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JP2558431B2 - ３次元構造体を製造するシステムを作動する方法及び３次元構造体製造装置 - Google Patents

３次元構造体を製造するシステムを作動する方法及び３次元構造体製造装置

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JP2558431B2
JP2558431B2 JP5308873A JP30887393A JP2558431B2 JP 2558431 B2 JP2558431 B2 JP 2558431B2 JP 5308873 A JP5308873 A JP 5308873A JP 30887393 A JP30887393 A JP 30887393A JP 2558431 B2 JP2558431 B2 JP 2558431B2
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slices
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はラピッド・プロトタイピ
ング・システム（ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ
ｓｙｓｔｅｍ）に関し、特にソリッド（ｓｏｌｉｄ）
の像を処理し、処理された像を製造するための方法及び
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】互いに積み重ねられた部品の機械的な層
のモデルのようなソリッドモデルを形成する多くのラピ
ッド・プロトタイピング機械が存在する。現在利用可能
なラピ ッド・プロトタイピング技術の概観は「ラピッド
・プロトタイピング・レポート（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔ
ｏｔｙｐｉｎｇ Ｒｅｐｏｒｔ）」、Ｖｏｌ．２，ＣＡ
Ｄ／ＣＡＭ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，Ｉｎｃ．（５／９
２）に見られる。また、論文「インベストメント鋳造法
のための高速モールド形成（Ｒａｐｉｄ−Ｍｏｌｄ Ｍ
ａｋｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｖｅｓｔｉｍｅｎｔ Ｃａｓ
ｔｉｎｇ）」、機械技術（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎ
ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１９９２，ｐ
ｐ．４９−５１）も参照されたい。一般にラピッド・プ
ロトタイピングは、ステレオリソグラフィ、選択的レー
ザ焼結、固形グランド・カーリング、溶融堆積モデリン
グ、積層物体製造、光固化等のいくつかの技術を包含す
る。
【０００３】下記の米国特許はコンピュータ制御の３次
元物体製造システムの種々の種類を例示している。
【０００４】米国特許第４，５７５，３３０号「ステレ
オリソグラフィによる３次元物体の製造のための装
置」、米国特許第４，６６５，４９２号「コンピュータ
自動化製造プロセス及びシステム」、米国特許第４，７
３４，０２１号「ドーム又は球体を形成する機械」、米
国特許第４，７９４，３４７号「トポロジー製造装
置」、米国特許第４，７５２，３５２号「積層物から一
体物体を形成する装置及び方法」、米国特許第４，７５
２，４９８号「光固化による３次元物体の製造のための
方法及び装置」、米国特許第４，８０１，４７７号「光
固化による３次元物体の製造のための方法及び装置」、
米国特許第４，８４４，１４４号「ステレオリソグラフ
ィにより形成されたパターンを用いたインベストメント
鋳造」、米国特許第４，８５７，６９４号「コンポーネ
ントをシェーブ溶融する際の自動蒸気冷却のための方法
