JP2020011474A - Molding apparatus and method of manufacturing molded object - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、造形装置及び造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a molding apparatus and a method of manufacturing a molded article.
三次元造形物を製造する方法として、FDM(熱融解積層)方式が知られている。FDM方式を利用した造型装置では、樹脂等の材料を加熱された吐出ノズルに外部から送入して溶融させ、吐出ノズルが取り付けられたヘッドモジュールを三次元的に動かしながら溶融された材料を造形テーブルに吐出し、造形テーブル上で材料を積層させていくことにより、任意の形状の三次元造形物を製造する。吐出ノズルから吐出される材料の吐出量は、吐出ノズルへ送入される材料の送入量に応じて変化する。従って、ノズルへの送入量を正確に制御することにより、ノズルからの吐出量を安定させ、造形物の形状精度を向上させることができる。 As a method of manufacturing a three-dimensional structure, an FDM (hot melt lamination) method is known. In a molding apparatus that uses the FDM method, a material such as resin is fed into a heated discharge nozzle from the outside and melted, and the molten material is formed while moving a head module equipped with the discharge nozzle three-dimensionally. By discharging the material onto the table and stacking the materials on the modeling table, a three-dimensional model having an arbitrary shape is manufactured. The discharge amount of the material discharged from the discharge nozzle changes according to the transfer amount of the material transferred to the discharge nozzle. Therefore, by accurately controlling the amount of ink to be fed into the nozzle, the amount of discharge from the nozzle can be stabilized, and the shape accuracy of the modeled object can be improved.
例えば、造形物の形状精度を向上させることを目的として、線状の材料(フィラメント)を外部から吐出ノズルへと送入するローラに対向する位置にローラの回転量を示す回転信号を検出する回転量検出部を設け、モータの駆動量を指示する駆動信号と回転信号とを比較し、比較結果に基づいて駆動信号を変化させる技術が開示されている(特許文献1)。 For example, in order to improve the shape accuracy of a formed object, a rotation for detecting a rotation signal indicating a rotation amount of a roller at a position facing a roller for feeding a linear material (filament) from the outside to a discharge nozzle. A technique is disclosed in which an amount detection unit is provided, a drive signal for instructing a drive amount of a motor is compared with a rotation signal, and the drive signal is changed based on the comparison result (Patent Document 1).
上記のような従来技術によれば、材料の吐出ノズルへの送入量をある程度適正化することができる。しかしながら、吐出ノズルから実際に吐出される材料の吐出量は、送入量のみに応じて決定されるものではなく、造形装置の各構成要素の特徴、稼働条件等に応じて変化する。例えば、実際の吐出量は、送入量が一定であっても、吐出ノズルの移動速度、吐出ノズル(材料)の温度、造形テーブルの温度、造形テーブルの形状、吐出ノズルと造形テーブルとの位置関係等のパラメータに応じて変化する。そのため、造形物の形状精度を向上させるためには、上記のような吐出量を変化させる要因となるパラメータを加味して制御する必要があるが、従来技術によってはこのような問題を解決することができない。 According to the above-described related art, the amount of material to be fed into the discharge nozzle can be optimized to some extent. However, the discharge amount of the material actually discharged from the discharge nozzle is not determined only according to the feed amount, but changes according to the characteristics of each component of the modeling apparatus, operating conditions, and the like. For example, the actual discharge amount is the moving speed of the discharge nozzle, the temperature of the discharge nozzle (material), the temperature of the molding table, the shape of the molding table, the position of the discharge nozzle and the molding table, even if the feeding amount is constant. It changes according to parameters such as relationships. Therefore, in order to improve the shape accuracy of the modeled object, it is necessary to perform control in consideration of the above-described parameter that causes the discharge amount to change. Can not.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、造形物の形状精度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and has as its object to improve the shape accuracy of a modeled object.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る一形態である造形装置は、材料を吐出する吐出部と、前記材料を吐出部に送入する送入部と、前記吐出部に送入された前記材料の送入量を検出する送入量検出部と、前記吐出部から吐出された前記材料の吐出量を検出する吐出量検出部と、検出された前記送入量を入力として用い、検出された前記吐出量を出力として用いることにより、前記送入量と前記吐出量との対応関係を示す第1の伝達関数を導出する導出部と、前記第1の伝達関数に基づいて所望の吐出量を実現可能な校正後の送入量に算出し、前記校正後の送入量に基づいて前記送入部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a modeling apparatus according to an embodiment of the present invention includes a discharge unit that discharges a material, a feeding unit that feeds the material to a discharge unit, and a discharge unit that discharges the material to the discharge unit. A feed amount detection unit that detects a feed amount of the material fed into the unit, a discharge amount detector that detects a discharge amount of the material that is discharged from the discharge unit, and the detected feed amount A deriving unit that derives a first transfer function indicating a correspondence relationship between the feed amount and the discharge amount by using the detected discharge amount as an output, and the first transfer function. And a control unit that calculates a corrected delivery amount capable of realizing a desired discharge amount based on the calculated delivery amount, and controls the delivery unit based on the corrected delivery amount.
本発明によれば、造形物の形状精度を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the shape accuracy of a modeled object.
