JP6613760B2 - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形装置および積層造形方法に関する。

一般に普及している積層造形装置は、細長い糸状の樹脂を加熱ノズルに送り、加熱ノズルの熱によりその樹脂を溶融する。そして、積層造形装置は、溶融した樹脂を、その後から供給される、溶融していない樹脂により押すことで吐出し、吐出した樹脂により造形する。

材料として用いる、細長い糸状の樹脂は、フィラメントと呼ばれる。そして、その径（フィラメント径）は、３．０ｍｍ、または、１．７５ｍｍが一般的である。積層造形装置は、フィラメントを溶かして、溶融した樹脂をノズル先端の直径０．４ｍｍ程度の穴から吐出する。ここで、フィラメント径の精度は、吐出精度に影響を与える。そのため、一般的なフィラメント径は、誤差が±０．０５ｍｍ程度から０．１ｍｍ程度である。また、フィラメント径の誤差が０．１ｍｍを超えるフィラメントもある。

フィラメントのコストは、積層造形装置による造形コストに大きな影響を与える。しかし、安価なフィラメントや自製のフィラメントは、フィラメント径の精度が低い傾向がある。一般的な積層造形装置は、フィラメント径のばらつきを吸収する機構がなく、図６に示すように、フィラメント径のばらつきが造形物の表面に凹凸になって現れてしまう。そのため、積層造形装置は、フィラメント径の精度に影響されない精度で、造形することが求められている。

ここで、関連技術としては、例えば以下の特許文献がある。

特許文献１は、層間の溶着強度を十分に確保し得る、溶融樹脂の押し出し積層方法を開示している。

特許文献２は、基台と造形物との間に使用するサポート材のコストを安く、さらに造形物の仕上げ工数を削減する溶融樹脂押出積層造形方法を開示している。

特許文献３は、３次元物体（３次元の造形物）内部に発生する隙間を埋め、充填度の高い３次元物体を作成することができる溶融樹脂押出積層造形方法を開示している。

特開２００５−３３５３８０号公報 特開２００６−１９２６１６号公報 特開２００６−１９２７１０号公報

特許文献１乃至３に提案されている技術を用いても、フィラメント径の精度に影響されない精度で、造形することは期待できず、その課題を解決するに至らない。

そこで、本発明は、フィラメント径の精度が造形精度に影響を与えないように制御することが可能な積層造形装置等の提供を主たる目的とする。

上記の目的を達成すべく、本発明の一態様に係る積層造形装置は、以下の構成を備える。

即ち、本発明の一態様に係る積層造形装置は、
フィラメント径を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定されたフィラメント径を基に、フィラメントを送り出す動作を制御する制御値を決定する制御手段と
を含む。

同目的を達成する本発明の一態様に係る積層造形方法は、
フィラメント径を測定して、その値を基に、フィラメントを送り出す動作を制御する制御値を決定する。

上記の本発明によれば、フィラメント径の精度が造形精度に影響を与えないように制御することができるという効果がある。

本発明の第１の実施形態に係る積層造形装置を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置におけるフィラメントを送り出す動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置におけるフィラメントの状態を説明する図である。 本発明の第５の実施形態に係る積層造形装置を示すブロック図である。 一般的な積層造形装置において、精度が悪いフィラメントを用いて作成した造形物を例示する図である。

次に、本発明を実施する形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る積層造形装置を示すブロック図である。

本実施形態に係る積層造形装置１０は、測定部１１と、制御部１２とを有する。

測定部１１は、フィラメント径を測定する。

制御部１２は、測定部１１により測定されたフィラメント径を基に、フィラメントを送り出す動作を制御する制御値を決定する。

以上、説明したように、第１の実施形態には、フィラメント径の精度が造形精度に影響を与えないように制御することができるという効果がある。

その理由は、本実施形態に係る積層造形装置１０は、測定部１１により測定されたフィラメント径を基に制御部１２が決定した制御値により、フィラメントを送り出すように制御するからである。

＜第２の実施形態＞
次に上述した第１の実施形態に係る積層造形装置を基本とする第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置の構成を示すブロック図である。ただし、図２に示す構成は、一例であって、本発明は、図２に示す積層造形装置２０に限定されない。

本実施形態に係る積層造形装置２０は、測定部２１と、制御部２２と、実行部２３と、供給部２４と、ノズル２５とを有する。

積層造形装置２０は、フィラメント２６を材料として、テーブル６２の上に、造形物６１を製作する。

供給部２４は、積層造形装置２０において使用するフィラメント２６が蓄えられている。

ノズル２５は、フィラメント２６を加熱することにより、溶融する。

実行部２３は、フィラメント２６を、供給部２４からノズル２５へ送り出す。実行部２３は、例えば、フィラメント２６の送り方向に垂直の回転軸をもつ歯車やローラーの回転を利用して、フィラメント２６を送り出す。歯車やローラーは、モーターにより駆動すればよい。

