３次元造形装置、制御装置、制御方法及び造形物
【課題】実物に近い印象を与える造形物を造ることができる３次元造形装置、その制御装置、制御方法、及びその３次元造形装置により造られた造形物を提供する。
【解決手段】ステップ１０２では、画像処理コンピュータは、記憶されたＤＩＣＯＭデータの輝度に関して少なくとも２値化以上の多値化処理を実行する。ステップ１０３では、その多値化に対応した複数段階の輝度情報に基づき、その複数段階の輝度情報に対応した複数の色で着色された画像が生成される。３次元造形装置は、着色された画像に基づいて、１層分の粉体層に２色以上のインクを吐出することで粉体に画像を描き（ステップ１０７）、これを複数層繰り返す（ステップ１０８）。
【解決手段】ステップ１０２では、画像処理コンピュータは、記憶されたＤＩＣＯＭデータの輝度に関して少なくとも２値化以上の多値化処理を実行する。ステップ１０３では、その多値化に対応した複数段階の輝度情報に基づき、その複数段階の輝度情報に対応した複数の色で着色された画像が生成される。３次元造形装置は、着色された画像に基づいて、１層分の粉体層に２色以上のインクを吐出することで粉体に画像を描き（ステップ１０７）、これを複数層繰り返す（ステップ１０８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断面データの積層により３次元形状を形成する３次元造形装置、その制御装置、制御方法、及びその３次元造形装置により造られた造形物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の３次元造形装置は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれる装置として知られており、業務用として広く使われている。３次元造形装置の主な方式として、光造形方式、シート積層造形方式、そして、粉体造形方式がある。
【０００３】
光造形方式は、光硬化型の樹脂に高出力レーザを照射して、断面形状を形成し、その積層によって３次元形状を造るものである。シート積層造形方式は、薄厚シートを層状に切り抜き、接着して積層して、３次元形状を造るものである。粉体造形方式は、粉体材料を層状に敷き詰めて、断面形状を作り、それを積層して３次元形状を造るものである。
【０００４】
粉体造形方式は、更に、粉体を溶融または焼結するものと、接着剤を使って粉体を固化させるものに大分される。後者は、石膏を主成分とする粉末に、印刷機等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、接着剤を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって３次元形状を造るものである。
【０００５】
インクジェットヘッドを利用した粉体造形方式では、インクジェットプリンタのヘッドが、石膏の粉体が敷き詰められたシート上であたかも印刷をするように移動しながら、粉体を結合させる結合剤溶液を吐出する。粉体造形方式では、光硬化方式のように高出力レーザが用いられないため、装置の取り扱いが簡単である。また、光硬化樹脂が用いられないので、環境に対する負荷は相対的に小さく、樹脂の管理などが面倒なことが少ない（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
ところで、最近の画像処理技術の大幅な向上により、従来の医療用に用いられているＣＴ（Computed Tomography）画像を処理し、医者の病理判断を支援する手法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２では、Ｘ線ＣＴにより得られた被検体の２次元画像中の、例えば脂肪部分の画像に着色することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平０７−５０７５０８号公報（明細書ページ９、１０等に記載）
【特許文献２】特開２００７−６８８４４号公報（明細書段落[００４５]に記載）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最近では、安価な３次元ＣＡＤが市場に普及しているため、モデルの実体化に有用な上記３次元造形装置が用いられている。３次元造形装置が３次元ＣＡＤデータを扱う場合、ソリッド形式（モデルの内部に質量のあるもの）またはサーフェス形式（モデルの内部に質量はなく表面のみ、つまり外形だけで現されたもの）のデータ形式が用いられる。したがって、モデルの内部の詳しい情報はなく、外形データのみで定義される。この場合、３次元造形装置では、外側のサーフェスデータに、色またはテクスチャーが貼り付けられた造形物が得られる。
【０００９】
しかしながら、モデルの内部の情報が造形物に反映されないため、例えばこの造形物を切断した場合に、この造形物は、実物とは異なる印象を見る者に与える。これを回避するために、内部のデータを逐一定義することも考えられるが、これには多大な時間と手間がかかることになる。
【００１０】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、実物に近い印象を与える造形物を造ることができる３次元造形装置、その制御装置、制御方法、及びその３次元造形装置により造られた造形物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る３次元造形装置は、ステージと、ヘッドと、調整機構と、吐出指令手段と、制御手段とを具備する。
前記ステージには、粉体材料が堆積される。
前記ヘッドは、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出する。
前記調整機構は、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する。
前記吐出指令手段は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
前記制御手段は、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する。
【００１２】
本発明における吐出指令手段は、多値化画像を描くために、複数の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で粉体材料を着色するように、所定の層厚分の粉体材料にヘッドにより吐出させる。これを、多値化画像群を構成する１つ１つの多値化画像ごとに繰り返す。これにより、内部まで着色された造形物を造ることができ、この造形物を扱う者に、実物に近い印象を与えることができる。
【００１３】
多値化処理とは、１つの閾値による２値化処理、異なる２つの段階的な閾値による３値化処理、あるいは４値化以上の処理も含む意味である。
【００１４】
「複数色」のうちの１つの色は、白または無色の場合もある。着色すべき色の情報は、予め設定されていればよい。
【００１５】
前記ヘッドは、前記粉体材料を硬化させるための液体を吐出可能であってもよい。その場合、前記吐出指令手段は、前記造形物の硬度を調整するために、前記ヘッドから吐出される前記液体の量を制御する。
【００１６】
これにより、所望の硬度を有する造形物を造ることができる。
【００１７】
前記吐出指令手段は、前記造形物中の領域ごとに異なる量の前記液体を前記ヘッドから吐出させてもよい。
【００１８】
これにより、例えば造形物中の少なくとも２つの領域でそれぞれ異なる硬度を有する造形物を造ることができる。
【００１９】
前記吐出指令手段は、前記複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記多値化画像が着色されることにより生成された画像に応じて前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させてもよい。
【００２０】
多値化画像を着色する処理の手段としては、人間の行為が介在したコンピュータの処理、あるいはコンピュータの自動処理がある。
【００２１】
この場合のコンピュータの自動処理は、例えば、予め設定された複数色の情報に基づいて、多値化画像中のどの輝度部分にどの色を割り当てるかがプログラムされたソフトウェアの処理により行われる。色の割り当て（色割り当て）の方法としては、所定の色の順序またはランダムに色が割り当てられればよい。また、色の割り当ての対象となる輝度への割り当て（輝度割り当て）の方法としては、その輝度の段階に応じてまたはランダムに、上記色割り当ての方法により色が割り当てられればよい。この処理手段は、上記したような人間の行為を介在させて、色割り当て及び／または輝度割り当てを実行することができるようなものであってもよい。
【００２２】
本発明では、このような処理手段は、３次元造形装置とは別体のコンピュータにより実現されるが、３次元造形装置がこの処理手段を備えていてもよい。
【００２３】
前記対象物体の断層化画像の積層ピッチが、前記粉体材料の所定の層厚より大きい場合に、前記吐出指令手段は、前記積層ピッチ間で前記断層化画像が積層されたときの外形に、前記多値化画像の外形が対応するように補間処理が実行された前記多値化画像に応じて、前記インクを吐出させてもよい。
【００２４】
これにより、対象物体の外形を精度よく造形物に反映させることができる。
【００２５】
前記粉体材料は、塩化ナトリウムを主成分として含むものであってもよい。これにより、例えば金属またはプラスチック等の材料を用いる場合に比べ、粉体材料の抽出や加工等に要するエネルギーが低いので環境に良い。
【００２６】
前記対象物体は、生物体の断層化画像群であってもよい。
【００２７】
これにより、生物体、例えば人体の断層化画像を基にそれらの全部または一部の造形物が得られる。例えば断層化画像群が、生物体のものである場合、特に医療分野においてこの３次元造形装置が有用となる。
【００２８】
本発明に係る制御装置は、粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御装置であって、吐出指令手段と、制御手段とを具備する。
前記吐出指令手段は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
前記制御手段は、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する。
【００２９】
本発明に係る制御方法は、粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御方法である。
前記制御方法は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
また、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記ヘッドによる前記インクの供給が制御される。
本発明に係る造形物は、ステージと、ヘッドと、調整機構と、吐出指令手段と、制御手段とを具備する３次元造形装置により得られたものである。
前記ステージには、粉体材料が堆積される。
前記ヘッドは、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出する。
前記調整機構は、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する。
前記吐出指令手段は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
前記制御手段は、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明によれば、実物に近い印象を与える造形物を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元造形装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示す３次元造形装置の平面図である。
【図３】図１に示す３次元造形装置の側面図である。
【図４】一実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。
【図５】他の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。
【図６】主に３次元造形装置の制御系を示すブロック図である。
【図７】３次元造形装置（及び画像処理コンピュータ）の動作を示すフローチャートである
【図８】人体の大腿骨（の一部または全部）を造形の対象物体とし、この大腿骨の造形物が形成される場合について説明する。
【図９】図７のステップ１０６以降における３次元造形装置の機械的な動作を順に示す、側面から見た模式図である。
【図１０】歯科インプラント手術前のシミュレーションのために、顎骨付近の造形物を造る例を示す図である。
【図１１】ＤＩＣＯＭデータ中のヒストグラムを示す図である。
【図１２】頚椎インプラント手術前のシミュレーションのために、頚椎付近の造形物を造る例を示す図である。
【図１３】本実施形態に係る３次元造形装置で設定される色と、実際に造られた造形物サンプルの光学濃度等（グレースケール）等の実測値を示した表である。
【図１４】図１３の表に基づいた、ＲＧＢの設定値（横軸）に対する光学濃度の値を示すグラフである。