以下に添付図面を参照して、造形装置及び造形物の製造方法の実施形態を詳細に説明する。以下の実施形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施形態における構成要素には当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、及びいわゆる均等の範囲のものが含まれる。以下の実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更、及び組み合わせを行うことができる。 Hereinafter, an embodiment of a modeling device and a method of manufacturing a molded article will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited by the following embodiments, and components in the following embodiments include those that can be easily conceived by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are so-called equivalents. . Various omissions, substitutions, changes, and combinations of the components can be made without departing from the spirit of the following embodiments.
図1は、実施形態に係る造形装置1の構成例を示す図である。造形装置1は、三次元造形物を製造するための装置であり、その筐体内部は、造形物Mを造形するための処理空間となっている。造形装置1の筐体内部には、造形物Mの載置台としての造形テーブル11(台部)が設けられており、造形物Mは造形テーブル11上で造形される。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a modeling apparatus 1 according to an embodiment. The modeling device 1 is a device for manufacturing a three-dimensional model, and the inside of its housing is a processing space for modeling the model M. A molding table 11 (base portion) as a mounting table for the molding object M is provided inside the housing of the molding apparatus 1, and the molding object M is molded on the molding table 11.
造形装置1の筐体外部には、樹脂材料であるフィラメント12が巻回されるリール13が取り付けられている。リール13は、フィラメント12が駆動手段であるエクストルーダ14の回転に引っ張られることにより、大きな抵抗力を働かせることなく自転するように構成されている。造形テーブル11の上方にはフィラメント12を吐出させるヘッドモジュール15が設けられている。
A
図2は、実施形態に係るヘッドモジュール15の構成例を示す図である。フィラメント12を造形テーブル11へ向けて吐出する吐出ノズル21(吐出部)は、加熱ブロック22、冷却ブロック23、フィラメントガイド24等の部品と共にモジュール化されている。加熱ブロック22は、熱を発生させる熱源25と加熱ブロック22の温度を検出する熱電対26とを有し、吐出ノズル21に供給されるフィラメント12を加熱して溶融させる。冷却ブロック23は、加熱ブロック22の上部に配置され、空冷機構、水冷機構等を利用した適宜な冷却源27を有し、溶融したフィラメント12がヘッドモジュール15内の上部に逆流することを防止する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the
フィラメント12は、リール13に巻回された状態から引き出され、ヘッドモジュール15内の移送路を介して吐出ノズル21へ送入される。フィラメント12を加熱ブロック22の加熱により溶融し、溶融状態のフィラメント12を吐出ノズル21から押し出すようにして吐出することにより、造形テーブル11上に所定の形状を有する層を順次積層し、造形物Mを造形する。
The
ヘッドモジュール15は、造形装置1のX軸方向に延びるX軸駆動軸31に適宜な連結部材を介してスライド可能に保持され、X軸駆動モータ32の駆動力によりX軸駆動軸31に沿って変位する。ヘッドモジュール15は、加熱ブロック22により加熱されて高温となるため、熱がX軸駆動モータ32に伝わり難くするために、フィラメント12の移送路の熱伝導を低く抑えるフィラメントガイド24を有している。
The
X軸駆動モータ32は、造形装置1のY軸方向に延びるY軸駆動軸33に沿ってスライド可能に保持されている。X軸駆動軸31及びX軸駆動モータ32がY軸駆動モータ34の駆動力によりY軸方向に変位することにより、ヘッドモジュール15はY軸方向に変位する。
The
造形テーブル11は、Z軸方向に延びるZ軸駆動軸35及びガイド軸36に通され、Z軸駆動軸35にスライド可能に保持され、Z軸駆動モータ37の駆動力によりZ軸方向に変位する。
The molding table 11 is passed through a Z-
造形装置1は、ヘッドモジュール15のX軸方向位置を検知するX軸座標検知手段を有する。X軸座標検知手段の検知結果は、X軸駆動モータ32を制御する駆動制御手段に送られる。当該駆動制御手段は、X軸座標検知手段から受け取った検知結果に基づいてX軸駆動モータ32を駆動し、ヘッドモジュール15を目標のX軸方向位置へ移動させる。また、造形装置1は、ヘッドモジュール15のY軸方向位置を検知するY軸座標検知手段を有する。Y軸座標検知手段の検知結果は、Y軸駆動モータ34を制御する駆動制御手段に送られる。当該駆動制御手段は、Y軸座標検知手段から受け取った検知結果に基づいてY軸駆動モータ34を駆動し、ヘッドモジュール15を目標のY軸方向位置へ移動させる。
The modeling apparatus 1 has an X-axis coordinate detecting unit that detects the position of the
また、造形装置1は、造形テーブル11のZ軸方向位置を検知するZ軸座標検知手段を有する。Z軸座標検知手段の検知結果は、Z軸駆動モータ37を制御する駆動制御手段に送られる。当該駆動制御手段は、Z軸座標検知手段から受け取った検知結果に基づいてZ軸駆動モータ37を駆動し、造形テーブル11を目標のZ軸方向位置へ移動させる。
Further, the modeling apparatus 1 has a Z-axis coordinate detecting unit that detects a position of the modeling table 11 in the Z-axis direction. The detection result of the Z-axis coordinate detecting means is sent to a drive control means for controlling the Z-
上記のように駆動制御手段がヘッドモジュール15及び造形テーブル11の移動制御を行うことにより、ヘッドモジュール15と造形テーブル11との相対的な位置関係を所望の状態に調整することができる。
By controlling the movement of the
