JP4865852B2 - 押出装置における端部の自動較正 - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明
[背景]
本発明は、加法過程モデリング技術を用いた3次元物体の製造に関する。より具体的には、本発明は、3次元モデリングマシンにおける押出端部を較正する方法に関する。
加法過程モデリングマシンは、コンピュータ支援設計(CAD)システムから供給される設計データに基づき、通常は平面層に、モデリング媒体を積層することによって、3次元モデルを作成する。作り出される物理的部品の数学的記述は、通常、複数の平面層に分割され、これら複数の層は、個別に成形されて最終部品を製造するのに用いられる。3次元モデルの役割には、美的判断、数学的CADモデルの実証、有形治具(hard tooling)の形成、干渉及び空間割り当ての検証、機能性の検査が含まれる。近年における積層製造の主要な用途は、ラピッドプロトタイピングである。
固化可能なモデリング材料を堆積させることによって3次元モデルを作成する装置及び方法の例は、Crumpによる米国特許第5,121,329号、Batchelderらによる米国特許第5,303,141号、Crumpによる米国特許第5,340,433号、Batchelderらによる米国特許第5,402,351号、Crumpらによる米国特許第5,503,785号、Abramsらによる米国特許第5,587,913号、Danforthらによる米国特許第5,738,817号、Batchelderらによる米国特許第5,764,521号、Combらによる米国特許第5,939,008号に記載されている。尚、これらの特許は全て、本発明の譲受人であるストラタシス,インコーポレイテッドに譲渡されている。押出ヘッドは、固化可能な材料を、("ビーズ"または"ロード"とも称される)流動性のストランド状態で、押出端部から基部上に押し出す。異なる材料を押し出すために、押出ヘッドは、複数の押出端部を備えていてもよい。例えば、押出ヘッドは、3次元モデルを構築するためのモデリング材料を押し出す第1の押出端部と、モデル構築周期の間に一時的な支持部を提供するための支持材料を押し出す第2の押出端部とを備えていてもよい。基部は、モデリングプラットフォームに取り外し可能に取り付けられたモデリング基板を備える。押出ヘッド及び基部が、機械的手段によって3次元に互いに相対的に移動されるにつれて、押し出された材料が、押出端部によって、CADモデルにより定義された領域に層ごとに堆積される。確実にモデルを適切に構築するためには、モデルの構築中に、押出端部と基部との間に適切な間隔を維持することが重要である。押出端部が基部から離れすぎていると、構築材料は誤った位置に配置されるか、変形する可能性がある。逆に、押出端部が基部に近すぎると、押出端部がモデルに接触して、モデルや、おそらくは押出端部またはヘッド自体に損傷を与える可能性がある。さらに、押出端部を複数備えたシステムでは、材料の層が、確実に、基板上に、あるいは互いに重なり合うように適切に配置されるように、押出端部の間の間隔を厳密に制御することが重要である。
一旦完成すると、モデルは基板から取り外される。モデリング材料としては、固化する際に適切な接着により以前の層に付着する固化可能材料が使用される。これらの堆積モデリング技術に特に適しているのは、熱可塑性材料であることがわかっている。その他の加法過程製造技術としては、Mastersによる米国特許第5,46,569号にあるようなUV硬化ポリマーの堆積;Helinskiによる米国特許第5,50,515号にあるような材料の液滴の噴射;Valavaaraによる米国特許第4,749,347号にあるような設定可能なプラスチックの縦ストリップへの押出;Prattによる米国特許第5,038,014号にあるようなレーザー溶接堆積;DiMatteoによる米国特許第3,932,923号にあるような平面要素の積層及び接着;Hullによる米国特許第5,82,559号にあるような用紙の成形層の適用、が挙げられる。
複数の異なる種類のラピッドプロトタイピングマシンが商業的に入手可能である。この商業的入手性により、3次元モデリングは消費者にとって非常に便利なものとなっている。なぜなら、消費者は自らが所有する設備で3次元モデルを都合良く作成できるからである。しかしながら、押出端部内部におけるモデリング材料の逆流または固化により、押出端部が、使用不能になったり、信頼できなくなった可能性があるときなどに、マシンは修理を必要とすることがある。押出端部を通過するモデリング材料の流れが妨げられると、新しい押出端部の取り付けが必要になることが多い。ラピッドプロトタイピング分野においては、消費者により交換可能な構成部品がより入手可能になってきており、交換可能な構成部品には、交換用押出端部が含まれている。消費者により交換可能な押出端部によってマシンの修理がより簡易となったものの、押出端部が交換あるいは再取り付けされると、押出端部の較正も必要となる。較正ルーチンには、モデルを構築する前に確実に、押出端部と基板との間の空間的な関係をシステムに把握させるための、Z軸における押出端部から基板へのオフセットの較正が含まれる。さらに、較正ルーチンには、確実に、押出端部と基板上の原点との間の空間的な関係をシステムに把握させるための、X軸及びY軸における押出端部から原点へのオフセットの較正を含むことができる。複数の押出端部が存在する場合、較正ルーチンにはまた、Z軸における押出端部間のオフセット、X軸における押出端部間のオフセット、Y軸における押出端部間のオフセットが含まれる。較正を行わないと、基部に対する押出端部の位置、及び互いに対する押出端部の位置が不正確になる可能性があり、基部に対する押出端部の位置、及び互いに対する押出端部の位置が不正確になると、モデリングシステムは、正確で、誤りのないモデルの構築ができなくなる可能性がある。
従来、較正ルーチンは、熟練した消費者、または技術者により実行される手作業方式または"視認"方式から成り立っていた。以前は、Z軸における押出端部間のあらゆるオフセットの特定には、一般的に、材料層を押し出すことと、カリパスを用いて、押出材料の厚みを手作業で測定することとが含まれていた。同様に、X軸あるいはY軸における押出端部間のオフセットの特定には、一般的に、押し出された材料の位置をX−Y軸に沿って手作業で測定することが含まれていた。押出端部から基板へのオフセットは、一般的に、押出端部と基板との間の間隔を広げながら、連続した一連の数字を基板にエッチングし、基板にエッチングされた、視認可能な最も大きな数字を"視認"することにより決定される。押出端部から原点へのオフセットは、一般的に、組み立ての間に、あるいは押出ヘッドガントリー位置の較正の一部として、較正されていた。残念ながら、手作業方式、あるいは"視認"方式を含んだ較正ルーチンは、不確実になることがある上、時間がかかることもある。さらに、適切な手作業による較正は、作業者の判断を必要とするために、経験の浅いユーザにとっては、正しく較正されたオフセットを特定することが難しいこともある。
押出端部の較正が不正確であると、3次元モデルの形成または構築が失敗する可能性がある。それゆえに、作業者の介入や判断を必要としない、押出端部の自動較正ルーチンが必要とされている。
[概要]
本発明は、プラットフォーム上に載置された基板上に堆積装置からのモデリング材料を堆積させるコントローラによって指示されたように3次元物体を構築する3次元モデリングマシンにおいて、較正ルーチンを実行する方法である。この方法は、規定の位置で3次元構造を表す材料構築プロファイルの生成を備えている。そして、材料構築プロファイルの相対的位置が決定される。予想構築プロファイルは、特定されたのち、材料構築プロファイルの決定された相対位置と比較され、相対位置との間の差が特定される。その差からオフセットが決定される。その後、モデリングシステムは、オフセットに基づいて堆積装置を配置する。
[詳細な説明]
図1は、本発明を利用可能な、当該技術分野で周知となっている種類の3次元モデリングシステム10の全体図を示している。より具体的には、図1に示す3次元モデリングシステム10は、押出による積層モデリングシステムである。プロセッサ12に常駐するコンピュータ支援設計(CAD)プログラムは、作り出される部品14の形状を記述するファイルを生成する。生成されたファイルは、スライシングプログラム(プロセッサ12に常駐しているように示されているが、プロセッサ12に代えて、別個のプロセッサに常駐させてもよい)のアルゴリズムによって、モデル材料押出端部38から押出可能な形状に対応するモデリング材料体積要素16に細分化される。追加的な支持材料体積要素18が必要に応じて追加され、部品14のモデル47の構築中に、機械的支持部45を部品14のモデル47に提供する。
モデリングシステム10は、一対のディスペンサ38,40を用いて、モデル47及び支持部45の構築に使用される異なる材料を供給する。本実施形態では、各ディスペンサ自体が各々の放出端部を備えており、モデリングシステム10は、モデリング材料を押し出すモデル材料押出端部38と、支持材料を押し出す支持材料押出端部40とを備えている。モデリング材料は、押出端部38によって供給されて、モデリング材料体積要素16に基づいて物体すなわちモデル47を構築する一方、支持材料は、押出端部40によって供給されて、支持材料体積要素18に基づいて、基礎をなす支持部45を形成する。支持構造45は、モデル47を作り出したモデリング材料が十分に凝固した後に取り除かれる。
