JP2018001586A - 造形装置、および造形装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 積層造形において、材料層の過熱による不具合の発生を抑制する。
【解決手段】 造形装置１は、複数種類の造形材料を用いて材料層を形成する材料層形成部Ｕ２と、材料層形成部Ｕ２で形成された前記材料層を加熱する加熱部８１と、を有し、前記材料層を順次積層して立体物を造形する造形装置である。造形装置１は、前記材料層に関する情報に基づいて、前記材料層を加熱して前記材料層を溶融または軟化させるために加熱部８１が消費する電力量の予測値を取得する予測値取得部８９を有する。また、造形装置１は、加熱部８１が前記材料層を加熱する際に加熱部８１に投入された電力量の実測値を取得する実測値取得部９０を有する。造形装置１は、予測値取得部８９で取得した前記予測値と実測値取得部９０で取得した前記実測値とに基づいて、加熱部８１に供給する電力を低減する電力低減部９２を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、造形装置に関する。

近年、ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システム、ＲＰ（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）システム、３次元プリンタ等と呼ばれる積層造形装置が注目されている。積層造形装置には様々な方式が存在するが、その中の一つに、電子写真技術を利用して材料層を形成し、形成した材料層を順次積層して立体物の造形を行う方式の積層造形装置がある（特許文献１）。

特許文献１では、形成した材料層を加熱して材料層を軟化または溶融させ、軟化または溶融した材料層を順次積層する。材料層は複数種類の造形材料を用いて形成することもできるが、その場合には、造形材料が軟化または溶融する温度は造形材料の種類によって異なるため、材料層ごとに適切な加熱条件で加熱する必要がある。そのため、材料層を加熱する際には材料層の温度を温度センサで検知しつつ、適切な加熱条件で加熱できるように加熱条件を制御することが好ましい。

しかしながら温度センサに不具合が生じた場合などには、材料層が過熱されてしまう可能性がある。材料層が過熱されると、材料層を構成する造形材料が過剰に溶融したり熱分解したりすることで、材料層を担持搬送する搬送部材等の各種部材に固着するなどの不具合を生じてしまう恐れがある。

過熱を防止する方法として、温度ヒューズやサーモスタット等の過熱保護素子を用い、過熱保護素子が動作したときに熱源への通電を遮断して加熱を停止させる方法がある（特許文献２）。

特開２００３−５３８４９号公報 特開平５−８８５８４号公報

上述のとおり、造形材料の温度特性は造形材料の種類によって異なるため、材料層を加熱する際の適切な加熱条件は材料層ごとに異なる。したがって、材料層が過熱状態にあるか否かの判断基準も材料層ごとに変化させる必要がある。

しかしながら、特許文献２に記載されているような過熱保護素子は、それぞれの過熱保護素子に予め設定された作動温度において動作するものであり、作動温度を細かく変更することが困難である。そのため、材料層ごとに温度特性が変わるような場合には過熱を防止することが困難であり、不具合が発生する恐れがあった。

そこで本発明では、上述の課題に鑑み、積層造形において、材料層の過熱による不具合の発生を抑制することを目的とする。

本発明の一側面としての造形装置は、複数種類の造形材料を用いて材料層を形成する材料層形成部と、前記材料層形成部で形成された前記材料層を加熱する加熱部と、を有し、前記材料層を順次積層して立体物を造形する造形装置であって、前記材料層に関する情報に基づいて、前記材料層を加熱して前記材料層を溶融または軟化させるために前記加熱部が消費する電力量の予測値を取得する予測値取得部と、前記加熱部が前記材料層を加熱する際に前記加熱部に投入された電力量の実測値を取得する実測値取得部と、を有し、前記予測値取得部で取得した前記予測値と前記実測値取得部で取得した前記実測値とに基づいて、前記加熱部に供給する電力を低減する電力低減部を有することを特徴とする。

本発明によれば、積層造形において、材料層の過熱による不具合の発生を抑制することができる。

第１の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す図である。 第１の実施形態における、過熱防止機構の構成を模式的に示す図である。 第１の実施形態における、過熱防止機構の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す図である。 第２の実施形態における、第２過熱防止機構の構成を模式的に示す図である。 第２の実施形態における、第２過熱防止機構の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対配置など、各種制御の手順、制御パラメータ、目標値などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（第１の実施形態）
［造形装置の装置構成］
図１は、第１の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す図である。

第１の実施形態に係る積層造形装置１（以下、「造形装置１」と称する）は、制御部Ｕ１と、材料層形成部Ｕ２と、積層部Ｕ３と、を有する。

積層造形装置は、積層造形法を用い、多数の薄膜（材料層）を積層することによって造形物（立体物）を作成する装置である。この装置は、ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）装置、３Ｄプリンタ、ＲＰ（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）装置などとも呼ばれる。

＜制御部＞
制御部Ｕ１は、造形装置１の各部を制御する。また、制御部Ｕ１は、データ処理装置（不図示）から受け取った造形データが３次元形状データである場合などに、３次元形状データから複数層のスライス画像データを生成する処理を行ってもよい。積層造形装置１は、この複数層のスライス画像データのそれぞれに応じた材料層を順次積層することによって、立体物を作成することができる。

３次元形状データとしては、３次元ＣＡＤ、３次元モデラー、３次元スキャナなどで作成されたデータを用いることができる。３次元形状データのフォーマットは問わないが、例えば、ＳＴＬ（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などのポリゴンデータを好ましく用いることができる。また、スライス画像データのフォーマットとしては、例えば、多値の画像データ（各値が材料の種類を表す）やマルチプレーンの画像データ（各プレーンが材料の種類に対応する）を用いることができる。