フィラメント12を溶融させて吐出する動作を継続的に実行すると、吐出ノズル21の周辺部分が溶融したフィラメント12で汚れる場合がある。このような問題に対処するものとして、本実施形態に係る造形装置1は、図1に示すように、クリーニングブラシ41を備えている。クリーニングブラシ41は、吐出ノズル21及びその周辺部分を洗浄可能なブラシである。クリーニングブラシ41によるクリーニング動作を定期的に実行することで、吐出ノズル21及びその周辺部分にフィラメント12が固着しないようにすることができる。クリーニング動作は、フィラメント12の温度が下がりきらないうちに行われることが好ましい。この場合、クリーニングブラシ41は耐熱性樹脂から形成されていることが好ましい。クリーニング動作時に生じる研磨粉等のダストをダストボックス42に蓄積し、定期的に廃棄したり、吸引路を介して外部へ排出したりすることが好ましい。
If the operation of melting and discharging the
図3は、実施形態に係る造形装置1の機能構成例を示すブロック図である。本実施形態に係る造形装置1は、X軸・Y軸駆動部101、Z軸駆動部102、X軸・Y軸移動距離検出部103、材料送入部104、送入量検出部105、材料加熱部106、材料温度検出部107、テーブル加熱部111、テーブル温度検出部112、吐出量検出部115、検出結果処理部121、吐出量検出処理部122、記憶部123、伝達関数導出部124、及び駆動制御部125を有する。造形装置1は、プログラムに従って所定の制御演算処理を行うCPU(Central Processing Unit)、プログラムや各種データを記憶するメモリ、外部機器と接続するインターフェース等の協働により構成される制御ユニット51を有する。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a functional configuration example of the modeling apparatus 1 according to the embodiment. The modeling apparatus 1 according to the present embodiment includes an X-axis / Y-
X軸・Y軸駆動部101は、制御ユニット51からの制御信号に応じてX軸駆動モータ32及びY軸駆動モータ34を制御し、ヘッドモジュール15をXY平面上の所望の位置に変位させる。
The X-axis / Y-
Z軸駆動部102は、制御ユニット51からの制御信号に基づいてZ軸駆動モータ37を制御し、造形テーブル11のZ軸方向位置を所望の位置に変位させる。
The Z-
X軸・Y軸移動距離検出部103は、ヘッドモジュール15のX軸方向及びY軸方向のそれぞれの移動距離を検出し、検出結果を制御ユニット51にフィードバックする。X軸・Y軸移動距離検出部103による検出結果に基づいて、ヘッドモジュール15の移動速度を算出することができる。
The X-axis / Y-axis movement
材料送入部104は、制御ユニット51からの制御信号及びX軸・Y軸駆動部101から取得される駆動信号に基づいて、フィラメント12を吐出ノズル21に送入する。
The
送入量検出部105は、吐出ノズル21に送出されたフィラメント12の送入量を検出し、検出結果を制御ユニット51にフィードバックする。
The feed
材料加熱部106は、制御ユニット51からの制御信号に基づいて、吐出ノズル21の温度又は吐出ノズル21に送出されたフィラメント12の温度を所望の温度に加熱する。
The
材料温度検出部107は、フィラメント12の温度又はこれに関連する温度である材料温度を検出し、検出結果を制御ユニット51にフィードバックする。材料温度には、フィラメント12自体の温度の他、吐出ノズル21の温度、材料加熱部106(加熱ブロック22)の温度等が含まれる。
The material
テーブル加熱部111は、制御ユニット51の制御信号に基づいて、造形テーブル11を所望の温度に加熱する。
The
テーブル温度検出部112は、造形テーブル11の温度又はこれに関連する温度であるテーブル温度を検出し、検出結果を制御ユニット51にフィードバックする。テーブル温度には、造形テーブル11自体の温度の他、造形テーブル11を加熱する機構(電熱ヒータ等)の温度等が含まれる。
The table
吐出量検出部115は、吐出ノズル21から吐出されたフィラメント12の量を検出し、検出結果を制御ユニット51にフィードバックする。
The discharge amount detection unit 115 detects the amount of the
検出結果処理部121は、X軸・Y軸移動距離検出部103、送入量検出部105、材料温度検出部107、及びテーブル温度検出部112からのフィードバックデータ(吐出ノズル21の移動速度、フィラメント12の吐出ノズル21への送入量、材料温度、テーブル温度等を示すデータ)に対して所定の処理を施す。ここでの所定の処理とは、例えば、当該フィードバックデータを記憶部123に記憶可能な形式に変換する処理等である。
The detection
吐出量検出処理部122は、吐出量検出部115からのフィードバックデータ(吐出ノズル21から吐出されたフィラメント12の吐出量等を示すデータ)に対して所定の処理を施す。ここでの所定の処理とは、例えば、当該フィードバックデータを記憶部123に記憶可能な形式に変換する処理等である。
The discharge amount
記憶部123は、検出結果処理部121又は吐出量検出処理部122により処理されたデータを記憶する。記憶部123は、不揮発性メモリ等から構成される。
The storage unit 123 stores data processed by the detection
伝達関数計算部124は、記憶部123に記憶されたデータに基づいて伝達関数を導出する。具体的には、送入量と吐出量との対応関係を示す伝達関数、吐出ノズル21の移動速度と吐出量との対応関係を示す伝達関数、材料温度と吐出量との対応関係を示す伝達関数、テーブル温度と吐出量との対応関係を示す伝達関数等を導出する。
The
駆動制御部125は、伝達関数に基づいて制御信号を生成する。
The
図3に示す機能構成例においては、検出結果処理部121、吐出量検出処理部122、記憶部123、伝達関数導出部124、及び駆動制御部125が、造形装置1に内蔵された制御ユニット51により実現されているが、造形装置1の機能構成例はこれに限定されるものではない。
In the example of the functional configuration illustrated in FIG. 3, the detection
図4は、実施形態に係る造形装置1の機能構成の変形例を示すブロック図である。変形例に係る造形装置1においては、造形装置1に内蔵された制御ユニット51により検出結果処理部121、吐出量検出処理部122、及び駆動制御部125が実現され、造形装置1に接続された外部コンピュータ61により記憶部123及び伝達関数導出部124が実現される。このような構成であっても、図3に示す機能構成例と同様の機能を実現することができる。伝達関数を導出するための各種データを記憶する記憶部123が外部コンピュータ61により実現されることにより、造形装置1のメモリ容量を削減することができる。また、伝達関数を導出する際の演算処理を行う伝達関数導出部124が外部コンピュータ61により実現されることにより、造形装置1の処理負荷を軽減することができる。
FIG. 4 is a block diagram illustrating a modified example of the functional configuration of the modeling apparatus 1 according to the embodiment. In the modeling apparatus 1 according to the modified example, the detection
