JP6984473B2 - 造形装置、造形システム、方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、造形装置、造形システム、方法およびプログラムに関する。

入力された立体形状データに基づいて、立体的な造形物を形成する造形装置（いわゆる「３Ｄプリンタ」）が開発されている。立体造形は、一般に以下に示す処理によって行われる。

まず、入力された立体形状データに基づいて、所望の造形物を水平に分割した、造形層の平面形状データを生成する。そして、当該平面形状データに基づいて、複数の線状造形物を同一平面内に造形することで、造形層を造形する。この造形層を造形する処理を繰り返して、各造形層を積層することで立体的な造形物を得る。

立体造形では、造形された造形物に造形誤差が生じる場合がある。そこで、造形誤差を小さくする技術が開発されている。例えば、特開２０１７−９４５８７（特許文献１）では、吐出する液滴の量を制御して、造形誤差を軽減する技術を開示している。

しかしながら、特許文献１では、１つの造形層内に線状造形物が屈曲した箇所がある場合に、屈曲箇所近辺の造形誤差の補正を充分に行えず、造形精度が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、造形精度が向上する造形装置、造形システム、方法およびプログラムを提供することを目的とする。

本発明によれば、複数の造形層を積層して立体造形物を造形する造形装置であって、
前記造形層を造形する造形手段と、
前記造形層のうち、第１の造形層と、前記第１の造形層の上に積層される第２の造形層とが成す角度を算出する角度算出手段と、
を有し、前記角度に応じて、前記第１の造形層と前記第２の造形層とが重複する領域に対し、前記造形手段を制御することを特徴とする造形装置が提供される。

本発明によれば、造形精度が向上する造形装置、造形システム、方法およびプログラムが提供される。

本発明の実施形態における立体造形システム全体の概略構成を示す図。 本実施形態の造形装置に含まれるハードウェア構成を示す図。 本実施形態における立体造形を説明する図。 本実施形態の造形装置に含まれるソフトウェアブロック図。 本実施形態の造形装置が実行する処理を示すフローチャート。

以下、本発明を、実施形態をもって説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする。また、以下の説明では、ＦＦＦ（Fused Filament Fabrication）方式の造形装置を例に本発明を説明するが、一例であって、他の方式の造形装置であってもよい。

また、以下では、説明の便宜上、造形物の高さ方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する平面をｘｙ平面として説明する。

図１は、本発明の実施形態における立体造形システム全体の概略構成を示す図である。図１（ａ）に示すように、立体造形システムには、立体造形物を造形する造形装置１００が含まれる。造形装置１００は、例えば情報処理端末１５０から、造形物の立体形状データが提供され、当該立体形状データに基づいて、立体造形物を造形する。また、情報処理端末１５０は、造形装置１００が実行する造形処理を制御する制御装置として動作してもよい。

ＦＦＦ方式による立体造形物の造形は、図１（ｂ）に示すようにして行われる。ＦＦＦ方式の造形装置１００は、溶融した造形材料を吐出するヘッド１０１と、造形物が造形されるステージ１０２とを具備して構成される。ヘッド１０１は、ｘ軸に沿うレールと、ｙ軸に沿うレールとによって、造形装置１００本体に連結しており、各レールによってｘｙ平面と平行に移動可能に構成される。また、ステージ１０２は、ｚ軸方向に移動可能に構成され、ヘッド１０１と、造形される立体造形物との距離を調整し得る。

なお、ヘッド１０１は、必ずしもｘ軸やｙ軸に沿った方向に移動しなくてもよく、各レール上での動きを組み合わせることで、ｘｙ平面内の任意の方向に移動可能とできる。

ヘッド１０１は、溶融した造形材料１１０をステージ１０２上に吐出しながら、移動することで、線状に形成された造形物（以下、「線状造形物」として参照する）を造形する。ヘッド１０１が造形材料１１０を吐出しながらｘｙ平面と平行に移動することで、線状造形物は、ステージ１０２上に造形される。また、ヘッド１０１は、同一平面内で角度が異なる複数の線状造形物を連続して造形することができる。したがって、線状造形物は、任意の形状で造形され得る。

