JP2017217772A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度一定の状態で吐出でき、造形精度の向上を図れる三次元造形装置を提供する。【解決手段】三次元造形装置としての３Ｄプリンタ１は、吐出ヘッド２と、吐出ヘッド２が移動する成形テーブル３とを有している。吐出ヘッド２は、材料搬送部４と、冷却部５と、加熱部６と、ノズル７とを有し、これらが一体化された構成を有している。加熱部６は、金属製のヒータブロック１１と、ヒータブロック１１内に埋設状態に配置された熱源としてのカートリッジヒータ１２、１３と、温度センサ１４とを有している。造形開始前に、カートリッジヒータ１２、１３に通電して昇温させ、温度センサ１４で温度を測定するとともに、ノズル７の先端部の温度を非接触式のノズル先端温度センサ１６で測定する。両温度センサの測定結果から相関を求め、造形時には温度センサ１４のみでノズル７の先端部の温度を予測しながら制御を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

一般的に、ＦＤＭ法（熱溶解積層方式）の３Ｄプリンタでは、吐出ヘッドに取り付けられたヒータの熱により三次元造形用材料（フィラメント）を溶融し、ヘッド先端のノズルから吐出させて造形物を生成するようになっている。
ヒータはノズルを支持する金属ブロックに取り付けられ、金属ブロックの前記ヒータ近傍に取り付けられた温度センサによる温度情報に基づいて、ヒータのＯＮ／ＯＦＦを制御するようになっている。

溶融樹脂保持部としての円柱状の空洞を有する金属製の造形ヘッド内にヒータを埋設し、溶融樹脂保持部を挟んで造形ヘッド内のヒータの対向部位に温度センサを配置した構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
溶融樹脂保持部内に進入した熱可塑性樹脂（フィラメント）がヒータの熱により溶融し、吐出孔（ノズル）から吐出される。
造形ヘッドの高さ方向において、ヒータと温度センサは略同一の位置に存在するが、これらとノズル先端との間には距離が存在する。

上記の従来構成において、ヒータ近傍の温度センサ位置と、ノズル先端部との温度の変化には、温度差に加えて時間差がある。すなわち、例えばヒータ近傍の温度センサ位置での温度が上昇して設定上限に達する時間と、ノズル先端部の温度が上昇して対応する上限に達する時間とにはずれがあり、一致しない。
このため、ヒータ近傍の温度センサで検知される温度を読み取って制御すると、ノズルからの吐出のＯＮ／ＯＦＦ、あるいは吐出量の変更時にも時間差が生じる。
時間差が生じると、ノズルから吐出される三次元造形用材料の吐出量が、温度変化に基づく粘度の変化により一定ではなくなり、造形精度を損ねるという問題があった。

本発明は、このような現状に鑑みて創案されたもので、温度が安定した状態で吐出でき、造形精度の向上を図れる三次元造形装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の三次元造形装置は、三次元造形用材料を熱源により加熱して粘性を低下させ、ノズルから吐出する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドに一体に設けられ、前記熱源による加熱温度を測定する加熱温度検知手段と、前記ノズルの先端部の温度を測定するノズル先端温度検知手段と、前記加熱温度検知手段により測定される温度と、前記ノズル先端温度検知手段により測定される温度との関係を求め、造形時、前記加熱温度検知手段により測定される温度と前記関係に基づいて前記熱源を制御することで前記三次元造形用材料を前記ノズルから吐出する制御手段と、を有する。

本発明によれば、温度が安定した状態で吐出でき、造形精度の向上を図れる三次元造形装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る三次元造形装置の一例の概要構成図である。 図１で示した三次元造形装置の造形開始前の調整動作を示す概要構成図である。 温度センサにより測定される温度と、ノズル先端温度センサにより測定される温度との時間による変化の一例を示すグラフである。 制御ブロックの一例を示す図である。 造形開始前の調整動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る三次元造形装置の一例の概要構成図である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図１乃至図５に基づいて第１の実施形態を説明する。図１に示すように、本実施形態に係る三次元造形装置の一例としての３Ｄプリンタ１は、吐出ヘッド２と、吐出ヘッド２が移動する範囲又はそれ以上の広さの面を備えた成形テーブル３とを有している。
吐出ヘッド２は、高さ方向の上から下に向かって順に、材料搬送部４と、冷却部５と、加熱部６と、ノズル７とを有し、これらが一体化された構成を有している。吐出ヘッド２は移動機構により成形テーブル３の面上で少なくとも水平方向での２次元的な移動が可能となっている。

