JP2023105926A - 三次元造形装置、および、三次元造形用ノズルのキャリブレーション方法 - Google Patents

三次元造形装置、および、三次元造形用ノズルのキャリブレーション方法 Download PDF

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Abstract

【課題】三次元造形装置において、ステージの造形面におけるノズルの位置ずれを測定可能な技術を提供する。【解決手段】三次元造形装置は、ノズルを有する吐出部と、造形材料が積層される造形面を有するステージと、ノズルとステージとの相対位置を変更する位置変更部と、位置変更部を制御する制御部と、制御部が位置変更部を制御することによって位置することが想定されるノズルの造形面内における第１位置と、制御部が位置変更部を制御することによって変更されたノズルの造形面内における第２位置と、に基づいて、ノズルの造形面内における基準位置からの差異を測定するために用いられる測定用モジュールと、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、三次元造形装置、および、三次元造形用ノズルのキャリブレーション方法に関する。
三次元造形装置に関し、特許文献１には、ノズルの先端面と、三次元造形物が造形されるステージの造形面との間の距離を測定し、その距離を予め定められた距離に調整することが開示されている。
特開２０２１－８１２号公報
特許文献１では、ステージに対するノズルの高さを調整することによって三次元造形物の造形精度を高めることができる。しかし、例えば、ステージの造形面におけるノズルの原点位置がずれていた場合、ステージ上の狙った領域に正確に材料を積層することができない。そのため、ステージの造形面におけるノズルの位置ずれを測定可能な技術が望まれる。
本開示の第１の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、ノズルを有する吐出部と、造形材料が積層される造形面を有するステージと、前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変更する位置変更部と、前記位置変更部を制御する制御部と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって位置することが想定される前記ノズルの前記造形面内における第１位置と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって変更された前記ノズルの前記造形面内における第２位置と、に基づいて、前記ノズルの前記造形面内における基準位置からの差異を測定するために用いられる測定用モジュールと、を有する。
本開示の第２の形態によれば、三次元造形装置に備えられた三次元造形用ノズルのキャリブレーション方法が提供される。前記三次元造形装置は、ノズルを有する吐出部と、造形材料が積層される造形面を有するステージと、前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変更する位置変更部と、前記位置変更部を制御する制御部と、を有し、このキャリブレーション方法は、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって位置することが想定される前記ノズルの前記造形面内における第１位置と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって変更された前記ノズルの前記造形面内における第２位置と、に基づいて、前記ノズルの前記造形面内における基準位置からの差異を測定する。
第１実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。 フラットスクリューの概略構成を示す斜視図である。 スクリュー対面部を示す概略平面図である。 三次元造形物が造形されていく様子を模式的に示す説明図である。 ステージの具体的な構成を示す斜視図である。 ステージの一部を拡大した斜視図である。 図６の平面図である。 キャリブレーション処理のフローチャートである。 第２実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。 第３実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。 第３実施形態において形成する傷の他の例を示す図である。
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１０の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印が示されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平面に平行な方向であり、Ｚ方向は、鉛直上向きに沿った方向である。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印は、他の図においても、図示の方向が図１と対応するように適宜、図示してある。以下の説明において、方向の向きを特定する場合には、各図において矢印が指し示す方向を「＋」、その反対の方向を「－」として、方向表記に正負の符合を併用する。以下では、＋Ｚ方向のことを「上」、－Ｚ方向のことを「下」ともいう。
三次元造形装置１０は、造形材料を生成して吐出する造形部１１０と、造形材料が積層される造形面２１１を有するステージ２１０と、ノズル６１とステージ２１０との相対位置を変更する位置変更部２３０と、位置変更部２３０を制御する制御部１０１と、測定用モジュール３００の一部を構成する検出部３１０とを備える。