制御部Ｕ１は、制御ユニット６０、造形コントローラ７０、画像生成コントローラ１０、複数のモータ（１１２〜１１４）、複数のセンサ（４４，４５，５４，５５，５７）などを有する。

制御ユニット６０は、各層のスライス画像データを画像生成コントローラ１０へ出力する機能、造形装置１における造形工程を管理する機能、などを有する。また、制御ユニット６０は、３次元形状データから複数層のスライス画像データを生成する機能を有していてもよい。

制御ユニット６０は、例えばパーソナルコンピュータや組み込み型コンピュータにこれらの機能を有するプログラムを実装することにより構成することができる。

造形コントローラ７０は、材料層形成部Ｕ２における材料層形成プロセスの制御、および積層部Ｕ３における積層プロセスの制御を行う。具体的には、材料層形成部Ｕ２および積層部Ｕ３の駆動系、センシング系の制御を行う。

駆動系は、ステージ５２をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向にそれぞれ移動させるステージ駆動Ｘモータ１１２、ステージ駆動Ｙモータ１１３、および、ステージ駆動Ｚモータ１１４を含む。

センシング系は、材料層検知センサ４４，４５，５４，５５を含む。これらのセンサは、メカトロ制御の駆動タイミング決定、画像歪み補正などの目的で使用される。たとえば、材料層位置検知センサ４４は、積層部Ｕ３において材料層を積層する際の積層位置を相対的に合わせるときに利用される。材料層位置検知センサ４５は、画像歪み補正を行うときに利用される。

造形コントローラ７０は、ＭＰＵ、モータドライバ、Ｉ／Ｏポートなどで構成される電子回路であり、ステージ駆動Ｘモータ１１２、ステージ駆動Ｙモータ１１３、ステージ駆動Ｚモータ１１４、材料層検知センサ（４４，４５，５４，５５）等が接続される。また、後述する投入電力量実測値取得部９０および電力量データ比較部９１に対して、材料層１層分の積層を行う動作期間のタイミング信号を出力する。

画像生成コントローラ１０は、制御ユニット６０から入力されるスライス画像データ、および、造形コントローラ７０から入力される制御信号などに基づき、材料層形成部Ｕ２における画像生成プロセスを制御する。具体的には、画像生成コントローラ１０は、スライス画像データの解像度変換や復号処理、レーザスキャナ２０による画像書き出し位置およびタイミングの制御などを行う。その他にも、画像生成コントローラ１０は、一般的なレーザプリンタ（２Ｄプリンタ）に内蔵されるプリンタコントローラと同じような機能を有していてもよい。

なお、本実施形態では、制御ユニット６０と造形コントローラ７０と画像生成コントローラ１０を別々のコンピュータまたは電子回路にて構成したが、これらの機能を１つのコンピュータにより構成しても構わない。

＜材料層形成部＞
材料層形成部Ｕ２は、各層のスライス画像データに基づいて、造形材料からなる材料層を形成する。以下、材料層形成部Ｕ２として、電子写真プロセスを用いて造形材料からなる材料層を形成する例について説明するが、これに限定はされない。例えば、インクジェット方式、熱溶解積層方式などによって造形材料からなる材料層を形成してもよい。

電子写真プロセスとは、感光体を帯電し、露光によって静電潜像を形成し、現像剤粒子を静電潜像に付着させて画像を形成するという一連のプロセスによって、所望の画像を形成する手法である。造形装置１では、トナーの代わりに、粒子状の造形材料（造形材粒子）を現像剤として用いるが、電子写真プロセスの基本原理は２Ｄプリンタのものとほぼ同じである。

感光ドラム３４は、有機感光体やアモルファスシリコン感光体などの感光体層を有する像担持体である。一次帯電ローラ３３は、感光ドラム３４の感光体層を一様に帯電するための帯電装置である。レーザスキャナ２０は、画像生成コントローラ１０から与えられる画像信号にしたがい、レーザ光で感光ドラム３４上をスキャンし、静電潜像を描画する露光装置である。なお、露光装置としてはＬＥＤアレイを用いてもよい。

造形材料供給部３１は現像剤としての造形材料（造形材粒子）を収容、供給する装置である。現像ローラ３２は、感光ドラム３４上の静電潜像に造形材料を供給する現像装置である。

転写ローラ４１は、感光ドラム３４上に形成された造形材料の画像を転写体（転写ベルト）４２に転写する転写装置である。図示しないが、感光ドラム３４と転写ローラ４１のあいだの転写ニップの下流に、感光ドラム３４の表面をクリーニングするためのクリーニング装置を設けてもよい。

本実施形態では、感光ドラム３４、一次帯電ローラ３３、造形材料供給部３１、現像ローラ３２が、プロセスカートリッジ３０として一体化されている。そして、プロセスカートリッジ３０は、造形装置１の装置本体に対して着脱可能に構成され、交換が容易になっている。

造形材料としては、作成する造形物（立体物）の用途や機能、目的などに応じてさまざまな材料を選択することができる。本明細書では、造形対象物本体を構成する材料を「構造材料」と呼び、構造材料で構成される部分を「構造部」と呼ぶ。また、造形動作時に造形途中の構造部を支持するための構造（例えば、オーバーハング部を下から支える柱）を「サポート部」と呼び、サポート部を構成する材料を「サポート材料」と呼ぶ。また、両者を特に区別する必要がない場合には、単に「造形材料」という用語を用いる。このように、造形物は構造部とサポート部で構成されるものであるが、サポート部は作成する造形物の形状に応じて適宜設けられるものであり、作成する造形物の形状によっては、サポート部を必要としない場合もある。

