JP2019162826A - 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
Description
また、3Dプリンタにおいて製造される立体物は多様化する傾向にあり、例えば、従来に比べて大型の立体物等が製造されたり、複数の立体物が繰り返し製造されたりするようになっている。
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。
このように、従来の3Dプリンタにおいては、多様な立体物を製造する上で改善の余地があった。
前記立体物の造形過程において、前記台座を水平方向または鉛直方向の少なくともいずれかに移動させる台座移動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、上フレーム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、台座部224と、オートフィーダ部225と、支持部材介装部226と、を備えている。
また、図3A及び図3Bは、造形材料の供給装置222aの断面図である。
図2に示すように、造形材料の供給装置222aには、造形材料の供給経路が2つ備えられており、それぞれ異なるリールから造形材料が供給される。そして、図3Aに示すように、例えば左側の造形材料の供給経路から造形材料を供給して立体物を積層造形している際に、左側の供給経路に供給される造形材料の残りが少なくなったことが検出されると、積層造形を一時停止し、左側の供給経路に造形材料を供給しているリールを所定量巻き戻す。そして、図3Bに示すように、右側の供給経路に造形材料を供給するリールから造形材料を送り出すことにより、積層造形を再開する。
図4は、台座部224の構成例を示す模式図(斜視図)である。
図4に示すように、本実施形態において、台座部224は環状のベルト部材を有し、ベルト部材の表面に強粘着性を有する材料(強粘着テープ等)、ベルト部材の裏面に弱粘着性を有する材料(弱粘着性テープ等)を備えている。ベルト部材の表面に強粘着性を有する材料を備えることにより、立体物をベルト部材の表面に粘着させることができるため、台座部224の移動時に、立体物がずれることを抑制できる。なお、立体物をベルト部材の表面に粘着させる方法として、既製の粘着テープを用いる方法の他、造形材料や造形物の形状に合わせてマスキングテープを加工して作成した粘着テープを用いる方法、あるいは、ベルト部材の表面に凹凸を形成する方法等を用いることができる。
また、このベルト部材は、上述のように、台座部224において、立体物造形部20の前後方向に巻回されており、オートフィーダ部225によって回転駆動される。
台座部224において、立体物が搬出される場合、ベルト部材の回転端部に立体物が搬送されると、ベルト部材の回転によって、ベルト部材の表面から立体物が剥離される。
図6A〜図6Cに示すように、本実施形態においては、ベルト部材を回転駆動することにより、製造された立体物をベルト部材の表面から剥離し、立体物造形部20の外部に搬出する。
このような動作をより効率的に行うため、本実施形態における台座部224には、立体物のベルト部材表面からの剥離を補助するための剥離プレート224aが備えられている。
図7Aに示すように、立体物がベルト部材の回転端部に達した場合、ベルト部材をさらに回転駆動させて立体物を剥離プレート224aに当接させることにより、立体物をベルト部材表面から剥離させることが可能となる。
図7Cは、剥離対象の立体物が剥離プレート224aに当接した後、立体物のエッジがベルト部材の表面に粘着し続けた状態を示す模式図(側面図)、図7Dは、剥離対象の立体物が剥離後に転倒してベルト部材に再度粘着した状態を示す模式図(側面図)である。
立体物がベルト部材の回転によって図7Cの状態となった後、図7Dに示すように立体物がベルト部材に再度粘着する状態を避け、立体物が台座部224から搬出されることが望ましい。そこで、本実施形態においては、図7Bに示すように、剥離プレート224aの形状を三角状の刃とすることにより、立体物の底面をベルト部材の表面から同時に剥離させず、一部の粘着を残すことで、立体物を搬出する方向に移動させる作用を維持する。これにより、ベルト部材をより確実に搬出することが可能となる。
これにより、上下動軸23a〜23cに沿うアーム24a〜24cの移動によって3Dプリンタヘッド222が造形可能な鉛直方向の範囲(以下、「最大プリント高さH1」と称する。)に対して、オートフィーダ部225が台座部224を鉛直方向に移動させることにより3Dプリンタヘッド222が造形可能な範囲(以下、「台座移動高さH2」と称する。)を付加することができ、立体物造形部20によって造形可能な立体物の鉛直方向のサイズをより大型化できる。
また、オートフィーダ部225は、台座部224のベルト部材を立体物造形部20の前後方向に回転駆動するためのアクチュエータを備えており、データ処理部10の指示に従って、台座部224のベルト部材を立体物造形部20の前後方向に回転駆動する。
なお、図8A及び図8Bにおいては、一例として、台座部224に家形の立体物が積層造形された状態を示している。
このような構成により、立体物を積層造形する台座部224の範囲を前後方向にずらしたり、製造された立体物を立体物造形部20の前方に搬出したりすることができる。即ち、立体物造形部20によって造形可能な立体物の前後方向のサイズを、3Dプリンタヘッド222が造形可能な水平方向の範囲(以下、「最大プリント範囲E」と称する。)より大型化したり、立体物の製造完了後、自動的に次の立体物を製造したりすることが可能となる。なお、図8A及び図8Bに示す家形の立体物は、最大プリント範囲Eを超えるサイズで造形されている。
また、図10は、支持部材が造形途中の立体物の積層面に架け渡された状態を示す模式図である。