材料搬送部４は、駆動源（モータ）で回転駆動される搬送部材としての搬送ギア８と従動部材としての従動プーリ９とを有している。搬送ギア８と従動プーリ９との間に三次元造形用材料（以下、「フィラメント」という）１０を挟持し加熱部６側へ向けて搬送する。本実施形態ではフィラメント１０は線状体として供給するようにしているが、板状、粉状、顆粒状あるいはペレット状の形態で供給するようにしてもよい。
加熱部６は、金属製のヒータブロック１１と、ヒータブロック１１内に埋設状態に配置された熱源としてのカートリッジヒータ１２、１３と、ヒータブロック１１のカートリッジヒータ１２、１３間に埋設状態に配置された加熱温度検知手段としての温度センサ１４とを有している。
ノズル７はヒータブロック１１の下面に着脱自在（交換可能）に固定されており、下方に向かって円錐状に尖った形状を有している。
冷却部５は、加熱部６で生じる熱が材料搬送部４側に伝わってフィラメント１０が溶融するのを防止するために設けられている。

カートリッジヒータ１２、１３による加熱でフィラメント１０が溶融し、粘性が低下したフィラメント１０がノズル７から吐出される。フィラメント１０がノズル７から吐出した状態で吐出ヘッド２を入力されたデータに従って移動させると、成形テーブル３上にフィラメント１０による層１５が形成される。
この動作を繰り返し行うことにより、フィラメント１０が幾重にも積層され、目的の三次元造形物が形成される。
温度センサ１４によりカートリッジヒータ１２、１３による加熱温度を測定する位置と、フィラメント１０が吐出されるノズル７の先端部との間には、冷却区間ともいうべき距離Ｈが存在する。

従来は、温度センサ１４で測定した温度に基づいてカートリッジヒータ１２、１３の温度を制御している。しかしながら、温度センサ１４により測定される温度とノズル先端部の温度との変化に時間差があり、温度センサ１４の温度を読み取って制御すると、吐出のＯＮ／ＯＦＦ、吐出量変更時にも時間差が生じ、造形精度を損ねるという問題があった。
すなわち、温度センサ１４で測定される温度とノズル先端部の温度との間に温度変化の時間差があると、温度センサ１４の検知温度による吐出温度を一定にするための制御が正確に反映されず、造形精度が損なわれることとなる。

この問題を解消すべく、本実施形態では、図２に示すように、ノズル７の先端部の温度を測定するノズル先端温度検知手段としてのノズル先端温度センサ１６を有している（図１では省略）。ノズル先端温度センサ１６を吐出温度センサ、温度センサ１４を加熱温度センサと称することもできる。
ノズル先端温度センサ１６は赤外線透過型で非接触式の構成を有している。ノズル先端温度センサ１６は、吐出ヘッド２が三次元造形物を形成するための成形テーブル３上での移動を阻害しない位置に配置されている。
カートリッジヒータ１２、１３への通電がＯＮされると、ノズル７も昇温し、その先端部から赤外線１７が放射される。これがノズル７の先端部温度としてノズル先端温度センサ１６により検知される。

ノズル先端温度センサ１６は、装置フレームに固定されていてもよく、あるいは装置とは分離していて必要時（調整動作時）のみ配置する構成としてもよい。

図３は、温度センサ１４とノズル先端温度センサ１６とによる測定温度の変化を示している。
溶融したフィラメント１０をノズル７から吐出する前に、すなわち造形動作を行う前に、カートリッジヒータ１２、１３をＯＮして昇温させ、そのときのノズル７の先端部の温度を非接触式のノズル先端温度センサ１６で測定する。
まず、カートリッジヒータ１２、１３をＯＮして任意の目標温度を中心とする正弦波状の出力を行う。そのときの温度センサ１４によって測定される温度と、ノズル先端温度センサ１６によって測定される温度の変化を記録したのが図３である。

図３から明らかなように、温度センサ１４によって測定される温度と、ノズル先端温度センサ１６によって測定される温度の上限値又は下限値は時間差をもってずれており、温度変化の応答遅れがあることが分かる。
カートリッジヒータ１２、１３が固定されているヒータブロック１１側とノズル７側とでは熱容量やメンテナンス性により材質が異なる。ノズル７の先端部の温度を測定する場合、部品間の熱伝導性の違いやカートリッジヒータ１２、１３からの距離Ｈにより、温度センサ１４による測定位置とノズル７の先端部とで温度上昇、下降の遅れが生じる。
このため、温度センサ１４によって測定される温度を読み取ってカートリッジヒータ１２、１３の温度を制御しても、ノズル７からの吐出温度を正確に制御することはできない。従って、造形精度を損ねる懸念がある。この懸念は造形中、あるいは吐出量の変更時にも生じ得る。