及び装置」、米国特許第４，９１５，７５７号「３次元
物体の形成」、米国特許第５，０３１，１２０号「３次
元モデリング装置」米国特許第５，０３８，０１４号
「層状堆積によるコンポーネントの製造」、米国特許第
５，０９６，２６６号「３次元物体を形成する装置及び
方法」、米国特許第５，１２１，３２９号「３次元物体
を形成する装置及び方法」。
【０００５】機械部品のような物体のソリッド・モデル
を製造する場合、内部を充填することなく物体の中空シ
ェル（ｓｈｅｌｌ）のみを形成するのが十分でありかつ
便利であることが多い。かくして、物体の３次元立体幾
何学的モデルが与えられた場合、各スライスが装置によ
り順次製作しうるように物体のシェルのいくつかの面状
スライスを計算する必要がある。しかしながら、ソリッ
ドのシェルをいくつかの層にスライスする前にソリッド
のシェルを最初に計算することは、３次元ソリッドのシ
ェルを計算するのにかなりの時間を要するので一般には
望ましくない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、スラ
イシング演算及びシェル形成演算を結合し、計算タスク
を部品形成タスクでインターリーブすることにより上記
の問題を解決するにある。
【０００７】本発明の他の目的は、ソリッドのシェルの
前回のスライスの形成と並行して次のスライスを計算す
ることによってパイプライン方式で動作する物体製造シ
ステムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記および他の問題を克
服すること、及び本発明の目的を達成することは、最終
部品を生成するのに要する総計時間を減少するように計
画フェーズ及び製造フェーズをスライス毎にインターリ
ーブするラピッド・プロトタイピング・システムにより
なされる。
【０００９】物体のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モ
デルから始めると、本方法はラピッド・プロトタイピン
グ機械で物体のシェルを製造するのに要する総計時間を
短縮する。この時間短縮は計算タスク及び製造タスクを
インターリーブし、最初からソリッドのシェルの明確な
評価を要求しないことにより達成される。本方法はＳＴ
Ｌデータで直接に動作することが証明され、単に表面と
して表されるシート・メタル部品のモデルのような非平
面状物体を形成するのにも用いることが出来る。更に、
本方法は物体の表面に多面体近似を用いた場合でも滑ら
かな外面を形成するのに用いることが出来る。
【００１０】さらに詳しくは、本発明はｘｙｚ座標フレ
ームに配向されｚ軸に沿ってある高さを有するコンピュ
ータで生成されたソリッドＳの仕様から３次元物体を製
造するシステムを作動する方法において、 ａ）前記コンピュータで生成されたＳの仕様を前処理す
るステップであって、 （ｉ）ソリッドＳの境界上にある各フェースｆｉ につい
て、境界のｚ軸区間 Ｉ ｉ＝〔ｚｉｍｉｎ，ｚｉｍａｘ〕
を形成し、 （ｉｉ）全てのｉについて、拡張区間Ｉ ｉ ＋＝〔ｚ
ｉｍｉｎ−ｔ，ｚｉｍａｘ＋ｔ〕を形成し、ここでｔは
Ｓのシェルの厚さであり、 （ｉｉｉ）その後のアクセスのために拡張区間Ｉ＋を記
憶するような前記前処理 するステップと、 （ｂ）記憶された拡張区間を検索してＳのシェルの１つ
のスライスの仕様を決定するステップであって、 （ｉ）プリミティブスライスの集合
【外５】Π＝ＮＵＬＬ を初期化し、 （ｉｉ）照会区間Ｉｑと重なる照会点ｚｑを含む各区間
Ｉｉ ＋ について、
【外６】 を
【外７】Π に加え、ここでＰはスライス面であり、ｃ１は閉包を示
し、Ｂｔは半径ｔの開放ボールであるような前記スライ
スの仕様を決定するステッ プと、 （ｃ）
【外８】Π 内の全てのプリミティブスライスを和演算することによ
りプリミティブスライスの集合をマージしてΣを得るス
テップと、 （ｄ）（Ｐ∩Ｓ）∩ΣをＳのシェルの１つのスライスの
仕様として戻すステップと、を含むシステムを作動する
方法を提供する。
【００１１】