構造材料としては、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン）、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＡ（ポリアミド／ナイロン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、エラストマーなどの熱可塑性の樹脂を用いることができる。また、サポート材料としては、造形対象物本体からの除去を簡単にするため、熱可塑性と水溶性を有する材料を用いることができる。サポート材料としては、例えば、水溶性糖類などの水溶性炭水化物、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）などを含む材料を用いることができる。

＜積層部＞
積層部Ｕ３は、材料層形成部Ｕ２で形成された複数の材料層を順に積層することによって、３次元構造をもつ造形物を造形する。積層部Ｕ３は、転写体４２、ヒータローラ４３、ステージ５２、ステージガイド５３などを有する。

転写体４２は、材料層形成部Ｕ２で形成された材料層を保持し、保持した材料層をステージ５２上（またはステージ５２上に形成されている造形途中の造形物上）への積層が行われる積層位置まで搬送する搬送部材である。より具体的には、転写体４２は、転写体４２とステージ５２（またはステージ５２上に形成されている造形途中の造形物）との間に形成される積層ニップまで材料層を搬送する。転写体４２は、例えば、樹脂、ポリイミドなどの無端ベルトであってもよい。

ヒータローラ４３は、ヒータを内蔵しており、転写体４２上の材料層を加熱することで溶融または軟化させ、ステージ５２（またはステージ５２上に形成されている造形途中の造形物）の上端面に積層する加熱積層部材である。ヒータローラ４３には、ヒータおよび熱電対が内蔵されている。後述するように、ヒータローラ４３の内蔵するヒータは、温度調節器８２、電力調整器８３などにより、所定の温度となるよう制御される。なお、ここでは加熱積層部材としてローラ状のヒータローラを用いる構成について説明するが、本発明はこれに限定はされず、たとえば板状のヒータを用いる場合についても本発明を適用できる。

ステージ５２は、造形途中の造形物を保持する部材であり、ステージガイド５３およびステージ駆動Ｘモータ１１２、ステージ駆動Ｙモータ１１３、ステージ駆動Ｚモータ１１４によりＸＹＺの３軸方向に移動可能である。

［積層造形装置の動作］
次に、造形装置１によって造形物を造形する際の、基本的な動作について説明する。

制御ユニット６０は、造形対象物を表現した造形データである３次元形状データを取得する。制御ユニット６０は、３次元形状データを取得した後、造形対象物を所定のピッチ（例えば数ミクロンから十数ミクロンの厚さ）でスライスして各層の断面形状を計算し、各層のスライス画像データを生成する。なお、制御ユニット６０がコンピュータ（不図示）から３次元形状データでの代わりにスライス画像データを受信した場合には、スライス画像データの生成工程は省略される。

生成または受信した複数のスライス画像データは、最下層のスライス画像データから順に画像生成コントローラ１０に入力される。画像生成コントローラ１０は、入力されたスライス画像データにしたがって、レーザスキャナ２０のレーザ発光およびレーザスキャンを制御する。

材料層形成部Ｕ２では、一次帯電ローラ３３によって感光ドラム３４の表面が均一に帯電される。レーザスキャナ２０からのレーザ光により感光ドラム３４の表面が露光されると、その露光部分が除電される。現像バイアスで帯電された造形材料（造形材粒子）が現像ローラ３２によって除電部分に供給され、造形材料からなる画像（以下、「材料画像」または「材料層」と称する）が感光ドラム３４の表面に形成される。この材料層は、転写ローラ４１により転写体４２上に転写される。

転写体４２は材料層を保持しつつ回転し、材料層を積層位置へと搬送する。一方、造形コントローラ７０は、ステージ５２（またはステージ５２上の造形物）が材料層と同じタイミングかつ同じ速度（材料層の搬送方向の速度）で積層位置へと進入するように、ステージ５２を制御する。そして、ステージ５２と転写体４２を同期して移動させつつ、ヒータローラ４３により熱を与えることで、材料層がステージ５２上（またはステージ５２上の造形物の上面）に熱溶着される。

本実施形態では、ステージ５２上に積層される材料層の１層分の厚みは層ごとに一定としている。このため、材料層が積層されるたびに、造形コントローラ７０はステージ５２をＺ方向に材料層の１層の厚み分だけ下降させ、次の層の積層に備える。

なお、本実施形態では材料層を移動させつつ、ステージ５２を材料層の搬送と同期させて移動させながら積層を行う例について説明した。しかし、本発明はこれに限定はされず、たとえば転写体４２によって材料層を積層位置まで搬送したら転写体４２による材料層の搬送を一旦停止し、その後でステージ５２を積層位置に移動させて、積層を行ってもよい。

材料層を形成する材料層形成工程、および、材料層を積層する積層工程を、スライス画像データの枚数分繰り返すことで、ステージ５２上に目的の造形物（立体物）が形成される。

［過熱防止機構の構成］
次に、図２、３を用いて本発明の特徴である過熱防止機構について説明する。図２は、第１の実施形態における、過熱防止機構の構成を模式的に示す図である。

本実施形態に係る造形装置１は、図２に示す過熱防止機構を有する。すなわち、造形装置１は、図２に示すように、投入電力量実測値取得部９０（以下、「実測値取得部９０」と称する）と、投入電力量予測値取得部８９（以下、「予測値取得部８９」と称する）と、投入電力量低減部９２と、を有する。詳しくは後述するが、造形装置１は、実測値取得部９０で取得した実測値と、予測値取得部８９で取得した予測値と、に基づいて、ヒータ８１に投入する電力量を、投入電力量低減部９２によって低減する。これにより、ヒータ８１による材料層の過熱の発生を抑制し、材料層の過熱による不具合の発生を抑制することができる。以下、過熱防止機構を構成する各部について詳細に説明する。