図5は、実施形態に係る造形装置1における送入量の校正処理例を示すフローチャートである。先ず、材料送入部104は、駆動制御部125からの制御信号(校正前の制御信号)に基づいて、フィラメント12を所定の送入量(入力)で吐出ノズル21に送入する(S101)。当該送入量は、送入量検出部105により検出され、検出結果処理部121による処理を経て記憶部123に記憶される。その後、吐出量検出部115は、吐出ノズル21から吐出されたフィラメント12の吐出量(出力)を検出する(S102)。当該吐出量は、検出結果処理部121による処理を経て記憶部123に記憶される。
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a calibration process of a feeding amount in the modeling apparatus 1 according to the embodiment. First, the
その後、伝達関数導出部124は、記憶部123に記憶された送入量(入力)と吐出量(出力)との対応関係から伝達関数を導出する(S103)。駆動制御部125は、導出された伝達関数を用いて、所望の吐出量を実現するための送入量(校正後の送入量)を決定する(S104)。材料送入部104は、駆動制御部125により決定された送入量(校正後の送入量)でフィラメント12を吐出ノズル21に送入する(S105)。このような処理により、フィラメント12の吐出量の精度を向上させることができる。
Thereafter, the transfer
図6〜図8は、伝達関数の導出及び使用に関する処理を概念的に示している。ここでは、送入量を校正する場合について説明する。 6 to 8 conceptually show processing relating to derivation and use of a transfer function. Here, a case where the feed amount is calibrated will be described.
図6は、実施形態に係る伝達関数を導出する際の入力及び出力の対応関係を概念的に例示する図である。伝達関数を導出する際には、先ず、伝達関数を導出するために必要とされる入力及び出力を取得する必要がある。ここでは、吐出ノズル21に送入されたフィラメント12の送入量を入力とし、吐出ノズル21から吐出されたフィラメント12の吐出量を出力とする。入力(送入量)及び出力(吐出量)の取得方法は特に限定されるべきものではないが、例えば、目的とする造形物Mの造形を開始する前に、所定の形状(例えば一直線状)の校正用造形物を造形し、当該校正用造形物を造形する際に送入量検出部105により検出される送入量及び吐出量検出部115により検出される吐出量を、伝達関数を導出するための入力及び出力とすることができる。また、目的とする造形物Mの造形開始時又は造形中に検出される送入量及び吐出量を、伝達関数を導出するための入力及び出力としてもよい。
FIG. 6 is a diagram conceptually exemplifying a correspondence relationship between an input and an output when deriving a transfer function according to the embodiment. When deriving a transfer function, first, it is necessary to obtain inputs and outputs required to derive the transfer function. Here, the input amount of the
図7は、実施形態に係る入力及び出力の対応関係に基づいて伝達関数を導出する処理を概念的に例示する図である。所定の造形物(校正用造形物や目的とする造形物M)を造形する際に、送入量検出部105が送入量を検出し、吐出量検出部115が吐出量を検出する。これらの検出された送入量及び吐出量は記憶部123に記憶される。伝達関数導出部124は、検出(記憶)された送入量を入力、検出(記憶)された吐出量を出力として用い、入力と出力との対応関係を示す伝達関数を導出する。入力として送入量を用い、出力として吐出量を用いる場合の伝達関数は、フィラメント12の吐出に関する部分(吐出ノズル21等)の特性を数式モデルとして表すものとなる。
FIG. 7 is a diagram conceptually illustrating a process of deriving a transfer function based on the correspondence between inputs and outputs according to the embodiment. When forming a predetermined modeled object (a modeled object for calibration or a target modeled object M), the infeed
図8は、実施形態に係る伝達関数を用いて所望の吐出量を実現する際の処理を概念的に例示する図である。駆動制御部125は、導出された伝達関数を用いて所望の吐出量(目標値)に対応する送入量(校正後の送入量)を算出し、算出された校正後の送入量を示す制御信号を材料送入部104に出力する。材料送入部104は、駆動制御部125からの制御信号に基づいて、校正後の送入量でフィラメント12を吐出ノズル21に送入する。これにより、校正後の送入量に対応する吐出量、すなわち所望の吐出量でフィラメント12を吐出ノズル21から造形テーブル11に吐出させることが可能となる。
FIG. 8 is a diagram conceptually illustrating a process for realizing a desired ejection amount using the transfer function according to the embodiment. The
図9は、実施形態に係る校正後の送入量と吐出量との対応関係を例示するグラフである。図10は、比較例に係る校正前の送入量と吐出量との対応関係を例示するグラフである。図9及び図10において、フィラメント12の吐出量の目標値At、フィラメント12を吐出ノズル21に送入し始めた時刻を示す送入開始時刻T1、及び吐出ノズル21からのフィラメント12の吐出量が目標値At(目標値Atからのずれが所定の許容誤差範囲内の値を含む)に到達したときの目標到達時刻T2が示されている。
FIG. 9 is a graph exemplifying a correspondence relationship between the feed amount and the discharge amount after calibration according to the embodiment. FIG. 10 is a graph exemplifying a correspondence relationship between the feed amount and the discharge amount before calibration according to the comparative example. 9 and 10, the target value At of the discharge amount of the
図10に示す比較例は、上述したような校正処理を行わない場合の例である。本比較例においては、送入量が送入開始時刻T1から目標値Atに設定されている。この場合、吐出量(吐出ノズル21から実際に吐出されたフィラメント12の量)は、徐々に増加していき、目標到達時刻T2において目標値Atから許容誤差範囲内に到達する。このとき、送入開始時刻T1と目標到達時刻T2との時間差|T1−T2|が生じる。当該時間差が大きいほど、造形テーブル11上に吐出されるフィラメント12の形状が不安定となり、造形物Mの形状精度が低下する。