このようにして、１つの平面内に線状造形物が集合した、層状の造形物（以下、「造形層」として参照する）が造形される。

１層の造形層を造形した後、ステージ１０２は、ｚ軸に沿う方向に１層分の高さ（積層ピッチ）だけ下がる。その後、１層目と同様にヘッド１０１が駆動して、２層目の造形層を造形する。造形装置１００は、これらの動作を繰り返すことで、造形層を積層し、立体造形物を造形する。そして、溶融した造形材料１１０が硬化することで、形状の安定した立体造形物を得ることができる。

ここまで、本実施形態の立体造形システム全体の概略構成について説明した。次に、造形装置１００のハードウェア構成について説明する。図２は、本実施形態の造形装置１００に含まれるハードウェア構成を示す図である。造形装置１００は、ＣＰＵ２０１と、ＲＡＭ２０２と、ＲＯＭ２０３と、記憶装置２０４と、インターフェース２０５と、造形ユニット２０６とを含んで構成される。各ハードウェアは、バスを介して接続されている。

ＣＰＵ２０１は、造形装置１００の動作を制御するプログラムを実行し、所定の処理を行う装置である。ＲＡＭ２０２は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラムの実行空間を提供するための揮発性の記憶装置であり、プログラムやデータの格納用、展開用として使用される。ＲＯＭ２０３は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラムやファームウェアなどを記憶するための不揮発性の記憶装置である。

記憶装置２０４は、造形装置１００を機能させるＯＳや各種アプリケーション、設定情報、各種データなどを記憶する、読み書き可能な不揮発性の記憶装置である。インターフェース２０５は、造形装置１００と他の機器とを接続する装置である。インターフェース２０５は、例えば、情報処理端末１５０や、ネットワーク、外部記憶装置などと接続することができ、インターフェース２０５を介して、造形動作の制御データや、造形物の立体形状データなどを受け取ることができる。

造形ユニット２０６は、造形材料１１０を所望の形状に形成し、立体造形物を構成する造形層を造形する装置である。造形ユニット２０６は、ヘッド１０１や、ステージ１０２などを含んで、造形方式に応じて構成される。例えば、ＦＦＦ方式における造形ユニット２０６は、造形材料１１０を溶融させる加熱機構や、造形材料１１０を吐出するノズルなどを含んで構成される。

以上、本実施形態の造形装置１００に含まれるハードウェア構成について説明した。次に、本実施形態における立体造形の補正について図３を以て説明する。図３は、本実施形態における立体造形を説明する図である。

ここでは、図３（ａ）の斜視図に示される立体造形物を造形する場合を例にして説明する。立体造形物の立体形状データが入力されると、造形装置１００は、図３（ｂ）の上面図に示すような造形層を積層することで、所望の立体造形物を造形する。ここで、図３（ｂ）の造形層を造形するために、ヘッド１０１が、造形材料を吐出しながら、点ａの座標から点ｂを経由して点ｃまで移動する場合を考える。

図３（ｃ）は、ヘッド１０１が造形する線状造形物を示している。まず、ヘッド１０１は、造形材料を吐出しながら点ａから点ｂへ移動することで、図３（ｃ）左図のように、第１の線状造形物を造形する。その後、ヘッド１０１は、点ｂで移動方向を点ｃに向かう方向に変え、図３（ｃ）右図のように、第１の線状造形物に続いて、第２の線状造形物を造形する。なお、造形される各線状造形物は、線幅がｗであるものとする。以下では、点ｂのような、ヘッド１０１が移動する方向が変わる点を、「屈曲部」として参照する。

ところで、屈曲部の近傍では、第１の線状造形物と、第２の線状造形物とが重複する。図３（ｄ）は、重複領域を示す図であり、同図の濃い色で示される領域が重複領域である。このような重複領域では、第１の線状造形物を構成する造形材料の上に、第２の線状造形物を構成する造形材料が造形されている。したがって、当該領域では造形材料が過剰に造形されていることから、造形物の造形精度が低下する。

そこで、線状造形物が重複する領域の造形量を制限するように補正することで、線状造形物が重複して造形されることによる造形精度の低下を抑制する。特に、第１の線状造形物と、それに連続して造形される第２の線状造形物とが成す角の角度θが小さい場合には、重複して造形される領域が大きくなることから、本実施形態では、当該角度に基づいて造形量を制限するように補正する。なお、ここで、造形量とは、線状造形物のある箇所において造形材料が造形される量を指し、例えばＦＦＦ方式では、造形材料の吐出量を示す。