過熱防止機構は、図２に示すように、実測値取得部９０と、予測値取得部８９と、投入電力量低減部９２と、を有する。過熱防止機構はさらに、温度調節器８２、電力調整器８３、電力遮断器８４、温度ヒューズ８５、材料種別識別部８６、スライス画像データ保持部８７、積層済みデータ保持部８８、および、電力量データ比較部９１を有する。

温度調節器８２は、ヒータローラ４３に内蔵された熱電対８０の出力に基づいて、所定の制御アルゴリズム（ＰＩＤ制御、比例制御、ＯＮ／ＯＦＦ制御など）により、ヒータローラ４３が所望の温度となるように制御信号を出力する。温度調節器８２と造形コントローラ７０は双方向の制御信号で接続されており、造形コントローラ７０において、温度調節制御の開始／停止の指示や、ヒータローラ４３の温度監視ができるようになっている。

電力調整器８３は、交流電源に接続されており、ヒータ８１への投入電力を調整する。電力調整器８３による投入電力の調整は、温度調節器８２からの制御信号に基づいて、所定の制御方式（位相制御、サイクル制御など）によって行うことが好ましい。

電力遮断器８４は、交流電源からヒータ８１までの電路を開閉する。電力遮断器８４は後述するように、投入電力量低減部９２からの信号に基づいて、ヒータ８１への交流電源出力、すなわち電力供給を遮断する。電力遮断器８４としては、電磁式遮断機や電磁継電器などを用いることができる。

温度ヒューズ８５は、ヒータローラ４３の近傍に設置された温度ヒューズである。温度ヒューズ８５は、温度ヒューズ８５の作動温度以上の温度に到達したときに交流電源からヒータ８１までの電路を遮断する。ここで、温度ヒューズ８５の作動温度は、造形装置１で使用する造形材料のうち、積層の際の温度が最も高い造形材料の温度特性を基準に設定されている。

材料種別判定部８６は、材料層形成部Ｕ２が材料層の形成に使用している造形材料の種別を判定する。本実施形態では、プロセスカートリッジ３０に不図示のＩＣチップが装備されており、ＩＣチップに造形材料供給部３１に収容されている造形材料の種別データが記憶されている。材料種別判定部８６は、プロセスカートリッジ３０のＩＣチップからデータを読み出すことで、その造形材料供給部３１に収容されている造形材料の材料種別を判定する。そして、材料種別判定部８６は、判定した材料種別に基づいて、温度調節器８２に対して温度設定を行う。

スライス画像データ保持部８７は、画像生成コントローラ１０から出力されるスライス画像データを保持する。

積層済みデータ保持部８８は、画像生成コントローラ１０から出力されるスライス画像データを累積保持して、ステージ５２上に形成されている造形途中の造形物に関するデータを保持する。積層済みデータ保持部８８が保持するデータからは、ステージ５２上に形成されている造形途中の造形物の体積や表面積、材質などを知ることができる。なお、積層済みデータ保持部８８は予め造形対象物の３次元形状データまたは全てのスライス画像データを取得しておいてもよい。そして、画像生成コントローラ１０が積層済みデータ保持部８８に保持されたデータを積層部Ｕ３における積層に連動して書き換えることで、その時々にステージ５２上に形成されている造形途中の造形物に関するデータを更新してもよい。

予測値取得部８９は、材料層に関する情報に基づいて、材料層を加熱して材料層を溶融または軟化させるためにヒータが消費する電力量の予測値を取得する。電力量の予測値は、１層分の積層定着を行う動作期間における、電力調整器８３の制御周期毎の時系列電力量データとして生成、保持されることが好ましい。なお、電力調整器８３の制御周期は制御方式により異なり、例えば位相制御では交流電源の周期と等しく、サイクル制御では交流電源の周期の倍数となる。

材料層に関する情報としては、第１に、材料層を構成する造形材料の温度特性に関する情報（造形材料の温度特性情報）がある。造形材料の温度特性情報は、造形材料の種別と温度特性とを対応付けた温度特性テーブルを制御部Ｕ１に予め記憶しておき、材料種別判定部８６から取得した造形材料の種別情報に基づいてこの温度特性テーブルを適宜参照することで取得することができる。造形材料の温度特性情報は、造形材料の積層温度、融点、軟化温度、比熱などを含んでいてもよい。

第２に、スライス画像データ保持部８７から取得される、材料層の形状情報が挙げられる。材料層の形状情報は、材料層を構成する造形材料が複数種類ある場合には、造形材料ごとの形状情報であることが好ましい。

第３に、積層済みデータ保持部８８から取得される、ステージ５２上に形成されている造形物に関する情報（積層済み造形物情報）が挙げられる。具体的には、積層済み造形物情報は、ステージ５２上に形成されている造形物の形状情報、および、当該造形物を構成している造形材料の量（体積や表面積）の情報を含んでいてもよい。

予測値取得部８９はこれらの情報に基づいて、材料層１層分の積層を行う動作期間中に、ヒータ８１に投入される電力量を予測することが好ましい。以下、ヒータ８１に投入される電力量の予測方法について説明する。

通常、造形装置１は、積層造形動作に先立って、ヒータローラ４３を所定の温度にまで昇温させるウォームアップ動作を行う。ヒータローラ４３のウォームアップ動作を行った状態で、材料層１層分の積層を行う動作期間中にヒータ８１へ投入されるべき電力量は、下記の各エネルギーの和によって概算することができる。第１に、転写体４２上の材料層を溶融または軟化させるための熱エネルギー（Ａ）である。第２に、ステージ５２上に形成されている造形途中の造形物へ伝導する熱エネルギー（Ｂ）である。第３に、材料層および造形途中の造形物以外のメカ部材を昇温させる熱エネルギー（Ｃ）である。第４に、その他装置内外空間へ放射する熱エネルギー（Ｄ）である。