配線20を介してプロセッサ12から3次元形状データを受信すると、コントローラ24は、XYZ座標基準座標系において、モデリング材料及び支持材料の押出を制御する。モデリング材料及び支持材料のビーズが、モデリング材料体積要素16及び支持材料体積要素18により定義されたパターンである構築経路において、一層ごとに押し出される。コントローラ24は、各層の構築パスにしたがってモデル47を構築するために必要な動作を表現するデータを決定し、決定したデータを付随するメモリ22に保存する。このデータに基づいて、コントローラ24は、出力信号線28a,28b,28cのそれぞれを介して、X−Y軸変換装置26と、Z軸変換装置30と、押出ポンプ34とに制御信号を送信して、構築経路にしたがって特定の層を作り出す。X−Y軸変換装置26は、電気機械装置であって、特定の層のための構築経路にしたがって、ロボットアーム42を動作させる。押出ポンプ34は、モデル材料押出端部38及び支持材料押出端部40のそれぞれによって最終的には堆積されるモデリング材料及び支持材料を、同期させて、材料供給部32から押出ヘッド36に供給する。
モデル47及び支持部45は、基板48の上面に構築される。基板48は、モデリングプラットフォーム46に取り外し可能に載置され、モデリング容器(envelope)44内に配置されている。モデリングプラットフォーム46は、Z軸変換装置30の制御下でZ方向に移動する。図示されているZ軸は、地面から半径方向に離れるように向けられている。しかしながら、別の実施形態において、Z軸は、地面に向けられてもよいし、あるいは別の選択された角度に向けられてもよい。Z軸変換装置30は、モデリング材料または支持材料の層が堆積されるにつれて、モデリングプラットフォーム46を次第に下降させて、基板48上にモデル47及び支持構造45を一層ごとに構築する。モデル47が作り出された後、モデル47は、付随する支持要素45と共にモデリングシステム10及び基板48から取り外される。
モデリングシステム10は、構築される各層の高さと位置とを制御することにより、精密かつ正確なモデル47を構築する。一般的に、モデリングシステム10は、材料が堆積装置から堆積される速度を制御して、各層を一定の高さで作り出す。例示的な本実施形態においては、構築経路に従って適切な位置に確実に材料を堆積させて層を構築するためには、材料を堆積させる押出端部の位置が重要である。押出端部の実際の位置が、コントローラ24によって予想された位置と同じでない場合には、材料層が適切なX−Y−Z位置に正確に押し出されないものと考えられる。
押出端部の位置は、また、Z方向における各構築層の高さを制御するのに非常に重要である。押出端部の底部には、通常、堆積されるにつれて、その層のための構築経路を作り上げる材料のビーズに物理的に接触して、接触したビーズを平らにする"アイロン"が設けられている。材料を押し出す押出端部が、材料が堆積される表面から過度に高い位置に配置されている場合には、アイロンが、予想された量の材料のビーズを平らにしないことになり、ビーズ及び層の高さが、所望の高さよりも高くなってしまうと共に、一定にはならない。逆に、材料を押し出す押出端部が、過度に低い場合には、アイロンが、過度な量の材料のビーズを平らにすることになり、ビーズ及び層の高さが所望の高さよりも低くなる上、押出端部が塞がれてしまう可能性がある。構築層内のビーズの高さが不均一であると、モデル47が作り出されるにつれて、構築周期全体にわたって、層の高さが不均一になる。この結果、モデル47に誤差や構造的な欠陥が生じる。正確なモデル47の構築には、各層の厚みや位置を厳密に制御することが重要である。
上述の考察に基づけば、正確なモデルを構築するためには、材料のビーズのX−Y位置及びZ軸の高さを厳密に制御する必要があることは明らかである。本発明は、精密かつ正確なモデルを構築するために、X,Y,Z方向における押出端部の較正を行うことが可能な自動押出端部較正を採用している。本発明の例示及び本発明の明確化の目的で、以下の説明では、少なくとも1つの押出端部のZ方向における較正にまず着目し、その後、X方向及びY方向の較正に着目する。
Z方向について考えてみると、材料が堆積されることになる表面に対する、材料を押し出す押出端部の位置は、構築層の厚みを制御するために、所望のレベルで制御及び維持されなければならない。押出端部が最初に材料を堆積させることになる基板48に対して、押出端部を精密に配置することで、押出端部の位置を所望のレベルで制御及び維持することができる。一旦、押出端部が基板48に対して適切に配置されると、Z軸変換装置30によるプラットフォーム46、ひいては基板48の精密な移動制御と、X−Y軸変換装置26によるヘッド36の精密な移動制御とが必要になる。モデル47及び支持部45の1つの層の堆積が完了すると、Z軸変換装置30は、プラットフォーム46を次の材料層の高さに等しい距離だけ下降させることになる。この制御された移動によって、押出端部は、確実に、当該押出端部が材料を堆積させることになる表面に対して適切に配置され続けることになる。したがって、基板48と押出端部との間で所望の距離を得るためには、押出端部と基板48との間の距離が、プラットフォーム46の位置を調整するのに必要になるあらゆるオフセットと共に決定されなければならない。Z軸における押出端部と基板との位置の差は、特定の押出端部についての、Z軸における、その押出端部から基板までのオフセットを表している。
モデリングシステム10は、図1に示すように複数の押出端部を備えていてもよい。米国特許第5,503,785号に説明されるように、一般的に、モデリングシステム10は、押出位置が1つだけであり、上方の格納位置あるいは非押出位置と、下方の押出位置との間で複数の押出端部を切り換えている。単一の押出端部の場合と同様に、複数の押出端部の各々もまた、各々が押出位置にあるときには、各々が各材料を堆積させることになる表面から等しい距離に配置されなければならない。しかしながら、適切に較正されるまでは、異なる押出端部の各々が押出位置にあるときに、押出端部のZ軸における相対的位置が変化する可能性がある。この差は相殺されるべきであり、プラットフォーム46の位置は、複数の押出端部の各々が各材料を堆積させることになる表面から等しい距離に複数の押出端部の各々を配置するように調整されるべきである。押出端部間のZ軸位置の差は、Z軸における押出端部間のオフセット値を表す。押出端部間のオフセット値は、複数の押出端部の各々が材料を堆積させることになる表面から同じ距離だけ離れた位置に押出端部を配置するために、プラットフォーム46の位置あるいは高さに対して必要な調整を表している。
本発明は、一定の高さのビーズ層を作り出すと共に、基板などの基準点や他の押出端部に対して押出端部の位置を較正するためにプラットフォーム46を適切な位置に配置するというモデリングシステム10の能力に依存する。図2は、本発明に係る押出端部較正方法100のフローチャートである。Z軸における押出端部の較正を参照しながら、例示目的で、較正方法100をここに説明する。しかしながら、後により詳細に説明するように、較正方法100の適用によって、X軸及びY軸における押出端部較正も実行可能であることは理解されるべきである。
方法100は、ステップ102で材料構築プロファイルを生成することにより開始される。材料構築プロファイルは、較正中の特定の押出端部を備えたモデリングシステム10によって、あるいは、プラットフォーム46上に組み立て式の構造を設置することによって生成されてもよい。この例では、材料構築プロファイルは、押出端部によって堆積される材料から作り出される、規定の形状と大きさとを備えた構造である。材料構築プロファイルの形状及び大きさが規定されることにより、規定された精密な位置で構築される構造の長さ、幅、高さが規定される。
材料構築プロファイルが生成されると、ステップ104では、寸法あるいは特定の位置を表し得る、材料構築プロファイルの相対位置が決定される。この例における材料構築プロファイルの相対位置は、特定の規定の位置で、基板48などの基準点に対する構造の高さを測定することによって決定される。
ステップ106では、予想構築プロファイルが特定される。予想構築プロファイルは、押出端部が適切に較正された場合に材料構築プロファイルの相対位置として得られるべき寸法あるいは位置を表す。この例では、予想構築プロファイルは、一定の高さで材料の層を生成するモデリングシステム10の能力に依存して特定されてもよい。
Z軸についての押出端部から基板への較正の予想構築プロファイルは、コントローラ24への入力として供給されるか、あるいはコントローラ24により算出されてもよい。例えば、(高さなど)予想構築プロファイルは、プロセッサ12またはメモリ22のいずれかからコントローラ24に入力されてもよい。コントローラ24は、また、モデリングシステム10によって生成された各層の一定の高さの値と、材料構築プロファイルの規定の形状及び大きさに従って材料構築プロファイルを生成するのに必要とされる層の数とを乗算することによって予想構築プロファイルを算出してもよい。
あるいは、押出端部間の較正のための予想構築プロファイルは、第2の構造の相対的位置を決定することにより特定されてもよい。第2の構造は、第2の堆積装置、すなわち、この場合には第2の押出端部によって組み立てられるか、作り出されてもよい。押出端部間の較正の場合、予想構築プロファイルは、同じ規定の形状と大きさとを備え、元の材料構築プロファイルと同じ構築経路に従ってはいるものの異なる規定の位置で作り出された第2の構造の、高さなどの相対位置を測定することにより特定可能である。第2の構造は、押出端部間の較正の対象である他の押出端部によって作り出されてもよい。