本実施形態では、造形動作の前に、カートリッジヒータ１２、１３近傍の温度とノズル先端部の温度との関係（相関）を取得し、取得後は温度センサ１４により測定される温度のみでノズル先端の温度を予測して制御する。
具体的には、図３に示すように、カートリッジヒータ１２、１３の正弦波状の出力における温度センサ１４によって測定される温度と、ノズル先端温度センサ１６によって測定される温度の上限値（ＴＨｐ、ＴＮｐ）、または下限値（ＴＨｌ、ＴＮｌ）及び前記上限値又は下限値の時間差（Δｔｐ、Δｔｌ）を測定する。
この測定値から温度センサ１４により測定される温度におけるノズル先端部の温度を算出し、その結果をもとに吐出におけるヒータ温度を温度センサ１４のみで測定し制御を行う。

上記調整動作を行った上で、温度センサ１４のみを使用して吐出（造形）動作を開始する。
ノズル先端の温度を非接触式のノズル先端温度センサ１６で行う理由としては、ノズル先端が円錐状で物理的なセンサを置くスペースがないためである。また、高温であるためである。
温度センサとしてノズル先端温度センサ１６のみを設けてノズル７の先端部の温度を直接測定すれば制御上応答遅れの問題は生じない。しかしながら、造形中の吐出ヘッド２は移動するため、非接触式のノズル先端温度センサ１６もこれに伴って移動する必要があり、機械的構造の制約が大きくなる。また、測定箇所が成形テーブル３と水平方向で干渉して配置が困難となる。

図４に示すように、造形動作の制御はマイクロコンピュータとしての制御手段１８によって行われる。制御手段１８には温度センサ１４とノズル先端温度センサ１６から測定された温度情報が入力される。制御手段１８は調整動作後は温度センサ１４の検知温度に基づいてカートリッジヒータ１２、１３のＯＮ／ＯＦＦを、ノズル先端部の温度を予測しながら制御する。
すなわち、制御手段１８は、温度センサ１４により測定される温度と、ノズル先端温度センサ１６により測定される温度との関係を求め、造形時、温度センサ１４により測定される温度と前記関係に基づいてカートリッジヒータ１２、１３を制御することでフィラメント１０をノズル７から吐出する。

上記制御動作を図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、温度センサ１４の設定によりカートリッジヒータ１２、１３を設定温度±α℃の正弦波入力で加熱する（Ｓ１）。例えば、設定値４００℃±１０℃のＯＮ／ＯＦＦ制御とする。
温度センサ１４による測定温度が設定温度（４００℃）に達し、正弦波入力が開始されたとき、すなわち、カートリッジヒータ１２、１３への通電がＯＦＦされたとき、ノズル先端温度センサ１６によりノズル先端の温度測定を開始する（Ｓ２）。

温度センサ１４、ノズル先端温度センサ１６による時間における各温度測定値から、温度センサ１４により測定される温度の上限値（ＴＨｐ）、下限値（ＴＨｌ）、ノズル先端温度センサ１６により測定される温度の上限値（ＴＮｐ）、下限値（ＴＮｌ）を検知したら上限値間、下限値間の時間差Δｔｐ、Δｔｌを算出する（Ｓ３）。
温度センサ１４により測定される温度が設定温度（４００℃）に達した時間＋Δｔｐ［秒］またはΔｔｌ［秒］後にノズル７の先端が、温度センサ１４で得たい温度設定値に達することを制御手段１８の記憶部（メモリ）に記憶する（Ｓ４）。
記憶した温度センサ１４とノズル先端温度センサ１６とにより測定される温度変化の時間差を見込んで造形を開始する（Ｓ５）。

例えば、温度センサ１４により測定される温度が設定温度に達してからΔｔｐ［秒］またはΔｔｌ［秒］後に吐出を開始するようにすれば、造形開始時のノズル７の先端部の温度を一定に維持することができる。ノズル７の先端部の温度が一定であればノズル７内のフィラメント１０の粘性も一定となり、故に吐出量も一定となる。

