JP2018008403A - 立体物製造装置、立体物製造方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】立体物製造装置1は、立体物造形部20と、画像取得制御部112によって制御される撮像部223と、造形物評価部115とを備えている。立体物造形部20は、立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、立体物を構成する積層要素を積層することにより当該立体物を造形する。撮像部223は、画像取得制御部112の制御によって、立体物造形部20によって造形されている立体物の積層部分の形状を表すデータを取得する。造形物評価部115は、撮像部223によって取得された立体物の積層部分の形状を表すデータと、当該積層部分に対応する3次元形状データとを対応付けることにより、当該立体物の品質を示す品質情報を生成する。
【選択図】図2
Description
3Dプリンタによれば、物の表面のみならず、複雑な内部構造を印刷し、造形することが可能である。
なお、このような3Dプリンティングに関する技術は、例えば特許文献1に記載されている。
しかしながら、3Dプリンタの製造物を品質評価する現在の技術は、製造物を事後的にCT(Computed Tomography)スキャンあるいはMRI(Magnetic Resonance Imaging)等で内部構造を調べ、元となる3次元データと照合するといった方法を用いることが一般的である。ところが、CTスキャナやMRIは非常に高価であり、品質評価に用いることは現実的ではない上、立体物の製造と評価とがプロセスとして分断している現在の品質評価の形態は非効率である。
このように、従来の技術においては、3Dプリンタによる製造物の品質評価を適切に行うことが困難であった。
立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、前記立体物を構成する積層要素を積層することにより当該立体物を造形する立体物造形手段と、
前記立体物造形手段によって造形されている前記立体物の積層部分の形状を表すデータを取得する形状取得手段と、
前記形状取得手段によって取得された前記立体物の積層部分の形状を表すデータと、当該積層部分に対応する前記3次元形状データとを対応付けることにより、当該立体物の品質を示す品質情報を生成する品質情報生成手段と、
を備えることを特徴とする。
[第1実施形態]
[構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る立体物製造装置1のハードウェア構成を示す模式図である。
図1に示すように、立体物製造装置1は、データ処理部10と、立体物造形部20とを備えている。
データ処理部10は、PC(Personal Computer)や組み込み型のマイコン等の情報処理装置によって構成される。本実施形態においては、データ処理部10をPCによって構成するものとする。
ROM12は、立体物製造装置1を制御するための各種プログラムを記憶する。
RAM13には、CPU11が各種の処理を実行するためのデータ等が記憶される。
出力部15は、ディスプレイやスピーカによって構成され、CPU11の制御に従って、情報の表示や音声の出力を行う。
記憶部16は、ハードディスク等の記憶装置によって構成され、立体物製造装置1で使用される各種データやプログラムを記憶する。
通信部17は、USB(Universal Serial Bus)ケーブル等の通信ケーブルや、インターネット等の通信ネットワークを介して他の装置との通信を行う。
具体的には、立体物造形部20は、基台部21と、天板部22と、上下動軸23a〜23cと、アーム24a〜24cと、ヘッド駆動部221と、3Dプリンタヘッド222と、撮像部223と、台座224と、台座駆動部225とを備えている。
立体物造形部20の構成については、以下の機能的構成の説明において詳述する。
次に、立体物製造装置1の機能的構成について説明する。
図2は、立体物製造装置1の機能的構成を示すブロック図である。
図2に示すように、立体物製造装置1において、データ処理部10は、CPU11の機能として、造形データ取得部111と、画像取得制御部112と、積層制御部113と、台座制御部114と、造形物評価部115とを備え、記憶部16において、造形データ記憶部71と、品質データ記憶部72とが形成される。また、立体物造形部20は、上述したように、ヘッド駆動部221と、3Dプリンタヘッド222と、撮像部223と、台座224と、台座駆動部225とを備えている。
さらに、積層制御部113は、造形物評価部115から積層を停止させる指示が入力された場合、製造中の立体物の積層を停止する。
台座制御部114は、画像取得制御部112の指示に応じて、台座駆動部225を制御することにより台座224の水平方向に対する傾きや垂直方向の位置等を変化させる。
立体物の設計においては、図3(A)のように積層されることが予定されているところ、図3(B)においては、積層部分に欠損等が生じており、部分評価処理によって、このような欠損箇所の発生度合いに応じた評価結果(欠損箇所となったボクセルの全体に対する割合等)が取得される。