予想構築プロファイルが特定された後、ステップ108では、材料構築プロファイルが予想構築プロファイルと比較され、存在する可能性がある、あらゆるオフセットが特定される。オフセットは、材料構築プロファイルの値と予想構築プロファイルの値とを比較するときに、材料構築プロファイルと予想構築プロファイルとの間の差、あるいは材料構築プロファイルと予想構築プロファイルとから決定される差として特定されてもよい。例えば、最初の層が堆積されるときに、押出端部が、過度に低い、あるいは基板48に過度に近い場合、押出端部は、堆積中の材料を平して、材料構築プロファイルの高さを、モデリングシステム10が適切に動作して較正されたときの材料の層の一定の高さの値よりも低くすることになる。オフセットは、プラットフォーム46に搭載された基板48に対して材料構築プロファイルを生成した押出端部を適切に配置するのに必要な調整を表している。ステップ110では、このオフセット値を考慮に入れた、押出端部の位置の調整が実行される。押出端部が、過度に低い、あるいは基板48に過度に近い場合には、モデリングシステム10は、オフセットに等しい量、あるいはオフセットから導出される量だけプラットフォーム46を下降させ、押出端部を基板48に対して適切な位置に配置することになろう。モデリングシステム10は、また、メモリ22にオフセット値の記録または保存を行い、以後の構築の際に押出端部を適切に配置することになろう。
図3は、基板48の上面に、この例では支持材料41を堆積させる支持材料押出端部40を図示する側面図である。支持材料41は、図4における構築材料43から当該支持材料41を区別するために、当該支持材料41の中心を通る破線を付して示されている。モデリングシステム10は、規定の構築経路に従って支持材料押出端部40から支持材料41を堆積させて、方法100におけるステップ102の材料構築プロファイルを生成する。図3に示す材料構築プロファイルは、パッド49と称される。パッド49の幾何学的形状は、図5に示すように長方形である。図3に示すように、支持材料押出端部40は、支持材料41の最上層あるいは最終層50を堆積させてパッド49を構築する。
パッド49、あるいは材料構築プロファイルの構築が完成すると、X、Y、Z軸のいずれかにおけるパッド49の相対位置、あるいはステップ104が決定され、各軸に沿って較正が行われる。この例では、Z軸について較正が行われると、材料構築プロファイルを表すパッド49の高さが、高さH1に決定される。
次のステップ106では、予想構築プロファイルの高さが特定される。予想構築プロファイルは、図3における高さEとして特定される。この場合、高さEは、モデリングシステム10が材料を堆積させる一定の層の高さの値と、パッド49を構築するのに必要な層の数、この場合には5つの層との積を計算することによって決定される。モデリングシステム10における、一定の層の高さの値は、スライシングプログラムによる各層の理論的な高さに等しい。
図3に示すように、この例では、高さH1は、距離Aだけ高さEより低い。高さH1が距離Aだけ高さEより低いことは、支持押出端部40が過度に低いこと、または基板48に過度に近いことを示しており、その結果、パッド49を作り出している間、支持材料押出端部40は、支持材料41を削りながら進み、パッド49を構成する構築層の高さを低下または低減させている。距離Aは、基板48に対して押出端部40を適切に配置するために必要なオフセット、あるいは押出端部40のZ軸における押出端部から基板へのオフセットを決定、または導出するために用いられる。距離Aに対応するオフセットを相殺することによって、押出端部40が、一旦、基板48に対して適切に配置されると、押出端部40が基板48に対して較正される、あるいは、Z軸における押出端部から基板への較正が完了する。本実施形態では、較正ルーチン100は、Z軸における押出端部から基板へのオフセットを約0.0005インチからなる許容誤差の範囲内で決定する。
Z軸における押出端部から基板への較正が完了すると、モデリングシステム10は、押出端部40によって正確なモデル47または支持部45を構築することができる。モデリングシステム10が1つの押出端部しか備えていない場合には、押出端部のZ軸における較正は完了している。しかしながら、モデリングシステム10が複数の押出端部を備える場合には、残りの押出端部もまた較正が必要である。
モデリングシステム10が複数の押出端部を備える場合、モデリングシステム10は、一般的に、その構築経路に対する所望の材料を堆積させることになる押出端部を、押出端部の格納位置または非押出位置から押出位置へと切り換えることになる。押出位置は、通常、格納位置あるいは非押出位置よりも低い。この押出位置と格納位置または非押出位置との間における押出端部の位置の差は、図3,4において押出端部38,40の相対位置の比較により示されている。図3では、押出端部40は、コントローラ24によって、押出端部38の格納位置または非押出位置よりも低い押出位置へと切り換えられている。逆に、図4では、コントローラ24は、押出端部40の格納位置または非押出位置よりも低い押出位置へと押出端部38を切り換えている。材料を堆積させていない押出端部をより高い格納位置に配置することにより、モデリングシステム10は、他方の押出端部から離れて材料を堆積させつつ、非堆積端部が堆積された材料に接触あるいは突っ込んでしまうことを回避するのに十分な間隔を確保する。
複数の押出端部を備えたモデリングシステム10においては、最初に材料を堆積させることになる押出端部は、通常、Z軸における押出端部から基板への較正を実行するのに使用される。最初に材料を堆積させることになる押出端部がZ軸における押出端部から基板への較正を実行するのに使用されることにより、確実に、最初に堆積された材料の層が正しく始まることになる。通常、モデリングシステム10は、基板48の上に支持材料41の基台を堆積させた後、その基台の上にモデル47を構築することになる。支持材料41の基台を作り出すことによって、モデル47を損傷させることなく、モデル47を基板48から分離させることが容易になるであろう。複数の押出端部を備えたモデリングシステム10における各押出端部が基板に対して較正され得る間、Z軸における押出端部間の較正によって、各押出端部を順次較正することも好ましい。
図4は、Z軸における押出端部間の較正のための、本発明に係る方法100を示す。図4に示すように、支持押出端部40が格納位置または非押出位置へ切り換えられている一方で、材料押出端部38が構築材料43を堆積させるために押出位置へと切り換えられている。材料押出端部38は、精密な位置において規定の形状及び大きさで構築材料43を堆積させ、ステップ102における材料構築プロファイルを生成する。この例でもまた、モデリングシステム10は、パッド49に類似するパッド51を生成する。但し、パッド51は、パッド49のように支持材料41ではなく構築材料43で構築される。図4に示すように、押出端部38は、構築材料43の最終層、すなわち最上層52を堆積させて、パッド51、すなわち、この較正のための材料構築プロファイルを作成する。
パッド51の構築が完了すると、パッド51の相対的位置がステップ104で決定される。この例でもまた、パッド51の高さが決定され、パッド51の高さは、図4に示すように高さH2に等しい。次のステップ106では、予想構築プロファイルが特定される。方法100がZ軸における押出端部間較正であるため、予想構築プロファイルは、他方の押出端部、この場合は押出端部40により生成される、同様の形状及び大きさの第2の構造の相対的位置を決定することにより特定される。図5に示すように、パッド49,51は、基板48上の異なる位置に作り出される以外に、同じ構築経路に従って同じ規定の大きさ及び形状で構築されていた。
この例では、パッド49の高さ、あるいは相対的位置を決定することによって、予想構築プロファイルを特定する。ここで、パッド49の高さ、あるいは相対位置は、すでにZ軸における押出端部間の較正で決定されている。したがって、押出端部間の較正のための予想構築プロファイルは、すでに決定されている高さH1として特定される。この例で示されているように、ステップ106あるいは予想構築プロファイルの特定は、本発明の精神又は本発明の範囲から逸脱しない範囲で、方法100に記載のステップ104の後よりも早い時期に決定または算出可能である。
図4に示すように、予想構築プロファイルの高さH1と比べると、材料構築プロファイルの高さH2は、距離Bだけ大きい。距離Bは、押出端部38,40がモデリングシステム10の押出位置に配置されたときにおける、押出端部40と比較した押出端部38の位置の相対的差異を表している。高さH2が高さH1よりも大きいのであれば、押出端部38は、押出端部38,40が押出位置に配置されたときにおける押出端部40よりも、材料が堆積されることになる表面からより高くなっている、あるいはより離れている。その結果、距離Bは、押出端部38,40間のオフセットあるいはZ軸における押出端部間のオフセットを表している。
モデリングシステム10は、その後、コントローラ24が押出端部38,40間を切り換えるときにプラットフォーム46の位置を調整してオフセットBを相殺する。この例では、モデリングシステム10が、プラットフォーム、ひいては、押出端部38が材料を堆積させることになろう表面を、押出端部38まであるいは押出端部38の近くまで、距離Bから決定された量あるいは導出された量だけ移動させることになるであろう。距離Bから決定されたオフセットあるいは距離Bから導出されたオフセットは、その後、後の参照のため、そしてその後のモデルの作成に使用するために、メモリ22に格納される。本発明の一実施形態においては、較正ルーチン100は、約0.0005インチからなる許容誤差で、Z軸における押出端部間のオフセットを決定する。
較正ルーチン100は、コントローラ24によって自動的に実行され、オペレータの支援を必要としない。較正ルーチン100は、初期化動作中または起動中に、あるいはオペレータの入力によりあるいはオペレータの入力によらずに、押出端部又は基板が交換されたことを検出あるいは判定したときに、押出端部を自動的に較正するようにプログラムされてもよい。較正ルーチン100は、また、最初にシステムを較正、または、システムを較正するために既存のオフセットを調整、あるいは、モデリングシステム10の較正を確認するために使用されてもよい。