測定部２１は、フィラメント２６のフィラメント径を測定する。

制御部２２は、測定部２１により測定されたフィラメント径を基に、フィラメント２６を送り出す動作を制御する制御値を決定する。

実行部２３は、制御部２２により決定された値を基に、フィラメント２６を送り出す。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置におけるフィラメントを送り出す動作を説明する図である。

始めに、実行部２３は、フィラメントを送り出す（ステップＳ１１０）。

次に、測定部２１は、フィラメント２６のフィラメント径を測定する（ステップＳ１２０）。

それから、制御部２２は、測定部２１により測定されたフィラメント径を基に、フィラメント２６を実行部２３で送り出す動作を制御する制御値を決定する（ステップＳ１３０）。

そして、制御部２２は、決定した制御値を基に、実行部２３での送り出す動作を制御するステップＳ１１０からの処理を繰り返す。

測定部２１は、例えば、レーザー測長や画像処理などの非接触で測定する方法により、フィラメント径を測定すればよい。測定時にフィラメント２６の送りを止める、また、例えば、送り動作中においてもフィラメント２６に触れる部分が滑るようにするなどの工夫をすれば、測定部２１は、接触式測定機を用いてもよい。測定部２１が測定する位置は、フィラメント２６が溶融する位置から供給部２４の間で、かつ、フィラメント２６が溶融する位置に近いところが望ましい。

積層造形装置２０は、実行部２３により送り出されたフィラメントをノズル２５で加熱し溶融した樹脂にする。後から送り出されたフィラメントによって、溶融した樹脂は、ノズル２５から押し出される。制御部２２は、測定部２１によって測定したフィラメント径に応じて送り速度を制御する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置におけるフィラメントの状態を説明する図である。

図４に示すように、供給部２４から供給されたフィラメント２６は、溶融する前の状態（ａ）で、測定部２１によりフィラメント径を測定される。

そして、ノズル２５の中において加熱され、溶融した部分と溶融していない部分とが混在している状態（ｂ）になる。

さらに加熱されることにより、フィラメント２６は、溶融した状態（ｃ）になる。

そして、溶融したフィラメント２６は、ノズル２５の先端から造形物６１を製作するためにテーブル６２に向けて吐出される。

ノズル２５とテーブル６２は水平方向に相対移動して１層分を造形する。次にノズル２５は垂直方向に相対移動して次の層を造形する。この動作を繰り返して造形物をテーブル６２の上に製作する。

積層造形装置は、ノズル２５、テーブル６２、または、ノズル２５とテーブル６２の両方を水平方向に移動して、水平方向の相対移動を行う。積層造形装置は、これを、直線運動する１軸ロボット（単軸ロボット）の組み合わせにより行う。また、積層造形装置は、１軸ロボットを垂直移動方向に設置し、ノズル２５、またはテーブル６２を移動することにより垂直方向の相対移動を行う。あるいは、積層造形装置は、リンク機構を使って、水平方向と垂直方向の移動を行っても良いし、スカラーロボットを使って行っても良い。

以上、説明したように、第２の実施形態には、フィラメント径の精度が造形精度に影響を与えないように制御することができるという効果がある。

その理由は、本実施形態に係る積層造形装置２０は、測定部２１によりフィラメント径を測定し、測定されたフィラメント径を基に制御部２２が決定した制御値により、実行部２３がフィラメントを送り出すように制御するからである。

＜第３の実施形態＞
次に上述した第２の実施形態に係る積層造形装置を基本とする第３の実施形態について説明する。

本実施形態において、制御部２２は、送り出す樹脂の体積を一定にするように制御する。すなわち、本実施形態の積層造形装置は、ノズル２５から出る樹脂の量が一定になるように送り速度を制御する。すなわち、制御値は、送り速度である。

制御部２２は、測定部２１により測定されたフィラメント径と、体積とを基に、フィラメント２６を送り出す送り速度を計算する。

はじめに、フィラメント径ｄからフィラメント半径ｒを求める。

ここで、送り速度ｕ、送り時間ｔとしたとき、送り出すフィラメントの体積ｖは以下の式で求める。

ｄは、フィラメントの位置によって変化する。そのため、ｖの精度は、送り時間ｔを短く区切って計算すると、高くなる。すなわち、積層造形装置は、送り時間ｔを短く区切った時間（単位時間）毎にフィラメント径ｄを測定し、測定した値により求めた送り速度ｕでフィラメントを送ることにより、体積ｖの樹脂を送り出す。

フィラメントは、ノズル２５内において加熱され、固形物が徐々に溶融する。そして、溶融した樹脂は、ノズル２５から造形物の上に付加されて、さらに造形物の形成を重ねていく。

送り時間あたりの樹脂の体積をｃ（一定値）とすると、

式（１）および式（２）から、

この式（３）を基に、送り速度ｕを求めることにより、積層造形装置２０は、フィラメント径が大きくなると送り速度ｕを遅く、フィラメント径が小さくなると送り速度ｕを速く、制御する。