このように積層部分毎に品質を評価することで、明らかに品質を満たさない造形物の造形が継続されることを防止することができる。
3Dプリンタヘッド222は、上下動軸23a〜23cに沿って上下方向に移動可能な3つのアームに支持され、ヘッド駆動部221の制御に従って、ノズルから造形材料を吐出する。
台座224は、立体物が積層造形される台座となる。また、台座224は、台座駆動部225によって、水平面に対する傾きや水平面内における回転、及び、垂直方向の位置が調整される。
次に、立体物製造装置1の動作を説明する。
[立体物製造処理]
図4は、立体物製造装置1が実行する立体物製造処理の流れを説明するフローチャートである。
立体物製造処理は、立体物製造装置1において、立体物の製造を指示する操作が行われることに対応して開始される。
画像取得タイミングである場合、ステップS4においてYESと判定されて、処理はステップS5に移行する。
一方、画像取得タイミングでない場合、ステップS4においてNOと判定されて、処理はステップS10に移行する。
ステップS7において、造形物評価部115は、製造対象の立体物の積層部分を評価するための部分評価処理を実行する。
部分評価処理の結果が造形される立体物の品質が基準を満たしていることを示すものである場合、ステップS8においてYESと判定されて、処理はステップS10に移行する。
一方、部分評価処理の結果が造形される立体物の品質が基準を満たしていることを示すものでない場合、ステップS8においてNOと判定されて、処理はステップS9に移行する。
ステップS9の後、立体物製造処理は終了する。
立体物の積層が全て終了した場合、ステップS10においてYESと判定されて、処理はステップS11に移行する。
一方、立体物の積層が全て終了していない場合、ステップS10においてNOと判定されて、処理はステップS3に移行する。
ステップS13において、造形物評価部115は、造形が完了した立体物全体を評価するための全体評価処理を実行する。
全体評価処理の結果が造形された立体物の品質が基準を満たしていることを示している場合、ステップS14においてYESと判定されて、立体物製造処理は終了する。なお、このとき、品質の基準を満たす立体物の製造が完了した旨のメッセージを表示することとしてもよい。
一方、全体評価処理の結果が造形された立体物の品質が基準を満たしていることを示していない場合、ステップS14においてNOと判定されて、処理はステップS15に移行する。
ステップS15の後、立体物製造処理は終了する。
造形処理が実行された結果、立体物の積層部分を識別する情報(CADデータにおける位置を表す情報等)と対応付けられた積層部分の画像のデータ、立体物を識別する情報と対応付けられた立体物全体の画像のデータ、部分評価処理の結果、及び、全体評価処理の結果が、当該立体物の品質を示すデータとして取得される。
次に、立体物製造処理のステップS7で実行される部分評価処理について説明する。
図5は、立体物製造処理のステップS7で実行される部分評価処理の流れを説明するフローチャートである。
ステップS22において、造形物評価部115は、多視点の平面画像である撮像画像を、3次元画像として合成する。
ステップS23において、造形物評価部115は、合成した3次元画像をボクセルモデルに変換する。
ステップS25において、造形物評価部115は、評価対象となる積層部分について、3次元画像から変換されたボクセルモデルと、造形データ取得部111によって生成されたボクセルモデルとの一致度合いが基準とする条件(部分評価条件)を満たしているか否かを判定する。具体的には、評価対象となる積層部分について、3次元画像から変換されたボクセルモデルと、造形データ取得部111によって生成されたボクセルモデルとの一致度合いが部分評価条件よりも低い場合、造形される立体物の品質が基準を満たしていないと判定され、部分評価条件以上である場合、造形される立体物の品質が基準を満たしていると判定される。
ステップS26の後、処理は立体物製造処理に戻る。
次に、立体物製造処理のステップS13で実行される全体評価処理について説明する。
図6は、立体物製造処理のステップS13で実行される全体評価処理の流れを説明するフローチャートである。
ステップS32において、造形物評価部115は、多視点の平面画像である撮像画像を、3次元画像として合成する。
ステップS33において、造形物評価部115は、立体物全体について、合成された3次元画像と、造形データ取得部111によって取得されたCADデータとを比較する。
ステップS35において、造形物評価部115は、ステップS34における判定結果を全体評価処理の結果として、品質データ記憶部72に記憶する。
ステップS35の後、処理は立体物製造処理に戻る。
これにより、製造される立体物の積層部分毎に、リアルタイムに品質を評価することが可能となる。
これにより、積層部分毎の評価では表れない一方、製造された立体物全体に表れる品質を評価することが可能となる。
また、3Dプリンタによる製造物の品質評価をより適切に行うことが可能となる。
また、同一のCADデータから異なる立体物造形部20(3Dプリンタ)によって立体物を製造し、各製造物について上記評価を行うことにより、立体物造形部20の性能を評価することが可能となる。