図5は、本発明に係るセンサアセンブリ53の斜視図であり、センサアセンブリ53は、モデリングシステム10の押出ヘッド36に搭載されている。センサアセンブリ53は、表面を検出可能なセンサアセンブリであり、表面の位置を決定して、方法100のステップ104,106において、パッド49,51などのような材料構築プロファイルまたは予想構築プロファイルの寸法を決定する。本発明の教示は、図1に図示説明された種類の、押出による積層製造システムにのみ用いることを限定するものでないことは理解されるべきである。すなわち、本発明は、あらゆる"加法"または"減法"3次元モデリングシステムに使用されてもよい。
センサアセンブリ53に焦点を当てるために、モデリングシステム10のいくつかの部分を図5に示す。モデリングシステム10の図5に示すいくつかの部分には、プラットフォーム46により支持された基板48の上方に配置された押出ヘッド36が含まれている。図1について上述したように、押出ヘッド36はX−Y平面を移動し、プラットフォーム46はZ軸に沿って移動する。押出ヘッド36は、モデル材料押出端部38及び支持材料押出端部40を終端としている。
センサアセンブリ53は、プランジャ54、ハウジング56、アクチュエータ58を備える。センサアセンブリ53は、1組の4つのコネクタ66によって、押出ヘッド36の背面に取り付けられている。一般に棒形状からなるアクチュエータ58は、ハウジング56の上部ガイド62と下部ガイド64との間に固定されている。アクチュエータ58は、水平方向の力を受けて、上部ガイド62と下部ガイド64との間を横方向に水平にスライドする。アクチュエータ58の横方向運動により、プランジャ54が交互に上下する。上昇位置では、プランジャ54は、Z方向において、モデル材料押出端部38及び支持材料押出端部40の双方の上方に位置している。逆に、図5に示すように、プランジャ54の下方における検出位置では、プランジャ54は、Z方向において、モデル材料押出端部38及び支持材料押出端部40の双方の下方に位置している。
相対的位置を決定するため、すなわち、この場合、パッド51またはパッド49の高さを決定するために、プランジャ54が検出位置まで下降され、押出ヘッド36自体がモデルパッド51の上方に配置される。これにより、プランジャ54のX,Y座標は、モデルパッド51の上面52を規定するX,Y座標内になる。プランジャ54が、モデルパッド51の上方の予め選択されたX,Y座標に配置されると、プラットフォーム46は、当該プラットフォーム46がモデルパッド51の上面52をプランジャ54に押し込むまで、プランジャ54に向かう方向において一定の速度でZ軸に沿って移動する。この時点で、センサアセンブリ53は、信号線68を介してコントローラ24に検出信号を送信する。コントローラ24は、信号の変化が検出された時点に対応するプラットフォーム46のZ軸位置を記録する。信号の変化が検出された、プラットフォーム46のZ軸位置を記録することにより、コントローラ24は、モデルパッド51の上面52がプランジャ54に接触したときのプラットフォーム46のZ軸位置を決定することができる。平均化可能な複数のZ軸位置を得るために、モデルパッド51の上面52を規定する境界内にある他の予め選択されたX,Y座標で、この同じ処理を繰り返し、上面52に対応するより正確なZ軸における値を特定してもよい。
プランジャ54のX,Y座標が支持パッド49の上面50を規定するX,Y座標内になるように、押出ヘッド36は、当該押出ヘッド36自体を支持パッド49の上方に配置することになる。その後、コントローラ24は、モデルパッド51に関して上述した方法と同じ方法で、支持パッド49の上面50がプランジャ54に接触した位置に対応する、プラットフォーム46の少なくとも1つのZ軸位置を決定することになる。
プランジャ54のX,Y座標が基板48の上面60を規定するX,Y座標内になるように、押出ヘッド36は、また、当該押出ヘッド36自体を基板48の上方に配置することになる。その後、コントローラ24は、モデルパッド51及び支持パッド49に関して上述した方法と同じ方法で、基板48の上面60がプランジャ54に接触した位置に対応する、基板48の少なくとも1つのZ軸位置を決定することになる。基板48のZ軸位置が特定されると、基板48のZ軸位置は、パッド49,51の上面50,52のそれぞれと基板48のZ軸位置の相対的差異により、パッド49,51の高さを決定する基線、基準、あるいは原点として使用できる。しかしながら、基板48のZ軸位置は、基板48上にあらゆる構造を構築する前に決定されるのが好ましい。そうでなければ、押出ヘッド36に搭載されたセンサアセンブリ53に対してあらゆる構造物が十分な間隔を有していることを確実にするために、基板48の上面60を検出するのに使用されるX,Y位置について注意を払わなければならない。
図6A,6Bは、図5の押出ヘッド36の詳細図を示しており、モデリングシステム10により利用される、プランジャ54を自動的に当該プランジャ54の下方の検出位置へ移動させる方法を示している。プランジャ54を下降させるために、X−Y軸変換装置26は、X平面において押出ヘッド36を移動させ、アクチュエータ58をモデリング容器44の外側に位置する第1の静止ブロック78に対して駆動させる。図6Bに示す実施形態では、アクチュエータ58に対するブロック78の力がアクチュエータ58を当該アクチュエータ58の左方向へ押し、プランジャ54を当該プランジャ54の検出位置まで下降させる。
図7A,7Bは、モデルパッド51、支持パッド49、基板48に対応するZ軸位置を検出することを、センサアセンブリ53が終了した後にプランジャ54を当該プランジャ54の上方の、格納位置に移動させるのに利用される方法を示している。プランジャ54を上昇させるために、X−Y軸変換装置26は、X平面において押出ヘッド36を移動させ、アクチュエータ58を静止ブロック78の方向とは反対の方向において、モデリング容器44の外側に位置する第2の静止ブロック82に対して駆動させる。図7Bに示す実施形態において、アクチュエータ58に対するブロック82の力によって、アクチュエータ58を当該アクチュエータ58の右方向へ押すことで、プランジャ54を格納位置まで上昇させる。
図8A,8Bには、モデルパッド51の上面52を検出したときの、センサアセンブリ53に取り付けられたプランジャ54の一実施形態の詳細が示されている。図8Aでは、プラットフォーム46がセンサアセンブリ53に向かってZ軸方向に移動して、モデルパッド51とプランジャ54とが接触した直後である。図8Aに示すように、センサ79は、センサアセンブリ53の内部を横断するように光線81を放射する。プランジャ54の上部は、所定の距離Xだけ光線81の下方に位置している。センサアセンブリ53の一実施例では、所定の距離Xは、約0.1875インチである。
図8Bでは、プラットフォーム46がセンサアセンブリ53に近づくようにZ軸方向に移動し、プランジャ54に加わるモデルパッド51の力によって、プランジャ54が所定の距離Xだけ上昇し、プランジャ54が光線81の中へと移動したところである。プランジャ54が光線81の中へと移動した結果、センサ79により供給される信号に変化が起こり、コントローラ24が、信号の変化が検出された時点に対応するプラットフォーム46のZ軸位置を記録する。センサアセンブリ53は、同様の方法で支持パッド49の上面50と基板48の上面60とを検出する。
図8A,8Bに示すように、プランジャ54は、平らで下向きの端部83で終端する。端部83は、基板48、あるいはモデルパッド51、あるいは支持パッド49に対する端部83の接触力が、基板、あるいはモデリング材料、あるいは支持材料の弾性降伏限界を超えないように、十分な大きさの接触領域を備えるべきである。図8A,8Bに示すように、センサ79は、光学式センサである。適切な光学式センサは、OPTEK Technologiesから入手可能であり、例えば、モデルOPB380T51がある。センサ79からの電気出力信号は、センサ79の光線がプランジャ54によって遮断されると、状態が変化する。
前記の考察は、Z方向における端部の較正に関するものであるが、X方向、Y方向における端部の較正も、本発明を適用することによって行われてもよい。例えば、センサアセンブリ53を回転させて、プランジャ54に、X方向、Y方向における検出を行わせてもよい。その場合、センサアセンブリ53は、図6A,6B,7A,7Bについて説明したように上昇及び下降される。しかしながら、プラットフォーム46を移動させることによってプランジャ54をパッド49またはパッド51へと駆動する代わりに、モデリングシステム10は、プランジャ54を、パッド49またはパッド51のいずれかにおける側面へと駆動するであろう。例えば、モデリングシステム10は、プランジャ54がY軸とほぼ平行なパッドの側面に接触するまで押出ヘッド36をX平面において移動させるにより、図8Bに示すように所定の距離Xだけプランジャ54が移動するまでプランジャ54をセンサアセンブリ53内に押し込むことになるであろう。押出ヘッド36がY平面において移動することにはなるものの、同じルーチンが、X軸に平行なパッドの側面を検出するのにも利用される。
Z方向に加えて、X方向及びY方向における押出端部のオフセットを較正することが、正確で誤差のないモデルを構築するのに必要である。押出端部の正確な位置及び押出端部間の関係を厳密に制御しないと、押出端部は、誤った位置に材料のビーズを押し出すことになり、モデルに誤差を生じさせてしまうことになる。材料の押出層の位置を制御するためには、材料が堆積されることになる表面に対して材料を押し出す押出端部の位置を制御し、維持しなければならない。具体的には、コントローラ24は、X−Y軸変換装置26に命令して、規定の構築経路に対応する基板48の上方における特定のX,Y位置に押出端部38または押出端部40を配置する。したがって、コントローラ24が押出端部の精密な位置及び押出端部間の関係を把握していることが重要である、X軸及びY軸に沿って押出端部の位置を較正することによって、材料の層は精密な既知の位置に確実に押し出される。
