JP7375202B2 - 三次元造形機および三次元造形システム - Google Patents

Description

本明細書は、複数の造形ノズルを用いて三次元造形物を製造する三次元造形機、および三次元造形システムに関する。

三次元造形物を製造する三次元造形機の技術分野では、単位層を積み重ねる積層造形法が主流となっている。多くの三次元造形機は、造形インクを吐出して単位層を描画する複数の造形ノズルと、描画された単位層を固化する固化部と、を備える。三次元造形機は、３Ｄプリンタと呼称される場合がある。三次元造形機の普及により、各種の物品の製造方法が発展し、とりわけ試作品などの製造が格段に効率化される。この種の三次元造形機に関する一技術例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の立体物造形装置は、一つ以上の造形ノズルを有する第１吐出部および第２吐出部を備え、複数のボクセルが重畳する部分を同じ造形インクで形成する際に、第１吐出部を用いて第１のボクセルを形成するとともに、第２吐出部を用いて第１のボクセルに重畳される第２のボクセルを形成する。これによれば、特定の造形ノズルの使用頻度が高くなることが回避され、吐出部の寿命が短くなることが抑制される、とされている。

特開２０１６－１３２２２９号公報

ところで、特許文献１の立体物造形装置において、特定の造形ノズルの使用頻度が高くなることが回避される点は好ましい。しかしながら、一般的な三次元造形機では、多数の造形ノズルの配列位置等などに依存して、造形ノズルの使用頻度が偏りやすい。そして、特許文献１の技術は、複数の造形ノズルの使用頻度を均一化するために十分とは言えない。複数の造形ノズルの使用頻度に偏りがある場合、使用機会が多い造形ノズルばかり交換して使用機会が少ない造形ノズルを交換しないことになり、交換作業が非効率になって大きな手間がかかる。

それゆえ、本明細書では、複数の造形ノズルの使用率や累積使用量の均一化に寄与することができる三次元造形機、および三次元造形システムを提供することを解決すべき課題とする。

本明細書は、単位層を積み重ねて三次元造形物を製造する三次元造形機であって、製造途中の前記三次元造形物を載置するステージと、造形インクを吐出して前記単位層を描画する複数の造形ノズルを保持した造形ヘッドと、前記造形ヘッドが前記ステージの上方を相対移動するように駆動する駆動部と、複数の前記造形ノズルの各々が前記造形インクの吐出に使用された使用率および累積使用量の少なくとも一方を演算する演算部と、複数の前記造形ノズルの間で前記使用率および前記累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを選択する均一化選択部と、を備える三次元造形機を開示する。

また、本明細書は、単位層を積み重ねて製造する三次元造形物を載置するステージ、造形インクを吐出して前記単位層を描画する複数の造形ノズルを保持した造形ヘッド、および、制御プログラムに基づいて前記造形ヘッドが前記ステージの上方を相対移動するように駆動する駆動部を有する三次元造形機と、複数の前記造形ノズルの各々が前記造形インクの吐出に使用される使用率および累積使用量の少なくとも一方を演算し、複数の前記造形ノズルの間で前記使用率および前記累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを選択する指令を含む前記制御プログラムを生成するプログラム生成部と、を備える三次元造形システムを開示する。

本明細書で開示する三次元造形機や三次元造形システムによれば、複数の造形ノズルの各々が造形インクの吐出に使用された使用率および累積使用量の少なくとも一方を演算して、使用率および累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、使用する造形ノズルを選択する。したがって、複数の造形ノズルの使用率や累積使用量の均一化に寄与することができる。加えて、複数の造形ノズルの間で劣化速度の偏りが減少するので、複数の造形ノズルを同時に交換する機会が増えて、交換作業の手間が削減される。

