JP2019098644A - 3次元造形装置、3次元造形装置の制御方法および3次元造形装置の制御プログラム - Google Patents

3次元造形装置、3次元造形装置の制御方法および3次元造形装置の制御プログラム Download PDF

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英司 大嶋
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Abstract

【課題】プラットフォームを精度高く位置決めすること。【解決手段】3次元造形物を造形する3次元造形装置であって、材料貯蔵部と、プラットフォームと、移動部と、造形パッドと、を備える。材料貯蔵部は、3次元造形物の材料が貯蔵される。プラットフォームは、材料貯蔵部に対向して配置される。移動部は、プラットフォームを上下方向に移動させる。造形パッドは、プラットフォームの前記材料貯蔵部との対向面側に弾性部材を介して設けられ、3次元造形物が造形される。【選択図】 図1

Description

本発明は、3次元造形装置、3次元造形装置の制御方法および3次元造形装置の制御プログラムに関する。
上記技術分野において、特許文献1には、枠部の内周面に内側に突出する接触部を設けて、ステージの昇降経路の下端を遮断する技術が開示されている。
特開2013−75389号公報
しかしながら、上記文献に記載の技術では、プラットフォームを精度高く位置決めすることができなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る3次元造形装置は、
3次元造形物を造形する3次元造形装置であって、
前記3次元造形物の材料が貯蔵される材料貯蔵手段と、
前記材料貯蔵手段に対向して配置されるプラットフォームと、
前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動手段と、
前記プラットフォームの前記材料貯蔵手段との対向面側に弾性部材を介して設けられた、前記3次元造形物が造形される造形パッドと、
を備える。
上記目的を達成するため、本発明に係る3次元造形装置の制御方法は、
3次元造形物の材料が貯蔵される材料貯蔵手段と、
前記材料貯蔵手段に対向して配置されるプラットフォームと、
前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動手段と、
前記プラットフォームの前記材料貯蔵手段との対向面側に弾性部材を介して設けられた、前記3次元造形物が造形される造形パッドと、
前記プラットフォームと前記造形パッドとの間に前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出手段と、
を備える3次元造形装置の制御方法であって、
前記移動手段により、前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動ステップと、
前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出ステップと、
検出した荷重に基づいて、前記移動手段による前記プラットフォームの移動を制御する制御ステップと、
を含む。
上記目的を達成するため、本発明に係る3次元造形装置の制御プログラムは、
3次元造形物の材料が貯蔵される材料貯蔵手段と、
前記材料貯蔵手段に対向して配置されるプラットフォームと、
前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動手段と、
前記プラットフォームの前記材料貯蔵手段との対向面側に弾性部材を介して設けられた、前記3次元造形物が造形される造形パッドと、
前記プラットフォームと前記造形パッドとの間に前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出手段と、
を備える3次元造形装置の制御プログラムであって、
前記移動手段により、前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動ステップと、
前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出ステップと、
検出した荷重に基づいて、前記移動手段による前記プラットフォームの移動を制御する制御ステップと、
をコンピュータに実行させる。
本発明によれば、プラットフォームを精度高く位置決めすることができる。
本発明の第1実施形態に係る3次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置によるプラットフォームの位置合わせを説明する図である。 本発明の第3実施形態に係る3次元造形装置の構成を説明する部分拡大図である。 本発明の第3実施形態に係る3次元造形装置の動作手順を説明するフローチャートである。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態としての3次元造形装置100について、図1を用いて説明する。3次元造形装置100は、3次元造形物の材料に光線を照射して、3次元造形物を造形する装置である。