【実施例】図１は本発明を実施するのに適切なラピッド
・プロトタイピング・システム１０のブロック・ダイア
グラムを示す。貯蔵器１２はホットメルト接着剤のよう
な多量のモデリング材を収容している。貯蔵器１２は空
気のような加圧気体の導入により加圧される。出口導管
１４は、通過する材料１２ａの流れを停止したり開始し
たりする弁１６を有する。導管１４は、押し出される材
料１２ａが通るノズル１８で終わっており、これにより
台２０の支持表面上にまたはその上方に押出し物のビー
ズ１９を形成する。台２０はｘ−ｙ軸移動装置２２及び
ｚ軸移動装置２４に連結され、ｘｙｚ座標基準フレーム
内に正確に配置され、それにより材料のビーズを互いに
垂直方向に積み重ねるのを可能にしている。堆積制御器
２６は、材料１２ａを押し出して機械部品のようなソリ
ッド物体のモデルを１層づつ形成するように、出力信号
線２７ａ及び２７ｂを介して台２０の位置決めを制御
し、また出力信号線２７ｃを介して弁１６の動作を制御
する。モデルの仕様はＣＡＤシステム２８から得られ、
ＳＴＬ又は他の適当なフォーマットで表現される。ＳＴ
Ｌは例えば論文「クライスラはラピッド・プロトタイピ
ング・システムに匹敵（Ｃｈｒｙｓｉｅｒ Ｃｏｍｐａ
ｒｅ Ｒａｐｉｄ ＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＳｙｓｔｅ
ｍｓ）」、Ｔｅｒｒｙ Ｗｏｈｌｅｒｓ，Ｂｅｎｔｏｎ
Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐｐ．８４−９０（１０
／９２）に説明されている。
【００１２】図２はＣＡＤシステム２８のデータベース
で指定されるソリッドＳを示す。図３はシステム１０の
作動によりソリッドＳの仕様から生成される３次元モデ
ル３２の図である。認められるように、モデル３２は複
数の積層された層３４（その１部のみ図３に図示）より
なる。各層３４は押し出された材料の少なくとも１つの
ビーズ１９から成り、ソリッドＳの１つのスライスに対
応する。モデル３２の製造時にその部分を一時的に支え
るように多数の外部支持体３６がモデルと共に形成され
る。外部支持体３６はモデル３２の完成後切削され、台
２０の表面から取り除かれる。後述するように、１つ以
上の内部支持体（図示せず）を設けてもよい。
【００１３】システム１０を作動させてモデル３２を製
造する良好な方法を図３のフローチャートを参照して以
下に説明する。しかしながら、本発明の教示はポリマ又
は他の種類の材料の層又はビーズを押し出すシステムに
使用するのに限定されないことを了解すべきである。す
なわち、本発明の教示は層を付加する仕方で物体を増分
的に製造する多数のシステムに有利に適用できる。この
ようなシステムは、限定的ではないが、光重合及びレー
ザ焼結システムを含む。
【００１４】本発明の方法を詳細に説明する前に、用語
と動作を先に定義する。
【００１５】１．２点ｐとｑの間の距離ｄ（ｐ，ｑ）は
これらの点の間のユークリッド距離であるとする。
【００１６】２．点ｐと集合Ｓの間の距離ｄ（ｐ，Ｓ）
はｐとＳ内の任意の点の間の最小距離である。
【００１７】
【数１】ｄ（ｐ，Ｓ）＝ｉｎｆ ｄ（ｐ，ｑ）
【外９】ｑεＳ ３．ｃ１Ｓは集合Ｓの閉包を表し、∂ＳはＳの境界を表
す。
【００１８】４．ソリッドは正規集合である。即ちこれ
はその内部の閉包に等しい。ソリッドは接続される必要
はなく、その境界が多様体である必要もない。
【００１９】５．ソリッドの接続された成分の各々はそ
の境界として１つの外表面を有し、空所（ｖｏｉｄ）の
境界をなす１つ以上の内表面をおそらく有する。ソリッ
ドが形成された後は、ソリッドの外部から内表面に達す
ることは出来ない。
【００２０】６．ソリッドＳの厚さｔのシェルはＳの境
界から距離ｔ内にあるＳ内の点の集合である。即ち、
【００２１】
【数２】 Ｓｈｅｌｌ（Ｓ，ｔ）＝｛ｐεＳ：ｄ（ｐ，∂Ｓ）ζｔ｝ ７．ソリッドの接続された成分のシェルは接続されたま
まである必要はない。シェルの境界は通常１つ以上の内