造形部１１０は、制御部１０１の制御下において、固体状態の材料を溶融させてペースト状にした造形材料をステージ２１０上に吐出する。ここで、「溶融」とは、可塑化を含む概念であり、材料が融点以上の温度に加熱されて流動性を発現することのみならず、ガラス転移点を有する材料の場合、材料が、ガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性を発現することも意味する。造形部１１０は、造形材料に転化される前の材料の供給源である材料供給部２０と、材料を造形材料へと転化させる造形材料生成部３０と、造形材料を吐出する吐出部６０と、を備える。
材料供給部２０は、造形材料生成部３０に、造形材料を生成するための原材料ＭＲを供給する。材料供給部２０は、例えば、原材料ＭＲを収容するホッパーによって構成される。材料供給部２０は、下方に排出口を有している。当該排出口は、連通路２２を介して、造形材料生成部３０に接続されている。原材料ＭＲは、ペレットや粉末等の形態で材料供給部２０に投入される。本実施形態では、ペレット状のＡＢＳ樹脂の材料が用いられる。
造形材料生成部３０は、材料供給部２０から供給された原材料ＭＲを溶融させて流動性を発現させたペースト状の造形材料を生成し、吐出部６０へと導く。造形材料生成部３０は、スクリューケース３１と、駆動モーター３２と、フラットスクリュー４０と、スクリュー対面部５０と、を有する。フラットスクリュー４０は、ローターあるいはスクロールとも呼ばれ、スクリュー対面部５０はバレルとも呼ばれる。
図２は、フラットスクリュー４０の下面４８側の概略構成を示す斜視図である。図２に示したフラットスクリュー４０は、技術の理解を容易にするため、図１に示した上面４７と下面４８との位置関係を、鉛直方向において逆向きとした状態で示されている。図３は、スクリュー対面部５０の上面５２側を示す概略平面図である。フラットスクリュー４０は、その中心軸に沿った方向である軸線方向における高さが直径よりも小さい略円柱状を有する。フラットスクリュー４０は、その回転中心となる回転軸ＲＸがＺ方向に平行になるように配置される。
フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内に収納されている。フラットスクリュー４０の上面４７側は駆動モーター３２に連結されており、フラットスクリュー４０は、駆動モーター３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース３１内で回転する。駆動モーター３２は、制御部１０１の制御下において駆動する。なお、フラットスクリュー４０は、減速機を介して駆動モーター３２によって駆動されてもよい。
フラットスクリュー４０の、回転軸ＲＸと交差する面である下面４８には、渦状の溝部４２が形成されている。上述した材料供給部２０の連通路２２は、フラットスクリュー４０の側面から、当該溝部４２に連通する。図２に示すように、本実施形態では、溝部４２は、凸条部４３によって隔てられて３本分形成されている。なお、溝部４２の数は、３本に限られず、１本でもよいし、２本以上であってもよい。溝部４２は、渦状に限らず、螺旋状あるいはインボリュート曲線状であってもよいし、中央部から外周に向かって弧を描くように延びる形状であってもよい。
フラットスクリュー４０の下面４８は、スクリュー対面部５０の上面５２に面しており、フラットスクリュー４０の下面４８の溝部４２と、スクリュー対面部５０の上面５２との間には空間が形成される。造形部１１０では、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間のこの空間に、材料供給部２０から図２に示した材料流入口４４へと原材料ＭＲが供給される。
スクリュー対面部５０には、回転しているフラットスクリュー４０の溝部４２内に供給された原材料ＭＲを加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている。スクリュー対面部５０には、連通孔５６に接続され、連通孔５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝５４が形成されている。なお、案内溝５４の一端は、連通孔５６に接続されていなくてもよい。また、案内溝５４は省略することも可能である。
フラットスクリュー４０の溝部４２内に供給された原材料ＭＲは、溝部４２内において溶融されながら、フラットスクリュー４０の回転によって溝部４２に沿って流動し、造形材料としてフラットスクリュー４０の中央部４６へと導かれる。中央部４６に流入した流動性を発現しているペースト状の造形材料は、図３に示したスクリュー対面部５０の中心に設けられた連通孔５６を介して吐出部６０に供給される。なお、造形材料では、造形材料を構成する全ての種類の物質が溶融していなくてもよい。造形材料は、造形材料を構成する物質のうちの少なくとも一部の種類の物質が溶融することによって、全体として流動性を有する状態に転化されていればよい。
吐出部６０は、造形材料を吐出する三次元造形用のノズル６１と、フラットスクリュー４０とノズル６１との間に設けられた造形材料の流路６５と、流路６５を開閉する流量調整部７０と、造形材料を吸引して一時的に貯留する吸引部７５と、を有する。ノズル６１は、流路６５を通じて、スクリュー対面部５０の連通孔５６に接続されている。ノズル６１は、造形材料生成部３０において生成された造形材料を、先端の吐出口６２からステージ２１０に向かって吐出する。ノズル６１の周囲には、ステージ２１０上に吐出された造形材料の温度低下を抑制するヒーターが配置されてもよい。