The comparative example shown in FIG. 10 is an example in which the above-described calibration processing is not performed. In this comparative example, the delivery amount is set to the target value At from the delivery start time T1. In this case, the ejection amount (the amount of the
一方、図9に示すように、上述したような校正処理を行う場合には、送入量は、例えば、送入開始時刻T1から所定の時間が経過するまでの間、目標値Atより大きく設定される。これにより、送入開始時刻T1から目標到達時刻T2までの時間差|T1−T2|を縮小することが可能となり、造形テーブル11上に吐出されるフィラメント12の形状が安定し、造形物Mの形状精度が向上する。
On the other hand, as shown in FIG. 9, when performing the above-described calibration processing, the feeding amount is set to be larger than the target value At until a predetermined time elapses from the feeding start time T1. Is done. This makes it possible to reduce the time difference | T1−T2 | from the feeding start time T1 to the target arrival time T2, stabilize the shape of the
なお、上記においては、送入量を校正する例を示したが、校正処理の対象となるパラメータは送入量に限られるものではない。例えば、吐出ノズル21(ヘッドモジュール15)の移動速度、材料温度(フィラメント12の温度、吐出ノズル21の温度、加熱ブロック22の温度等)、テーブル温度(造形テーブル11の温度等)等のパラメータについても、上記送入量と同様の手法により校正を行うことができる。すなわち、移動速度を校正する場合には、移動速度を入力とし、吐出量を出力として導出された、移動速度と吐出量との対応関係を示す伝達関数が使用される。材料温度を校正する場合には、材料温度を入力とし、吐出量を出力として導出された、材料温度と吐出量との対応関係を示す伝達関数が使用される。テーブル温度を校正する場合には、テーブル温度を入力とし、吐出量を出力として導出された、テーブル温度と吐出量との対応関係を示す伝達関数が使用される。
In the above description, an example of calibrating the input amount has been described, but the parameter to be subjected to the calibration process is not limited to the input amount. For example, parameters such as the moving speed of the discharge nozzle 21 (head module 15), the material temperature (the temperature of the
上記のような校正処理は、造形装置1の出荷前、又は出荷後使用開始前に行われることが好ましい。また、校正処理は、造形装置1の使用開始後にも定期的に行われることが好ましい。また、校正処理は、フィラメント12の種類の変更時に行われることが好ましい。これにより、造形装置1を構成する部品の特性、部品の劣化、使用環境の変化等に応じて、送入量、吐出ノズル21の移動速度、材料温度、テーブル温度等の各種パラメータを適切に校正することが可能となる。
It is preferable that the above-described calibration processing is performed before shipping of the modeling apparatus 1 or before starting use after shipping. Further, it is preferable that the calibration process is periodically performed even after the use of the modeling apparatus 1 is started. It is preferable that the calibration process is performed when the type of the
ここで、伝達関数を導出する際に利用される入力と出力との対応関係を取得するための方法について説明する。ここでは送入量を入力とし、吐出量を出力とする場合を例示する。吐出ノズル21の特性を表す伝達関数を導出するために必要な情報として、送入量の目標値と実際の吐出量との比を示すゲイン、送入量の目標値の変更時から吐出量が目標値又は許容範囲内に安定するまでの時定数、送入量の目標値の変更時から所定時間が経過した後の吐出量を示す定常値、目標値を所定の周期で変化させる場合における周波数応答特性等が挙げられる。これらの情報を効率良く取得するための方法として、ステップ入力応答法及び正弦波入力応答法がある。
Here, a method for acquiring a correspondence between an input and an output used in deriving a transfer function will be described. Here, a case where the input amount is input and the discharge amount is output will be exemplified. As information necessary to derive a transfer function representing the characteristics of the
図11は、実施形態に係るステップ入力応答法における送入量と吐出量との対応関係を例示する図である。ステップ入力応答法は、送入量を段階的(ON/OFF的)に切り換えたときの吐出量の変化を監視する方法である。ステップ入力応答法により、ゲイン、時定数、定常値等の情報を取得することができる。 FIG. 11 is a diagram exemplifying a correspondence relationship between a feed amount and a discharge amount in the step input response method according to the embodiment. The step input response method is a method of monitoring a change in the discharge amount when the feed amount is switched stepwise (ON / OFF). Information such as a gain, a time constant, and a steady value can be obtained by the step input response method.