これを繰り返すことにより、積層造形装置２０は、連続的に単位時間あたりの体積を一定に保ち、フィラメント径ｄがばらついても造形精度を保つことができる。

以上、説明したように、第３の実施形態には、フィラメント径の精度が造形精度に影響を与えないように制御することができるという効果がある。

その理由は、本実施形態に係る積層造形装置２０は、単位時間あたりに送り出す樹脂の体積を一定にするように制御するからである。

＜第４の実施形態＞
次に上述した第２の実施形態に係る積層造形装置を基本とする第４の実施形態について説明する。

本実施形態において、制御部２２は、実行部２３が作動したことによるフィラメント２６の押し出し圧力が一定になるように制御する。すなわち、本実施形態の積層造形装置は、押し出し圧力が一定になるように実行部２３が送り出す力を制御する。制御値は、送り出す力である。

制御部２２は、測定部２１により測定されたフィラメント径を基に、フィラメント２６を送り出す力を計算する。

はじめに、フィラメント径ｄからフィラメント半径ｒを求める。

ここで、送り出すフィラメントの断面積ｓは以下の式で求める。

また、圧力をｐ（一定値）とすると、送り出す力ｆは以下の式で求める。

式（４）および式（５）から、

この式（６）を基に、送り出す力ｆを求めることにより、積層造形装置２０は、フィラメント径が大きくなると力ｆも大きく、フィラメント径が小さくなると力ｆも小さく、制御する。

このように制御することにより、積層造形装置２０は、溶融樹脂にかかる圧力を一定に保ち、フィラメント径ｄがばらついても造形精度を保つことができる。

以上、説明したように、第４の実施形態には、フィラメント径の精度が造形精度に影響を与えないように制御することができるという効果がある。

その理由は、本実施形態に係る積層造形装置２０は、溶融樹脂にかかる圧力を一定にするように制御するからである。

＜第５の実施形態＞
次に上述した第２の実施形態に係る積層造形装置を基本とする第５の実施形態について説明する。

積層造形装置は、溶融した樹脂を溶融前のフィラメントが押すことで造形されるが、実際に溶融した樹脂を押す箇所においてフィラメントの径を測定して、フィラメントの送り出しを制御できるとは限らない。そこで、本実施形態では、フィラメント径を測定する位置と、溶融樹脂をフィラメントが押し出す位置とに距離がある場合を考慮して、フィラメントの送り出しを制御する。

図５は、本発明の第５の実施形態に係る積層造形装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る積層造形装置３０は、測定部２１と、制御部３２と、実行部２３と、供給部２４と、ノズル２５と、記憶部３７とを有する。ここでは、本実施形態の特徴を示す、制御部３２と記憶部３７について説明する。他の項目については、第２の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

制御部３２は、第２乃至第４の実施形態における制御部２２と同様に、測定部２１により測定されたフィラメント径を基に制御値を求める。それから、制御部３２は、例えば、フィラメント径ｄ、測定時刻および制御値を表す情報を記憶部３７に格納する。

そして、制御部３２は、フィラメント径を測定する位置と、溶融樹脂をフィラメントが押し出す位置との距離を考慮して、必要な情報を記憶部３７から読み出して、実行部２３に制御値を渡す。これにより、制御部３２は、上述の距離にかかわらず、フィラメントの送り出しを制御することができる。

以上、説明したように、第５の実施形態には、フィラメント径の精度が造形精度に影響を与えないように制御することができるという効果がある。

その理由は、本実施形態に係る積層造形装置３０は、制御値などの情報を記憶部３７に格納しておき、それらの情報を必要なタイミングで記憶部３７から読み出して、フィラメントの送り出しを制御するからである。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１０ 積層造形装置
１１ 測定部
１２ 制御部
２０ 積層造形装置
２１ 測定部
２２ 制御部
２３ 実行部
２４ 供給部
２５ ノズル
２６ フィラメント
３０ 積層造形装置
３２ 制御部
３７ 記憶部
６１ 造形物
６２ テーブル

Claims (4)

1. フィラメントをノズルにおいて溶融させながら送り出すことによって、前記フィラメントによる造形を行うときに、フィラメント径を測定する測定手段と、
   前記測定手段により測定された前記フィラメント径を基に、溶融樹脂にかかる圧力が一定になるように、前記フィラメントを送り出す動作を制御する制御値を決定する制御手段と
   を備える
   積層造形装置。
2. 前記制御値を基に前記フィラメントを送り出す実行手段
   をさらに備える
   請求項１記載の積層造形装置。
3. 前記制御手段は、前記フィラメント径と、前記フィラメント径を測定した時刻と、前記制御値とを格納する記憶手段を備える
   請求項１または２に記載の積層造形装置。
4. フィラメントをノズルにおいて溶融させながら送り出すことによって、前記フィラメントによる造形を行うときに、フィラメント径を測定して、測定された前記フィラメント径を基に、溶融樹脂にかかる圧力が一定になるように、前記フィラメントを送り出す動作を制御する制御値を決定する
   積層造形方法。

Images