ここで、熱エネルギー（Ｃ）と熱エネルギー（Ｄ）は、造形装置１の周囲の環境温度が室温前後（２０〜２５℃程度）であれば、ウォームアップ動作の後は、略一定であるとみなすことができる。したがって、積層のたびに変化する上記の熱エネルギー（Ａ）と熱エネルギー（Ｂ）を知ることができれば、ヒータ８１へ投入されるべき電力量を予測することができる。そこで、予測値取得部８９は、好ましくは、熱エネルギー（Ａ）および熱エネルギー（Ｂ）に基づいて、ヒータが消費する電力量の予測値を取得する。

ここで、熱エネルギー（Ａ）は、材料層を構成する造形材料の材料種別と材料層の形状とに依存する。また、熱エネルギー（Ｂ）は、積層済み造形物を構成する造形材料の材料種別と当該造形物の形状（体積、表面積）に依存する。

したがって、ヒータ８１に投入される電力量の予測値は、上述の材料層に関する情報に基づいて取得することが好ましい。すなわち、予測値取得部８９は、材料種別識別部８６、スライス画像データ保持部８７、および、積層済みデータ保持部８８から各種情報を取得し、取得した情報に基づいて予測値を取得することが好ましい。

予測値取得部８９は、造形材料の温度特性情報、材料層の形状、積層済み造形物情報を引数とする近似関数を用いて、各種情報から予測値を計算することが好ましい。ここで、近似関数はたとえば、ＡＮＳＹＳ ＣＦＸ（ＡＮＳＹＳ社製）などの熱流体解析ソフトウェアを用いたシミュレーションや、実験データをもとに取得することができる。この近似関数は予め取得しておき、予測値取得部８９または制御部Ｕ１に予め記憶しておくことが好ましい。

なお、予測値の精度を向上させるために、近似式の引数として装置内外の気温をさらに用いてもよい。これにより、熱エネルギー（Ｃ）や熱エネルギー（Ｄ）の変動による予測値の変動も考慮することができる。装置内外の気温データは、予測値取得部８９が、サーミスタ等の温度センサ（不図示）から取得すればよい。

あるいは、処理を簡略化するために、熱エネルギー（Ｂ）の変動量が非常に小さく、略一定であるとみなせる場合には、熱エネルギー（Ａ）のみに基づいて、ヒータが消費する電力量の予測値を取得してもよい。すなわち、予測値取得部８９は、材料層の形状および材料層を構成する造形材料に関する情報に基づいて、予測値を取得してもよい。

実測値取得部９０は、加熱部（ヒータ８１）が材料層を加熱する際に加熱部に投入された電力量の実測値を取得する。実測値取得部９０は、造形コントローラ７０から入力されるタイミング信号に基づいて、材料層１層分の積層を行う動作期間中に、ヒータ８１に実際に投入された電力量を計測することが好ましい。電力量の計測は、電力調整器８３の制御方式に即して行われる。例えば、電力調整器８３の制御方式が位相制御である場合には、実測値取得部９０は、ヒータ８１に印加される交流電源出力の位相角を計測する。また、電力調整器８３の制御方式がサイクル制御である場合には、実測値取得部９０は、１制御周期内に印加される交流電源出力のサイクル数を計測する。このような計測を材料層１層分の積層を行う動作期間中、電力調整器８３の制御周期毎に行うことで、電力量の実測値は、予測値取得部８９が取得する予測値と同形式の時系列電力量データとなる。

電力量データ比較部９１は、予測値取得部８９が取得した予測値と、実測値取得部９０が取得した実測値と、を比較する。電力量データ比較部９１は、好ましくは、造形コントローラ７０からのタイミング信号に基づいて比較を行い、予測値と実測値とを対応する時系列毎に比較する。

投入電力量低減部９２は、予測値取得部８９で取得した予測値と、実測値取得部９０で取得した実測値と、に基づいて、加熱部であるヒータ８１に供給する電力を低減する。投入電力量低減部９２は、電力量データ比較部９１における予測値と実測値の比較結果に基づいて、加熱部であるヒータ８１に供給する電力を低減することが好ましい。また、投入電力量低減部９２は、実測値と予測値の差分に基づいて、加熱部であるヒータ８１に供給する電力を低減することが好ましい。投入電力量低減部９２は加熱部であるヒータ８１に供給する電力を低減することが好ましく、加熱部であるヒータ８１に供給する電力を遮断することがより好ましい。

予測値取得部８９によって取得される予測値の精度が十分に高ければ、本来、予測値と実測値はおおむね等しく、「実測値≒予測値」となるはずである。しかしながら、温度センサ、温度調節器、電力調整器の故障や暴走等のなんらかの不具合により、ヒータ８１に過剰な電力が投入された場合には、「実測値＞予測値」となる。そこで、電力量データ比較部９１による比較の結果、このような結果となった場合には、投入電力低減部９２は電力調整器８３を介して、ヒータ８１に供給する電力を低減する。あるいは、投入電力低減部９２は、電力遮断器８４への制御信号をＯＦＦとして、ヒータ８１への電力供給を遮断する。

電力量データ比較部９１による比較を行う際には、予測値取得部８９によって取得される予測値の精度（近似式の精度）や、実測値取得部９０によって取得される実測値の精度（計測する際の計測誤差など）を考慮してもよい。実際の比較に当たっては、実測値と予測値の差分が所定値以上であるか否かを判定してもよい。すなわち、投入電力低減部９２は、
（実測値−予測値）≧所定値
を満たす場合に、ヒータ８１に供給する電力を低減してもよい。なお、所定値は特に限定されるものではないが、例えば、予測値の１０〜３０％とすればよい。