【図１５】５つの同じ重量の粉体層に、それぞれ異なる量のインクが供給されて形成された造形物（テストピース）の、それらテストピースの重量を表す実測のグラフである。
【図１６】図１５に示した５つのテストピースの硬度を表す実測のグラフである。
【図１７】３次元造形装置により造形物が造られた後、あるテストピースで、所定の硬度が得られるまで造形物を加熱装置で加熱する場合の、加熱温度と時間との関係を示すグラフである。
【図１８】断層面に垂直な面で見た、対象物体の画像の一部の外形を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００３３】
（３次元造形装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る３次元造形装置を示す斜視図である。図２は、図１に示す３次元造形装置１００の平面図であり、図３は、その側面図である。
【００３４】
３次元造形装置１００は、立体格子状のフレーム１と、このフレーム１上に固定されたプレート２とを備える。プレート２の中央部には、プレート２の長手方向であるＹ方向に沿って造形作業用の開口部２ａが設けられている。その開口部２ａの下部には、粉体材料（以下、単に粉体４という。）の供給部１０、粉体４による造形物が形成される造形部２０、粉体４の回収ボックス３１が配置されている。これら供給部１０、造形部２０及び回収ボックス３１は、図２及び図３に示すように、それらの図中左側からＹ方向に沿って順に並ぶように配置されている。
【００３５】
供給部１０は、粉体４を貯留することが可能な供給ボックス１１、供給ボックス１１内に配置され供給ボックス１１に貯留された粉体４を下から押し上げることで、開口部２ａを介してプレート２上に粉体４を供給する供給ステージ１２、供給ステージ１２を昇降させる昇降シリンダ１３を有する。
【００３６】
粉体４としては、水溶性の材料が用いられ、例えば、食塩、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの無機物が用いられる。塩化ナトリウムとにがり成分（硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウムなど）が混合されたものが用いられてもよい。すなわち、これは塩化ナトリウムを主成分とするものである。あるいは、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸ナトリウム、メタアクリル酸アンモニウム、メタアクリル酸ナトリウムやその共重合体などの有機物を用いることもできる。粉体４の平均粒子径は、典型的には１０μｍ以上１００μｍ以下である。食塩が用いられることにより、例えば金属またはプラスチック等の粉体材料を用いる場合に比べ、粉体材料の抽出や加工等に要するエネルギーが低いので環境に良い。
【００３７】
供給部１０に隣接して配置された造形部２０は、粉体４を貯留することが可能な造形ボックス２１、造形ボックス２１内に配置され、粉体４が堆積され、形成される造形物を下から支持する造形ステージ２２、造形ステージ２２を昇降させる昇降シリンダ２３を有する。昇降シリンダ１３及び２３は、例えばボイスコイルモータを利用するもの、あるいは流体圧を利用するものが用いられる。
【００３８】
図２で見て、造形ボックス２１のＸ方向の長さは１０〜３０ｃｍ、そのＹ方向の長さは２０〜５０ｃｍに設定されるが、この範囲に限られない。
【００３９】
供給ボックス１１及び造形ボックス２１のそれぞれの底面には、余剰な粉体４を排出するための排出口１２ａ及び２２ａが設けられている。排出口１２ａ及び２２ａには、粉体４の排出路を形成する部材５が接続されている。それらの部材５の下方には、排出口１２ａ及び２２ａ及びその排出路を形成する部材５を介して自重により排出されてきた粉体４を回収するボックス６がそれぞれ配置されている。
【００４０】
各ボックス１１、１２及び３１の上部は開口され、それらの開口面は、プレート２の開口部２ａにそれぞれ対面するように配置されている。
【００４１】
プレート２の開口部２ａの供給部１０側の端部付近には、供給部１０から供給された粉体４を造形部２０に搬送するローラ１６が配置されている。ローラ１６は、各ボックス１１、１２及び３１の配列方向とは水平面内で直交する方向、すなわちＸ方向に沿って設けられた回転軸１７を有する。また、プレート２上にはローラ１６をＹ方向に移動させる移動機構２６が設けられている。
【００４２】
移動機構２６は、開口部２ａのＸ方向での両側でＹ方向に沿って延設されたガイドレール２５と、これらのガイドレール２５の上部に配置された駆動機構とを有する。駆動機構としては、例えばラックアンドピニオンによる駆動機構が用いられる。この場合、図６に示すように、駆動機構は、移動モータ３２、この移動モータ３２により駆動されるギア２８、このギア２８と噛み合うラックギア２７を有する。ラックギア２７は、ガイドレール２５またはプレート２上の適切な位置に配置されている。
【００４３】
また、図６に示すように、３次元造形装置１００は、ローラ１６を回転させるための回転モータ２９を備えている。ローラ１６を回転させるために、移動モータ３２の駆動力が図示しないギア等を介してローラ１６の回転軸１７に伝達されるようにしてもよい。
【００４４】
上記駆動機構として、ラックアンドピニオン駆動機構に限られず、ボールネジ駆動機構、ベルト駆動機構、チェーン駆動機構、電磁的または静電気的な作用によるリニアモータ駆動機構が用いられもよい。
【００４５】
また、造形部２０において造形ステージ２２上の粉体４にインクを吐出することが可能なインクジェットヘッド４１が、プレート２上で移動可能に設けられている。インクジェットヘッド４１は、移動機構２６に接続された駆動ユニット４０に搭載されており、駆動ユニット４０は、移動機構２６によりＹ方向に移動可能に設けられている。例えば、駆動ユニット４０は、図６に示すように、Ｙ方向移動モータ３３、このＹ方向移動３３により駆動されるギア４８、及び上記ラックギア２７によりＹ方向に移動する。このような構成により、インクジェットヘッド４１は、プレート２の開口部２ａ上で、Ｘ−Ｙ平面内でスキャン移動が可能となる。
【００４６】
駆動ユニット４０は、移動体４３と、移動体４３上に搭載されたボールネジ４２とを備えている。インクジェットヘッド４１は、このボールネジ４２により移動体４３上をＸ方向に移動可能とされている。駆動ユニット４０は、ボールネジ駆動機構に代えて、上記した他の駆動機構を有していてもよい。
【００４７】
図４は、一実施形態に係るインクジェットヘッド４１を示す斜視図である。
【００４８】
このインクジェットヘッド４１は、一般的なプリンタ用のインクジェットヘッド４１の構成及び機能と同様のものが用いられればよい。例えば、インクジェットヘッド４１のケース４４内には、複数のインクタンク４５が設けられている。各インクタンク４５は、シアン、マゼンダ及びイエローの各色（以下ＣＭＹという。）のインクを貯溜するタンク４５Ｃ、４５Ｍ及び４５Ｙである。この例では、シアン用インクタンク４５Ｃ、マゼンダ用インクタンク４５Ｍが所定の方向に並ぶように設けられ、それらのタンク４５Ｃ及び４５Ｍの端部側に、イエロー用インクタンク４５Ｙが配置されている。
【００４９】
各インクタンク４５の下部にはインクを排出する排出穴４５ａが設けられ、各排出穴４５ａは、図示しないインクのバッファ室及びインクジェットの発生機構を介してケース４４の下部に設けられた各吐出口４４ａとそれぞれ連通している。インクジェットの発生機構としては、ピエゾ型やサーマル型が挙げられる。
【００５０】
図５は、他の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。このインクジェットヘッド１４１では、ケース１４４内に一方向にマゼンダ用インクタンク１４５Ｍ、イエロー用インクタンク１４５Ｙ、シアン用インクタンク１４５Ｃが配列されている。また、ケース１４４の底部の所定位置には、各インクの吐出口１４４ａが設けられている。
【００５１】
図４及び図５に示したインクジェットヘッド４１及び１４１のほか、ＣＭＹの３色に加え、黒、白または無色のインクタンクが備えられていてもよい。特に、黒、白または無色のインクタンクを有するインクジェットヘッドは、粉体４自体の色に応じて適宜設置されればよい。本実施形態では、例えばインク中の水分により粉体４が硬化するような、インク及び粉体４の各材料が選定される。粉体４が白である場合であって、造形物に白色を着色したい（白色を残したい）場合には、その残したい箇所に、無色のインクか、または白色のインクが吐出される。
【００５２】
また、インクの材料としては、例えば水性インクが用いられ、市販のインクジェットプリンタ用のインクを用いることも可能である。インクは、粉体４の材料に応じて油性であってもよい。無色インクには、例えば、純水とエチルアルコールを重量比で１対１で混合したもの、純水にグリセリンを重量比２０％混合したもの、これらの混合物にさらに微量の界面活性剤を混合したものが用いられる。
【００５３】
図６は、主に３次元造形装置１００の制御系を示すブロック図である。
【００５４】
この制御系は、ホストコンピュータ５１（制御手段）、メモリ５２、画像処理コンピュータ９０、粉体供給コントローラ５３、造形ステージコントローラ５４、回転モータコントローラ５６、移動モータコントローラ５５、ヘッド駆動コントローラ５７、ヘッドスキャンコントローラ５８を備える。
【００５５】
ホストコンピュータ５１は、上記メモリ５２及び各種コントローラの駆動を統括的に制御する。メモリ５２は、ホストコンピュータ５１に接続され、揮発性または不揮発性のどちらでもよい。
【００５６】
画像処理コンピュータ９０は、後述するように造形の対象物体の断層化画像としてＣＴ（Computed Tomography）の画像データを取り込み、このＣＴ画像データについてＢＭＰ（Basic Multilingual Plane）形式に変換する等の画像処理を実行する。画像処理コンピュータ９０は、典型的には３次元造形装置１００とは別体のコンピュータであり、ホストコンピュータ５１に例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）により接続され、記憶された画像処理後の画像データをホストコンピュータ５１に送信する。
【００５７】
ホストコンピュータ５１と画像処理コンピュータ９０の接続形態は、ＵＳＢに限られず、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）、その他の形態でもよい。また、有線及び無線のどちらでもよい。なお、画像処理コンピュータ９０は、３次元造形装置１００内に搭載された画像処理用のデバイスであってもよい。また、画像処理コンピュータ９０が３次元造形装置１００と別体の装置である場合、画像処理コンピュータ９０は、ＣＴ装置であってもよい。
【００５８】
粉体供給コントローラ５３は、供給ステージ１２の昇降駆動を制御することで、プレート２の開口部２ａを介してプレート２上に盛り出る粉体４の量を制御するため、昇降シリンダ１３の昇降駆動量を制御する。
【００５９】
造形ステージコントローラ５４は、インクジェットヘッド４１による粉体４へのプリント時に、後述するように造形ステージ２２を所定の高さ単位で下降させていくために、昇降シリンダ１３の昇降駆動量を制御する。
【００６０】
ヘッド駆動コントローラ５７は、ヘッドのＸ−Ｙ平面内での駆動信号をヘッドスキャンコントローラ５８に出力する。また、ヘッド駆動コントローラ５７は、各色のインクの吐出量を制御するために、インクジェットヘッド４１内のインクジェットの発生機構に駆動信号を出力する。
【００６１】
ヘッドスキャンコントローラ５８は、Ｙ方向移動モータ３３及び駆動ユニット４０に搭載された、上記ボールネジ駆動機構のＸ方向駆動用のモータの駆動を制御する。
【００６２】
上記ホストコンピュータ５１、画像処理コンピュータ９０、造形ステージコントローラ５４、粉体供給コントローラ５３、回転モータコントローラ５６、移動モータコントローラ５５、ヘッド駆動コントローラ５７及びヘッドスキャンコントローラ５８は、例えば次のようなハードウェア、または、そのハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにより実現されればよい。そのハードウェアは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、あるいはこれらに類するものが用いられる。
【００６３】
メモリ５２は、固体（半導体、誘電体または磁気抵抗）メモリのほか、磁気ディスク、光ディスク等の記憶デバイスでもよい。
【００６４】
（３次元造形装置の動作）
以上のように構成された３次元造形装置１００（及び画像処理コンピュータ９０）の動作について説明する。図７は、その動作を示すフローチャートである。
【００６５】
ステップ１０１では、画像処理コンピュータ９０により、例えばＣＴ画像データが読み込まれる。ＣＴ画像データは、医療分野において、典型的にはＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and COmmunication in Medicine）データとして扱われる。
【００６６】
ＣＴとは、Ｘ線を用いたＣＴに限られず、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission CT）、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等を含む広義のＣＴを意味する。