さらに、図11A及び図11Bは、介装された支持部材に造形材料が積層造形された立体物を示す模式図であり、図11Aは斜視図、図11Bは正面図である。
立体物を支えるための支持部材としては、薄い樹脂フィルム、糸、網が有効である。支持部材として網を選択した場合、網は強度が強く、目の粗さを選択でき、張力の調整が可能であるという特徴を有する。そして、支持部材としての網の張りを強くすることで、揺れを大幅に低減することができるという効果を奏する。立体物の製造終了後の網の除去については、水溶性材料からなる網を使用することで、容易に網を除去することが可能である。支持部材の張力は、台座部224を上下に移動させることで調整可能であり、これに応じて、積層の開始点も新たに設定する。
図12A〜図12Cは、オーバーハング部分の構造を説明するための模式図(斜視図)であり、図12Aはオーバーハング部分の例を示す図、図12Bはオーバーハング部分のサポート材を用いることにより、オーバーハング部分の積層造形を実現する状態を示す図、図12Cは支持部材介装部226によって支持部材を介装させることにより、オーバーハング部分の積層造形を実現する状態を示す模式図である。
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13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13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、造形物評価部114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、台座部224と、オートフィーダ部225と、支持部材介装部226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。
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24a〜24c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。
台座部224は、立体物が積層造形される台座となる。また、台座部224は、積層制御部113の指示に応じて、オートフィーダ部225によって鉛直方向に移動されたり、ベルト部材を駆動されたりする。
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14A及び図14B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。
CADデータが示す立体物のサイズが、立体物製造装置1が製造可能な立体物の最大サイズ以内(鉛直方向及び水平方向の最大サイズ以内)でない場合、ステップS2においてNOと判定されて、立体物製造処理は終了する。
一方、CADデータが示す立体物のサイズが、立体物製造装置1が製造可能な立体物の最大サイズ以内(鉛直方向及び水平方向の最大サイズ以内)である場合、ステップS2においてYESと判定されて、処理はステップS3に移行する。
立体物の製造に支持部材の介装が必要でない場合、ステップS3においてNOと判定されて、処理はステップS18に移行する。
一方、立体物の製造に支持部材の介装が必要である場合、ステップS3においてYESと判定されて、処理はステップS4に移行する。
供給装置222aに現在供給されているフィラメントが設定された残量以下となっている場合、ステップS5においてYESと判定されて、処理はステップS6に移行する。
一方、供給装置222aに現在供給されているフィラメントが設定された残量以下となっていない場合、ステップS5においてNOと判定されて、処理はステップS7に移行する。
ステップS7において、積層制御部113は、現在の積層部分(1層分)が3Dプリンタヘッド222の最大プリント範囲Eを超えるか否かの判定を行う。
現在の積層部分(1層分)が3Dプリンタヘッド222の最大プリント範囲Eを超えない場合、ステップS7においてNOと判定されて、処理はステップS8に移行する。
一方、現在の積層部分(1層分)が3Dプリンタヘッド222の最大プリント範囲Eを超える場合、ステップS7においてYESと判定されて、処理はステップS9に移行する。
ステップS8の後、処理はステップS10に移行する。
ステップS9において、積層制御部113は、オートフィーダ部225によって台座部224のベルト部材を前後方向に搬送させて、積層要素を積層する。
立体物の積層部分の画像を取得するタイミングである場合、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、立体物の積層部分の画像を取得するタイミングでない場合、ステップS10においてNOと判定されて、処理はステップS13に移行する。
ステップS12において、積層制御部113は、画像取得制御部112によって取得された立体物の積層部分の画像と、立体物の外形を示すデータとを比較し、造形されている立体物の形状が目的とする立体物の形状に対して許容範囲にあるか否かの判定を行う。
造形されている立体物の形状が目的とする立体物の形状に対して許容範囲にある場合、ステップS12においてYESと判定されて、処理はステップS13に移行する。
一方、造形されている立体物の形状が目的とする立体物の形状に対して許容範囲にない場合、ステップS12においてNOと判定されて、立体物製造処理は終了となる。
支持部材を介装するための条件が充足されていない場合、ステップS13においてNOと判定されて、処理はステップS5に移行する。
一方、支持部材を介装するための条件が充足されている場合、ステップS13においてYESと判定されて、処理はステップS14に移行する。
ステップS15において、積層制御部113は、支持部材介装部226によって、製造中の立体物に支持部材を介装させる。