流量調整部７０は、流路６５内で回転することにより流路６５の開度を変化させる。本実施形態において、流量調整部７０は、バタフライバルブによって構成されている。流量調整部７０は、制御部１０１による制御下において、第１駆動部７４によって駆動される。第１駆動部７４は、例えば、ステッピングモーターによって構成される。制御部１０１は、第１駆動部７４を用いて、バタフライバルブの回転角度を制御することによって、造形材料生成部３０からノズル６１に流れる造形材料の流量、つまり、ノズル６１から吐出される造形材料の流量を調整することができる。流量調整部７０は、造形材料の流量を調整するとともに、造形材料の流出のオン／オフを制御する。
吸引部７５は、流路６５において流量調整部７０と吐出口６２との間に接続されている。吸引部７５は、ノズル６１からの造形材料の吐出停止時に、流路６５中の造形材料を一時的に吸引することによって、造形材料が吐出口６２から糸を引くように垂れる尾引き現象を抑制する。本実施形態において、吸引部７５は、プランジャーにより構成されている。吸引部７５は、制御部１０１による制御下において、第２駆動部７６によって駆動される。第２駆動部７６は、例えば、ステッピングモーターや、ステッピングモーターの回転力をプランジャーの並進運動に変換するラックアンドピニオン機構等によって構成される。
例えば、制御部１０１は、ノズル６１からの造形材料の吐出を停止させる際には、まず、流量調整部７０を制御して造形材料の流出をオフにし、その後、吸引部７５を制御して造形材料を吸引する。そして、ノズル６１からの造形材料の吐出を再開させる際には、吸引部７５によって吸引した材料を、吸引部７５を制御して送出した後に、流量調整部７０を制御して造形材料の流出をオンにする。このように制御部１０１が流量調整部７０および吸引部７５を制御することで、造形材料の吐出応答性を向上させることができる。
ステージ２１０は、ノズル６１の吐出口６２に対向する位置に配置されている。第１実施形態では、ノズル６１の吐出口６２に対向するステージ２１０の造形面２１１は、Ｘ，Ｙ方向、すなわち水平方向に平行となるように配置される。三次元造形装置１０は、三次元造形時において、吐出部６０からステージ２１０の造形面２１１に向けて造形材料を吐出させて層を積層することによって三次元造形物を造形する。ステージ２１０には、加熱部としてステージヒーター２１２が備えられている。ステージヒーター２１２は、ステージ２１０上に吐出された造形材料の温度が急激に低下することを抑制する。
位置変更部２３０は、ノズル６１とステージ２１０との相対位置を変化させる。本実施形態では、ノズル６１の位置が固定されており、位置変更部２３０は、ステージ２１０を移動させる。位置変更部２３０は、３つのモーターの駆動力によって、ステージ２１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。位置変更部２３０は、制御部１０１の制御下において、ノズル６１とステージ２１０との相対的な位置関係を変更する。本明細書において、特に断らない限り、ノズル６１の移動とは、ノズル６１をステージ２１０に対して相対的に移動させることを意味する。
なお、他の実施形態では、位置変更部２３０によってステージ２１０を移動させる構成の代わりに、ステージ２１０の位置が固定された状態で、位置変更部２３０がステージ２１０に対してノズル６１を移動させる構成が採用されてもよい。また、位置変更部２３０によってステージ２１０をＺ方向に移動させ、ノズル６１をＸ，Ｙ方向に移動させる構成や、位置変更部２３０によってステージ２１０をＸ，Ｙ方向に移動させ、ノズル６１をＺ方向に移動させる構成が採用されてもよい。これらの構成であっても、ノズル６１とステージ２１０との相対的な位置関係が変更可能である。
検出部３１０は、ステージ２１０の造形面２１１を撮影するカメラ３１１と、カメラ３１１を移動可能に支持するアーム部３１２とによって構成されている。検出部３１０は、制御部１０１によって制御される。検出部３１０は、制御部１０１からの指示に応じて、アーム部３１２を駆動してカメラ３１１をステージ２１０に対向する位置に移動させる。そして、検出部３１０は、カメラ３１１を用いてステージ２１０上の指定された領域を撮影する。撮影された画像は、制御部１０１に伝送される。
制御部１０１は、三次元造形装置１０全体の動作を制御する制御装置である。制御部１０１は、１つ、または、複数のプロセッサーと、記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェイスとを備えるコンピューターによって構成される。制御部１０１は、記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、造形処理部１０２としての機能を発揮する。なお、制御部１０１は、複数の回路の組合せによって実現されてもよい。
造形処理部１０２は、造形部１１０および位置変更部２３０を制御して、三次元造形物を造形するための造形データに基づき、三次元造形物を造形する。
造形処理部１０２は、三次元造形物の形状を表す三次元ＣＡＤデータなどに基づいて、三次元造形物の形状を、複数の層にスライスした層データを生成する。そして、その層データに含まれる層毎に、吐出部６０の移動経路を表す経路情報と、各移動経路における造形材料の吐出量を表す吐出量情報と含む造形データを生成する。吐出部６０の移動経路とは、ノズル６１が、造形材料を吐出しながら、ステージ２１０の造形面２１１に沿って相対的に移動する経路である。
経路情報は、複数の部分経路から構成される。各部分経路は、開始点と終了点とによって表される直線状の経路である。吐出量情報は、各部分経路に対して個別に対応付けられる。本実施形態において、吐出量情報によって表される吐出量は、その部分経路において単位時間あたりに吐出される造形材料の量である。なお、他の実施形態では、各部分経路に対して、その部分経路全体において吐出される造形材料の総量が、吐出量情報として対応付けられてもよい。