上述したZ軸における押出端部の較正と同様に、X−Y軸における押出端部の較正も、2つの要素を備えていてもよい。X−Y軸における押出端部の較正の第1の要素は、X軸における押出端部から原点へのオフセット、及びY軸における押出端部から原点へのオフセットである。押出端部から原点へのオフセットは、通常、基板上に位置する所定の原点に対しての、実際の押出端部の位置と予想された押出端部の位置との間の偏差を表す。オフセットが存在する場合、コントローラ24は、オフセット値に基づいて押出端部の相対的位置を移動させ、モデリングシステム10によって予想された位置にある基板48に対して押出端部を配置する。したがって、押出端部から原点へのオフセットの較正により、押出端部の実際のX,Y位置が、モデリングシステム10により予想された位置と確実に一致する。
X−Y軸における押出端部の較正の、第2の要素は、図1に示すモデリングシステム10などのような、複数の押出端部を用いるモデリングシステムにのみ適用される。再び、複数の押出端部を備えたモデリングシステムでは、通常、押出位置と、格納位置もしくは非押出位置との間で押出端部の切り換えが行われることになる。Z方向の場合と同じように、複数の押出端部を備えたモデリングシステムもまた、各押出端部が押出位置にあるときに、X方向及びY方向に対する、較正と押出端部間で必要なオフセットの決定とが必要である。この結果、X方向及びY方向における押出端部のオフセットにより、必要に応じて押出端部が再配置され、確実に、各押出端部が構築経路によって要求される特定のX,Y位置で材料を押し出す。予想された位置に材料の層を押し出し、正確で誤差のないモデルを構築するためには、X軸における押出端部間のオフセット及びY軸における押出端部間のオフセットの較正が必要である。図4でZ方向について考察したように、X方向及びY方向に対する押出端部間のオフセットを、押出端部から原点への較正で較正された第1の押出端部について実行してもよい。あるいは、複数の押出端部を備えたモデリングシステムにおける各押出端部を、押出端部から原点への較正により個別に較正してもよい。
センサアセンブリ53の代わりに、図9に示す複数軸のセンサアセンブリ220を使用して、X方向及びY方向、及びZ方向における押出端部のオフセットを決定してもよい。複数軸のセンサアセンブリ220は、ハウジング222と、プランジャ224と、センサ225とを備える。プランジャ224は、ハウジング222内部に位置する上端部230と、ハウジング222の下方にぶら下がる端部232とを備える。センサ225は、複数のロッド部材226と、複数の電気的接点228とを備える。プランジャ224に連結されているロッド部材226は、図9に示すように電気接点228間に配置可能である。複数軸のセンサアセンブリ220は、さらに、一端がハウジング222の上部236に、他端がプランジャ224の上端部230に連結されたバネ234を備える。バネ234によって、プランジャ224はZ軸に沿って上方に移動することが可能であり、ロッド部材226が電気接点228と接触する、プランジャ224の下方位置にプランジャ224を戻す手段を提供する。Z方向において表面を検出することに加え、複数軸のセンサセンブリ220は、端部232の外面に力を加えることにより、X方向及びY方向において表面を検出する能力を有する。好ましい実施形態において、複数軸のセンサアセンブリ220は、図9に示すように、通常、3つのロッド部材226と、3組の電気的接点228とから構成される。
複数軸のセンサアセンブリ220における複数のロッド部材226の各ロッド部材226がそれぞれ、対になる電気的接点228と接触しているときに、電気回路が完成する。しかしながら、少なくとも1つのロッド部材226がその対になる電気的接点228との接続を切断すると、信号線238を介してコントローラ24に信号が送信される。例えば、プランジャ224がZ方向の表面に対して押されると、プランジャ224が上方へ移動しハウジング222に収まることにより、ロッド部材226と電気的接点228との接続が切断される。同様に、プランジャ224がX方向またはY方向の表面に対して押されると、プランジャ224がハウジング222に対して傾くことにより、少なくとも1つのロッド部材226がその対になる電気的接点228との接続を切断する。したがって、複数軸のセンサアセンブリ220は、材料パッドの上面だけでなく、材料パッドの側面を検出するのに使用されてもよい。
複数軸のセンサアセンブリ220を押出ヘッド36に連結し、図6A,6B,7A,7Bに示すセンサアセンブリ53について前述したように、所定の位置に駆動してもよい。あるいは、複数軸のセンサアセンブリ220を較正ルーチンの間に押出ヘッド36に一時的に取り付け、較正が完了してから取り外してもよい。
図10は、X軸における押出端部から原点への較正のための本発明の方法100を示す。図10に示すように、材料押出端部38は、規定の形状及び大きさの構築材料43を堆積させて、ステップ102の材料構築プロファイルを生成している。具体的には、材料構築プロファイルは、モデルパッド239として図示されている。パッド239は、基板48上の予め決められたX−Y軸原点233の右に配置されている。原点233は、押出端部から原点への較正を実行するために、パッド239の相対的位置を測定するための基準点として機能する。
較正ルーチンはステップ104に進み、ステップ104では、パッド239の相対的位置が決定される。この例では、パッド239の側面240はY軸に平行に横たわり、X軸に沿った原点233に対する側面240の相対的位置は、複数軸のセンサアセンブリ220を用いてパッド239の側面240を検出することにより決定される。側面240の相対的位置は、X軸に沿った、原点233に対する距離Jとして決定される。次のステップ106では、予想構築プロファイルが特定される。X軸における押出端部から原点への較正において、予想構築プロファイルは、側面240の予想X軸位置として、コントローラ24に供給、またはコントローラ24により決定され得る。側面240の予想X軸位置は、図10において、原点233からの距離Kとして特定されている。図10に示すように、パッド239の側面240の予想位置は、距離Jにより表される側面240の実際の材料構築プロファイルよりも距離Kにより表される原点233に近い。言い換えると、X軸に沿った押出端部38の実際の位置は、コントローラ24により予想された位置よりも原点233から遠い。方法のステップ108におけるオフセットは、その後、図10において距離Lとして特定される距離J及びKとの間の差により決定される。距離Lは、原点233に対してモデル押出端部38を適切に配置するのに必要なオフセット、または押出端部38のためのX軸における押出端部から原点へのオフセットを決定、または導出するのに使用される。押出端部38が、距離Lに対応するオフセットを相殺することにより、ステップ110にて原点233に対して適切に配置されると、押出端部38が原点233に対してX方向において較正される、あるいは、X軸における押出端部から原点への較正が完了する。本実施形態において、較正ルーチン100は、約0.001インチ以内からなる許容誤差の範囲内でX軸における押出端部から原点へのオフセットを決定する。
同じ較正ルーチンは、原点233に対する、モデル押出端部38のY軸についての押出端部から原点へのオフセットを較正することに適用されてもよく、この場合、側面240に垂直またはX軸に平行に横たわる、パッド239における第2の側面の予想されたY軸位置を、第2の側面の実際の位置と比較する。さらに、モデリングシステム10などのような複数の押出端部を備えたシステムにおいて、較正ルーチン100は、基板48上の原点233に対して支持押出端部40のX軸位置及びY軸位置を較正するために同様に適用されてもよい。したがって、複数の押出端部を使用するモデリングシステムのための、X軸及びY軸における押出端部から原点へのオフセットの較正は、本発明の意図した範囲に収まる。モデリングシステム10などのような、複数の押出端部を備えたモデリングシステムにおいて、追加の押出端部を適切に配置するためには、追加の押出端部のそれぞれについて押出端部から原点への較正を実行するのではなく、X軸及びY軸についての押出端部間のオフセットを実行することも可能である。
図11は、X軸における押出端部間のオフセットについての本発明の方法100を示す。図11に示すように、図10からの構築材料43を備えた同一のパッド239が基板48上に残されている。較正方法100のステップ102において、モデリングシステム10は、パッド239と同じようなパッド241を生成する。ただし、パッド241は、押出端部38による構築材料43ではなく、押出端部40による支持材料41で構築されている点が異なっている。パッド241の構築を指示するとき、コントローラ24は、押出ヘッド36のY軸位置を変化させるものの、X軸位置を同じ位置にとどめて、パッド239の側面240とパッド241の側面242とを、基板48上の原点233に対する同じX軸座標に沿って生成する。原点233は、押出端部間の較正を実行するために、材料パッドの相対的位置を測定する基準点として再度機能する。
較正ルーチンは、ステップ104に進み、ステップ104では、原点233に対するパッド241の相対的位置が決定される。この例では、原点233に対するパッド241の側面242は、複数軸のセンサアセンブリ220を用いてパッド241の側面242を検出することにより決定される。図11に示すように、側面242は、X軸に沿って原点233から距離Mだけ離れている。