３Ｄプリンタでは、成形テーブル３の面（ＸＹ平面）における吐出ヘッド２の移動速度（造形速度）に応じた溶融フィラメントの吐出量を維持する必要がある。それにより、いかなる吐出ヘッド２の移動速度においても同一の造形物を生成することができる。
例えば、吐出ヘッド２の移動速度が速い場合にはそれに伴い単位時間当たりに多量の吐出量を必要とし、逆に吐出ヘッド２の移動速度が遅い場合には単位時間当たりに少量の吐出量を必要とする。

このように、吐出ヘッド２の移動速度を変更する場合には吐出量も変更しなければならないが、その場合、カートリッジヒータ１２、１３の加熱温度を変更してフィラメント１０の粘性を変更する必要がある。この場合に温度センサ１４で測定される温度とノズル７の先端部の温度との間の応答遅れ（時間差）を考慮せずに移動速度を変更すると、初期段階では吐出量が移動速度に対応しないこととなる。
上記のように予め相関を求め、これに基づいて移動速度の変更タイミングをずらすことにより移動速度に応じた吐出量とすることができ、造形精度の低下を抑制できる。

造形開始前に行う上記調整動作は、温度センサ１４によって測定される温度と、ノズル先端温度センサ１６によって測定される温度との相関を得るためのものであり、吐出ヘッド２が静止中に行われる。吐出ヘッド２が動作中は機械的な制約により測定が困難なためである。
Ｓ４の「温度センサ１４で得たい温度設定値」とは、ノズル７の部位でフィラメント１０を溶融させるための造形温度を意味する。

図６に第２の実施形態を示す。上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する。
本実施形態の三次元造形装置１’は、ノズル先端温度検知手段として、可動式の接触型温度センサ２０を有している。
接触型温度センサ２０は、成形テーブル３とは独立して装置フレームに固定される本体部２１と、本体部２１から水平方向に伸縮可能なロッド状の接触子２２とを有している。造形開始前の調整動作時には、接触子２２が破線で示すように伸張してその先端がノズル７の先端部に接触する。相関データ取得後は接触子２２は実線で示すように吐出ヘッド２の移動範囲から退避する。

上記各実施形態では、ノズル先端温度検知手段を吐出ヘッド２とは分離した構成で例示したが、本発明はこれに限定されない。例えばヒータブロック１１に固定してノズル７の先端部の温度を非接触方式であるいは接触方式で測定する構成としてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１、１’ 三次元造形装置
２ 吐出ヘッド
７ ノズル
１０ 三次元造形用材料
１２、１３ 熱源
１４ 加熱温度検知手段
１６ ノズル先端温度検知手段
１８ 制御手段

特開２０１６−１３６２１号公報

Claims (7)

1. 三次元造形用材料を熱源により加熱して粘性を低下させ、ノズルから吐出する吐出ヘッドと、
   前記吐出ヘッドに一体に設けられ、前記熱源による加熱温度を測定する加熱温度検知手段と、
   前記ノズルの先端部の温度を測定するノズル先端温度検知手段と、
   前記加熱温度検知手段により測定される温度と、前記ノズル先端温度検知手段により測定される温度との関係を求め、造形時、前記加熱温度検知手段により測定される温度と前記関係に基づいて前記熱源を制御することで前記三次元造形用材料を前記ノズルから吐出する制御手段と、
   を有する三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記熱源が任意の正弦波状の出力となるように駆動され、前記制御手段は、前記加熱温度検知手段により測定される温度と、前記ノズル先端温度検知手段により測定される温度とのそれぞれの上限値又は下限値、及び前記上限値間又は前記下限値間における時間差を算出する三次元造形装置。
3. 請求項２に記載の三次元造形装置において、
   前記制御手段は、前記上限値又は前記下限値及び前記時間差から、前記加熱温度検知手段により測定される温度と、前記ノズル先端温度検知手段により測定される温度との相関をとる三次元造形装置。
4. 請求項３に記載の三次元造形装置において、
   前記制御手段は、前記相関に基づいて、前記加熱温度検知手段により測定される温度のみで前記ノズルの先端部の温度を予測する三次元造形装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元造形装置において、
   前記ノズル先端温度検知手段が非接触式の構成を有する三次元造形装置。
6. 請求項５に記載の三次元造形装置において、
   前記ノズル先端温度検知手段が赤外線透過型の温度センサである三次元造形装置。
7. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元造形装置において、
   前記ノズル先端温度検知手段が造形時に退避する接触式の構成を有する三次元造形装置。

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