【００６７】
ここで図８を参照して、例えば、人体の大腿骨（の一部または全部）を造形の対象物体とし、この大腿骨の造形物が形成される場合について説明する。図８（Ａ）は、大腿骨の所定箇所の（一枚の）ＤＩＣＯＭデータである。このような断層化画像データであるＤＩＣＯＭデータが、例えば対象物体に対して１ｍｍのピッチで複数用意され、１つの対象物体に対応した１つのＣＴ画像データ群として画像処理コンピュータ９０内のメモリ５２に記憶される。ＤＩＣＯＭの画像データは、典型的にはＪＰＥＧ（Joint Photographic Expert Group）形式である。
【００６８】
ステップ１０２では、画像処理コンピュータ９０は、記憶されたＤＩＣＯＭデータの輝度に関して多値化処理を実行する。多値化処理とは、輝度の１つの閾値による２値化処理、異なる２つの段階的な閾値による３値化処理、あるいは４値化以上の処理も含む意味である。
【００６９】
画像処理コンピュータ９０は、ステップ１０２における多値化処理後、ステップ１０３では、例えば図８（Ｂ）に示すように、その多値化に対応した複数段階の輝度情報に基づき、その複数段階の輝度情報に対応した複数の色で着色された画像を生成する。図８（Ａ）に示すように、例えば骨の外側の部分の明るい部分は、その内側の暗い部分に比べ、骨密度が高い領域である。例えば、図８（Ｂ）に示す多値化画像では、骨密度の高い部分である外側が黄や青で着色され、低い部分である内側が赤で着色されている。各輝度情報に対応する色は何でもよい。なお、着色された多値化画像は、典型的にはＢＭＰ形式で生成されるが、それ以外の形式であってもよい。
【００７０】
多値化画像を着色する処理の手段としては、人間の行為が介在した画像処理コンピュータ９０の処理、あるいは画像処理コンピュータ９０の自動処理がある。
【００７１】
この場合の画像処理コンピュータ９０による自動処理は、例えば、予め設定された複数色の情報に基づいて、多値化画像中のどの輝度部分にどの色を割り当てるかがプログラムされたソフトウェアの処理により行われる。色の割り当て（色割り当て）の方法としては、所定の色の順序またはランダムに色が割り当てられればよい。また、色の割り当ての対象となる輝度への割り当て（輝度割り当て）の方法としては、その輝度の段階に応じてまたはランダムに、上記色割り当ての方法により色が割り当てられればよい。
【００７２】
この処理手段は、上記したような人間の行為を介在させて、色割り当て及び／または輝度割り当てを実行することができるようなものであってもよい。
【００７３】
多値化画像が着色された後、ステップ１０４において、画像処理コンピュータ９０は、１つの対象物体に対応したすべての着色処理が終了したかを確認する。終了の場合、ステップ１０５において、画像処理コンピュータ９０はその着色された多値化画像データ群がホストコンピュータ５１に出力し、ホストコンピュータ５１はこれをメモリ５２に記憶する。
【００７４】
なお、ＤＩＣＯＭデータや多値化画像データは、説明を理解しやすいように図８（Ａ）、（Ｂ）のように図示しないモニタ等に可視化された画像として説明したが、モニタに表示されなくてもよい。しかし、例えばＤＩＣＯＭデータに基づき生成された多値化画像を作業者（医者等）が目視で確認等できるように、画像処理コンピュータ９０はモニタにその多値化画像を表示させてもよい。
【００７５】
ここで、着色された多値化画像データの数は、１つの対象物体の画像を構成する上記ＤＩＣＯＭデータの画像数と一致していてもよいし、一致していなくてもよい。上記したように、断層化画像であるＤＩＣＯＭデータは、例えば対象物体に対して１ｍｍの積層ピッチで読み込まれる。粉体層に描かれる多値化画像のピッチも１ｍｍピッチであってもよいし、後述するように１ｍｍそれより小さい（または大きい）ピッチで描かれるようにしてもよい。
【００７６】
図９は、ステップ１０６以降における３次元造形装置１００の機械的な動作を順に示す、側面から見た模式図である。図９（Ａ）〜（Ｅ）では、後述するように、インクが吐出されることで粉体４が硬化される層が１層分（所定の層厚分）形成される工程が示されている。粉体４及び未硬化の粉体４がドットのハッチングで示され、硬化層が黒塗りで示されている。
【００７７】
図９（Ａ）に示すように、造形部２０の造形ステージ２２には、硬化層及び未硬化の粉体層が積層された状態となっており、この状態から、硬化層を１層形成する工程が開始される。図９（Ａ）において、ローラ１６及びインクジェットヘッド４１が示されている位置が、ぞれぞれの待機位置とされる。
【００７８】
まず、図９（Ｂ）に示すように、供給部１０の供給ステージ１２に堆積している粉体４が昇降シリンダ１３により押し上げられ、１層分の粉体層よりも少し過剰な量の粉体４が、プレート２の上面２ａより高い位置まで供給される。また、造形部２０において、造形ステージ２２が降下することで、硬化層及び未硬化の粉体層の上面とプレート２の上面２ａとの間に、粉体層（硬化層）の１層分の厚みの間隔が設けられる。この場合、造形ステージコントローラ５４、昇降シリンダ１３は、調整機構として機能する。
【００７９】
図９（Ｂ）において粉体層の１層分の厚みｕは、典型的には、ＤＩＣＯＭデータの１ｍｍピッチの１／１０であり０．１ｍｍとされるが、１ｍｍより大きくてもよいし、０．１ｍｍより小さくてもよい。粉体層の１層分の厚みがＤＩＣＯＭデータのピッチより小さい場合の、多値化画像データの生成方法については後述する。
【００８０】
図９（Ｃ）に示すように、図９（Ｃ）においてローラ１６が反時計回りに回転しつつ、白抜きの矢印の方向に移動することにより、供給部１０から供給された粉体４が搬送される。ここで、ローラ１６の回転方向は、ローラ１６を回転自在にして（ローラ１６の回転軸にかかる回転力をフリーにして）白抜きの矢印の方向に移動させたとしたときに、ローラ１６と造形部２０との摩擦によりローラ１６が回転するであろう方向に対して逆の方向である。このようなローラ１６の回転により粉体４が搬送されることで、造形部２０の硬化層及び未硬化の粉体層の上面に設けられた間隔に粉体４が充填されて、均一に均された粉体層が形成される（ステップ１０７）。
【００８１】
図９（Ｄ）に示すように、ローラ１６が造形部２０を通過して、過剰な量の粉体４を回収ボックス３１に排出して待機位置まで戻る動作と連動するように、インクジェットヘッド４１が移動しながら、上記着色された多値化画像を描くようにインクを吐出する。この場合、ホストコンピュータ５１、ヘッド駆動コントローラ５７等は、吐出指令手段として機能する。粉体層に水性インクが浸透し、インクが吐出された部分の粉体４が互いに接着され、硬化層が形成される。
【００８２】
なお、ローラ１６が粉体４を搬送し終えて待機位置に戻った後に、ヘッド駆動コントローラ５７は、インクジェットヘッド４１の移動を開始し、インクの吐出を開始させてもよい。しかし、上記のように、ローラ１６の戻り動作の時間帯とヘッドの移動動作の時間帯とが重なることにより、処理時間を短縮することができる。
【００８３】
図９（Ｄ）においては、ヘッド駆動コントローラ５７は、図８（Ｂ）に示すような多値化画像に対応して、粉体層に着色された画像を描くために、カラーインクを吐出させる。もちろん、ＣＭＹカラーに限られず、白及び黒を含む画像であってもよい。また、２値化画像の場合、白及び黒の２色だけでもよい。あるいは、２値化画像の場合であって、上述したように粉体４の色が白の場合、無色とその他の１色のみが用いられてもよい。
【００８４】
インクジェットヘッド４１が待機位置まで戻ると、図９（Ａ）に示す状態に戻り、１層分の着色された多値化画像に対応する、造形物が形成される（例えば図８（Ｃ）参照）。そして、次の層の多値化画像が、図９（Ｂ）〜（Ｃ）の示した動作により、粉体４に描かれ、硬化層が積層される。
【００８５】
このように、ホストコンピュータ５１及び各種のコントローラの制御に応じて、粉体４の所定の層厚ごとに、粉体４に多値化画像が描かれることにより、硬化層が積層されていく。そして対象物体のすべての画像の印刷が終了したか否かが判定される（ステップ１０８）。終了の場合、造形物は未硬化の粉体層に覆われており、造形ボックス２１内の余分な粉体４が除去され（ステップ１０９）、人手または図示しないロボットにより造形物が取り出される（ステップ１１０）。これにより、造形物の外面及び内部において２色以上の色を有する造形物を形成することができる（例えば図８（Ｄ）参照）。
【００８６】
造形物が取り出された後、３次元造形装置１００とは別の、図示しない加熱装置により造形物が加熱され、さらに硬度の高い造形物を得るようにしてもよい。
【００８７】
以上のように、本実施形態では、多値化画像を描くために、複数の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で粉体４を着色するように、所定の層厚分の粉体材料にヘッドにより吐出させる。これにより、内部まで着色された造形物を造ることができ、この造形物を扱う者はその内部状態も容易に把握することができ、実物に近い印象を与えることができる。
【００８８】
造形物の対象物体が生物体、特に人体であり、３次元造形装置１００が医療分野で利用される場合に、特にメリットが大きい。
【００８９】
従来では、医者が一枚一枚のＣＴ画像を精査して病巣の有無などを判断しなければならなかった。医者の中には、２次元であるＣＴ画像を基に頭の中で、内部状態も含めた３次元の対象物体を構築することができる者もいるが、これには熟練が必要である。すなわち、２次元画像であるＣＴ画像からの正確な診断には、時間と手間がかかるものであった。
【００９０】
また、従来では、コンピュータ上でＣＴ画像データ群を合成して画面上で３次元形状を観察する試みもあるが、データ量が大きすぎて動きが鈍いなど、扱いに苦慮することが多かった。データを軽くするため、
【００９１】
結局、どちらの場合も、医者がモニタ上の画像を見ながら診断を行うことに代わりはない。これらの手法を手術のシミュレーションに使おうとしても画像のみでは、実物の感覚を得ることは難しく、実際に使われることはほとんどない。
【００９２】
これに対して本実施形態では、造形物を基に、例えば造形物を所望の位置で切断するなどすることで、医者は容易に病巣などを見つけることが可能となり、頭の中で、内部状態も含めた３次元形状を構築する、といった熟練の技も必要ない。
【００９３】
また本実施形態では、後でも述べるように、造形物の内部まで着色することができるので、複雑な骨の構造体が造形対象物体である場合、医者は、その構造体の内部にある血管の位置を把握することが容易となる。
【００９４】
また、本実施形態に係る造形物を用いての医療シミュレーションも行うことができるようになる。本造形物は、例えば手術前のシミュレーションや、研修医の教材としても有用である。
【００９５】
次に、図７におけるステップ１０１〜１０３について、例えば医療分野においてインプラント手術前のシミュレーションを行うために造形物が造られる例について説明する。
【００９６】
図１０は、歯科インプラント手術前のシミュレーションのために、顎骨付近の造形物を造る例を示す図である。図１０（Ａ）は、対象物体である頭骨の一部（頭骨の下方部）を構成するＣＴ画像群から、市販のアプリケーションソフトウェアを用いて、その対象物体の３次元画像が構築された例を示している。図１０（Ｂ）は、ＣＴ画像データであるＤＩＣＯＭデータである。画像処理コンピュータ９０は、図１０（Ｃ）に示すように、このＤＩＣＯＭデータについて例えば２値化処理を実行する。これにより骨部が強調された画像を得ることができる。
【００９７】
図１１は、ＤＩＣＯＭデータ中のヒストグラムを示す図である。このヒストグラムから、作業者が２値化処理のための輝度の閾値を設定し、画像処理コンピュータ９０は、その閾値に応じた２値化処理を実行する。上述のように、画像処理コンピュータ９０が自動で、予め設定された閾値に応じて２値化処理を実行してもよい。
【００９８】
図１０（Ｄ）は、神経管を例えば赤に着色した画像の例を示す図である。画像処理コンピュータ９０は、人間の神経管の位置が特定された顎骨の画像が複数集められて構成されたデータベースや、顎骨中の神経管の位置を特定するためのソフトウェアを有していることにより、多値化画像中の神経管の着色をすることが可能となる。この着色処理は、もちろん人間が行うことも可能である。図１０（Ｅ）は、図１０（Ｄ）に示した着色された多値化画像群に基づき、３次元造形装置１００で形成された造形物の３次元画像を示す図である。この図から、顎部に神経管（例えば赤色）が通っていることがわかる。なお、図１０（Ｅ）に示すように、ホストコンピュータ５１または画像処理コンピュータ９０は、造形物の３次元画像もモニタに表示させるようにしてもよい。
【００９９】
なお、図１０（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、顎骨以外のノイズ部分は微小な体積であり、３次元造形装置１００で造形物が形成されたとしても、ほとんどそのノイズ部分は反映されないか、または、反映されたとしてもごく微小なものである。例えば図１０（Ｃ）が生成された時に、公知の画像処理技術によりそのようなノイズが予め除去されてもよい。
【０１００】