図1に示すように、3次元造形装置100は、材料貯蔵部101と、プラットフォーム102と、移動部103と、造形パッド104と、を含む。材料貯蔵部101は、3次元造形物の材料111が貯蔵される。プラットフォーム102は、材料貯蔵部101に対向して配置される。移動部103は、プラットフォーム102を上下方向に移動させる。造形パッド104は、プラットフォーム102の材料貯蔵部101との対向面側に弾性部材141を介して設けられ、3次元造形物が造形される。
本実施形態によれば、プラットフォームを精度高く位置決めすることができる。
[第2実施形態]
次に本発明の第2実施形態に係る3次元造形装置について、図2A乃至図3Jを用いて説明する。
図2Aは、本実施形態に係る3次元造形装置の構成の概略を示す斜視図である。図2Bは、本実施形態に係る3次元造形装置の構成の概略を示す図である。
3次元造形装置200は、光源201、支柱202、テーブル203、材料貯蔵部204、プラットフォーム205、ステッピングモータ206、弾性部材207および規制部208を有する。
光源201は、3次元造形物の材料241に照射される光線211を放射する。材料241は、例えば、光硬化性の樹脂(レジン)などである。材料241に照射される光線211は、3次元造形物の材料241を硬化させることができる波長の光線211であればいずれの光線211であってもよい。光線211は、例えば、波長405nmの波長であるが、200nm〜400nmの波長であってもよく、これには限定されない。
テーブル203は、支柱202に取り付けられている。そして、テーブル203には、フォトセンサ231がセンサ支持部(センサブラケット)232を介して取り付けられている。フォトセンサ231の位置は、センサ調整ステージ233を用いて調整される。
材料貯蔵部(バット)204は、テーブル203上に載置されている。また、材料貯蔵部204には、3次元造形物の材料241が投入されて、貯蔵される。材料貯蔵部204の底面242は、光線211を透過可能な部材を含んで構成されている。光線211を透過可能な部材としては、例えば、ガラスが代表的であるが、これには限定されない。また、材料貯蔵部204の全体を、光線211を透過可能な部材で構成してもよい。なお、材料貯蔵部204は、テーブル203上の所定位置に、ネジなどで固定してもよいし、単に置くだけでもよく、材料貯蔵部204のテーブル203上への載置方法はこれらには限定されない。
プラットフォーム205は、プラットフォーム取付ネジ253によりプラットフォーム支持部材251取り付けられている。また、プラットフォーム205は、プラットフォーム支持部材251を介して支柱202に取り付けられている。プラットフォーム205は、プラットフォーム取付ネジ253を緩めることにより、プラットフォーム支持部材251から取り外すことができる。また、プラットフォーム取付ネジ253を締めることにより、プラットフォーム205をプラットフォーム支持部材251に固定することができる。
また、プラットフォーム205は、材料貯蔵部204に対向するように配置されており、プラットフォーム205の材料貯蔵部204との対向面側には弾性部材207が設けられている。そして、造形パッド252が、弾性部材207を介してプラットフォーム205に設けられている。
そして、支柱202には、リニアアクチュエータ221とステッピングモータ206とが設けられている。プラットフォーム205は、プラットフォーム支持部材251、リニアアクチュエータ221およびステッピングモータ206などを含む移動部により、上下方向に移動可能となっている。プラットフォーム205の位置は、接点ブラケット222とフォトセンサ231とを用いて検出することができる。
弾性部材207は、小型の粒形形状(立方体、直方体)のものを1個、または複数個設けてもよいし、プラットフォーム205の造形パッド252との対向面の面積よりも小さい形状のものを1つ設けてもよく、これらには限定されない。ここで、弾性部材207としては、例えば、バネやゴムなどが代表的であるがこれらには限定されない。
弾性部材207は、プラットフォーム205が下降してきて、プラットフォーム205に設けられた造形パッド252が、材料貯蔵部204の底面242と接触し、さらにプラットフォーム205が下方へ押し込まれた場合のクッションの役目を果たす。つまり、造形パッド252と底面242とが接触しているにもかかわらず、プラットフォーム205さらに下方に下がってくると、例えば、ガラス製の底面242に余計な荷重が加わり、ガラス製の底面242が破損してしまう。