ステップS16において、積層制御部113は、支持部材が介装された後の立体物の位置を基準としてアドレスを計算する。これにより、支持部材が介装された後も、適切な位置に造形材料を吐出することが可能となる。
製造中の立体物の積層工程に支持部材を介装する部分が残されていない場合、ステップS17においてNOと判定されて、処理はステップS19に移行する。
一方、製造中の立体物の積層工程に支持部材を介装する部分が残されている場合、ステップS17においてYESと判定されて、処理はステップS5に移行する。
供給装置222aに現在供給されているフィラメントが設定された残量以下となっている場合、ステップS19においてYESと判定されて、処理はステップS20に移行する。
一方、供給装置222aに現在供給されているフィラメントが設定された残量以下となっていない場合、ステップS5においてNOと判定されて、処理はステップS21に移行する。
ステップS21において、積層制御部113は、現在の積層部分(1層分)が3Dプリンタヘッド222の最大プリント範囲Eを超えるか否かの判定を行う。
現在の積層部分(1層分)が3Dプリンタヘッド222の最大プリント範囲Eを超えない場合、ステップS21においてNOと判定されて、処理はステップS22に移行する。
一方、現在の積層部分(1層分)が3Dプリンタヘッド222の最大プリント範囲Eを超える場合、ステップS21においてYESと判定されて、処理はステップS23に移行する。
ステップS22の後、処理はステップS24に移行する。
ステップS23において、積層制御部113は、オートフィーダ部225によって台座部224のベルト部材を前後方向に搬送させて、積層要素を積層する。
立体物の積層部分の画像を取得するタイミングである場合、ステップS24においてYESと判定されて、処理はステップS25に移行する。
一方、立体物の積層部分の画像を取得するタイミングでない場合、ステップS24においてNOと判定されて、処理はステップS27に移行する。
ステップS26において、積層制御部113は、画像取得制御部112によって取得された立体物の積層部分の画像と、立体物の外形を示すデータとを比較し、造形されている立体物の形状が目的とする立体物の形状に対して許容範囲にあるか否かの判定を行う。
造形されている立体物の形状が目的とする立体物の形状に対して許容範囲にある場合、ステップS26においてYESと判定されて、処理はステップS27に移行する。
一方、造形されている立体物の形状が目的とする立体物の形状に対して許容範囲にない場合、ステップS26においてNOと判定されて、立体物製造処理は終了となる。
ステップS27において、積層制御部113は、立体物の造形が終了したか否かの判定を行う。
立体物の造形が終了していない場合、ステップS27においてNOと判定されて、処理はステップS19に移行する。
一方、立体物の造形が終了した場合、ステップS27においてYESと判定されて、処理はステップS28に移行する。
製造された立体物に支持部材が介装されていない場合、ステップS28においてNOと判定されて、処理はステップS30に移行する。
一方、製造された立体物に支持部材が介装されている場合、ステップS28においてYESと判定されて、処理はステップS29に移行する。
ステップS30において、積層制御部113は、オートフィーダ部225によって台座部224のベルト部材を前方に搬送させて、製造した立体物を立体物製造装置1の外部に搬出する。
ステップS31において、積層制御部113は、次の立体物の製造が指示されているか否かの判定を行う。
次の立体物の製造が指示されている場合、ステップS31においてYESと判定されて、処理はステップS1に移行する。
一方、次の立体物の製造が指示されていない場合、ステップS31においてNOと判定されて、立体物製造処理は終了となる。
また、立体物製造装置1によれば、柔らかい材料での積層造形、細長い形状の積層造形において、支持部材を介装することにより揺れを防止することができるため、立体物の品質を維持することができる。
3Dプリンタヘッド222は、立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、水平方向及び鉛直方向の移動範囲内で、立体物を構成する積層要素を積層し、当該立体物を造形する。
オートフィーダ部225は、立体物の造形過程において、台座部224を水平方向または鉛直方向の少なくともいずれかに移動させる。
これにより、造形可能な立体物の水平方向及び鉛直方向のサイズをより大型化できる。
したがって、3Dプリンタによって、より適切に多様な立体物を製造することが可能となる。
3Dプリンタヘッド222は、当該3Dプリンタヘッド222の鉛直方向における移動範囲を超える高さの立体物を造形する。
これにより、立体物造形部20によって造形可能な立体物の鉛直方向のサイズをより大型化できる。
支持部材介装部226は、立体物の積層面に架け渡され、立体物製造装置1に対して立体物を支持する支持部材を、積層中の立体物に介装させる。
したがって、支持部材を介装することにより揺れを防止することができるため、立体物の品質を維持することができる。
これにより、オーバーハング部を支持するためのサポート材の材料コストやプリント時間を削減することができる。
切断部226Aは、立体物に介装された支持部材を切断する。
これにより、造形時に立体物を支持した支持部材を切断し、立体物を搬送することが可能となる。
これにより、立体物を支持しつつ、支持部材上に造形材料を容易に積層することができる。
これにより、目的に応じて網の目の粗さを選択して、支持部材として用いることができる。
これにより、立体物の製造後に、容易に網を除去することが可能となる。
3Dプリンタヘッド222は、当該3Dプリンタヘッド222の水平方向における移動範囲を超える位置に立体物を造形する。