図１２は、頚椎インプラント手術前のシミュレーションのために、頚椎付近の造形物を造る例を示す図である。図１２（Ａ）は、頚椎の位置を示す画像（例えば四角で囲んだ領域）である。図１２（Ｂ）は、着色された多値化画像を示す図である。ここでは、大動脈の位置が赤で着色されている。図１２（Ｃ）は、３次元造形装置１００により造られた、頚椎の造形物の３次元画像を示す図である。ここでは、白色の頚椎の内部に赤色の大動脈が透けて見えるのがわかる。このように、本実施形態によれば、見る者に実物に近い印象を与える造形物を造ることができる。
【０１０１】
図１３は、本実施形態に係る３次元造形装置１００で設定される色と、実際に造られた造形物サンプルの光学濃度等（グレースケール）等の実測値を示した表である。造形物サンプルは円板状であり、例えばその円板の表面の周方向に、設定値Ｇ１〜Ｇ２５６により着色された。粉体材料は、食塩９０重量％以上であり、その他、ポリビニルピロリドン等の材料でなる。
【０１０２】
この表は、Ｇ１、Ｇ３２、・・・、Ｇ２５６の合計９色であって、これらの設定色ごとにＲＧＢ同じ値のグレースケールにより表されている。Ｇ１である最も暗い黒は、ＲＧＢ（０，０，０）で表され、最も明るい白は、ＲＧＢ（２５５，２５５，２５５）で表される。これは、例えば図１１に示したヒストグラムでの出力レベルと同じ設定である。
【０１０３】
光学濃度（ＯＤ）は、下記の式で表される。
【０１０４】
ＯＤ＝−log10(I'/I)
I：造形物への入射光強度、I'：造形物からの反射光強度
【０１０５】
つまり、反射率が１０％の場合、ＯＤ＝−log10(0.1)＝１となる。
【０１０６】
図１４は、図１３の表に基づいた、ＲＧＢの設定値（横軸）に対する光学濃度（ＯＤ）の値を示すグラフである。ＲＧＢの設定値である横軸は、ＲＧＢがともに同じ値であるグレースケールである。
【０１０７】
図１５は、同じ重量の粉体ピースに、それぞれ異なる量のインクが供給されて形成された５つの造形物（テストピース）において、それらテストピースの重量を表す実測のグラフである。このグラフにおいて、「最終造形物」は、造形物が加熱装置で加熱されて乾燥し、インクの水分が抜けた後の造形物を意味する。このグラフからわかるように、水分量が多い、すなわち水性インクの濃度が高いテストピースほど、最終造形物の重量も大きくなることがわかる。
【０１０８】
図１６は、図１５に示した５つのテストピースの硬度を表す実測のグラフである。グラフ中の左側の単位は「デュロメータ」で計測されたときの硬度である。最も硬いものが１００とされる。グラフ中右側の単位[kgf]は、そのデュロメータで計測されたときのテストピースへの押圧力である。このグラフから、水性インクの濃度が高いテストピースほど、硬度が高いことがわかる。したがって、市販されている水性インクは、粉体材料を硬化させるための液体となり得る。また、粉体材料によっては、例えば粉体４が上記した有機物との共重合体の場合は、水がその粉体材料を硬化させるための液体となる。
【０１０９】
図１５及び図１６のグラフから次のようなことが言える。例えば５つのテストピースのうち比較的低いインク濃度のテストピースに無色のインク、例えば水（純粋や蒸留水）を補充するように供給することで、比較的高いインク濃度のテストピースの硬度に実質的に同じにすることができる。また、あるいは、意図的に硬度を異ならせることが可能となる。すなわち、ヘッドからの吐出される上記液体の量を制御することによって、所望の硬度を有する造形物を造ることができる。
【０１１０】
このような考察により、以下に説明するような２つの実施形態が実現する。
【０１１１】
１つ目として、例えば、１つの造形物のうち、第１の領域には第１の濃度により着色され、第１の領域と異なる第２の領域には第１の濃度と異なる第２の濃度で着色される。これにより、造形物の部位によって異なる硬度を有する造形物を得ることができる。例えば人体の一部を対象物体とした造形物について、骨部の硬度を高くし、臓器部分、血管、または神経管の硬度を低くするといったことも可能である。あるいは、骨の部位によっても硬度が異なるので、そのような骨の造形物を再現することができる。その結果、医療関係者が手術シミュレーションで造形物を切断するときに、現物の対象物体に近い感触を得ることができ、実践的なシミュレーションを行うことができる。
【０１１２】
２つ目として、意図的に造形物全体の硬度を均一にすることが可能となる。造形物の各領域によって色が異なり、インク濃度も異なる場合には、例えばインク濃度が低い領域に水等の無色のインクが所定量供給されることにより、そのインク濃度が低い領域の硬度を高い領域と実質的に同じ硬度にすることができる。
【０１１３】
図１７は、３次元造形装置１００により造形物が造られた後、あるテストピースで、所定の硬度が得られるまで造形物を加熱装置で加熱する場合の、加熱温度と時間との関係を示すグラフである。加熱温度が高い場合、所定の硬度が得られるまでの加熱時間を短くすることができる。造形物が乾燥すると硬化して水分が抜け、重量の変化がなくなるので、造形物の重量変化を監視することで、硬化終了時、つまり造形物の完成時を判断することができる。
【０１１４】
ところで、粉体層の１層分の厚みは、上記したようにＤＩＣＯＭデータのピッチより小さい０．１ｍｍである。図１８（Ａ）は、対象物体の画像の一部の外形画像を示す模式図である。この対象物体７５の画像の、紙面に垂直な面が、ＤＩＣＯＭの断層ごとの切断面（断層面）であるとする。すなわち、対象物体７５の画像中の実線Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・で表す線がその断層面であるとする。この対象物体７５の外形画像も、ＣＴにより得られる、対象物体７５における所定の位置での断層化画像であってもよい。
【０１１５】
ここで、画像処理コンピュータ９０は、図１８（Ａ）に示したこの対象物体７５の外形画像を取り込む。画像処理コンピュータ９０は、ＤＩＣＯＭデータの積層ピッチ間（例えばＡ１及びＡ２の間）の外形に、多値化画像が積層されたときの対象物体７５の外形（断層面に垂直な面で見た外形）が対応するように補間する。例えば図１８（Ｂ）に示すように、画像処理コンピュータ９０は、断層線Ａ１及びＡ２のＤＩＣＯＭデータの間の、断層線Ａ１０、Ａ１１、・・・Ａ１８の９枚の断面画像（多値化画像）を生成する。これら９枚の断層線Ａ１０、Ａ１１、・・・Ａ１８における多値化画像の内部は、画像Ａ１におけるＤＩＣＯＭデータから得られる多値化画像の内部画像と同様である。また、９枚の断層線Ａ２０、Ａ２１、・・・Ａ２８における多値化画像の内部は、画像Ａ２におけるＤＩＣＯＭデータから得られる多値化画像の内部画像と同様である。そして、画像処理コンピュータ９０は、それら９枚の多値化画像が積層されたときの各外形を、取り込まれた外形画像の、断層線Ａ１０、Ａ１１、・・・Ａ１８の対応する位置における対象物体７５の外形に合わせるように、９枚の多値化画像を生成する。
【０１１６】
３次元造形装置１００は、このように補間により生成された多値化画像ごとにインクを吐出して例えば０．１ｍｍピッチで粉体層（硬化層）を積層させていけばよい。これにより、対象物体７５の、断層面に垂直な面で見た外形を精度よく造形物に反映させることができる。
【０１１７】
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。
【０１１８】
上記実施形態では、造形部２０において、昇降シリンダ１３により造形ステージ２２が昇降される形態を示した。しかし、造形ステージ２２が固定で、造形ボックス２１またはインクジェットヘッド４１が昇降する形態であってもよい。
【０１１９】
インクジェットヘッド４１は、インクの吐出時に一方向にのみ移動するライン型ヘッド、あるいは、インクの吐出時に移動しない面型ヘッドであってもよい。面型ヘッドとは、例えば造形ボックス２１において造形物が形成される範囲に対応した、インクの吐出範囲を持つヘッドである。
【０１２０】
上記実施形態では、ＣＴ画像データが取り扱われる分野として医療分野を例に挙げた。しかし、３次元造形装置１００は、例えば建築分野、機械工学分野等、医療分野以外のＣＴ画像データを扱うようにしてもよい。
【０１２１】
上記実施形態では、ＤＩＣＯＭデータから得られた多値化画像に着色処理が実行され、その着色された多値化画像が、３次元画像装置に送信される形態を説明した。しかし、画像処理コンピュータ９０で得られた着色されていない多値化画像データを３次元画像装置が取り込み、その多値化画像データそのものに応じて、予め定められた各色のインクを吐出するようにしてもよい。
【０１２２】
上記実施形態では、多値化処理の対象画像がＤＩＣＯＭ形式であったが、他の形式であってもよい。
【０１２３】
上記した最終造形物に、ＵＶ硬化樹脂、ポリエステル系接着剤、ポリウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、またはシアノアクリレート系接着剤を含浸させることにより、最終造形物の硬度を増加させることが可能である。これら接着剤が含浸された最終造形物は、硬度のみならず、耐水性、耐熱性、または耐薬品性を著しく向上させることができ、手術用のシミュレーションやインプラント手術等に特に有効である。
【符号の説明】
【０１２４】
４…粉体
１０…供給部
１１…供給ボックス
１２…供給ステージ
１３、２３…昇降シリンダ
１６…ローラ
２０…造形部
２１…造形ボックス
２２…造形ステージ
２６…移動機構
４０…駆動ユニット
４１、１４１…インクジェットヘッド
４５、１４５…インクタンク（４５Ｃ、１４５Ｃ…シアン用インクタンク、４５Ｍ、１４５Ｍ…マゼンダ用インクタンク、４５Ｙ、１４５Ｙ…イエロー用インクタンク）
５１…ホストコンピュータ
１００…３次元造形装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断面データの積層により３次元形状を形成する３次元造形装置、その制御装置、制御方法、及びその３次元造形装置により造られた造形物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の３次元造形装置は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれる装置として知られており、業務用として広く使われている。３次元造形装置の主な方式として、光造形方式、シート積層造形方式、そして、粉体造形方式がある。
【０００３】
光造形方式は、光硬化型の樹脂に高出力レーザを照射して、断面形状を形成し、その積層によって３次元形状を造るものである。シート積層造形方式は、薄厚シートを層状に切り抜き、接着して積層して、３次元形状を造るものである。粉体造形方式は、粉体材料を層状に敷き詰めて、断面形状を作り、それを積層して３次元形状を造るものである。
【０００４】
粉体造形方式は、更に、粉体を溶融または焼結するものと、接着剤を使って粉体を固化させるものに大分される。後者は、石膏を主成分とする粉末に、印刷機等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、接着剤を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって３次元形状を造るものである。
【０００５】
インクジェットヘッドを利用した粉体造形方式では、インクジェットプリンタのヘッドが、石膏の粉体が敷き詰められたシート上であたかも印刷をするように移動しながら、粉体を結合させる結合剤溶液を吐出する。粉体造形方式では、光硬化方式のように高出力レーザが用いられないため、装置の取り扱いが簡単である。また、光硬化樹脂が用いられないので、環境に対する負荷は相対的に小さく、樹脂の管理などが面倒なことが少ない（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
ところで、最近の画像処理技術の大幅な向上により、従来の医療用に用いられているＣＴ（Computed Tomography）画像を処理し、医者の病理判断を支援する手法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２では、Ｘ線ＣＴにより得られた被検体の２次元画像中の、例えば脂肪部分の画像に着色することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平０７−５０７５０８号公報（明細書ページ９、１０等に記載）
【特許文献２】特開２００７−６８８４４号公報（明細書段落[００４５]に記載）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最近では、安価な３次元ＣＡＤが市場に普及しているため、モデルの実体化に有用な上記３次元造形装置が用いられている。３次元造形装置が３次元ＣＡＤデータを扱う場合、ソリッド形式（モデルの内部に質量のあるもの）またはサーフェス形式（モデルの内部に質量はなく表面のみ、つまり外形だけで現されたもの）のデータ形式が用いられる。したがって、モデルの内部の詳しい情報はなく、外形データのみで定義される。この場合、３次元造形装置では、外側のサーフェスデータに、色またはテクスチャーが貼り付けられた造形物が得られる。
【０００９】
しかしながら、モデルの内部の情報が造形物に反映されないため、例えばこの造形物を切断した場合に、この造形物は、実物とは異なる印象を見る者に与える。これを回避するために、内部のデータを逐一定義することも考えられるが、これには多大な時間と手間がかかることになる。