そのため、造形パッド252と底面242とが接触した状態で、プラットフォーム205が下方に押し込まれても、底面242が破損しないようにするために、弾性部材207が、プラットフォーム205から底面242にかかる荷重を吸収するクッションとなる。このようにすることにより、プラットフォーム205の位置調整をする際に、誤ってプラットフォーム205の位置を下げ過ぎた場合に底面242にかかる荷重を吸収することができる。すなわち、弾性部材207がなければ、プラットフォーム205から底面242に対してダイレクトに荷重がかかるため、プラットフォーム205の移動を正確に行わなければ、底面242の破損を防ぐことができない。
また、材料貯蔵部204の支柱側には、メカニカルストッパ282が支柱側に突出するように設けられている。つまり、材料貯蔵部204は、四角い箱型の形状ではなく、出っ張りを有する箱形の形状となっている。そして、プラットフォーム支持部材251の支柱側の端部の下面には、移動規制部281が設けられている。
移動規制部281とメカニカルストッパ282とは、プラットフォーム205の下方への移動を規制する規制部208を構成する。つまり、プラットフォーム205を上下方向へ移動させると、プラットフォーム205の移動に伴って、移動規制部281も上下方向へ移動する。そして、移動規制部281が、メカニカルストッパ282と接触すると、移動規制部281はそれ以上下方へ移動することができなくなるので、プラットフォーム205も下方へ移動することができなくなる。
また、この場合、3次元造形装置200の設計寸法として、弾性部材207の高さ(B)よりも、移動規制部281とメカニカルストッパ282との間の隙間(A)を小さくする(A<B)。これにより、弾性部材207のストローク内でプラットフォーム205の移動がメカニカルストッパ282で制限され、材料貯蔵部204の底面242には、弾性部材207によりかかる荷重以上の荷重がかかることがない。
次に、図3A乃至図3Jを用いて、プラットフォーム205の位置決め手順を説明する。図3Aに示したように、例えば、3次元造形装置200の制御用ソフトウェアのマニュアルモードなどで、プラットフォーム205の上下方向(鉛直方向)の位置を調整(Z軸位置調整)する。そして、プラットフォーム205を材料貯蔵部204のガラス製の底面242付近まで下げる。すなわち、移動部を用いて、プラットフォーム支持部材251を上下させれば、プラットフォーム支持部材251の動きに合わせて、プラットフォーム205も上下方向に移動する。
プラットフォーム205の上下方向(Z軸方向)の移動距離を、例えば、10mm単位,1mm単位,0.1mm単位などで調整することにより、プラットフォーム205を目視により徐々に細かく移動させる。そして、プラットフォーム205に設けられた造形パッド252と材料貯蔵部204の底面242との間に1〜2mmの隙間ができる位置までプラットフォーム205を移動させて、下降させる。
図3Bに示したように、プラットフォーム205のプラットフォーム取付ネジ253を緩めて造形パッド252(造形パッド面)と底面242とを合わせる。プラットフォーム取付ネジ253を緩めることにより、造形パッド252と底面242との間には隙間がないようにし、プラットフォーム205とプラットフォーム支持部材251との間には隙間ができるようにする。すなわち、プラットフォーム取付ネジ253を緩めることにより、プラットフォーム205がプラットフォーム支持部材251から離れ、下方へ落ちるので、造形パッド252と底面242とを合わせることができる。
図3Cに示したように、プラットフォーム205とプラットフォーム支持部材251との間の隙間が50〜100μmになるように調整する。つまり、図3Bに示したように、この状態では、プラットフォーム取付ネジ253が緩められているので、移動部を用いて、プラットフォーム支持部材251を上下させても、プラットフォーム205は上下方向に移動しない。したがって、プラットフォーム支持部材251を上下させることにより、プラットフォーム205とプラットフォーム支持部材251との間の隙間が50〜100μmとなるようにする。
なお、この場合、フォトセンサ231が作動して(LED(Light Emitting Diode)消灯)プラットフォーム支持部材251の位置を下げられない場合には、センサ調整ステージ233によりフォトセンサ231の位置を下げればよい。このように、フォトセンサ231の位置を下げれば、プラットフォーム205の位置をさらに下げることができる(LEDが点灯する位置に調整できる)。
図3Dの左図に示したように、プラットフォーム205とプラットフォーム支持部材251との間の隙間を50〜100μmに調整できたら、プラットフォーム取付ネジ253を締めて、プラットフォーム205をプラットフォーム支持部材251に固定する。そして、図3Dの右図に示したように、プラットフォーム205の位置が固定できたら、フォトセンサ231をLEDが消灯する位置(LEDがぎりぎり消灯する位置)に微調整する。
この状態で、3次元造形装置200の制御用ソフトウェアのZ軸原点復帰をONにする。つまり、この状態をプラットフォーム205の位置の基準位置とする。そして、プラットフォーム205を上昇させてから、プラットフォームをゆっくり下降させ、フォトセンサ231のLEDが消灯する位置で停止させる(図3E右図参照)。