以上、本実施形態における立体造形とその補正について図３を以て説明した。次に、本実施形態における各ハードウェアによって実行される機能手段について、図４を以て説明する。図４は、本実施形態の造形装置１００に含まれるソフトウェアブロック図である。また、ソフトウェアブロックの説明では、適宜、図３を参照して説明する。

本実施形態の造形装置１００は、データ入力部４１０と、造形データ生成部４２０と、造形データ補正部４３０と、造形部４４０とを含む。以下に、各機能ブロックの詳細について説明する。

データ入力部４１０は、例えば、情報処理端末１５０などからインターフェース２０５を介して提供される、立体形状データの入力を受け付ける手段である。立体形状データは、所望の造形物を造形するための立体的な構造を示すデータであり、例えば、図３（ａ）に示すような構造を示すデータである。

造形データ生成部４２０は、データ入力部４１０が受け付けた立体形状データに基づいて、造形データを生成する手段である。造形データは、立体形状データが示す造形物を水平に分割した、各層の造形層の平面形状のデータであり、造形される層の数、すなわち、造形物の高さを積層ピッチで除した数の造形データが生成される。造形データは、ヘッド１０１が移動するｘｙ平面上の座標の軌跡（以下、「経路」として参照する）によって、図３（ｂ）のような平面形状を示すデータである。また、造形データには、各座標における造形量がパラメータとして含まれてもよい。

造形データ補正部４３０は、造形データ生成部４２０が生成した各層の造形データを補正する手段であり、角度算出部４３１、角度判定部４３２、距離算出部４３３、造形量比率算出部４３４を含む。

角度算出部４３１は、造形データに含まれる経路のデータに基づいて、ヘッド１０１の経路を構成する各線分が成す角の角度、すなわち、図３（ｄ）に示す屈曲部の角度θ（０°＜θ＜１８０°）を算出する手段である。角度算出部４３１は、図３（ｂ）の例では、点ａ，ｂ，ｃなどの角度を算出する。

角度判定部４３２は、角度算出部４３１が算出した各線分が成す角の角度θが、所定の角度より小さいか否かを判定する手段である。θの値が充分に大きい場合（例えば１８０°に近い場合）には、重複領域が小さく、線状造形物が重複することによる立体造形物の造形精度が低下する蓋然性が低いことから、造形量を制限する補正を行わなくてもよい。したがって、角度判定部４３２は、θと、所定の閾値とを比較して、両者の大小を判定する。

距離算出部４３３は、造形量を制限する区間の距離を算出する手段である。
本実施形態では、造形量を制限する補正は、重複領域において行われることから、重複領域の長さ方向の値を距離Ｌとして算出し、屈曲部から当該距離までの区間の造形量を制限するように補正する。距離Ｌは、図３（ｄ）に示すように、線状造形物の幅ｗと、角度算出部４３１が算出した角度θとに基づいて決定できる。なお、屈曲部からの距離Ｌは、一例として、下記式１より算出される。

造形量比率算出部４３４は、重複領域の造形量を制限する割合を示す造形量比率Ｒ（０≦Ｒ≦１）を算出する手段である。ここで、造形量比率Ｒは、造形量を制限する補正を行わない場合の造形量に対する、制限された造形量の比率を示し、角度θに応じた値を取り得る。例えば、θが小さい場合には、重複領域が大きくなることから、重複領域の造形量が小さくなるようにＲの値を小さくすることが好ましい。一方で、θの値が１８０°に近い場合には、重複領域が小さいことから、線状造形物の重複がない部分を造形する造形量に近い造形量で造形するようにＲの値が１に近いことが好ましい。造形量比率Ｒは、例えば、下記式２によって算出される。

上記式（２）において、ｋは、θが０°の場合の吐出量係数であり、吐出量を減少させる度合いを調整するパラメータである。ｋの値は、吐出される材料に応じて設定される。なお、造形量比率Ｒの算出方法は上記のものに限定されず、これ以外の算出方法であってもよい。また、重複領域の形状は、第２の線状造形物を造形するヘッド１０１が移動する方向に狭まっていることから、当該方向に進むに伴って、造形量比率が大きくなるように、座標ごとに算出してもよい。

造形データ補正部４３０は、上記の各手段の処理結果に応じて、ＬおよびＲに基づいて造形データを補正し、補正された造形データを造形部４４０に送信する。例えば、造形データ補正部４３０は、重複領域の各座標において、算出された造形量比率によって造形量が制限されて造形されるように、造形データを補正する。