第１実施形態の三次元造形機の構成を模式的に示す平面図である。 三次元造形機の制御の構成を示すブロック図である。 例示する三次元造形物の第１～第６単位層、および第１０～第１２単位層の形状を表す造形データを模式的に示した図である。 三次元造形物の第７～第９単位層の形状を表す造形データを模式的に示した図である。 三次元造形機の動作を説明する動作フローの図である。 三次元造形物の第１～第３単位層を第一の均一化要素とした場合に、使用する造形ノズルを示した図である。 第３単位層の造形終了時点で演算した各造形ノズルの使用率を示す一覧表の図である。 図５Ａに続き、第４～第６単位層を第二の均一化要素として、使用する造形ノズルを示した図である。 第６単位層の造形終了時点に演算した各造形ノズルの使用率を示す一覧表の図である。 図６Ａに続き、第７～第９単位層を第三の均一化要素として、使用する造形ノズルを示した図である。 第９単位層の造形終了時点に演算した各造形ノズルの使用率を示す一覧表の図である。 第１２単位層の造形終了時点に演算した各造形ノズルの使用率を示す一覧表の図である。 一番目の三次元造形物を均一化要素とした場合に、使用する造形ノズルを示した図である。 一番目の三次元造形物の製造終了時点に演算した各造形ノズルの使用率を示す一覧表の図である。 図９Ａに続き、二番目の三次元造形物を均一化要素として、使用する造形ノズルを示した図である。 二番目の三次元造形物の製造終了時点に演算した各造形ノズルの使用率を示す一覧表の図である。 図１０Ａに続き、三番目の三次元造形物を均一化要素として、使用する造形ノズルを示した図である。 三番目の三次元造形物の製造終了時点に演算した各造形ノズルの使用率を示す一覧表の図である。 オペレータの指示にしたがい、使用する造形ノズルを図７Ａと異なるものとした場合を示す図である。 第２実施形態の三次元造形機において、三次元造形物の載置位置をステージの右側に調整した状態を示す図である。 三次元造形物の載置位置をステージの左側に調整した状態を示す図である 第３実施形態の三次元造形システムの機能構成を示すブロック図である。

１．第１実施形態の三次元造形機１の構成
第１実施形態の三次元造形機１の構成について、図１および図２を参考にして説明する。図１の左上の矢印に示されるように、三次元造形機１の前後左右を便宜的に定める。三次元造形機１は、単位層を積み重ねる積層造形法により三次元造形物を製造する。三次元造形物の形状は、複数の単位層の各々の形状を表す造形データによって規定される。三次元造形機１は、駆動部２、ステージ３、造形ヘッド４、複数の造形ノズル５、調整機構６、固化部７、および制御装置８（図２参照）などで構成されている。

駆動部２は、前後方向に延在するコンベア装置を用いて構成される。コンベア装置のコンベアベルトは、輪転方向の切り替えが可能とされている。駆動部２は、前側から順番に搬入出エリア２１、固化エリア２２、および描画エリア２３に区分される。搬入出エリア２１には、機外からステージ３が搬入される。駆動部２は、制御装置８からの指令にしたがい、ステージ３をエリア間で搬送する。なお、駆動部２は、ステージ３を把持して搬送可能なアームロボット装置を用いて構成されてもよい。

ステージ３は、左右方向の幅寸法が駆動部２の幅寸法よりも小さめの矩形の板材で形成される。ステージ３は、始めに搬入出エリア２１に搬入される。続いて、ステージ３は、固化エリア２２と描画エリア２３の間で多数回にわたって往復搬送され、製造途中の三次元造形物が載置される。三次元造形物の製造が終了すると、ステージ３は、三次元造形物と共に搬入出エリア２１から機外に搬出される。

造形ヘッド４は、描画エリア２３の上方に配置される。造形ヘッド４は、描画エリア２３に搬送されたステージ３の上方を相対移動する。「相対移動する」とは、造形ヘッド４が移動してもよく、ステージ３が移動してもよいことを表す。本第１実施形態において、駆動部２は、描画エリア２３の中でステージ３を前後方向に移動させる。つまり、移動しない造形ヘッド４の下方を、ステージ３が前後方向に移動する。

したがって、駆動部２の前後方向は、相対移動の移動方向となり、駆動部２の左右方向は、移動方向と直交する直交方向となる。造形ヘッド４は、直交方向に一列に複数の造形ノズル５を保持している。図１において、八個の造形ノズル５が示されており、実際には、さらに多数の造形ノズル５が造形ヘッド４に保持される。

造形ノズル５は、造形インクを下方に吐出して、ステージ３上または製造途中の三次元造形物の上側に単位層を描画する。八個の造形ノズル５は、同じ造形インクを使用する。造形インクをインク容器から造形ノズル５に補給する作業は、図略のメンテナンス機構を用いて、全自動または半自動で行われる。造形インクは、一般的な印刷用インクと比較して成分や粘度などの物性が相違するため、造形ノズル５の劣化を促進しがちである。このため、造形ノズル５を交換するサイクルは、一般的な印刷用ノズルよりも短くなる。

なお、描画エリア２３内に、図略の平坦化部が設けられてもよい。平坦化部は、描画された直後の液状の単位層の表面を平坦化する。これにより、単位層の表面の凹凸が整えられて高さが均一化され、造形精度が向上する。