表面を有する。ソリッドのシェルの境界の新しく形成さ
れた成分はソリッドの境界の調整された内部オフセット
から得られる。
【００２２】８．面（スラブ）Ｐを有するソリッドＳの
スライスはソリッドと面（スラブ）との共通集合であ
る。即ち、
【００２３】
【数３】 Ｓｌｉｃｅ（Ｓ，Ｐ）＝Ｓ∩Ｐ スラブは２つの平行な面により境界を定められるソリッ
ドとして定義される。
【００２４】９．Ｂｒは原点に中心を有する半径ｒの開
放ボールを示す。即ち、ｏを原点とするとき、
【００２５】
【数４】 Ｂｒ＝｛ｐ：ｄ（ｏ，ｐ）＜ｒ｝ １０．２つの集合ＰとＱのミンコフスキ（Ｍｉｎｋｏｗ
ｓｋｉ）和は
【００２６】
【数５】 ＰＱ＝｛ｐ＋ｑ：ｐεＰ，ｑεＱ｝
【００２７】である。
【００２８】ミンコフスキ和の特定の場合は、集合Ｓが
ｒだけ膨張（ｄｉｌａｔｉｏｎ）し、
【００２９】
【外１０】 ＳＢr
【００３０】として定義される場合である。ここで言及
する全てのミンコフスキ和は膨張である。膨張したソリ
ッドの境界はソリッドの境界の調整されたオフセットか
ら得られる。
【００３１】ソリッドのシェルは後述するようにミンコ
フスキ和と積演算により形成出来る。ミンコフスキ集合
演算及び閉包演算は和演算にわたって分布する。本発明
は、例えばミンコフスキ和を容易に計算できる面、辺、
点のような簡単な要素の和としてソリッドの境界を表す
ことにより、上記の特性を利用している。面は平坦であ
る必要はない。より正確には、面、辺および点を開集合
ｅｉと表すことにより、次の特性が得られる。
【００３２】特性１
【００３３】
【数６】
【００３４】周知のブール代数の和演算及び積演算は別
として、ソリッドのシェルを計算するのに伴う唯一の演
算はその境界要素ｅｉとＢｔとのミンコフスキ和であ
る。さらに、
【００３５】
【外１１】 ｅ1Ｂt
【００３６】の閉包の和は特性１の最後の式で決められ
るので、ｅｉを∂の面のみに限定すれば十分である。こ
のような個々のミンコフスキ和を計算する方法は例えば
「簡単なソリッドの正確なオフセット手順（Ｅｘａｃｔ
ｏｆｆｓｅｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｆｏｒ ｓｉ
ｍｐｌｅ ｓｏｌｉｄｓ）」，Ｒ．Ｔ．Ｆａｒｏｕｋ
ｉ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｇｅｏｍｅｔｒｉ
ｃ Ｄｅｓｉｇｎ，２：２５７−２５９（１９８５）か
ら周知である。
【００３７】しかしながら、このようなミンコフスキ和
の和を得ることは典型的には計算コストの高いプロセス
である。∂Ｓ内に多くの境界要素があり、その各々がＢ
ｔとのミンコフスキ和の後にソリッドを生じ、そして３
次元のソリッドが和集合にされるので、シェルを計算す
るのに相当の時間を必要とする。
【００３８】通常の逐次近似において、シェルが先ず計
算される。次に、シェルが底部から頂部にかけて逐次ス
ライスされ、これらのスライスはラピッド・プロトタイ
ピン グ・システムに送られ製造される。この通常の逐次
的計画及び製造サイクルでは、先ずシェル全体を計算す
るのに掛かる時間が、部品の幾何学的モデルをシステム
に提示してから完成モデルを得るまでの経過時間に増分
的に追加される。
【００３９】本発明によれば、シェルのスライスのみが
必要であるという知見、及びこれらのスライスがモデル
製造タスクの開始前に全て計算される必要はないという
知見を用いることにより、総計時間は大幅に短縮され
る。即ち、ソリッドのシェルを明確に評価することなく
ソリッドのシェルのスライスを計算することが出来る。
これは正式には次の特性から見られる。
【００４０】特性２
【００４１】
【数７】
【００４２】ここでｆｉは∂Ｓの面である。積演算が和
集合にわたって分布可能であるので、特性２は有効であ
る。これは２つの利点をもたらす。
【００４３】１．Ｐは典型的にｆｉ及びＢｔの少数の個
々のミンコフスキ和のみと交わる。これらの交わりが幾
何学的理由により推定的に決められるなら、スライス計