次のステップ106では、予想構築プロファイルが特定される。ステップ106は、X軸における押出端部間の較正であるため、予想構築プロファイルは、側面242と同じX軸位置に沿って作り出された第2の構造の相対的位置を決定することにより特定されることが好ましいが、この場合は押出端部38である他の押出端部により生成された第2の構造の相対的位置を決定することにより特定される。この例では、押出端部38によって作り出されたパッド239、及び押出端部40によって作り出されたパッド241は、コントローラ24によって、原点233に対する同じX軸位置に沿って構築されようとしていた。
パッド239がすでに作り出され、パッド239の相対的位置がX軸についての押出端部から原点への較正において決定されているので、ステップ106で要求される原点233からの予想構築プロファイルの相対的位置Jはすでに特定されている。パッド239の距離Jは、ステップ106では予想位置として機能する。その理由は、モデリングシステム10が、パッド239の側面240と同じX軸位置に沿ってパッド241の側面242を構築しようとするからである。図11に示すように、予想構築プロファイルの距離Jと比べると、材料構築プロファイルの距離Mは、距離NだけX方向に原点233から離れている。距離Nは、押出端部38,39の各々がモデリングシステム10の押出位置に配置されたときの、押出端部40と比べた押出端部38のX軸位置の相対的差異を表している。距離Mが距離Jより大きいとすると、押出端部40は、押出位置にあるときに、X方向において押出端部38より原点233から離れている。この結果、X軸に沿った押出端部38,40間のオフセットは、距離Nにより決定あるいは距離Nから導出される。
モデリングシステム10は、その後、コントローラ24が押出端部38,40を切り換えるときに、X軸における押出端部間のオフセットを相殺するために、押出ヘッド36の位置を調整することになる。この例では、モデリングシステム10は、距離Nから決定されるあるいは導出される量だけ押出端部40を原点233に近づけることになるであろう。本発明の一実施例において、較正ルーチン100は、約0.001インチの許容誤差でX軸における押出端部間のオフセットを決定する。
図11はまた、Y軸における押出端部間のオフセットのための本発明の方法100も示している。この例では、モデリングシステム10は、パッド239と同じようなパッド243を生成する。ただし、パッド243は、構築材料43を使う押出端部38でなく、支持材料41を使う押出端部40によって構築される点が異なる。モデリングシステム10は、原点233に対する同じY軸座標に沿ってパッド239のY側面244とパッド243の側面246とを作り出すためには、押出ヘッド36のX軸位置を変化させる一方で、Y軸位置を一定に保つことによりパッド243を構築するのが好ましい。図11に示すように、パッド239の側面244は、原点233と同じY軸位置に沿ってあるいは同じY軸位置に位置している。
X軸における押出端部間のオフセットについて上述したのと同様に、Y軸における押出端部間の較正ルーチンはステップ104に進み、ステップ104では、材料構築プロファイルを表す、パッド243の側面246の相対的位置が決定される。この例では、原点233に対するパッド243の側面246の相対的位置が、複数軸のセンサアセンブリ220を用いてパッド243の側面246を検出することにより決定される。距離Qは、側面246と原点233との間の相対的距離を表す。次のステップ106では、予想構築プロファイルが特定される。ステップ106がY軸における押出端部間の較正であるため、予想構築プロファイルは、側面246と同じY軸位置に沿って作り出される第2の構造の相対的位置を決定することによって再び特定されるのが好ましいものの、この場合は押出端部38である他の押出端部によって生成される第2の構造の相対的位置を決定することにより再び特定される。
パッド239及び特に側面244のY軸における押出端部から原点へのオフセットの具体的な導出方法については、X軸における押出端部から原点へのオフセットの場合と同様であるために詳細には上述しなかった。例示目的及び図11に示すように、側面244は、原点233と同じY軸位置に沿って位置している。この結果、ステップ106で要求される予想構築プロファイルの相対的位置は、原点233と同じY軸位置に沿って配置された側面244によって表される。図11に示すように、距離Qはまた、その後、Y軸についての材料構築プロファイルと予想構築プロファイルとの間の差を表し、結果的に、Y軸に沿った押出端部間の較正のためのオフセットを表す。距離Qは、押出端部38,40の各々がモデリングシステム10の押出位置に配置されたときの、押出端部40と比較した押出端部38のY軸位置における相対的差異を表す。距離Qが予想構築プロファイル、あるいはこの例では原点233のY軸位置から離れているとすると、押出端部40は、押出位置にあるとき、Y方向において押出端部38よりも原点233から離れている。結果的に、距離Qは、Y軸における押出端部38,40間のオフセットを表す。
モデリングシステム10は、コントローラ24が押出端部38,40を切り換えるときに、Y軸における押出端部間のオフセットを相殺するために押出ヘッド36の位置を調整することになる。この例では、モデリングシステム10は、距離Qから決定あるいは導出される量だけ押出端部40を原点233に近づけるであろう。本発明の一実施形態において、較正ルーチン100は、約0.001インチからなる許容誤差でY軸における押出端部間のオフセットを決定する。
X−Y軸の原点233がモデル材料パッド239の近くに示されている一方で、原点233は、本発明の精神または本発明の範囲を逸脱しない限り、材料のパッドまたは基板48自体の端部のいずれかの開始構築経路座標を含む、基板48上のどこに配置されてもよい。原点233は、例示目的のためだけに、図11では基板48の左上の角に示されている。
ここで、図12の処理フロー図を参照すると、材料構築プロファイルの相対的位置を決定するのに利用可能な物体の表面(上面または側面)を検出する、あるいは、較正ルーチン100のステップ104〜106で要求されるような、基板48とパッド49,51とのX,Y,Z軸位置を決定することにより、予想構築プロファイルを特定する、好ましい方法が示されている。ステップ104〜106のX,Y,Z軸位置の決定は、図6A,6Bでプランジャ54について上述したように、ステップ202においてプランジャ224(あるいはプランジャ54)を当該プランジャ224(あるいは当該プランジャ54)の下方あるいは検出位置まで下降させることにより開始される。センサ225(あるいはセンサ79)は、その後、最初の予め設定された位置で、モデルパッド51などのような、目標の近くに配置され、ステップ204において、モデルパッド51の表面を位置決めする。正方形または長方形のモデルパッドにとって好ましい位置は、表面の4つの角のいずれかの方向である。ステップ204は、プランジャ224(またはプランジャ54)の押出端部232(または押出端部83)をモデルパッド51の表面に駆動する。次にステップ206では、センサ225(またはセンサ79)の出力が監視され、プランジャ224(またはプランジャ54)の移動が検出される。コントローラ24は、信号線238(あるいは信号線68)の状態または状況の変化を監視する。信号の状態または状況の変化は、プランジャ224がロッド部材226と電気的接点228との間の電気的接続を切断(あるいはプランジャ54が予め決められた距離Xだけ移動して光線81の中に入った)ことを意味する。ステップ208では、コントローラ24は、信号線238(または信号線68)の出力信号が変化した時間に対応する位置をメモリ22に電気的に記録する。
ステップ210は、目標に対する複数の追加され、予め選択された位置でステップ202〜208を繰り返す。材料構築プロファイルが正方形または長方形のパッド51である一実施形態においては、ステップ202〜208が、正方形または長方形の角のそれぞれの近く及びモデルページ51の表面の中間点で繰り返され、5つの異なる座標に対応する合計5つの記録された表面位置を得る。
精度を向上するために、モデルパッド51の表面上の同じ位置あるいは異なる位置で追加の測定を行ってもよい。一実施例においては、5つの異なる座標のそれぞれで2回、合計10個の記録位置について測定が行われた。所望の測定または検出が完了すると、プランジャ224(あるいはプランジャ54)は、ステップ212において、当該プランジャ224(あるいは当該プランジャ54)の格納位置に戻される。ステップ202〜212の方法は、パッド51について説明されているが、パッド49または基板48あるいはその他の材料構築プロファイルまたは予想構築プロファイルの寸法もまた決定され得る。
全ての相対的位置が検出され、全ての相対的位置が特定の寸法または位置の決定のために記録されると、コントローラ24は、上述した方法200の実行中に記録された表面の検出に対応する全ての位置の平均を計算する。その後、コントローラ24は、材料構築プロファイルまたは予想構築プロファイルの相対的位置を決定するために、それらの計算された平均を使用する。コントローラ24は、以下のアルゴリズムを使って、目標が検出される位置に対応する平均位置を決定してもよい。
本発明は、好ましい実施形態を参照しながら説明されているが、当業者は、本発明の精神及び本発明の範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えることが可能であることを認識するであろう。
(1)図12のステップ208にて記録された全ての位置を加算し、この例の場合は10箇所である、記録位置の総数で除算することにより、目標着地点の平均位置(目標平均)を算出する。
(2)その後、記録位置の各々と平均値とを比較する。算出された平均値に対して最大誤差を有する記録位置が、その平均値について許容範囲外である場合には、その位置を破棄して、平均値を再計算する。
(3)記録位置を破棄した場合、残った位置について比較ステップを繰り返す。
(4)以下の2つの状況のいずれかが発生するまで比較ステップと破棄ステップを繰り返す:
残った位置の最大誤差が許容範囲内である状況;または
平均化される位置の数が許容レベル未満、この場合は7箇所未満になった状況。
位置の比較に使用される平均値の量についての許容範囲は、X,Y,X軸における押出端部間較正の場合は、約0.001インチ、X軸及びY軸における押出端部から原点への較正の場合は、約0.001インチ、Z軸における押出端部から基板への較正の場合は、約0.012インチである。モデリングシステムに必要な精度に応じて、比較に使用される許容範囲はより大きくなり得るし、小さくもなり得る。さらに、オペレータによって許容範囲を修正することで、較正の精度を調整してもよい。上記のアルゴリズムが、本発明の方法を使用して目標の記録位置に基づいて目標の平均位置を決定するのに使用可能なアルゴリズムの一例でしかないことは、当事者には明らかであろう。
本発明の一実施形態において、押出端部38,40の較正は、最初に、基板48の上面60を検出することによって達成される。押出端部38,40の較正は、Z軸較正を行う間、この場合にはパッド49,51を表す材料構築プロファイルと予想構築プロファイルとの相対的な高さを特定する際の後の参照用の基線を確立する。パッド49,51を構成する材料の層も、各押出端部40,38によって、同じ構築経路の一部として、またはコントローラ24が堆積される次の材料の層のために、プラットフォーム46を下降させる前に、作り出されるまたは堆積されるのが好ましい。パッド49,51が一旦作り出されると、コントローラ24は、特定の、規定の位置でセンサアセンブリ220またはセンサアセンブリ53を使ってパッド49,51の上面及び側面を検出することによって各寸法を決定する。コントローラ24は、その後、情報を処理して、特定の規定の座標でパッド49,51の適切な高さ及び配置を確認し、押出端部38,40に必要な、基板48と押出端部40,38の他方の各々とに対するあらゆるオフセットを特定する。その結果、モデリングシステム10は、オペレータの測定もしくはオペレータの関与を必要とせずに、当該モデリングシステム10の押出端部38,40を自動的に較正する。
上記の考察は、センサアセンブリ53,220に焦点を当てているが、これらのセンサアセンブリは、本発明の較正方法に利用可能なセンサアセンブリのたった2つの実施形態を示しているだけである。当業者は、センサアセンブリ53またはセンサアセンブリ220と相互に交換可能に使用できる、他にも多くセンサアセンブリの例が可能であることを認識するであろう。具体的には、センサ79は、プランジャ54と他の表面との間の接触を検出すると共に通知ことが可能なあらゆる検出手段と置き換えられてもよく、光学式センサに制限される必要はない。他の実施形態において、センサアセンブリ53またはセンサアセンブリ220は、例えば、磁気近接スイッチ、ホールセンサ、ウィーガンドワイヤ、リードスイッチ、容量センサまたはインダクタンスセンサを使用してもよい。同様に、プランジャ54またはプランジャ224は、カム、歯止め、片持梁、スクリュー、膜、またはその他の機械的構造などの、表面に接触する力により所定の距離に駆動されることが可能な、あらゆるプランジャ手段と置換可能である。あるいは、プランジャ54と、モデルパッド51あるいは支持パッド49あるいは基板48との間の接触が、最初の接触で検出されてもよく、この場合、プランジャ手段は、様々な表面との接触に応じて移動する必要がない。
さらに、原子間力顕微鏡(AFM)、熱電プローブあるいは気圧計を含みつつ、AFM、熱電プローブ、気圧計に限定されない数多くの他のセンサ技術も、較正の正確性に影響を与えることなく、センサアセンブリ53,220と置き換えることができる。通常、AFMは、振動する機械針の共振周波数を監視して、表面との接触を検出する。熱電プローブは、一般的に、表面に向かって移動するときに監視される、加熱された熱電対を含んでいる。熱電対が表面に近づくと、周辺の空気温度と比べて表面の熱抵抗が低いことに起因して、温度が下がることにより、表面との接触を示す。気圧計は、一般的に、ノズルを通して空気の流れまたは背圧を測定して表面の位置を検出するものであり、使用可能である。
本発明の較正方法100を、モニタリングシステム10によって生成された材料のパッドの相対的位置を決定することに関して上述したが、較正方法100は、組み立て式のパッドに関連して使用されてもよい。組み立て式のパッドあるいは材料のパッドを、正確な既知の位置で固定物に取り付けることができる。固定物は、その後、較正方法100のステップ102でプラットフォーム46または基板48の上部に配置される。
図13Aは、本発明の方法100を示すが、基板48の上部に置かれた固定物上の複数の組み立て式のパッドを使用している。図13Aに示すように、固定物260は、基板48の上部のモデリング容器44の内部に配置され、固定物260の角262はモデリングシステム10の原点264に合致している。固定物260に取り付けられているのは、第1の較正基準266と、第2の較正基準268と、第3の較正基準270とである。較正基準は、固定物260の角262から既知の距離に精密に配置された組み立て式の、材料のパッドである。較正基準266,268,270は正方形として示されているが、本発明の精神及び本発明の範囲から逸脱しない限り、較正基準266,268,270は長方形や円などのような、その他の数多くの形状に形成されてもよい。
図13Aに示すように、較正方法100は、X軸についての押出端部から原点へのオフセットを較正するために使用されてもよく、その場合には、第1の較正基準266の側面272と原点264との間の既知の距離を測定し、測定値と既知の予想値とを比較する。側面272が原点264に対する精密なX軸位置に配置されているために、Rの予想値は既知である。Rの測定値及び予想値が全く同じであれば、X軸における押出端部から原点へのオフセットは存在しない。しかしながら、距離Rの測定値と予想値との間に差があれば、上述したように考慮しなければならない、X軸における押出端部から原点へのオフセットが存在する。このオフセットは、原点264に対する押出ヘッドの移動または位置を補正するのに必要なオフセットを決定または導出するのに使用される。
また、基準268,270などのような追加の較正基準を固定物260上に配置し、基板48の全領域を横切る所望の軸に沿って較正を行ってもよい。例えば、較正基準268のX軸における押出端部オフセットは、第2の較正基準268の側面274と原点264との間の既知の距離Sを測定し、測定値と、固定物260の組み立て式のレイアウト及び構造に基づいて既知である予想値とを比較することにより、特定されてもよい。差が存在する場合、モデリング容器44内部の押出ヘッドの移動または位置を補正するのに必要なオフセットを決定または導出するために使用される。
図13Aに示すように、較正方法100は、第1の較正基準266の側面276と原点264との間の既知の距離Tを測定し、計測値と、既知の予想値とを比較することにより、Y軸における押出端部から原点へのオフセットを較正するために使用されてもよい。また、側面276が原点264に対して精密なY軸位置に配置されているために、Tの予想値は既知である。Tの測定値と予想値が全く同じであれば、Y軸についての押出端部から原点へのオフセットは存在しない。しかしながら、距離Tの測定値と予想値との間に差があれば、原点264に対する押出ヘッドの移動または位置を補正するために決定または導出されるべきY軸における押出端部から原点へのオフセットが存在する。
較正方法100はまた、モデリング容器44内部の別の位置、または基板48に対する異なる位置でY軸についての押出端部オフセットを較正するのに使用されてもよい。例えば、較正基準270のY軸における押出端部オフセットは、第3の較正基準270の側面278と原点264との間の既知の距離Uを測定し、測定値と、固定部260の組み立て式のレイアウトと構造に基づいて既知である予想値との比較により、特定されてもよい。差が存在する場合、モデリング容器44内部の押出ヘッドの移動または位置を補正するのに必要なオフセットを決定または導出するのに使用できる。
図13Bは、第1の較正基準266及び第2の較正基準268を使った、方法100によるZ軸における押出端部の較正を示す。図13Bに示すように、固定部260は、図13Aについて上述したようにモデリング容器44の内部に配置されている。固定部260上の精密な既知の位置に配置されることに加え、較正基準266,268は、固定部260に対する当該較正基準266,268の高さが精密にわかるように組み立てられていた。
較正方法100は、Z軸における押出端部から基準点へのオフセットを較正するために使用されてもよく、その場合、第1の較正基準266の上部280と固定部260との間の既知の高さVを測定し、測定値と既知の予想値とを比較する。このとき、固定部260の上面は基準点を表し得る。第1の較正基準266が精密な既知の高さで組み立てられていたために、Vの予想値は既知である。Vの測定値と予想値とが全く同じであれば、Z軸における押出端部から原点へのオフセットは存在しない。しかしながら、距離Vの測定値と予想値との間に差があれば、考慮されるべきZ軸における押出端部から原点へのオフセットが存在する。このオフセットは、基板48などのような原点または基準点に対する押出ヘッドの移動または配置を補正するのに必要なオフセットを決定または導出するために使用される。
較正方法100はまた、基板48に対する異なる位置で、モデリング容器44内部の別の位置におけるZ軸についての押出端部オフセットを較正するのに使用されてもよい。例えば、較正基準268のZ軸における押出端部オフセットは、既知の高さWを測定し、測定値と、固定部260上の組み立て式のレイアウト及び構成に基づいて既知である予想値とを比較することにより特定されてもよい。差が存在する場合、モデリング容器44内部の押出端部の移動を適切に補正するのに必要なオフセットの決定または導出に使用されてもよい。