図４は、三次元造形装置１０において三次元造形物が造形されていく様子を模式的に示す説明図である。三次元造形装置１０では、上述したように、造形材料生成部３０において、回転しているフラットスクリュー４０の溝部４２に供給された固体状態の原材料ＭＲが溶融されて造形材料ＭＭが生成される。制御部１０１は、ステージ２１０の造形面２１１とノズル６１との距離を保持したまま、ステージ２１０の造形面２１１に沿った方向に、ステージ２１０に対するノズル６１の位置を変えながら、ノズル６１から造形材料ＭＭを吐出させる。ノズル６１から吐出された造形材料ＭＭは、ノズル６１の移動方向に連続して堆積されていく。こうしたノズル６１による走査によって、ノズル６１の走査経路に沿って線状に延びる造形部位である線状部位ＬＰが造形される。三次元造形物の造形時には、制御部１０１は、ステージヒーター２１２を制御してステージ２１０の温度を予め定めた温度まで上昇させる。
制御部１０１は、上記のノズル６１による走査を繰り返して層ＭＬを形成する。制御部１０１は、１つの層ＭＬを形成した後、ステージ２１０に対するノズル６１の位置を、Ｚ方向に移動させる。そして、これまでに形成された層ＭＬの上に、更に層ＭＬを積み重ねることによって三次元造形物を造形していく。
制御部１０１は、例えば、一層分の層ＭＬを完了した場合のノズル６１のＺ方向への移動や、各層で独立する複数の造形領域がある場合には、ノズル６１からの造形材料の吐出を一時的に中断させることがある。この場合、流量調整部７０によって流路６５を閉塞させて、吐出口６２からの造形材料ＭＭの吐出を停止させる。制御部１０１は、ノズル６１の位置を変更した後、流量調整部７０によって流路６５を開くことによって、変更後のノズル６１の位置から造形材料ＭＭの堆積を再開させる。
図５は、ステージ２１０の具体的な構成を示す斜視図である。ステージ２１０は－Ｚ方向に見た場合に略矩形状であり、支持台２２０上に載置されている。ステージ２１０と支持台２２０との間には、図１に示したステージヒーター２１２が配置される。
本実施形態におけるステージ２１０の造形面２１１には、Ｙ方向に沿って形成された直線状の溝２２４が、Ｘ方向に等間隔に形成されている。この溝２２４は、造形面２１１に吐出された造形材料にアンカー効果を生じさせるために設けられている。なお、他の実施形態では、これらの溝２２４は設けられていなくてもよい。
ステージ２１０の＋Ｘ方向の端部には、＋Ｘ方向に向けて突き出す台形状の凸部２１３が設けられている。支持台２２０には、ステージ２１０の＋Ｙ方向のエッジを位置決めするための第１ストッパー２２１と、ステージ２１０の－Ｘ方向のエッジを位置決めするための第２ストッパー２２２とが備えられている。更に、支持台２２０には、ステージ２１０に備えられた凸部２１３を－Ｘ方向かつ＋Ｙ方向に押しつけるためのバネが備えられた付勢部２２３が備えられている。ステージ２１０は、支持台２２０に備えられたこれら第１ストッパー２２１、第２ストッパー２２２および付勢部２２３によって支持台２２０上に位置決めされて固定される。
図６は、ステージ２１０の一部を拡大した斜視図である。図７は、図６の平面図である。ステージ２１０の－Ｘ方向かつ－Ｙ方向の角部には、板状の傷形成部材２１４が配置されている。傷形成部材２１４は、図１に示した検出部３１０とともに測定用モジュール３００を構成する。傷形成部材２１４は、傷形成部材２１４をステージ２１０に固定するための支持ブロック２１５に取り外し可能に固定されている。支持ブロック２１５は、ステージ２１０の－Ｘ方向かつ－Ｙ方向の角部に、ステージ２１０に対して取り外し可能に固定されている。このような構造により、傷形成部材２１４は、ステージ２１０上の予め定められた位置に設置されている。
支持ブロック２１５の上面には、傷形成部材２１４が収まる凹部２１６が形成されている。－Ｚ方向に見たときに、凹部２１６の－Ｘ方向のエッジ２１７は、造形面２１１の－Ｘ方向のエッジに一致している。また、－Ｚ方向に見たときに、凹部２１６の－Ｙ方向のエッジ２１８は、造形面２１１の－Ｙ方向のエッジに一致している。図７に示すように、凹部２１６の－Ｘ方向のエッジ２１７と－Ｙ方向のエッジ２１８とをそれぞれ延長した交点が、造形面２１１の基準位置である原点（０，０）に一致する。
傷形成部材２１４は、図６に示す傷形成用ノズル６３によって傷が形成される部材である。傷形成用ノズル６３には吐出口が形成されておらず、吐出口に相当する部分が－Ｚ方向に向かって尖った形状となっている。つまり、傷形成用ノズル６３は、ノズル６１を模した部材であり、造形材料の吐出には用いられない部材である。傷形成用ノズル６３は、ノズル６１を覆うように吐出部６０に取り付けられる。具体的には、ノズル６１の周囲に形成されたネジ山に、傷形成用ノズル６３の内面に形成されたネジ溝を螺合させることにより傷形成用ノズル６３は吐出部６０に対して脱着可能となっている。このような構成により、造形面２１１におけるノズル６１の位置と傷形成用ノズル６３の位置とは一致する。なお、他の実施形態では、ノズル６１と傷形成用ノズル６３とが吐出部６０に対して交換可能に取り付けられるよう構成されてもよい。
傷形成用ノズル６３の硬度は、傷形成部材２１４の硬度よりも高い。本実施形態において硬度とは、ビッカース硬さのことをいう。傷形成用ノズル６３は、例えば、機械構造用炭素鋼や鋼炭素クロム軸受鋼鋼材によって形成されている。これに対して、傷形成部材２１４は、例えば、アルミニウムによって形成されている。そのため、制御部１０１が、位置変更部２３０を制御して傷形成用ノズル６３が取り付けられた吐出部６０を－Ｚ方向に相対的に移動させて傷形成部材２１４に押しつけることにより、傷形成部材２１４には、傷形成用ノズル６３の尖った先端によって点状の傷ＳＫが形成される。