なお、電力量データ比較部９１は、連続する複数の制御周期間で平均または移動平均を取って比較してもよい。また、投入電力量低減部９２は、「実測値＞予測値」などの投入電力を低減すべき比較結果が、連続する複数の制御周期内で所定回数以上出現したときに、ヒータ８１に供給する電力を低減してもよい。これにより、ヒータ８１に供給する電力を低減するか否かの判定の精度を向上させることができ、造形装置１の動作を安定させることができる。

ところで、実測値と予測値との間にずれが生じる原因となる不具合の種類によっては、「実測値＜予測値」となる場合もある。この場合は、そもそも温調制御が成立していないため、ヒータ８１は所望の温度に達せず降温する。そのため、この場合は材料層が過熱され、材料層を構成する造形材料が過剰に溶解したり熱分解したりする可能性は低いものの、この場合も、造形装置１が正常に動作していないことは明らかである。したがって、この場合にも、投入電力量低減部９２はヒータ８１に供給する電力を低減してもよい。すなわち、投入電力量低減部９２は、
（予測値−実測値）≧所定値
を満たす場合に、ヒータ８１に供給する電力を低減してもよい。なお、所定値は特に限定されるものではないが、例えば、予測値の１０〜３０％とすればよい。

以上から、投入電力量低減部９２は、
｜実測値−予測値｜≧所定値
を満たす場合に、ヒータ８１に供給する電力を低減することが好ましく、ヒータ８１に供給する電力を遮断することがより好ましい。

［過熱防止機構の動作］
図３は、第１の実施形態における、過熱防止機構の動作を示すフローチャートである。

まず、造形装置１の主電源がＯＮになった後、制御部Ｕ１は、電力遮断器８４を通電状態とする（Ｓ３０１）。

次に、過熱防止機構は、造形装置１が材料層の積層動作を開始するまで待機する。材料層の積層動作が行われているか否かは、造形コントローラ７０から出力される、タイミング信号で知ることができる。

積層動作が開始されたら（Ｓ３０２でＹｅｓ）、予測値取得部８９は、加熱部であるヒータ８１が材料層を加熱する際に加熱部に投入される電力量の予測値を取得する（Ｓ３０３）。なお、ここでは積層動作と並行して、予測値取得部８９が予測値を取得する例を示すが、これに限定はされない。すなわち、予測値取得部８９は、積層動作の開始を待機している間に、予測値を取得してもよいし、それ以前に予測値を取得してもよい。

次に、実測値取得部９０は、造形装置１の積層動作と連動して、加熱部であるヒータ８１が材料層を加熱する際に加熱部に投入された電力量の実測値を取得する（Ｓ３０４）。

そして、電力量データ比較部９１は、Ｓ３０３において取得した電力量の予測値と、Ｓ３０４において取得した電力量の実測値と、を比較する（Ｓ３０５）。ここでは、具体的には、電力量データ比較部９１は、実測値と予測値の差の絶対値が所定値以上であるか否か、すなわち、
｜計測電力量データ−予測電力量データ｜≧所定値
であるか否かを判定する。

上記条件式を満たさない場合（Ｓ３０５でＮｏ）は、１層分の積層定着を行う動作期間中（Ｓ３０２でＹｅｓの間）、Ｓ３０３〜Ｓ３０５の処理ループを、電力調整器８３の制御周期毎に繰り返し実行する。

一方、上記条件式を満たす場合（Ｓ３０４でＹｅｓ）は、投入電力量低減部９２は、加熱部であるヒータ８１に供給する電力を低減する（Ｓ３０６）。

なお、Ｓ３０４でＹｅｓとなった場合には、投入電力量低減部９２は、電力遮断器８４を遮断状態となるよう制御し、加熱部であるヒータ８１への電力供給を遮断することが好ましい（Ｓ３０６）。なお、Ｓ３０６で加熱部への電力供給を遮断した場合には、ユーザーもしくはサービスマンによる別途のリカバリー手続きが完了するまで、電力遮断器８４を通電状態に復帰させないように制御することが望ましい。

以上、説明してきたように本実施形態によれば、積層を行っている材料層を構成する造形材料の温度特性に応じた過熱防止手段を実現することができる。これにより、従来の過熱保護素子では実現することが困難であった、材料層ごとに温度特性が変わるような場合にも過熱を防止することができる。その結果、造形材料の固着や異臭の発生などの、材料層の過熱による不具合の発生を抑制することができる。

（第２の実施形態）
［造形装置の装置構成］
図４は、第２の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す図である。第２の実施形態に係る積層造形装置２（以下、「造形装置２」と称する）は、後述するシート化ヒータ４６を有する点以外は造形装置１の構成と同様であるので、これ以外についての説明は省略する。

シート化ヒータ４６は、転写体４２上に保持された材料層を加熱し、ステージ５２上またはステージ５２上に形成されている造形物上に積層する前に、シート化する。シート化ヒータ４６は、好ましくは材料層を構成する造形材料粒子同士を互いに融着させて、材料層をシート化する。

造形装置２は、感光ドラム３４と転写ローラ４１との間に形成されるニップ部の下流側に、転写体４２上に保持された材料層を輻射熱により加熱するシート化ヒータ４６を有する。ヒータローラ４３と同様に、シート化ヒータ４６にはヒータおよび熱電対が内蔵されている。本実施形態では、第１の実施形態において説明した、ヒータローラ４３による過熱の発生を抑制する第１過熱防止機構に加えて、シート化ヒータ４６による過熱の発生を抑制する第２過熱防止機構を備えている。すなわち、積層造形装置が複数の加熱部（ヒータ）を有する場合には、積層造形装置は加熱部ごとに、本発明に係る過熱防止機構を有することが好ましい。