【００１０】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、実物に近い印象を与える造形物を造ることができる３次元造形装置、その制御装置、制御方法、及びその３次元造形装置により造られた造形物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る３次元造形装置は、ステージと、ヘッドと、調整機構と、吐出指令手段と、制御手段とを具備する。
前記ステージには、粉体材料が堆積される。
前記ヘッドは、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出する。
前記調整機構は、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する。
前記吐出指令手段は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
前記制御手段は、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する。
【００１２】
本発明における吐出指令手段は、多値化画像を描くために、複数の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で粉体材料を着色するように、所定の層厚分の粉体材料にヘッドにより吐出させる。これを、多値化画像群を構成する１つ１つの多値化画像ごとに繰り返す。これにより、内部まで着色された造形物を造ることができ、この造形物を扱う者に、実物に近い印象を与えることができる。
【００１３】
多値化処理とは、１つの閾値による２値化処理、異なる２つの段階的な閾値による３値化処理、あるいは４値化以上の処理も含む意味である。
【００１４】
「複数色」のうちの１つの色は、白または無色の場合もある。着色すべき色の情報は、予め設定されていればよい。
【００１５】
前記ヘッドは、前記粉体材料を硬化させるための液体を吐出可能であってもよい。その場合、前記吐出指令手段は、前記造形物の硬度を調整するために、前記ヘッドから吐出される前記液体の量を制御する。
【００１６】
これにより、所望の硬度を有する造形物を造ることができる。
【００１７】
前記吐出指令手段は、前記造形物中の領域ごとに異なる量の前記液体を前記ヘッドから吐出させてもよい。
【００１８】
これにより、例えば造形物中の少なくとも２つの領域でそれぞれ異なる硬度を有する造形物を造ることができる。
【００１９】
前記吐出指令手段は、前記複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記多値化画像が着色されることにより生成された画像に応じて前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させてもよい。
【００２０】
多値化画像を着色する処理の手段としては、人間の行為が介在したコンピュータの処理、あるいはコンピュータの自動処理がある。
【００２１】
この場合のコンピュータの自動処理は、例えば、予め設定された複数色の情報に基づいて、多値化画像中のどの輝度部分にどの色を割り当てるかがプログラムされたソフトウェアの処理により行われる。色の割り当て（色割り当て）の方法としては、所定の色の順序またはランダムに色が割り当てられればよい。また、色の割り当ての対象となる輝度への割り当て（輝度割り当て）の方法としては、その輝度の段階に応じてまたはランダムに、上記色割り当ての方法により色が割り当てられればよい。この処理手段は、上記したような人間の行為を介在させて、色割り当て及び／または輝度割り当てを実行することができるようなものであってもよい。
【００２２】
本発明では、このような処理手段は、３次元造形装置とは別体のコンピュータにより実現されるが、３次元造形装置がこの処理手段を備えていてもよい。
【００２３】
前記対象物体の断層化画像の積層ピッチが、前記粉体材料の所定の層厚より大きい場合に、前記吐出指令手段は、前記積層ピッチ間で前記断層化画像が積層されたときの外形に、前記多値化画像の外形が対応するように補間処理が実行された前記多値化画像に応じて、前記インクを吐出させてもよい。
【００２４】
これにより、対象物体の外形を精度よく造形物に反映させることができる。
【００２５】
前記粉体材料は、塩化ナトリウムを主成分として含むものであってもよい。これにより、例えば金属またはプラスチック等の材料を用いる場合に比べ、粉体材料の抽出や加工等に要するエネルギーが低いので環境に良い。
【００２６】
前記対象物体は、生物体の断層化画像群であってもよい。
【００２７】
これにより、生物体、例えば人体の断層化画像を基にそれらの全部または一部の造形物が得られる。例えば断層化画像群が、生物体のものである場合、特に医療分野においてこの３次元造形装置が有用となる。
【００２８】
本発明に係る制御装置は、粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御装置であって、吐出指令手段と、制御手段とを具備する。
前記吐出指令手段は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
前記制御手段は、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する。
【００２９】
本発明に係る制御方法は、粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御方法である。
前記制御方法は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
また、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記ヘッドによる前記インクの供給が制御される。
本発明に係る造形物は、ステージと、ヘッドと、調整機構と、吐出指令手段と、制御手段とを具備する３次元造形装置により得られたものである。
前記ステージには、粉体材料が堆積される。
前記ヘッドは、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出する。
前記調整機構は、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する。
前記吐出指令手段は、造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる。
前記制御手段は、前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明によれば、実物に近い印象を与える造形物を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元造形装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示す３次元造形装置の平面図である。
【図３】図１に示す３次元造形装置の側面図である。
【図４】一実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。
【図５】他の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。
【図６】主に３次元造形装置の制御系を示すブロック図である。
【図７】３次元造形装置（及び画像処理コンピュータ）の動作を示すフローチャートである
【図８】人体の大腿骨（の一部または全部）を造形の対象物体とし、この大腿骨の造形物が形成される場合について説明する。
【図９】図７のステップ１０６以降における３次元造形装置の機械的な動作を順に示す、側面から見た模式図である。
【図１０】歯科インプラント手術前のシミュレーションのために、顎骨付近の造形物を造る例を示す図である。
【図１１】ＤＩＣＯＭデータ中のヒストグラムを示す図である。
【図１２】頚椎インプラント手術前のシミュレーションのために、頚椎付近の造形物を造る例を示す図である。
【図１３】本実施形態に係る３次元造形装置で設定される色と、実際に造られた造形物サンプルの光学濃度等（グレースケール）等の実測値を示した表である。
【図１４】図１３の表に基づいた、ＲＧＢの設定値（横軸）に対する光学濃度の値を示すグラフである。
【図１５】５つの同じ重量の粉体層に、それぞれ異なる量のインクが供給されて形成された造形物（テストピース）の、それらテストピースの重量を表す実測のグラフである。
【図１６】図１５に示した５つのテストピースの硬度を表す実測のグラフである。
【図１７】３次元造形装置により造形物が造られた後、あるテストピースで、所定の硬度が得られるまで造形物を加熱装置で加熱する場合の、加熱温度と時間との関係を示すグラフである。
【図１８】断層面に垂直な面で見た、対象物体の画像の一部の外形を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００３３】
（３次元造形装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る３次元造形装置を示す斜視図である。図２は、図１に示す３次元造形装置１００の平面図であり、図３は、その側面図である。
【００３４】
３次元造形装置１００は、立体格子状のフレーム１と、このフレーム１上に固定されたプレート２とを備える。プレート２の中央部には、プレート２の長手方向であるＹ方向に沿って造形作業用の開口部２ａが設けられている。その開口部２ａの下部には、粉体材料（以下、単に粉体４という。）の供給部１０、粉体４による造形物が形成される造形部２０、粉体４の回収ボックス３１が配置されている。これら供給部１０、造形部２０及び回収ボックス３１は、図２及び図３に示すように、それらの図中左側からＹ方向に沿って順に並ぶように配置されている。
【００３５】
供給部１０は、粉体４を貯留することが可能な供給ボックス１１、供給ボックス１１内に配置され供給ボックス１１に貯留された粉体４を下から押し上げることで、開口部２ａを介してプレート２上に粉体４を供給する供給ステージ１２、供給ステージ１２を昇降させる昇降シリンダ１３を有する。
【００３６】
粉体４としては、水溶性の材料が用いられ、例えば、食塩、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの無機物が用いられる。塩化ナトリウムとにがり成分（硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウムなど）が混合されたものが用いられてもよい。すなわち、これは塩化ナトリウムを主成分とするものである。あるいは、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸ナトリウム、メタアクリル酸アンモニウム、メタアクリル酸ナトリウムやその共重合体などの有機物を用いることもできる。粉体４の平均粒子径は、典型的には１０μｍ以上１００μｍ以下である。食塩が用いられることにより、例えば金属またはプラスチック等の粉体材料を用いる場合に比べ、粉体材料の抽出や加工等に要するエネルギーが低いので環境に良い。
【００３７】
供給部１０に隣接して配置された造形部２０は、粉体４を貯留することが可能な造形ボックス２１、造形ボックス２１内に配置され、粉体４が堆積され、形成される造形物を下から支持する造形ステージ２２、造形ステージ２２を昇降させる昇降シリンダ２３を有する。昇降シリンダ１３及び２３は、例えばボイスコイルモータを利用するもの、あるいは流体圧を利用するものが用いられる。
【００３８】
図２で見て、造形ボックス２１のＸ方向の長さは１０〜３０ｃｍ、そのＹ方向の長さは２０〜５０ｃｍに設定されるが、この範囲に限られない。
【００３９】
供給ボックス１１及び造形ボックス２１のそれぞれの底面には、余剰な粉体４を排出するための排出口１２ａ及び２２ａが設けられている。排出口１２ａ及び２２ａには、粉体４の排出路を形成する部材５が接続されている。それらの部材５の下方には、排出口１２ａ及び２２ａ及びその排出路を形成する部材５を介して自重により排出されてきた粉体４を回収するボックス６がそれぞれ配置されている。
【００４０】
各ボックス１１、１２及び３１の上部は開口され、それらの開口面は、プレート２の開口部２ａにそれぞれ対面するように配置されている。
【００４１】
プレート２の開口部２ａの供給部１０側の端部付近には、供給部１０から供給された粉体４を造形部２０に搬送するローラ１６が配置されている。ローラ１６は、各ボックス１１、１２及び３１の配列方向とは水平面内で直交する方向、すなわちＸ方向に沿って設けられた回転軸１７を有する。また、プレート２上にはローラ１６をＹ方向に移動させる移動機構２６が設けられている。
【００４２】
移動機構２６は、開口部２ａのＸ方向での両側でＹ方向に沿って延設されたガイドレール２５と、これらのガイドレール２５の上部に配置された駆動機構とを有する。駆動機構としては、例えばラックアンドピニオンによる駆動機構が用いられる。この場合、図６に示すように、駆動機構は、移動モータ３２、この移動モータ３２により駆動されるギア２８、このギア２８と噛み合うラックギア２７を有する。ラックギア２７は、ガイドレール２５またはプレート２上の適切な位置に配置されている。
【００４３】
また、図６に示すように、３次元造形装置１００は、ローラ１６を回転させるための回転モータ２９を備えている。ローラ１６を回転させるために、移動モータ３２の駆動力が図示しないギア等を介してローラ１６の回転軸１７に伝達されるようにしてもよい。