図3F左図に示したように、プラットフォーム取付ネジ253を緩め、プラットフォーム205とプラットフォーム支持部材251との間の隙間をチェックする。図3F右図に示したように、チェックした隙間が大きい場合、フォトセンサ231の位置を下げ、チェックした隙間が小さい場合、フォトセンサの231の位置を上げる。
図3Gに示したように、プラットフォーム205とプラットフォーム支持部材251との間の隙間をチェックしながら、図3Eおよび図3Fに示した手順を繰り返して、プラットフォーム取付ネジ253を締めて、プラットフォーム205の位置を固定することにより、原点設定位置が決まる。つまり、スライスが50μmならば、プラットフォーム205とプラットフォーム支持部材251との間の隙間は50μm前後とし、スライスが5μmならば隙間がないよう(密着しているが押し付けは無い状態)に設定する。ここでスライスとは、3次元造形時のZ軸の設定値をいう。この設定値が細かいほど精密に造形することとなる。
図3Hに示したように、プラットフォーム205の位置を上に大きく上げて(例えば、50mm)、材料貯蔵部204に材料241としてレジン(樹脂)などを投入する。
図3Iに示したように、材料241を投入したら、プラットフォーム205の位置を原点設定位置まで下げて、造形パッド252が材料241に浸かるようにし、造形パッド252と材料貯蔵部204の底面242との間の隙間を確認する。造形パッド252と材料貯蔵部204の底面242との間の隙間の調整が必要であれば、図3F、図3Gおよび図3Iの手順を繰り返す。
図3J左図に示したように、プラットフォーム205を上昇させながら、材料貯蔵部204の下方にある光源201から材料241に対して光線211を照射して、3次元造形物301の造形を開始する。図3J右図に示したように、3次元造形物301の造形が終わり、別のプラットフォーム205をプラットフォーム支持部材251に取り付けた場合、図3Iを実施しプラットフォーム205の位置の確認および調整を行う。以上、図3A乃至図3Jを用いてプラットフォーム205の位置合わせについて説明をした。
本実施形態によれば、プラットフォーム205の位置合わせを精度高く行えるので、プラットフォーム205と材料貯蔵部204の底面242とを正確に位置合わせすることができる。また、プラットフォーム205と底面242とを正確に位置合わせできるので、高精細な3次元造形物、例えば、数ミクロンオーダーの精度の3次元造形物を造形することができる。
さらに、本実施形態によれば、プラットフォーム205の位置合わせの際に、規制部208の作用により、プラットフォーム205の下方への移動が制限されるので、材料貯蔵部204の底面242(のガラス)を破損することがない。
[第3実施形態]
次に本発明の第3実施形態に係る3次元造形装置について、図4および図5を用いて説明する。図4は、本実施形態に係る3次元造形装置の構成を説明する部分拡大図である。本実施形態に係る3次元造形装置は、上記第2実施形態と比べると、荷重検出部を有する点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
3次元造形装置400は、荷重検出部401をさらに備える。荷重検出部401は、プラットフォーム205から材料貯蔵部204の底面242にかかる荷重を検出する。このように、荷重を検出する荷重検出部401を設けることにより、例えば、規制部208による制限を超えてプラットフォーム205が移動した場合であっても、このようなプラットフォーム205の移動を確実に検出できる。そして、プラットフォーム205の過剰な移動を検知できるので、材料貯蔵部204の底面242の破損をより確実に防止することができる。
また、3次元造形装置400は、荷重検出部401の検出結果に基づいて、アラートを報知する報知部402を備えてもよい。報知部402は、例えば、所定の荷重以上の荷重が荷重検出部401にかかった場合に、音や光、振動、メッセージなどでアラートを報知するが、アラートの報知の方法はこれらには限定されない。
図5は、本実施形態に係る3次元造形装置の動作手順を説明するフローチャートである。ステップS501において、3次元造形装置400は、移動部によりプラットフォーム205を上下方向に移動させる。ステップS503において、3次元造形装置400は、材料貯蔵部204にかかる荷重を検出する。ステップS505において、3次元造形装置400は、材料貯蔵部204にかかる荷重が所定荷重以上の荷重を検出したか否かを判断する。所定荷重以上の荷重でない場合(ステップS505のNO)、3次元造形装置400は、荷重の検出を継続する。所定荷重以上の荷重である場合(ステップS505のYES)、3次元造形装置400は、次のステップへと進む。ステップS507において、3次元造形装置400は、アラートを報知する。そして、ステップS509において、3次元造形装置400は、検出した荷重に対応して、移動部によるプラットフォーム205の移動を制御する。ステップS511において、3次元造形装置400は、プラットフォーム205の移動制御が終了したか否かを判断する。プラットフォーム205の移動制御が終了していない場合(ステップS511のNO)、3次元造形装置400は、プラットフォーム205の移動制御を継続する。プラットフォーム205の移動制御が終了した場合(ステップS511のYES)、3次元造形装置400は、動作を終了する。なお、図5に示したフローチャートは、上記第2実施形態で説明をした3次元造形装置200においても同様に適用できる。