なお、角度判定部４３２の判定結果によって、補正が不要であると判定した場合には、造形データを補正せずに造形部４４０に送信してもよい。また、本実施形態の説明では、第２の線状造形物の造形量を制限する場合を例に説明するが、実施形態を限定するものではなく、例えば、第１の線状造形物の造形量を制限してもよいし、第１の線状造形物と第２の線状造形物の両方の造形量を制限してもよい。

造形部４４０は、造形データに基づいて造形ユニット２０６を制御して、立体造形物を造形する手段である。造形部４４０は、造形データに含まれる経路に沿って、造形材料を吐出させながらヘッド１０１を移動させることで、線状造形物を造形し、造形層を形成する。また、造形部４４０は、ヘッド１０１から吐出される造形材料の吐出量を、各座標の造形量比率に基づいて制御する。これによって、線状造形物の重複に起因する造形精度の低下を抑制できる。

なお、上述したソフトウェアブロックは、ＣＰＵが本実施形態のプログラムを実行することで、各ハードウェアを機能させることにより、実現される機能手段に相当する。また、実施形態に示した機能手段は、全部がソフトウェア的に実現されても良いし、その一部または全部を同等の機能を提供するハードウェアとして実装することもできる。また、上述した各機能手段は、必ずしも全てが造形装置１００に含まれていなくてもよく、他の好ましい実施形態では、各機能手段は、造形装置１００と情報処理端末１５０との協働によって実現されてもよい。

次に、本実施形態において、造形量を制限する補正の処理について、図５を以て説明する。図５は、本実施形態の造形装置１００が実行する処理を示すフローチャートである。

まず、造形装置１００は、ステップＳ１０００から処理を開始し、ステップＳ１００１において、造形部４４０は、造形データに基づいて第１の線状造形物を造形する。その後、ステップＳ１００２で、角度算出部４３１は、造形データに基づいて、第１の線状造形物を造形する経路の線分と、第２の線状造形物を造形する経路の線分とが成す角の角度θを算出する。

ステップＳ１００３では、角度判定部４３２がステップＳ１００２で算出したθの値と閾値とを比較し、当該比較結果に基づいて処理を分岐する。θが閾値よりも大きい場合には（ＮＯ）、ステップＳ１００７に分岐する。θが閾値よりも小さい場合には（ＹＥＳ）ステップＳ１００４に分岐する。

距離算出部４３３は、ステップＳ１００４で、式１に示した算出方法によって、造形量を制限する区間の距離Ｌを算出する。また、造形量比率算出部４３４は、ステップＳ１００５で、式２に示した算出方法によって、重複領域において制限して造形される造形材料の造形量の比率Ｒを算出する。なお、ステップＳ１００４とＳ１００５の処理の順序は、特に問わない。

次に、ステップＳ１００６では、造形データ補正部４３０は、ステップＳ１００４、Ｓ１００５でそれぞれ算出した距離Ｌ、造形量比率Ｒに基づいて、造形データを補正する。そして、造形データ補正部４３０は、補正した造形データを造形部４４０に送信する。

造形部４４０は、ステップＳ１００７で、造形データに基づいて第２の線状造形物を造形する。なお、ステップＳ１００３の判定結果がＮＯであった場合には、ステップＳ１００７では、造形部４４０は、造形量を制限する補正を行っていない造形データに基づいて、第２の線状造形物を造形する。一方、ステップＳ１００３の判定結果がＹＥＳであった場合には、ステップＳ１００７では、造形部４４０は、補正された造形データに基づいて、第２の線状造形物を造形する。

ステップＳ１００７で、第２の線状造形物を造形した後、ステップＳ１００８に進み、造形量を制限する補正の処理を終了する。

上述した図５の処理を行うことで、造形装置１００は、線状造形物が重複して造形される領域の造形精度を向上することができる。なお、ステップＳ１００２からＳ１００６の補正処理は、第１の線状造形物を造形する前に行ってもよい。

なお、以上に説明した実施形態では、線状造形物が重複する場合において、重複する部分の造形量を制御する場合を例に説明したが、実施形態を限定するものではない。説明した実施形態以外にも、例えば、造形される造形層が重複する場合において、重複部分の造形量を制御してもよい。この場合には、重複する各造形層のエッジ部分が成す角に基づいて、造形量を制限する割合を設定することができる。