制御部１０１は、検出部３１０に備えられたカメラ３１１によって傷ＳＫを支持ブロック２１５とともに撮影し、支持ブロック２１５に形成された凹部２１６の－Ｘ方向のエッジから傷ＳＫまでの距離と、凹部２１６の－Ｙ方向のエッジから傷ＳＫまでの距離とを画像解析により測定する。こうすることで、造形面２１１の原点に対する傷ＳＫの位置、すなわち、造形面２１１の原点に対するノズル６１の位置を測定できる。
図８は、制御部１０１によって実行されるキャリブレーション処理のフローチャートである。この処理は、例えば、三次元造形装置１０の出荷前や、ステージ２１０が交換された後などの所定のタイミングで実行される。なお、このキャリブレーション処理の実行開始前には、吐出部６０に傷形成用ノズル６３が取り付けられているものとする。
ステップＳ１０において、制御部１０１は、ステージヒーター２１２を制御してステージ２１０の温度を、三次元造形物の造形時の温度まで上昇させる。こうすることで、実際の三次元造形時と同様の環境でキャリブレーション処理を実行できる。
ステップＳ２０において、制御部１０１は、傷形成用ノズル６３を用いて傷形成部材２１４に傷を形成する傷形成処理を行う。この傷形成処理において、制御部１０１は、まず、位置変更部２３０を制御することによって位置することが想定されるノズル６１の造形面２１１内における第１位置を決定する。第１位置は、例えば、造形面２１１の原点から＋Ｘ方向に１０ｍｍかつ＋Ｙ方向に１０ｍｍの位置である。第１位置は、傷形成部材２１４に確実に傷が形成可能な位置として決定される。続いて制御部１０１は、位置変更部２３０を制御することによって造形面２１１内における傷形成用ノズル６３の位置を第１位置に移動させる。そして、制御部１０１は、位置変更部２３０を制御して傷形成用ノズル６３を－Ｚ方向に相対的に移動させることにより、傷形成部材２１４に傷を形成する。傷形成処理によって実現される動作のことを、傷形成動作という。
ステップＳ３０において、制御部１０１は、傷の位置を測定する傷測定処理を行う。この傷測定処理において、制御部１０１は、検出部３１０を制御して、カメラ３１１を造形面２１１上に移動させる。そして、カメラ３１１を制御して、傷形成部材２１４および支持ブロック２１５を含む画像を撮影する。制御部１０１は、カメラ３１１からその画像を取得し、その画像を画像解析することによって、傷の位置を測定する。測定された傷の位置のことを第２位置という。第２位置は、制御部１０１が位置変更部２３０を制御することによって変更されたノズル６１の造形面２１１内における位置である。つまり、上述した第１位置は、造形面２１１におけるノズル６１の想定位置であるのに対して、第２位置は、造形面２１１におけるノズル６１の実際の位置である。ノズル６１に位置ずれが生じていない場合、第２位置と第１位置とは一致する関係にある。
ステップＳ４０において、制御部１０１は、補正値算出処理を行う。この補正値算出処理において、制御部１０１は、Ｘ方向における第１位置と第２位置との差異と、Ｙ方向における第１位置と第２位置との差異とをそれぞれ算出する。例えば、第１位置の座標（Ｘ，Ｙ）が（１０ｍｍ，１０ｍｍ）である場合に、第２位置の座標（Ｘ，Ｙ）が（１２ｍｍ，９ｍｍ）であれば、ノズル６１の造形面２１１内における基準位置すなわち原点からの差異は（＋２ｍｍ，－１ｍｍ）となる。そして、制御部１０１は、この差異を解消するための補正値を（－２ｍｍ，＋１ｍｍ）と算出する。
制御部１０１は、以上で説明したキャリブレーション処理によって算出された補正値を、自身に備えられた記憶装置に不揮発的に記憶させる。制御部１０１は、造形処理部１０２によって三次元造形が行われる際に、制御部１０１から位置変更部２３０に対して指令するノズル６１の座標を表す指令値を、記憶装置に記憶させた補正値に従って補正する。こうすることによってノズル６１の位置を補正しつつ三次元造形を行うことができる。なお、制御部１０１は、三次元造形に用いられる造形データに含まれる経路情報を、補正値に従って修正してもよい。こうすることによってもノズル６１の位置を補正しつつ三次元造形を行うことができる。
以上で説明した第１実施形態における三次元造形装置１０は、ノズル６１の位置ずれを測定するための測定用モジュール３００を備えている。そして、本実施形態では、この測定用モジュール３００を用いて、制御部１０１が位置変更部２３０を制御することによって位置することが想定されるノズル６１の造形面２１１内における第１位置と、制御部１０１が位置変更部２３０を制御することによって変更されたノズル６１の造形面２１１内における第２位置と、に基づき、ノズル６１の造形面２１１内における基準位置からの差異、すなわち、造形面２１１の原点からのノズル６１の位置ずれを測定できる。
また、本実施形態において用いられる測定用モジュール３００は、第２位置を検出するためのカメラ３１１を有する検出部３１０を備えている。そのため、ノズル６１の実際の位置である第２位置を容易に測定できる。
また、本実施形態では、測定用モジュール３００を用いた測定結果に基づいて、位置変更部２３０を制御して三次元造形を行う。そのため、ノズル６１の位置ずれを補正するように位置変更部２３０を制御して三次元造形物を造形できる。この結果、例えば、造形面２１１に形成された溝２２４に対して精度良く造形材料を吐出させることができる。
また、本実施形態の三次元造形装置１０は、ステージ２１０上の予め定められた位置に設置された傷形成部材２１４を有している。制御部１０１は、位置変更部２３０を制御して傷形成用ノズル６３を第１位置に移動させて傷形成部材２１４上に傷形成用ノズル６３の先端を接触させることにより、第２位置を測定するための傷ＳＫを形成する傷形成動作を行う。そのため、傷形成部材２１４に形成された傷ＳＫの位置を、ノズル６１の想定位置である第１位置に対応するノズル６１の実際の位置である第２位置として測定できる。