【００４４】
上記駆動機構として、ラックアンドピニオン駆動機構に限られず、ボールネジ駆動機構、ベルト駆動機構、チェーン駆動機構、電磁的または静電気的な作用によるリニアモータ駆動機構が用いられもよい。
【００４５】
また、造形部２０において造形ステージ２２上の粉体４にインクを吐出することが可能なインクジェットヘッド４１が、プレート２上で移動可能に設けられている。インクジェットヘッド４１は、移動機構２６に接続された駆動ユニット４０に搭載されており、駆動ユニット４０は、移動機構２６によりＹ方向に移動可能に設けられている。例えば、駆動ユニット４０は、図６に示すように、Ｙ方向移動モータ３３、このＹ方向移動３３により駆動されるギア４８、及び上記ラックギア２７によりＹ方向に移動する。このような構成により、インクジェットヘッド４１は、プレート２の開口部２ａ上で、Ｘ−Ｙ平面内でスキャン移動が可能となる。
【００４６】
駆動ユニット４０は、移動体４３と、移動体４３上に搭載されたボールネジ４２とを備えている。インクジェットヘッド４１は、このボールネジ４２により移動体４３上をＸ方向に移動可能とされている。駆動ユニット４０は、ボールネジ駆動機構に代えて、上記した他の駆動機構を有していてもよい。
【００４７】
図４は、一実施形態に係るインクジェットヘッド４１を示す斜視図である。
【００４８】
このインクジェットヘッド４１は、一般的なプリンタ用のインクジェットヘッド４１の構成及び機能と同様のものが用いられればよい。例えば、インクジェットヘッド４１のケース４４内には、複数のインクタンク４５が設けられている。各インクタンク４５は、シアン、マゼンダ及びイエローの各色（以下ＣＭＹという。）のインクを貯溜するタンク４５Ｃ、４５Ｍ及び４５Ｙである。この例では、シアン用インクタンク４５Ｃ、マゼンダ用インクタンク４５Ｍが所定の方向に並ぶように設けられ、それらのタンク４５Ｃ及び４５Ｍの端部側に、イエロー用インクタンク４５Ｙが配置されている。
【００４９】
各インクタンク４５の下部にはインクを排出する排出穴４５ａが設けられ、各排出穴４５ａは、図示しないインクのバッファ室及びインクジェットの発生機構を介してケース４４の下部に設けられた各吐出口４４ａとそれぞれ連通している。インクジェットの発生機構としては、ピエゾ型やサーマル型が挙げられる。
【００５０】
図５は、他の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。このインクジェットヘッド１４１では、ケース１４４内に一方向にマゼンダ用インクタンク１４５Ｍ、イエロー用インクタンク１４５Ｙ、シアン用インクタンク１４５Ｃが配列されている。また、ケース１４４の底部の所定位置には、各インクの吐出口１４４ａが設けられている。
【００５１】
図４及び図５に示したインクジェットヘッド４１及び１４１のほか、ＣＭＹの３色に加え、黒、白または無色のインクタンクが備えられていてもよい。特に、黒、白または無色のインクタンクを有するインクジェットヘッドは、粉体４自体の色に応じて適宜設置されればよい。本実施形態では、例えばインク中の水分により粉体４が硬化するような、インク及び粉体４の各材料が選定される。粉体４が白である場合であって、造形物に白色を着色したい（白色を残したい）場合には、その残したい箇所に、無色のインクか、または白色のインクが吐出される。
【００５２】
また、インクの材料としては、例えば水性インクが用いられ、市販のインクジェットプリンタ用のインクを用いることも可能である。インクは、粉体４の材料に応じて油性であってもよい。無色インクには、例えば、純水とエチルアルコールを重量比で１対１で混合したもの、純水にグリセリンを重量比２０％混合したもの、これらの混合物にさらに微量の界面活性剤を混合したものが用いられる。
【００５３】
図６は、主に３次元造形装置１００の制御系を示すブロック図である。
【００５４】
この制御系は、ホストコンピュータ５１（制御手段）、メモリ５２、画像処理コンピュータ９０、粉体供給コントローラ５３、造形ステージコントローラ５４、回転モータコントローラ５６、移動モータコントローラ５５、ヘッド駆動コントローラ５７、ヘッドスキャンコントローラ５８を備える。
【００５５】
ホストコンピュータ５１は、上記メモリ５２及び各種コントローラの駆動を統括的に制御する。メモリ５２は、ホストコンピュータ５１に接続され、揮発性または不揮発性のどちらでもよい。
【００５６】
画像処理コンピュータ９０は、後述するように造形の対象物体の断層化画像としてＣＴ（Computed Tomography）の画像データを取り込み、このＣＴ画像データについてＢＭＰ（Basic Multilingual Plane）形式に変換する等の画像処理を実行する。画像処理コンピュータ９０は、典型的には３次元造形装置１００とは別体のコンピュータであり、ホストコンピュータ５１に例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）により接続され、記憶された画像処理後の画像データをホストコンピュータ５１に送信する。
【００５７】
ホストコンピュータ５１と画像処理コンピュータ９０の接続形態は、ＵＳＢに限られず、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）、その他の形態でもよい。また、有線及び無線のどちらでもよい。なお、画像処理コンピュータ９０は、３次元造形装置１００内に搭載された画像処理用のデバイスであってもよい。また、画像処理コンピュータ９０が３次元造形装置１００と別体の装置である場合、画像処理コンピュータ９０は、ＣＴ装置であってもよい。
【００５８】
粉体供給コントローラ５３は、供給ステージ１２の昇降駆動を制御することで、プレート２の開口部２ａを介してプレート２上に盛り出る粉体４の量を制御するため、昇降シリンダ１３の昇降駆動量を制御する。
【００５９】
造形ステージコントローラ５４は、インクジェットヘッド４１による粉体４へのプリント時に、後述するように造形ステージ２２を所定の高さ単位で下降させていくために、昇降シリンダ１３の昇降駆動量を制御する。
【００６０】
ヘッド駆動コントローラ５７は、ヘッドのＸ−Ｙ平面内での駆動信号をヘッドスキャンコントローラ５８に出力する。また、ヘッド駆動コントローラ５７は、各色のインクの吐出量を制御するために、インクジェットヘッド４１内のインクジェットの発生機構に駆動信号を出力する。
【００６１】
ヘッドスキャンコントローラ５８は、Ｙ方向移動モータ３３及び駆動ユニット４０に搭載された、上記ボールネジ駆動機構のＸ方向駆動用のモータの駆動を制御する。
【００６２】
上記ホストコンピュータ５１、画像処理コンピュータ９０、造形ステージコントローラ５４、粉体供給コントローラ５３、回転モータコントローラ５６、移動モータコントローラ５５、ヘッド駆動コントローラ５７及びヘッドスキャンコントローラ５８は、例えば次のようなハードウェア、または、そのハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにより実現されればよい。そのハードウェアは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、あるいはこれらに類するものが用いられる。
【００６３】
メモリ５２は、固体（半導体、誘電体または磁気抵抗）メモリのほか、磁気ディスク、光ディスク等の記憶デバイスでもよい。
【００６４】
（３次元造形装置の動作）
以上のように構成された３次元造形装置１００（及び画像処理コンピュータ９０）の動作について説明する。図７は、その動作を示すフローチャートである。
【００６５】
ステップ１０１では、画像処理コンピュータ９０により、例えばＣＴ画像データが読み込まれる。ＣＴ画像データは、医療分野において、典型的にはＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and COmmunication in Medicine）データとして扱われる。
【００６６】
ＣＴとは、Ｘ線を用いたＣＴに限られず、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission CT）、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等を含む広義のＣＴを意味する。
【００６７】
ここで図８を参照して、例えば、人体の大腿骨（の一部または全部）を造形の対象物体とし、この大腿骨の造形物が形成される場合について説明する。図８（Ａ）は、大腿骨の所定箇所の（一枚の）ＤＩＣＯＭデータである。このような断層化画像データであるＤＩＣＯＭデータが、例えば対象物体に対して１ｍｍのピッチで複数用意され、１つの対象物体に対応した１つのＣＴ画像データ群として画像処理コンピュータ９０内のメモリ５２に記憶される。ＤＩＣＯＭの画像データは、典型的にはＪＰＥＧ（Joint Photographic Expert Group）形式である。
【００６８】
ステップ１０２では、画像処理コンピュータ９０は、記憶されたＤＩＣＯＭデータの輝度に関して多値化処理を実行する。多値化処理とは、輝度の１つの閾値による２値化処理、異なる２つの段階的な閾値による３値化処理、あるいは４値化以上の処理も含む意味である。
【００６９】
画像処理コンピュータ９０は、ステップ１０２における多値化処理後、ステップ１０３では、例えば図８（Ｂ）に示すように、その多値化に対応した複数段階の輝度情報に基づき、その複数段階の輝度情報に対応した複数の色で着色された画像を生成する。図８（Ａ）に示すように、例えば骨の外側の部分の明るい部分は、その内側の暗い部分に比べ、骨密度が高い領域である。例えば、図８（Ｂ）に示す多値化画像では、骨密度の高い部分である外側が黄や青で着色され、低い部分である内側が赤で着色されている。各輝度情報に対応する色は何でもよい。なお、着色された多値化画像は、典型的にはＢＭＰ形式で生成されるが、それ以外の形式であってもよい。
【００７０】
多値化画像を着色する処理の手段としては、人間の行為が介在した画像処理コンピュータ９０の処理、あるいは画像処理コンピュータ９０の自動処理がある。
【００７１】
この場合の画像処理コンピュータ９０による自動処理は、例えば、予め設定された複数色の情報に基づいて、多値化画像中のどの輝度部分にどの色を割り当てるかがプログラムされたソフトウェアの処理により行われる。色の割り当て（色割り当て）の方法としては、所定の色の順序またはランダムに色が割り当てられればよい。また、色の割り当ての対象となる輝度への割り当て（輝度割り当て）の方法としては、その輝度の段階に応じてまたはランダムに、上記色割り当ての方法により色が割り当てられればよい。
【００７２】
この処理手段は、上記したような人間の行為を介在させて、色割り当て及び／または輝度割り当てを実行することができるようなものであってもよい。
【００７３】
多値化画像が着色された後、ステップ１０４において、画像処理コンピュータ９０は、１つの対象物体に対応したすべての着色処理が終了したかを確認する。終了の場合、ステップ１０５において、画像処理コンピュータ９０はその着色された多値化画像データ群がホストコンピュータ５１に出力し、ホストコンピュータ５１はこれをメモリ５２に記憶する。
【００７４】
なお、ＤＩＣＯＭデータや多値化画像データは、説明を理解しやすいように図８（Ａ）、（Ｂ）のように図示しないモニタ等に可視化された画像として説明したが、モニタに表示されなくてもよい。しかし、例えばＤＩＣＯＭデータに基づき生成された多値化画像を作業者（医者等）が目視で確認等できるように、画像処理コンピュータ９０はモニタにその多値化画像を表示させてもよい。
【００７５】
ここで、着色された多値化画像データの数は、１つの対象物体の画像を構成する上記ＤＩＣＯＭデータの画像数と一致していてもよいし、一致していなくてもよい。上記したように、断層化画像であるＤＩＣＯＭデータは、例えば対象物体に対して１ｍｍの積層ピッチで読み込まれる。粉体層に描かれる多値化画像のピッチも１ｍｍピッチであってもよいし、後述するように１ｍｍそれより小さい（または大きい）ピッチで描かれるようにしてもよい。
【００７６】
図９は、ステップ１０６以降における３次元造形装置１００の機械的な動作を順に示す、側面から見た模式図である。図９（Ａ）〜（Ｅ）では、後述するように、インクが吐出されることで粉体４が硬化される層が１層分（所定の層厚分）形成される工程が示されている。粉体４及び未硬化の粉体４がドットのハッチングで示され、硬化層が黒塗りで示されている。
【００７７】
図９（Ａ）に示すように、造形部２０の造形ステージ２２には、硬化層及び未硬化の粉体層が積層された状態となっており、この状態から、硬化層を１層形成する工程が開始される。図９（Ａ）において、ローラ１６及びインクジェットヘッド４１が示されている位置が、ぞれぞれの待機位置とされる。
【００７８】
まず、図９（Ｂ）に示すように、供給部１０の供給ステージ１２に堆積している粉体４が昇降シリンダ１３により押し上げられ、１層分の粉体層よりも少し過剰な量の粉体４が、プレート２の上面２ａより高い位置まで供給される。また、造形部２０において、造形ステージ２２が降下することで、硬化層及び未硬化の粉体層の上面とプレート２の上面２ａとの間に、粉体層（硬化層）の１層分の厚みの間隔が設けられる。この場合、造形ステージコントローラ５４、昇降シリンダ１３は、調整機構として機能する。