以上、説明した本発明の実施形態によれば、造形精度が向上する造形装置、造形システム、方法およびプログラムを提供することができる。

上述した本発明の実施形態の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）等で記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ等の装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１００…造形装置、１０１…ヘッド、１０２…ステージ、１１０…造形材料、１５０…情報処理端末、２０１…ＣＰＵ、２０２…ＲＡＭ、２０３…ＲＯＭ、２０４…記憶装置、２０５…インターフェース、２０６…造形ユニット、４１０…データ入力部、４２０…造形データ生成部、４３０…造形データ補正部、４３１…角度算出部、４３２…角度判定部、４３３…距離算出部、４３４…造形量比率算出部、４４０…造形部

特開２０１７−９４５８７

Claims (9)

1. 複数の造形層を積層して立体造形物を造形する造形装置であって、
   前記造形層を造形する造形手段と、
   前記複数の造形層の１つの造形層の平面に第１の造形層と第２の造形層が含まれ、第１の造形層と、前記第１の造形層の上に積層される第２の造形層とが成す角度を算出する角度算出手段と、
   を有し、前記角度が所定の角度よりも小さい場合に、前記第１の造形層と前記第２の造形層とが重複する領域に対し、前記領域の造形量を制限するように前記造形手段を制御することを特徴とする造形装置。
2. 前記角度に基づいて、造形量を制限する比率を算出する造形量比率算出手段をさらに含み、
   前記造形手段は、前記比率に基づいて、前記領域の造形量を制限して造形する、請求項１に記載の造形装置。
3. 前記角度と、前記造形層の幅とに応じて、前記第１の造形層と、前記第２の造形層とが重複する領域を算出する重複部算出手段をさらに含み、
   前記造形手段は、前記第１の造形層と、前記第２の造形層とが重複する前記領域の造形量を制限する、請求項１または２に記載の造形装置。
4. 複数の造形層を積層して立体造形物を造形する造形装置と、前記造形装置の動作を制御する情報処理装置とを含む造形システムであって、
   前記造形層を造形する造形手段と、
   前記複数の造形層の１つの造形層の平面に第１の造形層と第２の造形層が含まれ、第１の造形層と、前記第１の造形層の上に積層される第２の造形層とが成す角度を算出する角度算出手段と、
   を有し、前記角度が所定の角度よりも小さい場合に、前記第１の造形層と前記第２の造形層とが重複する領域に対し、前記領域の造形量を制限するように前記造形手段を制御することを特徴とする造形システム。
5. 前記角度に基づいて、造形量を制限する比率を算出する造形量比率算出手段をさらに含み、
   前記造形手段は、前記比率に基づいて、前記領域の造形量を制限して造形する、請求項４に記載の造形システム。
6. 前記角度と、前記造形層の幅とに応じて、前記第１の造形層と、前記第２の造形層とが重複する領域を算出する重複部算出手段をさらに含み、
   前記造形手段は、前記第１の造形層と、前記第２の造形層とが重複する前記領域の造形量を制限する、請求項４または５に記載の造形システム。
7. 前記造形手段は、前記角度が所定の角度よりも小さい場合に、前記領域の造形量を制限して造形する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の造形システム。
8. 複数の造形層を積層して立体造形物を造形する方法であって、
   前記複数の造形層の１つの造形層の平面に第１の造形層と第２の造形層が含まれ、
   第１の造形層を造形するステップと、
   前記第１の造形層と、前記第１の造形層の上に積層される第２の造形層とが成す角度を算出するステップと、
   前記角度が所定の角度よりも小さい場合に、前記第１の造形層と前記第２の造形層とが重複する領域に対し、前記領域の造形量を制限するように造形を制御するステップと
   を含む方法。
9. 複数の造形層を積層して立体造形物を造形する造形装置が実行するプログラムであって、
   前記複数の造形層の１つの造形層の平面に第１の造形層と第２の造形層が含まれ、
   前記造形装置を、
   前記造形層を造形する造形手段と、
   前記複数の造形層の１つの造形層の平面に第１の造形層と第２の造形層が含まれ、第１の造形層と、前記第１の造形層の上に積層される第２の造形層とが成す角度を算出する角度算出手段、
   として機能させ、前記角度が所定の角度よりも小さい場合に、前記第１の造形層と前記第２の造形層とが重複する領域に対し、前記領域の造形量を制限するように前記造形手段を制御することを特徴とするプログラム。

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