また、本実施形態では、吐出部６０が、吐出口を有さない傷形成用ノズル６３を脱着可能に構成されている。そのため、傷形成部材２１４への傷形成動作によってノズル６１が劣化することを抑制できる。
また、本実施形態では、傷形成用ノズル６３の硬度が、傷形成部材２１４の硬度よりも高い。そのため、傷形成動作によって傷形成用ノズル６３が劣化することを抑制できる。
また、本実施形態では、キャリブレーション処理において、ステージヒーター２１２によるステージ２１０の加熱後に傷形成動作を行う。そのため、三次元造形物の造形時におけるステージ２１０の熱膨張を加味してノズル６１の位置ずれを測定できる。
なお、第１実施形態では、検出部３１０に備えられたカメラ３１１を用いて傷の位置を測定している。これに対して、傷の位置は、ノギスなどの計測器を用いてユーザーが計測し、計測された値を、所定の入力装置を用いて制御部１０１に入力してもよい。
Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における三次元造形装置１０Ｂの概略構成を示す説明図である。上述した第１実施形態では、測定用モジュール３００を用いた測定結果に従いノズル６１の位置を補正する補正値を算出し、その補正値を用いてノズル６１の移動を制御する。これに対して、第２実施形態の三次元造形装置１０Ｂは、測定用モジュール３００を用いた測定結果に基づいて、ノズル６１の位置を物理的に補正する補正部４００を有する。
図９に示すように、補正部４００は、＋Ｘ方向または－Ｘ方向にノズル６１を含む吐出部６０を移動させる第１調整ネジ４０１と、＋Ｙ方向または－Ｙ方向に吐出部６０を移動させる第２調整ネジ４０２とを備える。例えば、ユーザーは、測定用モジュール３００を用いて第１位置と第２位置との差異を測定し、その差異がゼロになるように第１調整ネジ４０１と第２調整ネジ４０２とを操作することによって、ノズル６１の位置を物理的に補正する。こうすることにより、ノズル６１とステージ２１０との相対位置を補正することができる。
なお、第２実施形態では、補正部４００が、ノズル６１の位置を物理的に補正するように構成されている。これに対して、補正部４００は、位置変更部２３０の設置位置を物理的に補正するように構成されてもよい。
Ｃ．第３実施形態：
図１０は、第３実施形態における三次元造形装置１０Ｃの概略構成を示す説明図である。上述した第１実施形態では、吐出部６０は１つのノズル６１を備えている。これに対して、第３実施形態における吐出部６０Ｃは、三次元造形用ノズルとして２つのノズルを備えている。具体的には、吐出部６０Ｃは、第１吐出部６０１と第２吐出部６０２とを含んでおり、第１吐出部６０１には第１ノズル６１１が備えられている。そして、第２吐出部６０２には第２ノズル６１２が備えられている。第１ノズル６１１および第２ノズル６１２からは、例えば、それぞれ異なる材料が吐出される。異なる材料とは、例えば、一方の材料が造形用の材料である場合に、他方の材料がサポート用の材料である。その他、異なる材料としては、例えば、色の異なる材料や材質の異なる材料がある。
第３実施形態におけるキャリブレーション処理では、制御部１０１は、それぞれの吐出部６０に備えられたノズルを用いて、傷形成部材２１４に傷を形成する。例えば、第１ノズル６１１に取り付けた傷形成用ノズル６３によって座標（１０ｍｍ，１０ｍｍ）の位置に傷を形成し、第２ノズル６１２に取り付けた傷形成用ノズル６３によって座標（１５ｍｍ，１５ｍｍ）の位置に傷を形成する。そして、それらの傷の位置をそれぞれ測定し、例えば、第１ノズル６１１に取り付けた傷形成用ノズル６３によって形成された傷の位置が（１０ｍｍ，１０ｍｍ）であるのに対して、第２ノズル６１２に取り付けた傷形成用ノズル６３によって形成された傷の位置が（１６ｍｍ，１５ｍｍ）であれば、２つのノズルが、Ｘ方向に１ｍｍずれていることになる。そのため、制御部１０１は、第２ノズル６１２を用いた造形処理時に、そのずれを解消するように位置変更部２３０することで、ノズル同士の位置ずれを解消して三次元造形を行うことが可能になる。なお、ノズル同士の位置ずれは、第２実施形態のように、第１吐出部６０１と第２吐出部６０２の少なくとも一方の位置を物理的に調整することによって解消してもよい。
図１１は、第３実施形態において形成する傷の他の例を示す図である。第３実施形態では、例えば、図１１に示すように、第１ノズル６１１に取り付けた傷形成用ノズル６３によってＬ字状の傷ＳＫ１を形成し、第２ノズル６１２に取り付けた傷形成用ノズル６３によって傷ＳＫ１から離れた位置にＬ字状の傷ＳＫ２を形成してもよい。そして、これらの傷ＳＫ１，ＳＫ２の間隔を、Ｘ方向およびＹ方向について測定することで、ノズル同士の位置ずれを測定することが可能である。
Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記実施形態において、例えば、ノズル６１とステージ２１０との間にカメラ３１１を移動させて配置し、カメラ３１１によってノズル６１を下方から撮影することで、傷形成部材２１４や傷形成用ノズル６３を用いることなくノズル６１の位置を直接的に測定してもよい。また、カメラ３１１に限らず、二次元レーザーを用いた形状測定センサーなど、種々の光学センサーを用いてノズル６１の位置を測定してもよい。
（Ｄ２）上記実施形態では、傷形成部材２１４に傷形成用ノズル６３によって傷を形成し、その傷の位置をノズル６１の位置として測定している。これに対して、例えば、ノズル６１からステージ２１０の造形面２１１上に点状あるいは直線状に造形材料を吐出し、造形面２１１上における造形材料の位置を測定することによってノズル６１の位置ずれを測定してもよい。