【００７９】
図９（Ｂ）において粉体層の１層分の厚みｕは、典型的には、ＤＩＣＯＭデータの１ｍｍピッチの１／１０であり０．１ｍｍとされるが、１ｍｍより大きくてもよいし、０．１ｍｍより小さくてもよい。粉体層の１層分の厚みがＤＩＣＯＭデータのピッチより小さい場合の、多値化画像データの生成方法については後述する。
【００８０】
図９（Ｃ）に示すように、図９（Ｃ）においてローラ１６が反時計回りに回転しつつ、白抜きの矢印の方向に移動することにより、供給部１０から供給された粉体４が搬送される。ここで、ローラ１６の回転方向は、ローラ１６を回転自在にして（ローラ１６の回転軸にかかる回転力をフリーにして）白抜きの矢印の方向に移動させたとしたときに、ローラ１６と造形部２０との摩擦によりローラ１６が回転するであろう方向に対して逆の方向である。このようなローラ１６の回転により粉体４が搬送されることで、造形部２０の硬化層及び未硬化の粉体層の上面に設けられた間隔に粉体４が充填されて、均一に均された粉体層が形成される（ステップ１０７）。
【００８１】
図９（Ｄ）に示すように、ローラ１６が造形部２０を通過して、過剰な量の粉体４を回収ボックス３１に排出して待機位置まで戻る動作と連動するように、インクジェットヘッド４１が移動しながら、上記着色された多値化画像を描くようにインクを吐出する。この場合、ホストコンピュータ５１、ヘッド駆動コントローラ５７等は、吐出指令手段として機能する。粉体層に水性インクが浸透し、インクが吐出された部分の粉体４が互いに接着され、硬化層が形成される。
【００８２】
なお、ローラ１６が粉体４を搬送し終えて待機位置に戻った後に、ヘッド駆動コントローラ５７は、インクジェットヘッド４１の移動を開始し、インクの吐出を開始させてもよい。しかし、上記のように、ローラ１６の戻り動作の時間帯とヘッドの移動動作の時間帯とが重なることにより、処理時間を短縮することができる。
【００８３】
図９（Ｄ）においては、ヘッド駆動コントローラ５７は、図８（Ｂ）に示すような多値化画像に対応して、粉体層に着色された画像を描くために、カラーインクを吐出させる。もちろん、ＣＭＹカラーに限られず、白及び黒を含む画像であってもよい。また、２値化画像の場合、白及び黒の２色だけでもよい。あるいは、２値化画像の場合であって、上述したように粉体４の色が白の場合、無色とその他の１色のみが用いられてもよい。
【００８４】
インクジェットヘッド４１が待機位置まで戻ると、図９（Ａ）に示す状態に戻り、１層分の着色された多値化画像に対応する、造形物が形成される（例えば図８（Ｃ）参照）。そして、次の層の多値化画像が、図９（Ｂ）〜（Ｃ）の示した動作により、粉体４に描かれ、硬化層が積層される。
【００８５】
このように、ホストコンピュータ５１及び各種のコントローラの制御に応じて、粉体４の所定の層厚ごとに、粉体４に多値化画像が描かれることにより、硬化層が積層されていく。そして対象物体のすべての画像の印刷が終了したか否かが判定される（ステップ１０８）。終了の場合、造形物は未硬化の粉体層に覆われており、造形ボックス２１内の余分な粉体４が除去され（ステップ１０９）、人手または図示しないロボットにより造形物が取り出される（ステップ１１０）。これにより、造形物の外面及び内部において２色以上の色を有する造形物を形成することができる（例えば図８（Ｄ）参照）。
【００８６】
造形物が取り出された後、３次元造形装置１００とは別の、図示しない加熱装置により造形物が加熱され、さらに硬度の高い造形物を得るようにしてもよい。
【００８７】
以上のように、本実施形態では、多値化画像を描くために、複数の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で粉体４を着色するように、所定の層厚分の粉体材料にヘッドにより吐出させる。これにより、内部まで着色された造形物を造ることができ、この造形物を扱う者はその内部状態も容易に把握することができ、実物に近い印象を与えることができる。
【００８８】
造形物の対象物体が生物体、特に人体であり、３次元造形装置１００が医療分野で利用される場合に、特にメリットが大きい。
【００８９】
従来では、医者が一枚一枚のＣＴ画像を精査して病巣の有無などを判断しなければならなかった。医者の中には、２次元であるＣＴ画像を基に頭の中で、内部状態も含めた３次元の対象物体を構築することができる者もいるが、これには熟練が必要である。すなわち、２次元画像であるＣＴ画像からの正確な診断には、時間と手間がかかるものであった。
【００９０】
また、従来では、コンピュータ上でＣＴ画像データ群を合成して画面上で３次元形状を観察する試みもあるが、データ量が大きすぎて動きが鈍いなど、扱いに苦慮することが多かった。データを軽くするため、
【００９１】
結局、どちらの場合も、医者がモニタ上の画像を見ながら診断を行うことに代わりはない。これらの手法を手術のシミュレーションに使おうとしても画像のみでは、実物の感覚を得ることは難しく、実際に使われることはほとんどない。
【００９２】
これに対して本実施形態では、造形物を基に、例えば造形物を所望の位置で切断するなどすることで、医者は容易に病巣などを見つけることが可能となり、頭の中で、内部状態も含めた３次元形状を構築する、といった熟練の技も必要ない。
【００９３】
また本実施形態では、後でも述べるように、造形物の内部まで着色することができるので、複雑な骨の構造体が造形対象物体である場合、医者は、その構造体の内部にある血管の位置を把握することが容易となる。
【００９４】
また、本実施形態に係る造形物を用いての医療シミュレーションも行うことができるようになる。本造形物は、例えば手術前のシミュレーションや、研修医の教材としても有用である。
【００９５】
次に、図７におけるステップ１０１〜１０３について、例えば医療分野においてインプラント手術前のシミュレーションを行うために造形物が造られる例について説明する。
【００９６】
図１０は、歯科インプラント手術前のシミュレーションのために、顎骨付近の造形物を造る例を示す図である。図１０（Ａ）は、対象物体である頭骨の一部（頭骨の下方部）を構成するＣＴ画像群から、市販のアプリケーションソフトウェアを用いて、その対象物体の３次元画像が構築された例を示している。図１０（Ｂ）は、ＣＴ画像データであるＤＩＣＯＭデータである。画像処理コンピュータ９０は、図１０（Ｃ）に示すように、このＤＩＣＯＭデータについて例えば２値化処理を実行する。これにより骨部が強調された画像を得ることができる。
【００９７】
図１１は、ＤＩＣＯＭデータ中のヒストグラムを示す図である。このヒストグラムから、作業者が２値化処理のための輝度の閾値を設定し、画像処理コンピュータ９０は、その閾値に応じた２値化処理を実行する。上述のように、画像処理コンピュータ９０が自動で、予め設定された閾値に応じて２値化処理を実行してもよい。
【００９８】
図１０（Ｄ）は、神経管を例えば赤に着色した画像の例を示す図である。画像処理コンピュータ９０は、人間の神経管の位置が特定された顎骨の画像が複数集められて構成されたデータベースや、顎骨中の神経管の位置を特定するためのソフトウェアを有していることにより、多値化画像中の神経管の着色をすることが可能となる。この着色処理は、もちろん人間が行うことも可能である。図１０（Ｅ）は、図１０（Ｄ）に示した着色された多値化画像群に基づき、３次元造形装置１００で形成された造形物の３次元画像を示す図である。この図から、顎部に神経管（例えば赤色）が通っていることがわかる。なお、図１０（Ｅ）に示すように、ホストコンピュータ５１または画像処理コンピュータ９０は、造形物の３次元画像もモニタに表示させるようにしてもよい。
【００９９】
なお、図１０（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、顎骨以外のノイズ部分は微小な体積であり、３次元造形装置１００で造形物が形成されたとしても、ほとんどそのノイズ部分は反映されないか、または、反映されたとしてもごく微小なものである。例えば図１０（Ｃ）が生成された時に、公知の画像処理技術によりそのようなノイズが予め除去されてもよい。
【０１００】
図１２は、頚椎インプラント手術前のシミュレーションのために、頚椎付近の造形物を造る例を示す図である。図１２（Ａ）は、頚椎の位置を示す画像（例えば四角で囲んだ領域）である。図１２（Ｂ）は、着色された多値化画像を示す図である。ここでは、大動脈の位置が赤で着色されている。図１２（Ｃ）は、３次元造形装置１００により造られた、頚椎の造形物の３次元画像を示す図である。ここでは、白色の頚椎の内部に赤色の大動脈が透けて見えるのがわかる。このように、本実施形態によれば、見る者に実物に近い印象を与える造形物を造ることができる。
【０１０１】
図１３は、本実施形態に係る３次元造形装置１００で設定される色と、実際に造られた造形物サンプルの光学濃度等（グレースケール）等の実測値を示した表である。造形物サンプルは円板状であり、例えばその円板の表面の周方向に、設定値Ｇ１〜Ｇ２５６により着色された。粉体材料は、食塩９０重量％以上であり、その他、ポリビニルピロリドン等の材料でなる。
【０１０２】
この表は、Ｇ１、Ｇ３２、・・・、Ｇ２５６の合計９色であって、これらの設定色ごとにＲＧＢ同じ値のグレースケールにより表されている。Ｇ１である最も暗い黒は、ＲＧＢ（０，０，０）で表され、最も明るい白は、ＲＧＢ（２５５，２５５，２５５）で表される。これは、例えば図１１に示したヒストグラムでの出力レベルと同じ設定である。
【０１０３】
光学濃度（ＯＤ）は、下記の式で表される。
【０１０４】
ＯＤ＝−log10(I'/I)
I：造形物への入射光強度、I'：造形物からの反射光強度
【０１０５】
つまり、反射率が１０％の場合、ＯＤ＝−log10(0.1)＝１となる。
【０１０６】
図１４は、図１３の表に基づいた、ＲＧＢの設定値（横軸）に対する光学濃度（ＯＤ）の値を示すグラフである。ＲＧＢの設定値である横軸は、ＲＧＢがともに同じ値であるグレースケールである。
【０１０７】
図１５は、同じ重量の粉体ピースに、それぞれ異なる量のインクが供給されて形成された５つの造形物（テストピース）において、それらテストピースの重量を表す実測のグラフである。このグラフにおいて、「最終造形物」は、造形物が加熱装置で加熱されて乾燥し、インクの水分が抜けた後の造形物を意味する。このグラフからわかるように、水分量が多い、すなわち水性インクの濃度が高いテストピースほど、最終造形物の重量も大きくなることがわかる。
【０１０８】
図１６は、図１５に示した５つのテストピースの硬度を表す実測のグラフである。グラフ中の左側の単位は「デュロメータ」で計測されたときの硬度である。最も硬いものが１００とされる。グラフ中右側の単位[kgf]は、そのデュロメータで計測されたときのテストピースへの押圧力である。このグラフから、水性インクの濃度が高いテストピースほど、硬度が高いことがわかる。したがって、市販されている水性インクは、粉体材料を硬化させるための液体となり得る。また、粉体材料によっては、例えば粉体４が上記した有機物との共重合体の場合は、水がその粉体材料を硬化させるための液体となる。
【０１０９】
図１５及び図１６のグラフから次のようなことが言える。例えば５つのテストピースのうち比較的低いインク濃度のテストピースに無色のインク、例えば水（純粋や蒸留水）を補充するように供給することで、比較的高いインク濃度のテストピースの硬度に実質的に同じにすることができる。また、あるいは、意図的に硬度を異ならせることが可能となる。すなわち、ヘッドからの吐出される上記液体の量を制御することによって、所望の硬度を有する造形物を造ることができる。
【０１１０】
このような考察により、以下に説明するような２つの実施形態が実現する。
【０１１１】
１つ目として、例えば、１つの造形物のうち、第１の領域には第１の濃度により着色され、第１の領域と異なる第２の領域には第１の濃度と異なる第２の濃度で着色される。これにより、造形物の部位によって異なる硬度を有する造形物を得ることができる。例えば人体の一部を対象物体とした造形物について、骨部の硬度を高くし、臓器部分、血管、または神経管の硬度を低くするといったことも可能である。あるいは、骨の部位によっても硬度が異なるので、そのような骨の造形物を再現することができる。その結果、医療関係者が手術シミュレーションで造形物を切断するときに、現物の対象物体に近い感触を得ることができ、実践的なシミュレーションを行うことができる。
【０１１２】
２つ目として、意図的に造形物全体の硬度を均一にすることが可能となる。造形物の各領域によって色が異なり、インク濃度も異なる場合には、例えばインク濃度が低い領域に水等の無色のインクが所定量供給されることにより、そのインク濃度が低い領域の硬度を高い領域と実質的に同じ硬度にすることができる。
【０１１３】
図１７は、３次元造形装置１００により造形物が造られた後、あるテストピースで、所定の硬度が得られるまで造形物を加熱装置で加熱する場合の、加熱温度と時間との関係を示すグラフである。加熱温度が高い場合、所定の硬度が得られるまでの加熱時間を短くすることができる。造形物が乾燥すると硬化して水分が抜け、重量の変化がなくなるので、造形物の重量変化を監視することで、硬化終了時、つまり造形物の完成時を判断することができる。
【０１１４】