調整機構６は、直交方向におけるステージ３と造形ヘッド４との相対位置関係を調整する。本第１実施形態において、ステージ３は直交方向に移動しない。調整機構６は、図１の矢印Ａに示されるように、造形ヘッド４を直交方向に移動させる。調整機構６は、ステージ３に対する造形ノズル５の直交方向の位置を変更する用途や、造形ヘッド４をメンテナンス位置に移動させる用途に用いられる。図１に示されるように、全ての造形ノズル５がステージ３の上方を移動する位置を、造形ヘッド４の標準位置と呼称する。調整機構６として、ボールねじ送り機構やリニアモータ機構を用いることができ、これらに限定されない。

固化部７は、固化エリア２２の上方に配置されている。固化部７は、描画された単位層を固化する。詳述すると、まず、単位層が上部に描画された製造途中の三次元造形物が、ステージ３と共に固化エリア２２まで搬送される。次に、固化部７は、上部の液状の単位層に接近するまで下降し、その後に、単位層を固化する。固化する方法として、紫外線照射法を例示でき、これに適合する造形インクが用いられる。

制御装置８は、コンピュータ装置を用いて構成される。制御装置８は、図２に示されるように、駆動部２、複数の造形ノズル５、調整機構６、および固化部７を制御する。さらに、制御装置８は、ソフトウェアを用いて実現された三つの機能部、すなわち演算部８１、均一化選択部８２、および制御部８３を有する。

演算部８１は、複数の造形ノズル５の各々が造形インクの吐出に使用された使用率および累積使用量の少なくとも一方を演算する。均一化選択部８２は、複数の造形ノズル５の間で使用率および前記累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、造形インクの吐出に使用する造形ノズル５を選択する。

さらに、均一化選択部８２は、一つまたは複数の単位層からなる第一の均一化要素に対して造形インクの吐出に使用する造形ノズル５を設定するとともに、第二の均一化要素に対して第一の均一化要素とは異なる造形ノズル５を設定する。また、均一化選択部８２は、複数の造形ノズル５の各々の使用率および累積使用量の少なくとも一方に基づいて、造形インクの吐出に使用する造形ノズル５を自動選択する。

さらに、均一化選択部８２は、直交方向における三次元造形物と複数の造形ノズル５との相対位置関係を調整することにより、造形インクの吐出に使用する造形ノズル５を選択する。具体的には、均一化選択部８２は、調整機構６を制御して、使用する造形ノズル５を選択する。また、均一化選択部８２は、造形ヘッド４がステージ３の上方を相対移動する移動回数を増加させないことを条件として、造形インクの吐出に使用する造形ノズル５を選択する。均一化選択部８２の機能については、様々な応用および変形が可能であるので、後で詳述する。

制御部８３は、オペレータからの指令に基づいて、均一化選択部８２の機能のオン、オフを切り替える。後述するように均一化選択部８２の機能を用いることで、複数の造形ノズルの使用率や累積使用量の均一化に寄与するという課題を解決することができる。しかしながら、均一化選択部８２は、わずかとは言え三次元造形物の製造速度を低下させる。したがって、オペレータは、通常の場合に均一化選択部８２の機能をオンし、製造速度を優先する場合に均一化選択部８２の機能をオフするように指令する。

２．三次元造形物Ｍの例示
三次元造形機１の動作の説明に先立ち、図３Ａおよび図３Ｂを参考にして、概念的な三次元造形物Ｍの一例を説明する。例示する三次元造形物Ｍは、第１～第１２単位層までの１２層の造形データで表される。また、各単位層の形状は、８×８の合計６４個のボクセルを用いて表されるものとする。図３Ａおよび図３Ｂにおいて、ステージ３の左前隅のボクセルは、Ｂ（１，１）で表され、右前隅のボクセルは、Ｂ（１，８）で表される。さらに、左後隅のボクセルは、Ｂ（８，１）で表され、右後隅のボクセルは、Ｂ（８，８）で表される。実際の三次元造形物は、さらに多数の単位層およびさらに多数のボクセルを用いた造形データで表されて、形状精度が高められる。

図３Ａに示されるように、三次元造形物Ｍの下部の第１～第６単位層の形状Ｍ１は、概ね円形である。この形状Ｍ１は、ステージ３の中央に造形される。この形状Ｍ１は、図３Ａの小円に示されるように、第３～第６行および第３～第６列にかけて配列された１２個のボクセルで表される。また、三次元造形物Ｍの上部の第１０～第１２単位層の形状Ｍ３は、下部の形状Ｍ１と同一である。形状Ｍ１および形状Ｍ３を造形するために、連続的に並ぶ四個の造形ノズル５を使用するという制約がある。

