定する。
【００３４】
この例では、各層ごとに基準層と中層の二つのデータが必要であるが、中層のデータは次の層で基準層のデータとして利用するので、各層ごとに二度の立体スキャンを行うというわけではない。ただし、一時的には二層分の立体スキャン結果を保持する必要がある。これに対して、単に天井壁部を確認するという意味では中層は外形だけが分かればよいので、中層については本来の立体スキャン結果を保持するのではなく、外形形状だけを確認できるだけの最低限のデータとする。このようにすれば必要とする演算資源が少なくて済む。
【００３５】
ところで、天井壁部と似て非なる状況として測定誤りの対処も必要である。
図６はこの場合にＳ１１４で行う処理をフローチャートにより示している。
ステップＳ１４０では、今回の造形の層（基準層）と上層の層（中層）の立体スキャンの差異が所定の許容値の範囲内かを判定する。壁面だけに注目し、水平面（天井壁部）が存在しないとすれば、各層ごとに徐々に変化することはあっても突然急に変化するということはないはずである。もし、許容値の範囲外であるときには、ステップＳ１４２以下で＜所定の誤差対応処理＞を実施する。具体的には、ステップＳ１４４では、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施する。この状態で、三層（基準層、中層、最上層）の立体スキャン結果が得られている。基準層に対して中層が大きくずれたことが正しいのか否かを判断するとき、さらにその上の最上層を見てみる。この立体スキャン結果が基準層に近づいたなら、中層のデータが誤っていただけの可能性が高い。しかし、そうでなく最上層と中層とが近い場合には中層の立体スキャン結果は正しい可能性が高い。このような判定方針の下で、ステップＳ１４６では、差異の大きい部分が基準層と最上層とで所定の許容値の範囲内にあるか否かを判断する。この差異が所定の許容値の範囲内であるというのであれば、中層の立体スキャン結果は誤りということである。このため、上記判断に基づいて、ステップＳ１４８（範囲内）では、中層の立体スキャンの結果を誤りとみなした処理を実行する。その一例として、ステップＳ１４８Ａであれば、再度中層の立体スキャンを実行させる処理を行うし、ステップＳ１４８Ｂであれば、もう一層上の最上層の立体スキャンの結果（上述したように実施済み）を利用し、差異の大きい部分では基準層と最上層との補間演算によって中層の立体スキャン結果を修正する。むろん、ステップＳ１４８ＡとステップＳ１４８Ｂの処理はいずれか一方だけでよい。ここで、ステップＳ１４８Ａでは、再度のスキャン結果が、差異が所定の許容値の範囲内になるものであればその再度のスキャン結果を基準層のスキャン結果とし、所定回数（１回以上の任意の回数）立体スキャンを繰り返しても、差異が所定の許容値の範囲内にならなければ、天井壁部が存在していて中層の立体スキャン結果は正しい可能性が高い。よって、最後にスキャンした結果を基準層のスキャン結果とする。
【００３６】
ステップＳ１４６の判断で基準層と最上層とが所定の許容値の範囲外と判断された場合、最上層と中層とが所定の許容値の範囲内と判断された場合、又はこれらの両方が成立する場合は中層の測定結果は正しい場合である。従って、ステップＳ１５０では、中層の立体スキャンの結果を正常と見なした処理を実行すればよい。
造形だけであれば天井壁部などは上下の層の立体スキャン結果だけに基づいて生成できるが、模様の再現を行うためには、何らかの画像データが必要である。立体スキャン結果には側面からの測定だけの場合も多いので、これだけでは不足が生じる。
【００３７】
図７はこのような場合に対応すべく、上方から撮影して着色情報を得る処理をフローチャートにより示している。
同図に示すように、ステップＳ１６０では、測定対象物Ｍを上方から撮影する。なお、この処理は先に示したステップＳ１０６の処理である。これにより、測定部（スキャナー部）２０は、スキャン対象に対して側面から立体スキャンするのに加えて、同スキャン対象の画像を上方から写すことができたことになる。ステップＳ１６２では、制御部４０は、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を造形部３０にて着色させる。
【００３８】
造形部３０は粉末層の生成、結合材の吐出に加え、着色剤の吐出が可能である。この着色剤の機能を利用することで造形と着色を行える。なお、着色剤は立体形状における外側の表面層に該当する部分だけに行えばよい。むろん、壁材の内部から着色することも可能である。天井壁部については状況に応じて外面側となる下面側か上面側に着色剤を吐出することになる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
【００４０】
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１０…３次元複合機、１１…筺体、１１ａ…表示装置、１１ｂ…操作受付部、１２ａ，１２ｂ…扉、１３ａ，１３ｂ…チャンバー、１４ａ，１４ｂ…プラットフォーム、１５ａ，１５ｂ…プラットフォーム移動機構、２０…測定部（スキャナー部）、２１…光源、２２，２４…イメージセンサー、２３…ファイル生成部、３０…造形部、３１…データ変換部、３２…造形ヘッド、３３…ヘッド移動機構、４０…制御部、４１…ＣＰＵ、４２…メモリー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャン対象を立体スキャンするスキャナー部と、
積層によって立体物を造形する造形部と、