（Ｄ３）上記実施形態では、傷形成用ノズル６３によって傷形成部材２１４に傷を形成している。これに対して、吐出用のノズル６１によって、傷形成部材２１４に傷を形成してもよい。例えば、制御部１０１は、ノズル６１を傷形成部材２１４に押しつけるようにノズル６１を－Ｚ方向に相対移動させることにより、傷形成部材２１４に対して打痕傷を形成することが可能である。なお、ノズル６１によって傷を形成する場合、ノズル６１の硬度が傷形成部材２１４の硬度よりも高いことが好ましい。
（Ｄ４）上記実施形態では、傷形成部材２１４が、支持ブロック２１５によってステージ２１０に取り付けられている。しかし、支持ブロック２１５は必須ではなく、傷形成部材２１４がステージ２１０に直接的に取り付けられていてもよい。
（Ｄ５）上記実施形態では、ステージ２１０にステージヒーター２１２が備えられている。しかし、ステージ２１０は、ステージヒーター２１２を備えていなくてもよい。この場合、図８に示したキャリブレーション処理におけるステージ２１０の加熱は省略する。
（Ｄ６）上記実施形態では、制御部１０１は、キャリブレーション処理において、ステージ２１０の加熱後に傷形成動作を行っている。これに対して、制御部１０１は、キャリブレーション処理において、ステージ２１０の加熱前と加熱後の両方において、傷形成動作を行ってもよい。そして、制御部１０１は、検出部３１０を用いて、加熱前と加熱後において形成された２つの傷の位置を測定し、それらの位置の差異を算出する。こうすることにより、制御部１０１は、ノズル６１の位置ずれだけではなく、平面方向におけるステージ２１０の熱膨張量を測定することが可能である。
Ｅ．他の形態：
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
（１）本開示の第１の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、ノズルを有する吐出部と、造形材料が積層される造形面を有するステージと、前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変更する位置変更部と、前記位置変更部を制御する制御部と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって位置することが想定される前記ノズルの前記造形面内における第１位置と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって変更された前記ノズルの前記造形面内における第２位置と、に基づいて、前記ノズルの前記造形面内における基準位置からの差異を測定するために用いられる測定用モジュールと、を有する。
このような形態であれば、ステージの造形面内におけるノズルの位置ずれを測定できる。
（２）上記形態において、前記測定用モジュールは、前記第２位置を検出する検出部を有してもよい。このような形態であれば、第２位置を容易に測定できる。
（３）上記形態において、前記制御部は、前記測定用モジュールを用いた測定結果に基づいて、前記位置変更部を制御してもよい。このような形態であれば、ノズルの位置ずれを補正するように位置変更部を制御して三次元造形物を造形できる。
（４）上記形態において、前記測定用モジュールを用いた測定結果に基づいて、前記ノズルと前記ステージの前記相対位置を補正する補正部を有してもよい。このような形態であれば、測定されたノズルの基準位置からの差異に基づいて、ノズルの位置を補正できる。
（５）上記形態において、前記測定用モジュールは、前記ステージ上の予め定められた位置に設置された傷形成部材を有し、前記制御部は、前記位置変更部を制御して前記ノズルを前記第１位置に相対的に移動させて前記傷形成部材上に前記ノズルの先端を接触させることにより、前記第２位置を測定するための傷を形成する傷形成動作を行ってもよい。このような形態であれば、傷形成部材に形成された傷の位置を第２位置として測定できる。
（６）上記形態において、前記吐出部は、前記ノズルとして、吐出口を有さない傷形成用ノズルを脱着可能に構成されてもよい。このような形態であれば、傷形成部材への傷形成動作によってノズルが劣化することを抑制できる。
（７）上記形態において、前記傷形成用ノズルの硬度は、前記傷形成部材の硬度よりも高くてもよい。このような形態であれば、傷形成用ノズルの劣化を抑制できる。
（８）上記形態において、前記ステージを加熱する加熱部を備え、前記制御部は、前記加熱部による前記ステージの加熱後に前記傷形成動作を行ってもよい。このような形態であれば、ステージの熱膨張を加味してノズルの位置ずれを測定できる。
（９）上記形態において、前記制御部は、前記加熱部による前記ステージの加熱後に加え、前記ステージの加熱前にも、前記傷形成動作を行ってもよい。このような形態であれば、ステージの熱膨張量を容易に測定できる。
（１０）上記形態において、前記吐出部は、第１吐出部と第２吐出部とを含み、前記制御部は、前記傷形成部材に対して、第１吐出部に備えられたノズルの先端と、前記第２吐出部に備えられたノズルの先端とを接触させる第２測定動作を行ってもよい。このような形態であれば、２つのノズル間の位置ずれを測定できる。
（１１）本開示の第２の形態によれば、三次元造形装置に備えられた三次元造形用ノズルのキャリブレーション方法が提供される。前記三次元造形装置は、ノズルを有する吐出部と、造形材料が積層される造形面を有するステージと、前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変更する位置変更部と、前記位置変更部を制御する制御部と、を有し、このキャリブレーション方法は、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって位置することが想定される前記ノズルの前記造形面内における第１位置と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって変更された前記ノズルの前記造形面内における第２位置と、に基づいて、前記ノズルの前記造形面内における基準位置からの差異を測定する。