上述の実施形態において、造形中の立体物における積層部分の立体的形状を取得する手段として、天板部22に備えられた撮像部223によって立体物の積層部分を複数の方向から撮像し、複数の撮像画像から立体的形状を構成する場合を例に挙げて説明した。即ち、上述の実施形態においては、天板部22に備えられた撮像部223と、台座224の水平方向に対する傾きや垂直方向の位置等を変化させる台座駆動部225とによって、立体物の積層部分の立体的形状を取得する手段を構成するものとした。
これに対し、立体物の積層部分の形状を取得するために、以下のような手段を用いることも可能である。
この場合、撮像部223に代えて、赤外線サーモグラフィカメラを天板部22に設置し、赤外線画像を取得することで実現できる。また、赤外線画像の取得時において、台座駆動部225による台座224の駆動は必ずしも必要ない。このように、赤外線サーモグラフィを用いることで、積層部分の輪郭をより明確に取得できる。
この場合、撮像部223に代えて、レーザ距離計を天板部22に設置し、レーザによって立体物の積層部分等を走査して得られる画像を取得することで実現できる。また、レーザの走査時において、台座駆動部225による台座224の駆動は必ずしも必要ない。このように、レーザによる走査を行うことで、積層部分表面の正確な立体的形状を直接取得することができる。
この場合、撮像部223に代えて、X線発生器を天板部22に設置し、フラットパネル型のX線検出器を台座224に設置してCT画像を取得することで実現できる。また、台座駆動部225による台座224の駆動は必ずしも必要ない。このように、CT画像を取得することで、積層部分の内部構造を取得することができる。
この場合、撮像部223に代えて、立体物に接触する接触子(探索針等のプローバー)を天板部22に設置し、接触子を降下させて立体物の積層部分表面に順次接触させ、接触子の接触位置を検出することにより、積層部分の立体的形状を表すデータを取得できる。この接触子は、例えば3Dプリンタヘッド222に設置することができる。また、接触子を立体物の積層部分表面に接触させる際に、台座駆動部225による台座224の駆動は必ずしも必要ない。このように、接触子による接触で積層部分表面の立体的形状を測定することで、簡易に積層部分の立体的形状を取得することができる。
これにより、複数の造形材料を用いて立体物を製造する場合や、立体物の品質評価のために、立体物の部分毎に異なる種類の画像データが必要な場合等に、より適切な品質評価を行うことが可能となる。
上述の実施形態においては、立体物製造処理の工程として、立体物製造装置1による立体物の製造と共に、部分評価処理及び全体評価処理を実行するものとして説明したが、これに限られない。
例えば、立体物製造処理においては、立体物の積層部分の多視点の平面画像を取得し、当該立体物の積層部分を識別する情報(CADデータにおける位置を表す情報等)と対応付けると共に、立体物全体の多視点の平面画像を取得し、造形された立体物を識別する情報と対応付ける。この場合、立体物の積層部分及び全体についての多視点の平面画像が当該立体物と対応付けられた状態となり、この立体物の積層部分及び全体についての多視点の平面画像によって構成されるデータが、立体物の品質を示すオリジナルのデータ(以下、「評価用基本データ」と呼ぶ。)となる。評価用基本データを用いる場合、画像データの状態で立体物の積層部分及び全体と、立体物のCADデータとを比較して評価することができると共に、評価用基本データを適宜データ処理した結果(例えば、部分評価処理、全体評価処理あるいはその他の処理の結果)によって評価することが可能となる。
即ち、立体物の評価は、立体物の製造工程と切り離し、独立して行うことが可能であり、この場合、部分評価処理及び全体評価処理は、立体物製造装置1とは異なる情報処理装置等において任意のタイミングで実行されることとなる。なお、この場合に用いられる情報処理装置のハードウェア構成としては、図1に示すデータ処理部10と同様の構成を採用することができる。
図7に示すように、品質評価処理が開始されると、情報処理装置は、ステップP1において、立体物の評価用基本データ(立体物の積層部分の多視点の平面画像)に基づいて、部分評価処理を実行する。
また、ステップP2において、情報処理装置は、立体物の評価用基本データ(立体物全体の多視点の平面画像)に基づいて、全体評価処理を実行する。
即ち、第三者による立体物の品質評価を行うことが可能となり、立体物の品質評価に、より高い客観性を持たせることが可能となる。
上述の実施形態において、部分評価処理あるいは全体評価処理等によって得られた立体物の評価結果を、当該立体物製造装置1のキャリブレーションデータとして用いることにより、次回以降の立体物の製造に反映させることができる。
具体的には、1つまたは複数の立体物の評価結果を、当該立体物製造装置1のキャリブレーションデータとして造形処理にフィードバックすることにより、当該立体物製造装置1における造形処理の補正を行う。
これにより、立体物製造装置1において製造される立体物の品質をより高めることができる。
立体物造形部20は、立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、立体物を構成する積層要素を積層することにより当該立体物を造形する。