算の時間は大幅に短縮される。
【００４４】２．Ｐが面であれば、特性２の最後の式中
の和集合は２次元演算になり、これは３次元演算より遥
かに高速に計算できる。Ｐがスラブであれば、３次元の
場合よりもさらに相対的に簡単な問題がある。以下に述
べるスライスシェル法では、各
【００４５】
【外１２】 Ｐ∩ｃ１（ｆ1Ｂt）
【００４６】はプリミティブスライスと呼ばれる。ここ
で、Ｐはスラブまたは面であり、Ｐの右側の演算子∩は
積を表わし、ｆ ｉ とＢ ｔ の間の演算子はミンコフスキ和
である。
【００４７】シエルのスライスを決定する本発明の好適
な方法を述べる。入力ソリッドは重要なかつ不当でない
制限に従うものと仮定する。具体的には、所与のソリッ
ドの各接続された要素は安定な姿勢を有し、（必要なら
外部支持構造体を付加することにより）十分に支持され
ていると仮定する。また、ソリッドはｘｙ座標基準フレ
ーム内に置かれ、ソリッドのシェルはｚ軸に垂直な１連
の層内に形成されると仮定する。
【００４８】これらの仮定は、物体のシェルの各スライ
スの仕様を決定する本発明の方法の以下の説明に適用さ
れる。図４のフローチャートも参照されたい。ここでブ
ロックの指示は以下のアルファベット記号に対応する。
【００４９】スライスシェル法 入力：ソリッドＳ，シェル厚さｔ及びスライス面（スラ
ブ）Ｐの照会点ｚｑ（照 会区間Ｉｑ） 出力：Ｓのシェルのスライス。ここで、照会区間は、照
会点に対応する構造であ り、照会点はスライス面の基準
照合を行うｚ軸上の点であり、かつシステ ムの層堆積特
性により決定される。各々の照会区間はソリッドのスラ
イス 面と対象したものとしてのスラブの部分であること
を除いて、照会点に対 応している。
【００５０】Ａ．前処理 （ａ）各面
【外１３】Ｆｉε∂Ｓ 毎にその境界のｚ−区間；そなわちｚ軸区間Ｉｉ＝〔ｚ
ｉｍｉｎ，ｚｉｍａｘ〕を構築するｚ軸区間の一例は図
７に明瞭に示されている。ｚ軸区間は、ソリッドの境界
の部分である各面についての、ｚの最小値から最大値ま
での、ｚ軸に沿った区間である。（ｂ）全てのｉについ
て、次の拡張区間を構築する
【００５１】
【数８】 Ｉｉ ＋ 〔ｚｉｍｉｎ−ｔ，ｚｉｍａｘ＋ｔ〕拡張区間の一例は図７に明瞭に示されている。拡張区間
は、シェルの厚さｔだけ、ｚの最大値および最小値に厚
さを付加したｚ軸区間に相当する。 （ｃ）下記のステップＢ（ｂ）の照会に効率よく回答す
るように拡張区間Ｉ＋に対して順位つきキューのような
適当なデータ構造を構築する Ｂ．探索およびスライス （ａ） １組のプリミティブスライス
【外１４】Π＝ＮＵＬＬ を初期化する （ｂ）照会点ｚｑ（これは照会区間Ｉｑに重なる）を含
む各区間Ｉｉ ＋毎に、
【００５２】
【外１５】 Ｐ∩｛ｃ１（ｆ1Ｂt）｝
【００５３】を
【外１６】Π に加える Ｃ．マージ （ａ）
【外１７】Π 内の全てのプリミティブスライスを和演算してΣを得
る。ここで、Σは全てのプリミティブスライスの和集合
である。 （ｂ）（Ｐ∩Ｓ）∩Σを戻す。
【００５４】上述のスライスシェル法の演算の最終結果
は曲線で境界を定められた平面領域を物体の各スライス
毎に生成することである。所与のスライスについてのこ
れらの平面領域は、システム１０でさらに処理され押し
出しノズル１８について軌道を計画する。
【００５５】拡張区間Ｉｉ ＋のサイズは入力ＣＡＤモデ
ルの関数であり、垂直次元（ｚ軸）におけるｚｑのサイ
ズはシステム１０の層堆積特性の関数である。１例とし
て、０．６２５ｍｍ（０．０２５インチ）の厚さを有す
るビーズ１９を付着する押し出しノズル１８に対して、
ｚｑのサイズがこれに応じて設定される。
【００５６】図７は図２のソリッド３０の１部分を示
し、ｘｙｚ座標基準フレーム内で配向される複数の三角
形としてソリッドの仕様を示す。１つのｚ軸区間（Ｉ）
と対応する拡張区間（Ｉ＋）も示される。前処理ステッ
プＡで述べたように、ｔは最終３次元構造体即ち図３の
モデル３２のシェルの厚さに等しくされる。
【００５７】前処理ステップＡはステップＢｂの探索フ