本明細書にて示すと共に説明された、実施形態の特定のステップの順番または構造からの逸脱が、本発明の実施にて組み入れられ得るまたは使用され得ることが当業者に認識されるであろう。例えば、上記の考察は、2つの押出端部を使用するモデリングシステムに焦点を当てているが、1つまたは3つ以上の押出端部を使用するシステムも本発明の範囲内である。さらに、当業者には、Z軸に沿って移動可能な供給ヘッドを備えたモデリングシステムにおいて、モデリングプラットフォームを上昇させる代わりに供給ヘッドを下降させることにより、本発明の方法においてプランジャを上方に駆動できることが理解されるであろう。さらに、本発明の自動較正ルーチンは、本発明の精神及び本発明の範囲から逸脱することなく、単一の軸を較正するための3次元モデリングシステムの一部として使用されてもよい。したがって、本発明は、好ましい実施形態を参照しつつ説明されたが、当業者は、本発明の精神及び本発明の範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えることが可能であることを認識するであろう。
代表的で一般的な3次元積層モデリングシステムの概略図である。 本発明に係る較正ルーチンを行う際に実行されるステップを図示する処理フロー図である。 本発明に係る押出による積層モデリングシステムの支持材料押出端部の側面図であって、材料の支持パッドが押し出されている側面図である。 本発明に係る押出による積層モデリングシステムのモデル材料押出端部の側面図であって、材料のモデルパッドが押し出されている側面図である。 本発明に係るセンサアセンブリの好ましい実施形態の斜視図であって、センサアセンブリが、押出による積層モデリングシステムの押出ヘッドに載置され、モデルパッド及び支持パッドの上方に配置された、下方位置にあるプランジャを備えている斜視図である。 プランジャが検出位置へ下降する様子を表している図である。 プランジャが格納位置へ上昇する様子を表している図である。 図5におけるセンサアセンブリの断面図であって、プランジャがモデルパッドに接触している断面図である。 図5におけるセンサアセンブリの断面図であって、プランジャが光学式センサを遮断している断面図である。 本発明に係るセンサアセンブリにおける別の実施形態の斜視図である。 図9におけるセンサアセンブリの側面図であって、モデルパッド及び支持パッドの側面を検出している側面図である。 基板上のモデルパッド及び支持パッドの上面図である。 モデリングシステムによって物体の表面を検出する際に実行されるステップを図示する処理フロー図である。 組み立て式の備品における別の実施形態の上面図である。 組み立て式の備品の側面図である。

Claims (15)

  1. 基板と、第1の押出端部及び第2の押出端部を含む押出ヘッドとを有する3次元モデリングマシンにおける較正ルーチンの実行方法であって、
    該方法は、
    複数軸のセンサアセンブリにおけるプランジャを、該複数軸のセンサアセンブリにおける複数の電気的接点に対して動作可能に付勢することと、
    前記基板上に前記第1の押出端部で第1の材料構築プロファイルを生成することと、
    前記第2の押出端部が前記第1の押出端部よりも低くなるように、前記第1の押出端部と前記第2の押出端部とのうちの少なくとも一方を切り換えることと、
    前記基板上に前記第2の押出端部で第2の材料構築プロファイルを生成することと、
    前記複数軸のセンサアセンブリにおけるハウジングに対して前記プランジャが移動し、該プランジャの各移動によって、前記プランジャが前記複数の電気的接点のうちの少なくとも1つから離れるように、前記第1の材料構築プロファイル及び前記第2の材料構築プロファイルの上面を前記プランジャと接触させることと、
    前記プランジャが前記少なくとも1つの電気的接点から離れたことに基づいて基準位置に対する前記第1の材料構築プロファイル及び前記第2の材料構築プロファイルの上面の相対的位置を決定することと、
    前記第1の材料構築プロファイルの上面の前記相対的位置と、前記第2の材料構築プロファイルの上面の前記相対的位置との差に基づいて、鉛直方向の押出端部間のオフセットを決定することと
    を備えることを特徴とする方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、
    さらに、
    前記第1の材料構築プロファイルの前記上面の予想位置を規定する予想構築プロファイルを特定することと、
    前記第1の材料構築プロファイルの前記上面の前記相対的位置を、鉛直方向の押出端部と基板との間のオフセットと比較することと、
    前記鉛直方向の押出端部と基板との間のオフセットに基づいて前記基板を配置することと
    を備えることを特徴とする方法。
  3. 請求項1に記載の方法であって、
    前記ハウジングに対する前記プランジャの移動は、前記ハウジングに対して前記プランジャが傾く移動を含んでいる
    ことを特徴とする方法。
  4. 請求項1に記載の方法であって、
    さらに、
    前記押出ヘッドがその後、前記第1の押出端部と前記第2の押出端部とを切り換えたときに、前記鉛直方向の押出端部間のオフセットを相殺するために、前記基板の位置を調整することを備える
    ことを特徴とする方法。
  5. 請求項1に記載の方法であって、
    前記ハウジングに対する前記プランジャの移動は、前記付勢の反対方向における前記プランジャの移動を含む
    ことを特徴とする方法。
  6. 請求項5に記載の方法であって、
    さらに、
    前記複数軸のセンサアセンブリの前記ハウジングを前記押出ヘッドに固定することを備える
    ことを特徴とする方法。
  7. 請求項1に記載の方法であって、
    さらに、
    前記ハウジングに対して前記プランジャを傾けて、該プランジャが傾くことで前記複数の電気的接点のうちの少なくとも1つから前記プランジャが離れるように、前記第1の材料構築プロファイルの側面を前記プランジャに接触させることと、
    前記プランジャが傾くことで前記少なくとも1つの電気的接点から前記プランジャが離れることに基づいて、別の基準位置に対する前記第1の材料構築プロファイルの前記側面の相対的位置を決定することと
    を備えることを特徴とする方法。
  8. 請求項1に記載の方法であって、
    前記複数の電気的接点は、前記プランジャの周囲に円周方向に配置されている
    ことを特徴とする方法。
  9. 基板と、第1の押出端部及び第2の押出端部を含む押出ヘッドとを有する3次元モデリングマシンにおける較正ルーチンの実行方法であって、
    該方法は、
    前記第2の押出端部が上昇位置にある間、前記第1の押出端部で第1の材料構築プロファイルを構築することと、
    前記基板に対する前記第1の材料構築プロファイルの上面の高さを決定するために、該第1の材料構築プロファイルの前記上面を、センサアセンブリのプランジャと接触させることと、
    前記第2の押出端部が前記第1の押出端部よりも低くなるように、前記第1の押出端部と前記第2の押出端部とのうちの少なくとも一方を切り換えることと、
    前記第2の押出端部が下降位置にある間、該第2の押出端部で第2の材料構築プロファイルを構築することと、
    前記基板に対する前記第2の材料構築プロファイルの上面の高さを決定するために、該第2の材料構築プロファイルの前記上面を、前記センサアセンブリの前記プランジャと接触させることと、
    前記第1の材料構築プロファイルの前記上面の高さと、予想された高さとの差に基づいて、鉛直方向の押出端部と基板との間のオフセットを決定することと、
    前記第1の材料構築プロファイルの前記上面の高さと、前記第2の材料構築プロファイルの前記上面の高さとの間の差に基づいて、鉛直方向の押出端部間のオフセットを決定することと
    を備えることを特徴とする方法。
  10. 請求項9に記載の方法であって、
    前記センサアセンブリは、複数軸のセンサアセンブリを含み、
    前記方法は、さらに、
    前記複数軸のセンサアセンブリにおける複数の電気的接点に対して移動可能に前記プランジャを付勢することを備える
    ことを特徴とする方法。
  11. 請求項10に記載の方法であって、
    前記ハウジングに対する前記プランジャの移動は、前記ハウジングに対して前記プランジャが傾く移動を含む
    ことを特徴とする方法。
  12. 請求項9に記載の方法であって、
    さらに、
    基準位置に対する前記第1の材料構築プロファイルの側面の相対的位置を決定するために、前記第1の材料構築プロファイルの前記側面を、前記センサアセンブリの前記プランジャと接触させること
    を備えることを特徴とする方法。
  13. 請求項12に記載の方法であって、
    さらに、
    別の基準位置に対する前記第2の材料構築プロファイルの側面の相対的位置を決定するために、前記第2の材料構築プロファイルの前記側面を、前記センサアセンブリの前記プランジャと接触させること
    を備えることを特徴とする方法。
  14. 請求項9に記載の方法であって、
    さらに、
    鉛直方向の押出端部と基板との間のオフセットに基づいて、前記基板を配置すること
    を備えることを特徴とする方法。
  15. 請求項9に記載の方法であって、
    さらに、
    前記押出ヘッドがその後、前記第1の押出端部と前記第2の押出端部とを切り換えるときに、鉛直方向の押出端部間のオフセットを相殺するように、前記基板の位置を調整すること
    を備えることを特徴とする方法。
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