本実施形態によれば、荷重検出部を設けたので、規制部による制限を超えるプラットフォームの移動を確実に検出することができる。また、プラットフォームの過剰移動を検出できるので、材料貯蔵部の底面の破損を効果的に防止することができる。
[他の実施形態]
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるWWW(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)は本発明の範疇に含まれる。

Claims (9)

  1. 3次元造形物を造形する3次元造形装置であって、
    前記3次元造形物の材料が貯蔵される材料貯蔵手段と、
    前記材料貯蔵手段に対向して配置されるプラットフォームと、
    前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動手段と、
    前記プラットフォームの前記材料貯蔵手段との対向面側に弾性部材を介して設けられた、前記3次元造形物が造形される造形パッドと、
    を備える3次元造形装置。
  2. 前記プラットフォームと前記造形パッドとの間に前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出手段と、
    検出した荷重に基づいて、前記移動手段による前記プラットフォームの移動を制御する移動制御手段と、
    をさらに備える請求項1に記載の3次元造形装置。
  3. 前記荷重検出手段の検出結果に基づいて、アラートを報知する報知手段をさらに備えた請求項2に記載の3次元造形装置。
  4. 前記プラットフォームの下方への移動を規制する規制手段をさらに有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の3次元造形装置。
  5. 前記規制手段は、メカニカルストッパである請求項4に記載の3次元造形装置。
  6. 前記材料貯蔵手段は、光線を透過可能な部材を含む請求項1乃至5のいずれか1項に記載の3次元造形装置。
  7. 前記光線を透過可能な部材は、ガラスを含む請求項6に記載の3次元造形装置。
  8. 3次元造形物の材料が貯蔵される材料貯蔵手段と、
    前記材料貯蔵手段に対向して配置されるプラットフォームと、
    前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動手段と、
    前記プラットフォームの前記材料貯蔵手段との対向面側に弾性部材を介して設けられた、前記3次元造形物が造形される造形パッドと、
    前記プラットフォームと前記造形パッドとの間に前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出手段と、
    を備える3次元造形装置の制御方法であって、
    前記移動手段により、前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動ステップと、
    前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出ステップと、
    検出した荷重に基づいて、前記移動手段による前記プラットフォームの移動を制御する制御ステップと、
    を含む3次元造形装置の制御方法。
  9. 3次元造形物の材料が貯蔵される材料貯蔵手段と、
    前記材料貯蔵手段に対向して配置されるプラットフォームと、
    前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動手段と、
    前記プラットフォームの前記材料貯蔵手段との対向面側に弾性部材を介して設けられた、前記3次元造形物が造形される造形パッドと、
    前記プラットフォームと前記造形パッドとの間に前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出手段と、
    を備える3次元造形装置の制御プログラムであって、
    前記移動手段により、前記プラットフォームを上下方向に移動させる移動ステップと、
    前記材料貯蔵手段にかかる荷重を検出する荷重検出ステップと、
    検出した荷重に基づいて、前記移動手段による前記プラットフォームの移動を制御する制御ステップと、
    をコンピュータに実行させる3次元造形装置の制御プログラム。
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