［過熱防止機構の構成］
次に、図５、６を用いて第２過熱防止機構について説明する。図５は、第２の実施形態における、第２過熱防止機構の構成を模式的に示す図である。

本実施形態に係る造形装置２は、図５に示す過熱防止機構を有する。すなわち、造形装置２は、図５に示すように、第２の投入電力量実測値取得部１９０（以下、「実測値取得部１９０」と称する）と、第２の投入電力量予測値取得部１８９（以下、「予測値取得部１８９」と称する）と、第２の投入電力量低減部１９２と、を有する。造形装置２は、実測値取得部１９０で取得した実測値と、予測値取得部１８９で取得した予測値と、に基づいて、第２のヒータ１８１に投入する電力量を、第２の投入電力量低減部１９２によって低減する。これにより、第２のヒータ１８１による材料層の過熱の発生を抑制し、材料層の過熱による不具合の発生を抑制することができる。ここで、第２の熱電対１８０および第２のヒータ１８１は、それぞれ、シート化ヒータ４６に内蔵されている熱電対およびヒータである。以下、第２過熱防止機構を構成する各部について説明する。

第２過熱防止機構は、図５に示すように、実測値取得部１９０と、予測値取得部１８９と、第２の投入電力量低減部１９２と、を有する。第２過熱防止機構はさらに、第２の温度調節器１８２、第２の電力調整器１８３、第２の電力遮断器１８４、第２の温度ヒューズ１８５、材料種別識別部８６、第２のスライス画像データ保持部１８７、および、第２の電力量データ比較部１９１を有する。

第２過熱防止機構が第１過熱防止機構と異なる点は、第２過熱防止機構は積層済みデータ保持部を有さない点である。それ以外については第１過熱防止機構と同様であるので、第１過熱防止機構と同様な部分については説明を省略する。なお、ここでは第２過熱防止機構は実測値取得部１９０、予測値取得部１８９、第２の電力量データ比較部１９１、第２の投入電力量低減部１９２等の各部を、第１過熱防止機構とは別に有するものとして説明したが、これに限定はされない。すなわち、第２過熱防止機構の有する各部は、第１過熱防止機構の有する各部の機能を兼ねていてもよい。また、第１過熱防止機構の有する電力遮断器８４と第２過熱防止機構の有する第２の電力遮断器１８４は、どちらか一方が遮断された場合は、他方も連動して遮断されるようになっているのが望ましい。

予測値取得部１８９は、材料層に関する情報に基づいて、材料層を加熱して材料層を溶融または軟化させるためにヒータ１８１が消費する電力量の予測値を取得する。電力量の予測値は、１層分の材料層をシート化する動作期間における、第２の電力調整器１８３の制御周期毎の時系列電力量データとして生成、保持されることが好ましい。なお、第２の電力調整器１８３の制御周期は制御方式により異なり、例えば位相制御では交流電源の周期と等しく、サイクル制御では交流電源の周期の倍数となる。

材料層に関する情報としては、第１に、材料層を構成する造形材料の温度特性に関する情報（造形材料の温度特性情報）がある。造形材料の温度特性情報は、造形材料の種別と温度特性とを対応付けた温度特性テーブルを制御部Ｕ１に予め記憶しておき、材料種別判定部８６から取得した造形材料の種別情報に基づいてこの温度特性テーブルを適宜参照することで取得することができる。造形材料の温度特性情報は、造形材料の積層温度、融点、軟化温度、比熱などを含んでいてもよい。

第２に、第２のスライス画像データ保持部１８７から取得される、材料層の形状情報が挙げられる。材料層の形状情報は、材料層を構成する造形材料が複数種類ある場合には、造形材料ごとの形状情報であることが好ましい。

予測値取得部１８９はこれらの情報に基づいて、１層分の材料層をシート化する動作期間中に、ヒータ１８１に投入される電力量を予測することが好ましい。以下、ヒータ１８１に投入される電力量の予測方法について説明する。

ヒータ１８１が材料層を加熱する場合、第１過熱防止機構とは異なり、ステージ５２上に形成されている造形途中の造形物へ伝導する熱ネルギー（Ｂ）は考慮する必要がない。そのため、第２過熱防止機構の予測値取得部１８９は、好ましくは、熱エネルギー（Ａ）に基づいて、ヒータ１８１が消費する電力量の予測値を取得する。

したがって、ヒータ１８１に投入される電力量の予測値は、上述の材料層に関する情報に基づいて取得することが好ましい。すなわち、予測値取得部１８９は、材料種別識別部８６およびスライス画像データ保持部８７から各種情報を取得し、取得した情報に基づいて予測値を取得することが好ましい。

予測値取得部１８９は、造形材料の温度特性情報や材料層の形状を引数とする近似関数を用いて、各種情報から予測値を計算することが好ましい。ここで、近似関数はたとえば、ＡＮＳＹＳ ＣＦＸ（ＡＮＳＹＳ社製）などの熱流体解析ソフトウェアを用いたシミュレーションや、実験データをもとに取得することができる。この近似関数は予め取得しておき、予測値取得部１８９または制御部Ｕ１に予め記憶しておくことが好ましい。

また、ステージ５２上またはステージ５２上に形成されている造形物上への積層動作と、転写体４２上に保持された材料層のシート化は、並行して行ってもよい。たとえば、ｎ層目の材料層の積層動作を行っている間に、（ｎ＋１）層目の材料層のシート化動作を並行して行ってもよい。このとき、スライス画像データ保持部８７はｎ層目のスライス画像データを、第２のスライス画像データ保持部１８７は（ｎ＋１）層目のスライス画像データを、それぞれ保持してもよい。