ェーズでの切り捨てを容易にするためのものである。実
際には、いくつかのスライスが下から上に必要とされ
る。これはいくつかの照会点（照会区間）がスライスシ
ェル法で処理されることを意味する。従ってステップＡ
ｃはいくつかの照会点を収容するために実施される。前
処理は１回だけ実行され、ステップＢ及びＣは繰り返さ
れて各スライスを得る。ステップＣａは好ましくは実施
されてプリミティブスライスの効率的な和集合を得る。
これは周知の手法を用いて達成できる。
【００５８】逆戻りすることなく１つの面を１方向に走
査することによるスライスの逐次計算はスライスシェル
法を走査面（ｓｗｅｅｐ ｐｌａｎｅ）法として見るこ
とを可能にする。走査面は下から上へ移動し、区間Ｉｉ
＋が最初に走査面と出会うときに事象が生じる。これは
事象の発生を合図し、この事象はステップＡｃで上述し
た順位つきキューに加えられる。ミンコフスキ和
【００５９】
【外１８】 ｆ1Ｂt
【００６０】を含む事象の全ての関連ある属性がこの時
点で評価され、事象と共に順位つきキュー内に格納され
てもよい。ステップＡ及びＣに関連する全ての計算は順
位つきキュー内の事象のみに限定される。走査面が区間
Ｉｉ ＋を出ると、それは再び該区間に出会うことはな
い。これはその事象の死を意味し、その事象はその属性
と共に順位つきキューから削除される。ステップＡｃの
拡張区間の下限及び上限の２つの整理したリストを維持
することにより事象の出生と死が効率よく判定される。
【００６１】板金部品の仕様のような場合には、入力は
ソリッドでなく関連する厚さを有する表面である。その
ような場合、スライスシェル法の唯一の変更は、ステッ
プＣｂを”Σに戻す”で置き換え、ｔを完成モデルにつ
いての指定厚さの半分に設定することである。
【００６２】多面体近似の仕様 実際にはソリッド入力について、本方法の一部において
Ｓに多面体近似を用いることにより計算の大幅な節減が
得られる。
【００６３】ｆｉ がそのようなＳの近似の平坦な面を表
す場合、ステップＢｂにおける
【００６４】
【外１９】 （ｆ1Ｂt）
【００６５】を
【００６６】
【外２０】 （ｆ1Ｂt）
【００６７】で置き換えるのが有利である。これはシェ
ルの内面に若干の粗さをもたらすかもしれないがこれは
完成部品では完全にふさがれる。しかしながら、シェル
外面はステップＣｂにおける当初のソリッドの存在によ
り忠実度を維持する。
【００６８】入力ソリッド自体が多面体形式である場合
がある。入力がＳＴＬフォーマットで得られる場合、唯
一の利用可能なデータは各々が外法線を有する、配向さ
れた三角形（図７）として表された境界の面ｆｉであ
る。上述のスライスシェル法はこの種の入力で動作する
のに理想的に適している。
【００６９】ステップＢｂ及びＣａにおける計算におけ
る節約はステップＢｂにおいてスライスシェル法に対す
るこの比較的簡単な変更を保証するのに十分に大きい。
さらに、多くの既存の幾何学的モデリング・システムが
多面体物体についてのミンコフスキ和演算を支持する。
【００７０】応用によっては、部品は非平面層で逐次製
造できる。１例として、押出し材のビーズ１９は面外、
例えば円弧状に堆積されてもよい。本方法は、非平面表
面を含むスラブＰを最初に決定し、次にスラブでスライ
スシェル法を行うことにより、このような場合に対処し
ている。ステップＣｂにおいて、演算Ｐ∩Ｓが非平面表
面とＳとの共通集合と置き換えられる。
【００７１】本発明のこれまでの説明ではラピッド・プ
ロトタイピング・システムの動作の重要な曲面、特に層
を用いた増分的形成を支える支持構造体の使用に触れな
かった。スライスシェル法について入力ソリッドは要求
される支持構造体を含むものとしてよい。しかしなが
ら、本方法はソリッドのシェルの明確な計算を避けてい
るので、シェルが形成されるにはシェルに１個以上の支
持体を提供することが必要である。このような支持体を
ここでは内部支持体と呼ぶ。
【００７２】先ず、図３の外部支持体３６を形成する手
順が利用可能であると仮定する。通常のシステムは外向