図12は、実施形態に係る正弦波入力応答法における送入量と吐出量との対応関係を例示する図である。正弦波入力応答法は、送入量を正弦波的(波状)に変化させたときの吐出量の変化を監視する方法である。正弦波入力法により、ゲイン、時定数又は定常値の周波数応答特性等を取得することができる。 FIG. 12 is a diagram exemplifying a correspondence relationship between a feed amount and a discharge amount in the sine wave input response method according to the embodiment. The sine wave input response method is a method of monitoring a change in the discharge amount when the feed amount is changed in a sinusoidal (wave-like) manner. By the sine wave input method, it is possible to acquire a frequency response characteristic of a gain, a time constant, or a steady value.
図13及び図14は、取得される入力と出力との対応関係を例示している。図13は、実施形態に係るパラメータ(本例では送入量の目標値)と吐出速度の定常値との対応関係を例示するグラフである。図14は、実施形態に係るパラメータ(本例では送入量の目標値)と吐出量の時定数との対応関係を例示するグラフである。 FIG. 13 and FIG. 14 exemplify the correspondence between acquired inputs and outputs. FIG. 13 is a graph illustrating a correspondence relationship between a parameter according to the embodiment (a target value of a feeding amount in this example) and a steady value of a discharge speed. FIG. 14 is a graph illustrating a correspondence relationship between the parameters according to the embodiment (the target value of the input amount in this example) and the time constant of the discharge amount.
実際に吐出ノズル21から吐出されるフィラメント12の吐出量は、送入量だけでなく、吐出ノズル21の移動速度、材料温度、テーブル温度等の各種パラメータに応じて変化する。そこで、図13及び図14の横軸を様々なパラメータに変更し、適宜な伝達関数を生成することにより、様々なパラメータについて校正を行うことが可能となる。
The discharge amount of the
上記のような伝達関数の入力及び出力を取得するための具体的な手法は特に限定されるべきものではないが、例えば、造形テーブル11上に目的とする造形物Mとは別に校正用造形物を造形し、当該校正用造形物の形状等を適宜な装置を用いて測定する方法がある。 Although a specific method for acquiring the input and output of the transfer function as described above is not particularly limited, for example, a calibration model on the modeling table 11 separately from the target model M And a method of measuring the shape and the like of the object for calibration using an appropriate device.
図15は、実施形態に係る伝達関数を導出するための吐出量を検出する機構の構成例を示す図である。図15において、校正用造形物Mc、位置参照用造形物Mp、及び測定装置71が示されている。校正用造形物Mcは、伝達関数を導出するための出力として用いられる吐出量を取得するために、形状が測定される造形物である。位置参照用造形物Mpは、校正用造形物Mcの吐出開始位置及び吐出終了位置を確認するための造形物である。測定装置71は、校正用造形物Mcの形状を測定する装置である。
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a mechanism that detects a discharge amount for deriving a transfer function according to the embodiment. FIG. 15 shows a calibration molding Mc, a position reference molding Mp, and a
目的とする造形物Mを造形する際に吐出ノズル21から吐出されるフィラメント12の量及びその経時的変化を検出することで、伝達関数を導出するための出力としての吐出量を検出することができるが、溶融されたフィラメント12及び吐出ノズル21は高温であるため、出力としての吐出量を直接検出することは困難である。そこで、本実施形態では、造形テーブル11上に単純形状(本例では直線形状)の校正用造形物Mcを造形し、校正用造形物Mcの形状を測定することにより、伝達関数を導出するための出力としての吐出量を代替的に検出する。なお、校正用造形物Mcの形状は直線形状に限られるものではない。
By detecting the amount of the
校正用造形物Mcは、造形テーブル11上に直接造形され、他の造形物と接触しないように造形されることが好ましい。校正用造形物Mcに接触する他の造形物が存在すると、校正用造形物Mcと当該他の造形物との切り分けが困難となり、吐出量に関する情報を正確に測定できなくなる場合があるからである。例えば、校正用造形物Mcを他の造形物からなる下層上に造形すると、下層の表明形状の粗さ等の影響により、校正用造形物Mcと下層との境界が不明確となる。 The modeling object Mc for calibration is preferably formed directly on the modeling table 11, and is preferably formed so as not to come into contact with other modeling objects. This is because, if there is another modeled object that comes into contact with the calibration modeled product Mc, it is difficult to separate the calibration modeled product Mc from the other modeled product, and it may not be possible to accurately measure information regarding the discharge amount. . For example, when the calibration model Mc is formed on a lower layer made of another model, the boundary between the calibration model Mc and the lower layer becomes unclear due to the influence of the roughness of the asserted shape of the lower layer.