撮像部223は、画像取得制御部112の制御によって、立体物造形部20によって造形されている立体物の積層部分の形状(平面形状または3次元形状)を表すデータを取得する。
造形物評価部115は、撮像部223によって取得された立体物の積層部分の形状を表すデータと、当該積層部分に対応する3次元形状データとを対応付けることにより、当該立体物の品質を示す品質情報を生成する。
これにより、製造される立体物の積層部分毎に、品質を評価することが可能となる。
したがって、3Dプリンタによる製造物の品質評価をより適切に行うことが可能となる。
造形物評価部115は、撮像部223によって取得された立体物全体の形状を表すデータと、当該立体物全体の3次元形状データとを対応付けることにより、品質情報を生成する。
これにより、積層部分毎の評価では表れない一方、製造された立体物全体に表れる品質を評価することが可能となる。
したがって、3Dプリンタによる製造物の品質評価をより適切に行うことが可能となる。
これにより、製造されている立体物の3次元形状が取得されるため、より正確な品質を表す品質情報を生成することができる。
これにより、目的に応じて、適切なタイミングで積層部分の形状を表すデータを取得することが可能となる。
これにより、設計された立体物と、実際に造形された立体物とを比較し、より正確な品質を表す品質情報を生成することができる。
これにより、立体物の3次元形状を、より容易かつ正確に比較することが可能となる。
これにより、簡単な構成で3次元画像を取得することが可能となる。
これにより、積層部分表面の正確な立体的形状を直接取得することができる。
これにより、積層部分の内部構造を取得することができる。
これにより、積層部分の輪郭をより明確に取得できる。
これにより、簡易に積層部分の立体的形状を取得することができる。
これにより、品質を満たさない造形物の造形が継続されることを防止することができる。
これにより、製造される立体物の品質をより高めることができる。
これにより、品質を満たさない造形物が造形されることを予め把握することが可能となる。
これにより、積層部分毎の評価には表れ難い立体物全体の品質をより適確に評価することが可能となる。
例えば、上述の実施形態において、立体物製造装置1は3軸のデルタ型3Dプリンタであるものとして説明したが、造形される立体物の画像を撮像することができる構造のものであれば、他の形式の3Dプリンタ(例えば、3Dプリンタヘッドが互いに直交するXYZ軸方向に移動する3軸型の3Dプリンタや、6軸のデルタ型3Dのプリンタ等)によって構成することも可能である。また、立体物製造装置1において用いられる造形材料としては、樹脂、電子部品、回路の配線材料等の他、金属製の立体物を造形する場合には、当該金属材料とすることができる。
即ち、造形される立体物の画像を異なる方向から撮像することができる構成であれば、台座224が固定された構造であっても、撮像部223を所定箇所に複数設置して立体物を撮像したり、撮像部223の位置及び向きを調整可能な機構を備えることにより、撮像部223が移動して向きを変化させながら立体物を撮像したりする構成としてもよい。
また、立体物製造装置1における動作モードとして、造形速度優先のモードと、造形精度優先のモードが存在する場合、画像取得のタイミングをこれらのモードに対応して設定することが可能である。例えば、画像取得のタイミングを積層要素の所定層毎とする場合、造形速度優先のモードであれば積層要素の5層毎、造形精度優先のモードであれば、積層要素の1層毎といった設定とすることができる。
上述の実施形態における処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
即ち、上述の処理を実行できる機能が立体物製造装置1に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
Claims (18)
- 立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、前記立体物を構成する積層要素を積層することにより当該立体物を造形する立体物造形手段と、
前記立体物造形手段によって造形されている前記立体物の積層部分の形状を表すデータを取得する形状取得手段と、
前記形状取得手段によって取得された前記立体物の積層部分の形状を表すデータと、当該積層部分に対応する前記3次元形状データとを対応付けることにより、当該立体物の品質を示す品質情報を生成する品質情報生成手段と、
を備えることを特徴とする立体物製造装置。 - 前記形状取得手段は、前記立体物造形手段によって造形された前記立体物全体の形状を表すデータを取得し、
前記品質情報生成手段は、前記形状取得手段によって取得された前記立体物全体の形状を表すデータと、当該立体物全体の前記3次元形状データとを対応付けることにより、前記品質情報を生成することを特徴とする請求項1に記載の立体物製造装置。 - 前記形状取得手段は、前記立体物の前記形状を表すデータとして前記立体物の少なくとも一部における3次元形状を特定可能な画像を取得することを特徴とする請求項1または2に記載の立体物製造装置。