き表面法線が負のｚ成分を有する面について支持体を形
成する。しかしながら、表面法線の向きが逆である場
合、境界について内部支持構造体が形成される。これら
の内部支持構造体はわずかな変更でソリッドのシェルを
支持するのに使用することが出来る。必要なことは内部
及び外部支持体がＰでスライスされ、これにより生じる
平面領域がスライスシェル法の出力と結合されることで
ある。
【００７３】入力ソリッドの境界を用いてソリッドのシ
ェル用の支持体を計算することの正当性は部分的に次の
特性により与えられる。
【００７４】特性３ソリッド Ｓのシエルの境界の内部オフセット表面内の
（下方から）支持されていない点ｐでｚ値のローカルミ
ニマム（ｌｏｃａｌ ｍｉｎｉｍｕｍ）が得られる場
合、ｐの垂直上方の∂Ｓ上の点もそのｚ値についてロー
カルミニマムを達成する。
【００７５】上記特性の逆は真でないことに留意すべき
である。かくして、ローカルミニマ ムを達成する∂Ｓの
点を追跡することにより保存近似が得られる。
【００７６】特性４ オフセット表面上の任意の点ｐにおける法線方向はｐが
出る原表面上の点ｑにおける法線方向と同じである。
【００７７】図５は図１の堆積制御器２６の構造の詳細
を示すブロック図である。前処理プロセッサ２６ａは必
要な外部又は内部支持体を含む、ＣＡＤシステム２８か
らＳの面を受け取り、図４のステップＡａ，Ａｂ，Ａｃ
に従って動作しソリッドＳの拡張区間Ｉ＋を決定する。
前処理プロセッサ２６ａは、各区間について下限及び上
限の整理されたリストを記憶している記憶装置２６ｂ及
び２６ｃ、及び検索兼スライス・プロセッサ２６ｅによ
るアクセスのための拡張区間を記憶している順位つきキ
ュー２６ｄと共に動作する。プロセッサ２６ｅは図４の
ステップＢａ及びＢｂに従って動作し記憶装置２６ｆ内
にプリミティブスライスの集合を構築する。
【００７８】
【外２１】 Ｐ∩｛ｃ１（ｆ1Ｂt）｝
【００７９】を記憶装置２６ｆ内に記憶されたプリミテ
ィブスライスの集合
【外２２】Π に加える加算器２６ｅ’が用いられる。マージ・プロセ
ッサ２６ｇが記憶装置２６ｆに接続され、図４のステッ
プＣａ及びＣｂに従って動作してプリミティブスライス
を和演算し、ソリッドの各スライス毎に、曲線で境界を
定められた１つ以上の平面領域を戻す。マージ・プロセ
ッサ２６ｇの出力は工具軌跡計画プロセッサ２６ｈに与
えられる。このプロセッサ２６ｈは製造工具、この場合
押出しノズル１８と台２０の間の必要な相対運動を指定
し実行する。計画プロセッサ２６ｈの動作中、検索兼ス
ライス・プロセッサ２６ｅ及びマージ・プロセッサ２６
ｇは製造のための次のスライスを特定することができる
ようにされ、計画プロセッサ２６ｈと並列に動作する。
【００８０】本発明のこの重要な特徴を図６に示す。同
図は図１のラピッド・プロトタイピング・システム１０
における計算及び製造タスクのインターリーブ又はパイ
プライニングを示す。計画タスクを製造タスクでインタ
ーリーブすることにより、モデルを構築する総計時間が
減少する。これは、計画タスクを実行するのに必要な時
間はモデルを実際に製造するのに必要な時間に増分的に
は加算されないからである。
【００８１】実際には、以前に計算された１つのスライ
スがシステム１０により製造されている間に２以上のス
ライスを計算してもよい。１製造サイクルの間に計算さ
れるスライスの数はシステム１０の動作速度の関数であ
る。２以上のスライスが計算される場合、計算されたス
ライスは計画プロセッサ２６ｈに後で送るために下から
上への順で待ち行列に入れられる。
【００８２】
【発明の効果】本発明によれば計算タスクと製造タスク
がインターリーブされソリッドのシェルの明確な評価を
最初から必要としないので、３次元物体の製造の総計時
間が短縮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するのに適合したラピッド・プロ
トタイピング・システムの実施例のブロック図である。
【図２】ＣＡＤシステムのデータベース内で定義される