測定装置71は、校正用造形物Mcの断面積(吐出ノズル21の移動方向に垂直な断面の面積)を測定する。測定された断面積を吐出ノズル21の移動速度で除することにより、吐出量の経時的変化を算出することができる。測定装置71は、例えば、光学式の三次元形状測定装置、接触式の形状測定装置等であり得る。
The measuring
上記のように、実施形態に係る造形装置1によれば、所定のパラメータ(送入量、移動速度、材料温度、テーブル温度等)と吐出量との対応関係を示す伝達関数を導出し、伝達関数を用いて所望の吐出量を実現できるようにパラメータの値を校正する。これにより、吐出ノズル21から造形テーブル11に吐出されるフィラメント12の形状を安定化させ、目的の造形物Mの形状精度を向上させることが可能となる。
As described above, according to the modeling apparatus 1 according to the embodiment, the transfer function indicating the correspondence between the predetermined parameters (feed amount, moving speed, material temperature, table temperature, etc.) and the discharge amount is derived and transmitted. The value of the parameter is calibrated so that a desired discharge amount can be realized using the function. Thereby, the shape of the
上記各実施形態に係る造形装置1の機能を実現するプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD−ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。また、プログラムを、インターネット等のネットワークに接続された他のコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、プログラムをネットワーク経由で提供又は配布するように構成してもよい。 The program that realizes the function of the modeling apparatus 1 according to each of the above embodiments is a file in an installable format or an executable format, such as a CD-ROM, a flexible disk (FD), a CD-R, a DVD (Digital Versatile Disk), and the like. May be configured to be provided by being recorded on a computer-readable recording medium. Further, the program may be stored on another computer connected to a network such as the Internet and provided by being downloaded via the network. The program may be provided or distributed via a network.
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。この新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更、及び組み合わせを行うことができる。この実施形態及びその変形は発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the above embodiments are presented as examples, and are not intended to limit the scope of the invention. The new embodiment can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.
1 造形装置
11 造形テーブル
12 フィラメント
13 リール
14 エクストルーダ
15 ヘッドモジュール
21 吐出ノズル
22 加熱ブロック
23 冷却ブロック
24 フィラメントガイド
25 熱源
26 熱電対
27 冷却源
31 X軸駆動軸
32 X軸駆動モータ
33 Y軸駆動軸
34 Y軸駆動モータ
35 Z軸駆動軸
36 ガイド軸
37 Z軸駆動モータ
51 制御ユニット
61 外部コンピュータ
71 測定装置
101 X軸・Y軸駆動部
102 Z軸駆動部
103 X軸・Y軸移動距離検出部
104 材料送入部
105 送入量検出部
106 材料加熱部
107 材料温度検出部
111 テーブル加熱部
112 テーブル温度検出部
121 検出結果処理部
122 吐出量検出処理部
123 記憶部
124 伝達関数導出部
125 駆動制御部
M 造形物
Mc 校正用造形物
Mp 位置参照用造形物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
前記材料を吐出部に送入する送入部と、
前記吐出部に送入された前記材料の送入量を検出する送入量検出部と、
前記吐出部から吐出された前記材料の吐出量を検出する吐出量検出部と、
検出された前記送入量を入力として用い、検出された前記吐出量を出力として用いることにより、前記送入量と前記吐出量との対応関係を示す第1の伝達関数を導出する導出部と、
前記第1の伝達関数に基づいて所望の吐出量を実現可能な校正後の送入量に算出し、前記校正後の送入量に基づいて前記送入部を制御する制御部と、
を備える造形装置。 A discharge unit for discharging a material,
A feeding unit for feeding the material to a discharge unit,
A feed amount detection unit that detects a feed amount of the material fed into the discharge unit,
A discharge amount detection unit that detects a discharge amount of the material discharged from the discharge unit,
A deriving unit that derives a first transfer function indicating a correspondence between the input amount and the discharge amount by using the detected input amount as an input and using the detected output amount as an output. ,
A control unit that calculates a corrected delivery amount capable of realizing a desired discharge amount based on the first transfer function, and controls the delivery unit based on the corrected delivery amount;
A modeling device comprising:
前記吐出部の移動速度を検出する移動速度検出部と、
を更に備え、
前記導出部は、検出された前記移動速度を入力として用い、検出された前記吐出量を出力として用いることにより、前記移動速度と前記吐出量との対応関係を示す第2の伝達関数を導出し、
前記制御部は、前記第2の伝達関数に基づいて所望の吐出量を実現可能な校正後の移動速度を算出し、前記校正後の移動速度に基づいて前記駆動部を制御する、
請求項1に記載の造形装置。 A drive unit for displacing the discharge unit,
A moving speed detecting unit that detects a moving speed of the discharge unit;
Further comprising
The deriving unit derives a second transfer function indicating the correspondence between the moving speed and the discharge amount by using the detected moving speed as an input and using the detected discharge amount as an output. ,
The control unit calculates a calibrated moving speed capable of realizing a desired discharge amount based on the second transfer function, and controls the driving unit based on the calibrated moving speed.