上記スキャナー部に層ごとに立体スキャンを行わせ、層ごとの立体スキャン結果から層ごとの造形データを作成し、上記造形部に層ごとに造形を行わせる制御部と
を備えることを特徴とする３次元複合機。
【請求項２】
上記制御部は、上記スキャナー部に対して、上記造形部で所定の層の造形を開始する前に同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせ、当該層と上層のスキャン結果に基づいて造形データを作成することを特徴とする請求項１に記載の３次元複合機。
【請求項３】
上記制御部は、相重なる基準層と中層の二層の立体スキャンの差異が所定の許容値の範囲内かを判定し、許容値の範囲外であれば所定の誤差対応処理を実行することを特徴とする請求項２に記載の３次元複合機。
【請求項４】
上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、基準層と最上層との間の差異が所定の許容値の範囲内にある場合に、間の中層の立体スキャンの結果を誤りとみなした処理を実行し、上記差異が基準層と最上層とで所定の許容値の範囲を超える場合に、中層の立体スキャンの結果を正常と見なした処理を実行することを特徴とする請求項３に記載の３次元複合機。
【請求項５】
上記制御部は、上記誤差対応処理として、再度中層の立体スキャンを実行させることを特徴とする請求項３に記載の３次元複合機。
【請求項６】
上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、差異の大きい部分では基準層と最上層との補間演算によって中層の立体スキャン結果を修正することを特徴とする請求項３に記載の３次元複合機。
【請求項７】
上記スキャナー部は、上記スキャン対象に対して側面から立体スキャンするのに加えて、同スキャン対象の画像を上方から写すことが可能であり、
上記造形部は、立体物の形状の造形に加えて着色が可能であり、
上記制御部は、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を上記造形部にて着色するように制御することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の３次元複合機。
【請求項８】
上記制御部は、当該層と上層のスキャン結果に基づいて天井壁の要否を判断し、必要であれば天井壁を形成する造形データを作成することを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれかに記載の３次元複合機。
【請求項１】
スキャン対象を立体スキャンするスキャナー部と、
積層によって立体物を造形する造形部と、
上記スキャナー部に層ごとに立体スキャンを行わせ、層ごとの立体スキャン結果から層ごとの造形データを作成し、上記造形部に層ごとに造形を行わせる制御部と
を備えることを特徴とする３次元複合機。
【請求項２】
上記制御部は、上記スキャナー部に対して、上記造形部で所定の層の造形を開始する前に同層よりも一つ上の上層を立体スキャンさせ、当該層と上層のスキャン結果に基づいて造形データを作成することを特徴とする請求項１に記載の３次元複合機。
【請求項３】
上記制御部は、相重なる基準層と中層の二層の立体スキャンの差異が所定の許容値の範囲内かを判定し、許容値の範囲外であれば所定の誤差対応処理を実行することを特徴とする請求項２に記載の３次元複合機。
【請求項４】
上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、基準層と最上層との間の差異が所定の許容値の範囲内にある場合に、間の中層の立体スキャンの結果を誤りとみなした処理を実行し、上記差異が基準層と最上層とで所定の許容値の範囲を超える場合に、中層の立体スキャンの結果を正常と見なした処理を実行することを特徴とする請求項３に記載の３次元複合機。
【請求項５】
上記制御部は、上記誤差対応処理として、再度中層の立体スキャンを実行させることを特徴とする請求項３に記載の３次元複合機。
【請求項６】
上記制御部は、上記誤差対応処理として、もう一層上の最上層の立体スキャンを実施し、差異の大きい部分では基準層と最上層との補間演算によって中層の立体スキャン結果を修正することを特徴とする請求項３に記載の３次元複合機。
【請求項７】
上記スキャナー部は、上記スキャン対象に対して側面から立体スキャンするのに加えて、同スキャン対象の画像を上方から写すことが可能であり、
上記造形部は、立体物の形状の造形に加えて着色が可能であり、
上記制御部は、上方から写した画像データに基づいてスキャン対象における水平面に現れる模様を上記造形部にて着色するように制御することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の３次元複合機。
【請求項８】
上記制御部は、当該層と上層のスキャン結果に基づいて天井壁の要否を判断し、必要であれば天井壁を形成する造形データを作成することを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれかに記載の３次元複合機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２１３９７０（Ｐ２０１２−２１３９７０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１６９８（Ｐ２０１１−８１６９８）
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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