- 前記形状取得手段は、前記立体物造形手段が前記積層要素を造形する際に、予め設定された取得タイミングとなった場合、前記積層部分の形状を表すデータを取得することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記品質情報生成手段は、前記形状取得手段によって取得された前記立体物の積層部分の形状を表すデータと、前記3次元形状データとを比較した結果に基づいて、前記品質情報を生成することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記品質情報生成手段は、前記形状取得手段によって取得された前記立体物の積層部分の形状を表すデータに基づいて、当該立体物の積層部分を表すボクセルデータを生成し、生成した当該ボクセルデータを、前記立体物造形手段が当該立体物の積層部分を造形するために使用したボクセルデータと比較した結果に基づいて、前記品質情報を生成することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記形状取得手段は、複数方向から平面画像を撮像することにより前記立体物の積層部分の形状を表すデータとして複数の画像を取得し、取得した画像を合成することにより、前記立体物の形状を示す3次元画像を生成することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記形状取得手段は、レーザによって前記立体物を走査することにより、前記立体物の形状を取得する3次元レーザスキャナを含むことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記形状取得手段は、X線発生器とX線検出器とを備え、CT画像を撮像するCTスキャナを含むことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記形状取得手段は、赤外線画像を撮像するサーモグラフィカメラを含むことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記形状取得手段は、前記立体物に接触する接触子によって前記立体物の積層部分の形状を表すデータを取得する形状測定装置を含むことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記立体物造形手段は、前記立体物の積層部分の品質が基準よりも低下した場合、前記立体物の積層を停止することを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記品質情報生成手段は、前記立体物の積層部分の前記品質情報に基づいて、当該積層部分以降の前記立体物を造形するためのデータを補正することを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記品質情報生成手段は、前記立体物の積層部分の前記品質情報に基づいて、造形を継続した場合に発生する可能性のあるエラーを予測することを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記立体物の前記品質情報には、当該立体物の高さの誤差、当該立体物の幅の誤差、当該立体物に発生している捩れの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 立体物製造装置が実行する立体物製造方法であって、
立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、前記立体物を構成する積層要素を積層することにより当該立体物を造形する立体物造形ステップと、
前記立体物造形ステップにおいて造形されている前記立体物の積層部分の形状を表すデータを取得する形状取得ステップと、
前記形状取得ステップにおいて取得された前記立体物の積層部分の形状を表すデータと、当該積層部分に対応する前記3次元形状データとを対応付けることにより、当該立体物の品質を示す品質情報を生成する品質情報生成ステップと、
を含むことを特徴とする立体物製造方法。 - 立体物製造装置を制御するコンピュータに、
立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、前記立体物を構成する積層要素を積層することにより当該立体物を造形する立体物造形制御機能と、
前記立体物造形制御機能によって造形されている前記立体物の積層部分の形状を表すデータを取得する形状取得制御機能と、
前記形状取得制御機能によって取得された前記立体物の積層部分の形状を表すデータと、当該積層部分に対応する前記3次元形状データとを対応付けることにより、当該立体物の品質を示す品質情報を生成する品質情報生成機能と、
を実現させることを特徴とするプログラム。 - コンピュータに、
立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて前記立体物を構成する積層要素が立体物製造装置において積層されている際の積層部分の形状を表すデータと、当該積層部分に対応する前記3次元形状データとに基づいて、当該積層部分の品質を評価する品質評価機能を実現させることを特徴とするプログラム。
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