１０，１０Ｂ，１０Ｃ…三次元造形装置、２０…材料供給部、２２…連通路、３０…造形材料生成部、３１…スクリューケース、３２…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…溝部、４３…凸条部、４４…材料流入口、４６…中央部、４７…上面、４８…下面、５０…スクリュー対面部、５２…上面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０，６０Ｃ…吐出部、６１…ノズル、６２…吐出口、６３…傷形成用ノズル、６５…流路、７０…流量調整部、７４…第１駆動部、７５…吸引部、７６…第２駆動部、１０１…制御部、１０２…造形処理部、１１０…造形部、２１０…ステージ、２１１…造形面、２１２…ステージヒーター、２１３…凸部、２１４…傷形成部材、２１５…支持ブロック、２１６…凹部、２１７，２１８…エッジ、２２０…支持台、２２１…第１ストッパー、２２２…第２ストッパー、２２３…付勢部、２２４…溝、２３０…位置変更部、３００…測定用モジュール、３１０…検出部、３１１…カメラ、３１２…アーム部、４００…補正部、４０１…第１調整ネジ、４０２…第２調整ネジ、６０１…第１吐出部、６０２…第２吐出部、６１１…第１ノズル、６１２…第２ノズル

Claims (11)

  1. ノズルを有する吐出部と、
    造形材料が積層される造形面を有するステージと、
    前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変更する位置変更部と、
    前記位置変更部を制御する制御部と、
    前記制御部が前記位置変更部を制御することによって位置することが想定される前記ノズルの前記造形面内における第１位置と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって変更された前記ノズルの前記造形面内における第２位置と、に基づいて、前記ノズルの前記造形面内における基準位置からの差異を測定するために用いられる測定用モジュールと、を有する、
    三次元造形装置。
  2. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
    前記測定用モジュールは、前記第２位置を検出する検出部を有する、三次元造形装置。
  3. 請求項１または２に記載の三次元造形装置であって、
    前記制御部は、前記測定用モジュールを用いた測定結果に基づいて、前記位置変更部を制御する、三次元造形装置。
  4. 請求項１または２に記載の三次元造形装置であって、
    前記測定用モジュールを用いた測定結果に基づいて、前記ノズルと前記ステージの前記相対位置を補正する補正部を有する、三次元造形装置。
  5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
    前記測定用モジュールは、前記ステージ上の予め定められた位置に設置された傷形成部材を有し、
    前記制御部は、前記位置変更部を制御して前記ノズルを前記第１位置に相対的に移動させて前記傷形成部材上に前記ノズルの先端を接触させることにより、前記第２位置を測定するための傷を形成する傷形成動作を行う、三次元造形装置。
  6. 請求項５に記載の三次元造形装置であって、
    前記吐出部は、前記ノズルとして、吐出口を有さない傷形成用ノズルを脱着可能に構成されている、三次元造形装置。
  7. 請求項６に記載の三次元造形装置であって、
    前記傷形成用ノズルの硬度は、前記傷形成部材の硬度よりも高い、三次元造形装置。
  8. 請求項５から７までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
    前記ステージを加熱する加熱部を備え、
    前記制御部は、前記加熱部による前記ステージの加熱後に前記傷形成動作を行う、三次元造形装置。
  9. 請求項８に記載の三次元造形装置であって、
    前記制御部は、前記加熱部による前記ステージの加熱後に加え、前記ステージの加熱前にも、前記傷形成動作を行う、三次元造形装置。
  10. 請求項５から９までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
    前記吐出部は、第１吐出部と第２吐出部とを含み、
    前記制御部は、前記傷形成動作において、前記第１吐出部に備えられたノズルの先端と、前記第２吐出部に備えられたノズルの先端とを前記傷形成部材に接触させる、三次元造形装置。
  11. 三次元造形装置に備えられた三次元造形用ノズルのキャリブレーション方法であって、
    前記三次元造形装置は、
    ノズルを有する吐出部と、
    造形材料が積層される造形面を有するステージと、
    前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変更する位置変更部と、
    前記位置変更部を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部が前記位置変更部を制御することによって位置することが想定される前記ノズルの前記造形面内における第１位置と、前記制御部が前記位置変更部を制御することによって変更された前記ノズルの前記造形面内における第２位置と、に基づいて、前記ノズルの前記造形面内における基準位置からの差異を測定する、
    キャリブレーション方法。
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