［過熱防止機構の動作］
図６は、第２の実施形態における、第２過熱防止機構の動作を示すフローチャートである。

まず、造形装置２の主電源がＯＮになった後、制御部Ｕ１は、第２電力遮断器１８４を通電状態とする（Ｓ６０１）。

次に、第２過熱防止機構は、造形装置２が材料層のシート化動作を開始するまで待機する。材料層のシート化動作が行われているか否かは、造形コントローラ７０から出力される、タイミング信号で知ることができる。

積層動作が開始されたら（Ｓ６０２でＹｅｓ）、予測値取得部１８９は、加熱部であるヒータ１８１が材料層を加熱する際に加熱部に投入される電力量の予測値を取得する（Ｓ６０３）。なお、ここではシート化動作と並行して、予測値取得部１８９が予測値を取得する例を示すが、これに限定はされない。すなわち、予測値取得部１８９は、シート化動作の開始を待機している間に、予測値を取得してもよいし、それ以前に予測値を取得してもよい。

次に、実測値取得部１９０は、造形装置２のシート化動作と連動して、加熱部であるヒータ１８１が材料層を加熱する際に加熱部に投入された電力量の実測値を取得する（Ｓ６０４）。

そして、第２の電力量データ比較部１９１は、Ｓ６０３において取得した電力量の予測値と、Ｓ６０４において取得した電力量の実測値と、を比較する（Ｓ６０５）。ここでは、具体的には、第２の電力量データ比較部１９１は、実測値と予測値の差の絶対値が所定値以上であるか否か、すなわち、
｜計測電力量データ−予測電力量データ｜≧所定値
であるか否かを判定する。

上記条件式を満たさない場合（Ｓ６０５でＮｏ）は、１層分の材料層のシート化を行う動作期間中（Ｓ６０２でＹｅｓの間）、Ｓ６０３〜Ｓ６０５の処理ループを、第２の電力調整器１８３の制御周期毎に繰り返し実行する。

一方、上記条件式を満たす場合（Ｓ６０４でＹｅｓ）は、第２の投入電力量低減部１９２は、加熱部であるヒータ１８１に供給する電力を低減する（Ｓ６０６）。

以上説明してきたように、本実施形態では積層を担う加熱部（ヒータローラ４３）による過熱による不具合の発生に加えて、シート化を担う加熱部（シート化ヒータ４６）による過熱による不具合の発生も、同時に抑制することができる。

Ｕ２ 材料層形成部
８１ ヒータ（加熱部）
８９ 投入電力量予測値取得部（予測値取得部）
９０ 投入電力量実測値取得部（実測値取得部）
９２ 投入電力量低減部

Claims (8)

1. 複数種類の造形材料を用いて材料層を形成する材料層形成部と、
   前記材料層形成部で形成された前記材料層を加熱する加熱部と、を有し、前記材料層を順次積層して立体物を造形する造形装置であって、
   前記材料層に関する情報に基づいて、前記材料層を加熱して前記材料層を溶融または軟化させるために前記加熱部が消費する電力量の予測値を取得する予測値取得部と、
   前記加熱部が前記材料層を加熱する際に前記加熱部に投入された電力量の実測値を取得する実測値取得部と、を有し、
   前記予測値取得部で取得した前記予測値と前記実測値取得部で取得した前記実測値とに基づいて、前記加熱部に供給する電力を低減する電力低減部を有することを特徴とする造形装置。
2. 前記電力低減部は、前記実測値取得部で取得した前記実測値と前記予測値取得部で取得した前記予測値と差分に基づいて、前記加熱部に供給する電力を低減することを特徴とする請求項１に記載の造形装置。
3. 前記電力低減部は、前記差分に基づいて、前記加熱部に供給する電力を遮断することを特徴とする請求項１に記載の造形装置。
4. 前記電力低減部は、前記差分が所定値以上となった場合に前記加熱部に供給する電力を低減することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の造形装置。
5. 前記材料層に関する情報が、前記材料層の形状情報、前記材料層を構成する前記造形材料の温度特性情報、および、前記材料層を積層する前までに積層して造形されている造形物に関する情報、から選択される少なくとも１つの情報に基づいて、前記材料層を加熱して前記材料層を溶融または軟化させるために前記加熱部が消費する消費電力量の予測値を取得することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の造形装置。
6. 前記電力低減部は、前記実測値取得部で取得した前記実測値が前記予測値取得部で取得した前記予測値を超えた場合に、前記加熱部に供給する電力を低減することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の造形装置。
7. 前記加熱部を複数有し、
   前記予測値取得部および前記実測値取得部は、前記加熱部ごとに前記予測値および前記実測値をそれぞれ取得し、
   前記電力低減部は、前記加熱部ごとに、前記予測値取得部で取得した前記予測値と前記実測値取得部で取得した前記実測値とに基づいて、前記加熱部に供給する電力を低減する電力低減部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の造形装置。
8. 複数種類の造形材料を用いて材料層を形成する材料層形成部と、
   前記材料層形成部で形成された前記材料層を加熱する加熱部と、を有し、前記材料層を順次積層して立体物を造形する造形装置の制御方法であって、
   前記材料層に関する情報に基づいて、前記材料層を加熱して前記材料層を溶融または軟化させるために前記加熱部が消費する電力量の予測値を取得する予測値取得工程と、
   前記加熱部が前記材料層を加熱する際に、前記加熱部に投入された消費電力量の実測値を取得する実測値取得工程と、を有し、
   前記予測値取得部で取得した前記予測値と前記実測値取得部で取得した前記実測値とに基づいて、前記加熱部に供給する電力を低減することを特徴とする造形装置の制御方法。

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