ソリッドの表現である。
【図３】図１のシステムにより製造される図２のソリッ
ドのモデルの立面図である。
【図４】本発明の方法を示すフローチャートである。
【図５】図１の堆積制御器の詳細を示すブロック図であ
る。
【図６】３次元物体の構築中互いにインターリーブされ
る計画プロセス及び製造プロセスを示す論理フロー・チ
ャートである。
【図７】図２のソリッドの１部分の表現を示す図であ
る。
【符号の説明】 １２ 貯蔵器 ２２ ＸＹ軸移動装置 ２４ Ｚ軸移動装置 ２６ 堆積制御器 ２８ ＣＡＤシステム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴジェイ・スリンバサン アメリカ合衆国ニューヨーク州、ピーク スキル、プットナム・ロード 64番地 (72)発明者 コンスタンチノス・タラバンス アメリカ合衆国ニューヨーク州、フラッ シング、25ドライブ 144−38番地 (56)参考文献 特開 平４−126225（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−319867（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｘｙｚ座標フレームに配向されｚ軸に沿
    ってある高さを有するコンピュータで生成されたソリッ
    ドＳの仕様から３次元物体を製造するシステムを作動す
    る方法において、 （ａ）前記コンピュータで生成されたＳの仕様を前処理
    するステップであって、 （ｉ）ソリッドＳの境界上にある各面ｆｉ について、境
    界のｚ軸区間Ｉ ｉ＝〔ｚｉｍｉｎ，ｚｉｍａｘ〕を形成
    し、 （ｉｉ）全てのｉについて、拡張区間Ｉ ｉ ＋＝〔ｚ
    ｉｍｉｎ−ｔ，ｚｉｍａｘ＋ｔ〕を形成し、ここでｔは
    Ｓのシェルの厚さであり、 （ｉｉｉ）その後のアクセスのために拡張区間Ｉ ＋を記
    憶するような前記前処理 するステップと、 （ｂ）記憶された拡張区間を検索してＳのシェルの１つ
    のスライスの仕様を決定するステップであって、 （ｉ）プリミティブスライスの集合 【外１】Π＝ＮＵＬＬ を初期化し、 （ｉｉ）照会区間Ｉｑと重なる照会点ｚｑを含む各区間
    Ｉ ｉ ＋ について、 【外２】 Ｐ∩｛ｃ１（ｆ1Ｂt）｝ を 【外３】Π に加え、ここでＰはスライス面であり、ｃ１は閉包を示
    し、Ｂｔは半径ｔの開放ボールであるような前記スライ
    スの仕様を決定するステッ プと、 （ｃ） 【外４】Π 内の全てのプリミティブスライスを和演算することによ
    りプリミティブスライスの集合をマージしてΣを得るス
    テップと、 （ｄ）（Ｐ∩Ｓ）∩ΣをＳのシェルの１つのスライスの
    仕様として戻すステップと、を含む システムを作動する方法。
  2. 【請求項２】 前記戻すステップはＳのシェルの１つの
    仕様を、該仕様に従って物体の１部分を製造する手段に
    与えるステップを含む請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記１つのスライスの仕様を前記製造手
    段に与えた後でかつ前記製造手段が前記部分の製造を完
    了する前に、Ｓのシェルの次のスライスの仕様を決定す
    るために前記ステップ（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）を再度
    実行する請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記面はＳの多面体近似の面である請求
    項１の方法。
  5. 【請求項５】 前記３次元物体の表面は非平面であり、
    Ｐは非平面表面を含むように決定され、前記ステップ
    （ｄ）の演算Ｐ∩Ｓは非平面表面とＳとの共通集合で置
    き換えられる請求項１の方法。
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