ところで、粉体層の１層分の厚みは、上記したようにＤＩＣＯＭデータのピッチより小さい０．１ｍｍである。図１８（Ａ）は、対象物体の画像の一部の外形画像を示す模式図である。この対象物体７５の画像の、紙面に垂直な面が、ＤＩＣＯＭの断層ごとの切断面（断層面）であるとする。すなわち、対象物体７５の画像中の実線Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・で表す線がその断層面であるとする。この対象物体７５の外形画像も、ＣＴにより得られる、対象物体７５における所定の位置での断層化画像であってもよい。
【０１１５】
ここで、画像処理コンピュータ９０は、図１８（Ａ）に示したこの対象物体７５の外形画像を取り込む。画像処理コンピュータ９０は、ＤＩＣＯＭデータの積層ピッチ間（例えばＡ１及びＡ２の間）の外形に、多値化画像が積層されたときの対象物体７５の外形（断層面に垂直な面で見た外形）が対応するように補間する。例えば図１８（Ｂ）に示すように、画像処理コンピュータ９０は、断層線Ａ１及びＡ２のＤＩＣＯＭデータの間の、断層線Ａ１０、Ａ１１、・・・Ａ１８の９枚の断面画像（多値化画像）を生成する。これら９枚の断層線Ａ１０、Ａ１１、・・・Ａ１８における多値化画像の内部は、画像Ａ１におけるＤＩＣＯＭデータから得られる多値化画像の内部画像と同様である。また、９枚の断層線Ａ２０、Ａ２１、・・・Ａ２８における多値化画像の内部は、画像Ａ２におけるＤＩＣＯＭデータから得られる多値化画像の内部画像と同様である。そして、画像処理コンピュータ９０は、それら９枚の多値化画像が積層されたときの各外形を、取り込まれた外形画像の、断層線Ａ１０、Ａ１１、・・・Ａ１８の対応する位置における対象物体７５の外形に合わせるように、９枚の多値化画像を生成する。
【０１１６】
３次元造形装置１００は、このように補間により生成された多値化画像ごとにインクを吐出して例えば０．１ｍｍピッチで粉体層（硬化層）を積層させていけばよい。これにより、対象物体７５の、断層面に垂直な面で見た外形を精度よく造形物に反映させることができる。
【０１１７】
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。
【０１１８】
上記実施形態では、造形部２０において、昇降シリンダ１３により造形ステージ２２が昇降される形態を示した。しかし、造形ステージ２２が固定で、造形ボックス２１またはインクジェットヘッド４１が昇降する形態であってもよい。
【０１１９】
インクジェットヘッド４１は、インクの吐出時に一方向にのみ移動するライン型ヘッド、あるいは、インクの吐出時に移動しない面型ヘッドであってもよい。面型ヘッドとは、例えば造形ボックス２１において造形物が形成される範囲に対応した、インクの吐出範囲を持つヘッドである。
【０１２０】
上記実施形態では、ＣＴ画像データが取り扱われる分野として医療分野を例に挙げた。しかし、３次元造形装置１００は、例えば建築分野、機械工学分野等、医療分野以外のＣＴ画像データを扱うようにしてもよい。
【０１２１】
上記実施形態では、ＤＩＣＯＭデータから得られた多値化画像に着色処理が実行され、その着色された多値化画像が、３次元画像装置に送信される形態を説明した。しかし、画像処理コンピュータ９０で得られた着色されていない多値化画像データを３次元画像装置が取り込み、その多値化画像データそのものに応じて、予め定められた各色のインクを吐出するようにしてもよい。
【０１２２】
上記実施形態では、多値化処理の対象画像がＤＩＣＯＭ形式であったが、他の形式であってもよい。
【０１２３】
上記した最終造形物に、ＵＶ硬化樹脂、ポリエステル系接着剤、ポリウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、またはシアノアクリレート系接着剤を含浸させることにより、最終造形物の硬度を増加させることが可能である。これら接着剤が含浸された最終造形物は、硬度のみならず、耐水性、耐熱性、または耐薬品性を著しく向上させることができ、手術用のシミュレーションやインプラント手術等に特に有効である。
【符号の説明】
【０１２４】
４…粉体
１０…供給部
１１…供給ボックス
１２…供給ステージ
１３、２３…昇降シリンダ
１６…ローラ
２０…造形部
２１…造形ボックス
２２…造形ステージ
２６…移動機構
４０…駆動ユニット
４１、１４１…インクジェットヘッド
４５、１４５…インクタンク（４５Ｃ、１４５Ｃ…シアン用インクタンク、４５Ｍ、１４５Ｍ…マゼンダ用インクタンク、４５Ｙ、１４５Ｙ…イエロー用インクタンク）
５１…ホストコンピュータ
１００…３次元造形装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体材料が堆積されるステージと、
前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、
前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構と、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる吐出指令手段と、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する制御手段と
を具備する３次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記ヘッドは、前記粉体材料を硬化させるための液体を吐出可能であり、
前記吐出指令手段は、前記造形物の硬度を調整するために、前記ヘッドから吐出される前記液体の量を制御する３次元造形装置。
【請求項３】
請求項２に記載の３次元造形装置であって、
前記吐出指令手段は、前記造形物中の領域ごとに異なる量の前記液体を前記ヘッドから吐出させる３次元造形装置。
【請求項４】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記吐出指令手段は、前記複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記多値化画像中が着色されることにより生成された画像に応じて前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる３次元造形装置。
【請求項５】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記対象物体の断層化画像の積層ピッチが、前記粉体材料の所定の層厚より大きい場合に、前記吐出指令手段は、前記積層ピッチ間で前記断層化画像が積層されたときの外形に、前記多値化画像の外形が対応するように補間処理が実行された前記多値化画像に応じて、前記インクを吐出させる３次元造形装置。
【請求項６】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記粉体材料は、塩化ナトリウムを主成分として含むものである３次元造形装置。
【請求項７】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記対象物体は、生物体の断層化画像群である３次元造形装置。
【請求項８】
粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御装置であって、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる吐出指令手段と、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する制御手段と
を具備する制御装置。
【請求項９】
粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御方法であって、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させ、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記ヘッドによる前記インクの供給を制御する
制御方法。
【請求項１０】
粉体材料が堆積されるステージと、
前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、
前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構と、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる吐出指令手段と、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する制御手段と
を具備する３次元造形装置により得られた造形物。
【請求項１】
粉体材料が堆積されるステージと、
前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、
前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構と、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる吐出指令手段と、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する制御手段と
を具備する３次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記ヘッドは、前記粉体材料を硬化させるための液体を吐出可能であり、
前記吐出指令手段は、前記造形物の硬度を調整するために、前記ヘッドから吐出される前記液体の量を制御する３次元造形装置。
【請求項３】
請求項２に記載の３次元造形装置であって、
前記吐出指令手段は、前記造形物中の領域ごとに異なる量の前記液体を前記ヘッドから吐出させる３次元造形装置。
【請求項４】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記吐出指令手段は、前記複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記多値化画像中が着色されることにより生成された画像に応じて前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる３次元造形装置。
【請求項５】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記対象物体の断層化画像の積層ピッチが、前記粉体材料の所定の層厚より大きい場合に、前記吐出指令手段は、前記積層ピッチ間で前記断層化画像が積層されたときの外形に、前記多値化画像の外形が対応するように補間処理が実行された前記多値化画像に応じて、前記インクを吐出させる３次元造形装置。
【請求項６】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記粉体材料は、塩化ナトリウムを主成分として含むものである３次元造形装置。
【請求項７】
請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記対象物体は、生物体の断層化画像群である３次元造形装置。
【請求項８】
粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御装置であって、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる吐出指令手段と、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する制御手段と
を具備する制御装置。
【請求項９】
粉体材料が堆積されるステージと、前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構とを備えた３次元造形装置の制御方法であって、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させ、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記ヘッドによる前記インクの供給を制御する
制御方法。
【請求項１０】
粉体材料が堆積されるステージと、
前記ステージ上の前記粉体材料にインクを吐出するヘッドと、
前記粉体材料の所定の層厚ごとに前記ステージ上に造形物を形成するために、前記ステージと前記ヘッドとの相対的な高さ位置を前記層厚ごとに調整する調整機構と、
造形の対象物体の断層化画像である２次元の画像データが輝度に関して少なくとも２値化の処理である多値化処理が実行されることにより得られた多値化画像中の、複数段階の輝度情報にそれぞれ対応した複数色で前記粉体材料に着色するように、前記ヘッドにより前記インクを吐出させる吐出指令手段と、
前記層厚ごとに前記多値化画像を描くように、前記調整機構及び前記吐出指令手段を制御する制御手段と
を具備する３次元造形装置により得られた造形物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１９４９４２（Ｐ２０１０−１９４９４２Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４４０９７（Ｐ２００９−４４０９７）
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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