これにより、立体物造形部20によって造形可能な立体物の水平方向のサイズをより大型化できる。
これにより、製造した立体物を自動的に搬出し、連続的に立体物を製造することが可能となる。
これにより、台座部224を移動させた場合にも、造形されている立体物がずれることを抑制できる。
これにより、台座部224の端部に移動された立体物を台座部224から剥離し、立体物製造装置1の外部に搬出することができる。
これにより、より容易に立体物を台座部224から剥離することが可能となる。
供給装置222aは、積層要素となる造形材料を供給する複数の供給経路を備える。
供給装置222aは、造形材料を供給している供給経路において造形材料の残存量を検出する。
供給装置222aは、造形材料の残存量が予め設定された量以下であることが検出された場合に、造形材料を供給する供給経路を他の供給経路に切り替える。
これにより、造形の停止時に発生する製造物の品質に対する影響を抑制し、連続的に立体物を製造することができる。
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、台座部224の上に立体物を製造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、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 (16)
- 立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、水平方向及び鉛直方向の移動範囲内で、前記立体物を構成する積層要素を積層し、当該立体物を造形する造形手段と、
前記立体物の造形過程において、台座を水平方向または鉛直方向の少なくともいずれかに移動させる台座移動手段と、
を備えることを特徴とする立体物製造装置。 - 前記台座移動手段は、前記立体物の造形過程において前記台座を鉛直方向に移動させ、
前記造形手段は、当該造形手段の鉛直方向における前記移動範囲を超える高さの前記立体物を造形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。 - 前記立体物の積層面に架け渡され、前記立体物製造装置に対して前記立体物を支持する支持部材を、積層中の前記立体物に介装させる支持部材介装手段を備え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。
- 前記支持部材介装手段は、前記立体物において上側部分が下側部分より外方にせり出したオーバーハング部の位置で、前記支持部材を前記立体物に介装させることを特徴とする請求項3に記載の立体物製造装置。
- 前記立体物に介装された前記支持部材を切断する支持部材切断手段を備えることを特徴とする請求項3または4に記載の立体物製造装置。
- 前記支持部材は、シート状の部材によって構成されることを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記支持部材は、網状の部材によって構成されることを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記支持部材は、水溶性の材料によって構成されることを特徴とする請求項3から7のいずれか1項に記載の立体物製造装置。
- 前記台座移動手段は、前記立体物の造形過程において前記台座を水平方向に移動させ、
前記造形手段は、当該造形手段の水平方向における前記移動範囲を超える位置に前記立体物を造形することを特徴とする請求項から8のいずれか1項に記載の立体物製造装置。 - 前記台座移動手段は、造形が完了した前記立体物を水平方向に移動させ、前記台座から排出する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。
- 前記台座は、平坦な面よりも前記積層要素となる造形材料の粘着性が高められた表面を備える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。
- 前記台座の端部には、当該端部に移動した前記立体物を前記台座から剥離させる剥離手段が備えられてい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。
- 前記剥離手段は、端部に凹凸を有する部材を前記立体物に当接させることにより、前記立体物を前記台座から剥離させることを特徴とする請求項12に記載の立体物製造装置。
- 前記積層要素となる造形材料を供給する複数の供給経路と、
前記造形材料を供給している前記供給経路において前記造形材料の残存量を検出する検出手段と、
前記検出手段によって前記造形材料の残存量が予め設定された量以下であることが検出された場合に、前記造形材料を供給する供給経路を他の供給経路に切り替える切替手段と、
を備え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。 - 立体物の形状を表す3次元形状データに基づいて、水平方向及び鉛直方向の移動範囲内で、前記立体物を構成する積層要素を積層し、当該立体物を造形する造形ステップと、
前記立体物の造形過程において、台座を水平方向または鉛直方向の少なくともいずれかに移動させる台座移動ステップと、
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、水平方向及び鉛直方向の移動範囲内で、前記立体物を構成する積層要素を積層し、当該立体物を造形する造形制御機能と、
前記立体物の造形過程において、台座を水平方向または鉛直方向の少なくともいずれかに移動させる台座移動制御機能と、
実現させることを特徴とするプログラム。
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