The molding apparatus according to claim 1.
吐出前の前記材料の温度又はこれに関連する温度である材料温度を検出する材料温度検出部と、
を更に備え、
前記導出部は、検出された前記材料温度を入力として用い、検出された前記吐出量を出力として用いることにより、前記材料温度と前記吐出量との対応関係を示す第3の伝達関数を導出し、
前記制御部は、前記第3の伝達関数に基づいて所望の吐出量を実現可能な校正後の材料温度を算出し、前記校正後の材料温度に基づいて前記材料加熱部を制御する、
請求項1又は2に記載の造形装置。 A material heating unit for heating the material before discharging,
A material temperature detection unit that detects the temperature of the material before ejection or a material temperature that is a temperature related thereto,
Further comprising
The deriving unit derives a third transfer function indicating a correspondence relationship between the material temperature and the discharge amount by using the detected material temperature as an input and using the detected discharge amount as an output. ,
The control unit calculates a material temperature after calibration capable of realizing a desired discharge amount based on the third transfer function, and controls the material heating unit based on the material temperature after calibration.
The modeling device according to claim 1.
前記台部の温度又はこれに関連する温度である台部温度を検出する台部温度検出部と、
を更に備え、
前記導出部は、検出された前記台部温度を入力として用い、検出された前記吐出量として用いることにより、前記台部温度と前記吐出量との対応関係を示す第4の伝達関数を導出し、
前記制御部は、前記第4の伝達関数に基づいて所望の吐出量を実現可能な校正後の台部温度を算出し、前記校正後の台部温度に基づいて前記台部加熱部を制御する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の造形装置。 A pedestal heating unit that heats a pedestal on which the material discharged from the discharge unit is placed,
A pedestal temperature detection unit that detects a pedestal temperature that is the temperature of the pedestal or a temperature related thereto,
Further comprising
The deriving unit derives a fourth transfer function indicating a correspondence relationship between the pedestal temperature and the discharge amount by using the detected pedestal temperature as an input and using the detected discharge amount as the detected discharge amount. ,
The control unit calculates a calibrated pedestal temperature that can achieve a desired discharge amount based on the fourth transfer function, and controls the pedestal heating unit based on the calibrated pedestal temperature. ,
The molding apparatus according to claim 1.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の造形装置。 The deriving unit acquires a correspondence between the input and the output using a step input response method of monitoring a change in the output when the input is changed stepwise,
The molding apparatus according to claim 1.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の造形装置。 The deriving unit acquires a correspondence between the input and the output using a sine wave input response method that monitors a change in the output when the input is changed in a sinusoidal manner.
The molding apparatus according to claim 1.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の造形装置。 The discharge amount detection unit is configured to detect the discharge amount used as the output, based on a shape of a calibration molding formed on a base on which the material discharged from the discharge unit is placed.
The molding apparatus according to claim 1.
前記吐出量検出部は、前記校正用造形物の前記吐出部の移動方向に対して直交する断面の面積と前記吐出部の移動速度とに基づいて、経時的に変化する前記吐出量を算出し、
前記導出部は、経時的に変化する前記吐出量を前記出力として用いる、
請求項7に記載の造形装置。 The object for calibration has a linear shape formed by moving the discharge unit in one direction,
The discharge amount detection unit calculates the discharge amount that changes with time, based on the area of a cross section of the calibration object that is orthogonal to the moving direction of the discharge unit and the moving speed of the discharge unit. ,
The deriving unit uses the ejection amount that changes with time as the output,
The modeling device according to claim 7.
請求項7又は8に記載の造形装置。 The modeling object for calibration is directly formed on the platform.
The modeling apparatus according to claim 7.
前記吐出部から吐出された前記材料の吐出量を検出する工程と、
検出された前記送入量を入力として用い、検出された前記吐出量を出力として用いることにより、前記送入量と前記吐出量との対応関係を示す伝達関数を導出する工程と、
前記伝達関数に基づいて所望の吐出量を実現可能な校正後の送入量に算出する工程と、
前記校正後の送入量に基づいて前記材料の前記吐出部への送入を制御する工程と、
を含む造形物の製造方法。 A step of detecting the amount of the material fed into the discharge unit that discharges the material,
Detecting a discharge amount of the material discharged from the discharge unit,
Deriving a transfer function indicating the correspondence between the input amount and the discharge amount by using the detected input amount as an input and using the detected discharge amount as an output,
A step of calculating a corrected delivery amount capable of realizing a desired ejection amount based on the transfer function,
Controlling the feeding of the material to the discharge unit based on the feeding amount after the calibration,
A method for producing a shaped article including:
Priority Applications (1)
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JP2018136078A JP2020011474A (en) | 2018-07-19 | 2018-07-19 | Molding apparatus and method of manufacturing molded object |
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