図３Ｂに示されるように、三次元造形物Ｍの中間部の第７～第９単位層の形状Ｍ２は、下部の形状Ｍ１よりも大きい。かつ、形状Ｍ２は、駆動部２の前後方向に線対称（図３Ｂでは上下に対称）であって、左側の方が右側よりも大きい。この形状Ｍ２は、図３Ｂの小円に示されるように、第１～第８行および第２～第６列にかけて配列された２４個のボクセルで表される。形状Ｍ２を造形するために、連続的に並ぶ五個の造形ノズル５を使用するという制約がある。

なお、上述した概念例では、第６単位層の形状Ｍ１のすぐ上に、第７単位層の大きな形状Ｍ２を造形することとしているが、実際には造形することが難しい。実際の製造においては、下側から上側へと単位層の形状を徐々に大きくする方法や、仮支柱を併せて造形し、造形終了後に仮支柱を切断する方法が用いられる。

３．第１実施形態の三次元造形機１の動作
次に、例示した三次元造形物Ｍを三次元造形機１が製造する動作について、図４の動作フローおよび図５Ａから図８に至る造形進捗状況を参考にして説明する。動作フローの開始時に、八個の造形ノズル５は、交換された直後の未使用品であるとする。また、以降の説明では、八個の造形ノズル５を左から右へと順番に、第１ノズル５１～第８ノズル５８と呼称する。図４のステップＳ１で、駆動部２によりステージ３が機外から描画エリア２３まで搬入される。

次のステップＳ２で、制御装置８の均一化選択部８２は、第一の均一化要素を設定する。ここでは、均一化要素として三つの単位層を用いる場合について説明する。この場合、第一の均一化要素として、第１～第３単位層が設定される。以下、第二の均一化要素として第４～第６単位層が設定され、第三の均一化要素として第７～第９単位層が設定され、第四の均一化要素として第１０～第１２単位層が設定される。

次のステップＳ３で、均一化選択部８２は、複数の造形ノズル５の間で使用率および累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、造形インクの吐出に使用する造形ノズル５を自動選択する。ここで、第１ノズル５１～第８ノズル５８は、すべて未使用品であり、使用率および累積使用量に差が無い。そこで、均一化選択部８２は、図５Ａに示された造形ヘッド４の標準位置を自動選択し、換言すると、第３ノズル５３～第６ノズル５６を自動選択する。したがって、第一の均一化要素の造形に関して、第１ノズル５１、第２ノズル５２、第７ノズル５７、および第８ノズル５８は使用されない。

次のステップＳ４で、ステージ３は、駆動部２に駆動されて前後方向に移動し、第３ノズル５３～第６ノズル５６は、ステージ３上に描画を行う。詳述すると、第３ノズル５３は、Ｂ（３，４）およびＢ（３，５）の２個のボクセルを描画する。第４ノズル５４は、Ｂ（４，３）～Ｂ（４，６）の４個のボクセルを描画する。第５ノズル５５は、Ｂ（５，３）～Ｂ（５，６）の４個のボクセルを描画する。第６ノズル５６は、Ｂ（６，４）およびＢ（６，５）の２個のボクセルを描画する。これにより、液状の第１単位層の描画が終了する。

この後、ステージ３は、駆動部２に駆動されて固化エリア２２まで搬送される。そして、ステージ３上の液状の第１単位層は、固化部７により固化され、第１単位層の造形が終了する。さらに、第１単位層の上側に描画および固化が行われて第２単位層が造形される。さらに、第２単位層の上側に描画および固化が行われて第３単位層が造形され、第１単位層から第３単位層までの造形が終了する。均一化選択部８２は、均一化要素の中では造形ヘッド４を移動させずに、形状Ｍ１に対して同じ造形ノズル５を選択する。

次のステップＳ５で、演算部８１は、複数の造形ノズル５の各々が造形インクの吐出に使用された使用率を演算する。演算に際して、使用回数で表される累積使用量が先に求められる。演算方法について、第３ノズル５３を例にして詳細に説明する。第一の均一化要素の中で、第３ノズル５３は、造形インクを吐出する機会が２４回（＝８ボクセル×３単位層）あり、実際に造形インクを吐出した累積使用量は６回（＝２ボクセル×３単位層）である。したがって、第３ノズル５３の使用率は、２５％（＝６回÷２４回×１００％）となる。なお、累積使用量として、使用回数以外のパラメータ、例えば、造形インクを吐出している時間や、吐出した造形インクの量などを用いてもよい。

演算の結果は、図５Ｂに示される。図示されるように、第１ノズル５１、第２ノズル５２、第７ノズル５７、および第８ノズル５８の使用率は０％である。第３ノズル５３および第６ノズル５６の使用率は２５％である。第４ノズル５４および第５ノズル５５の使用率は５０％である。なお、前述した仮支柱を造形する場合、仮支柱の描画に使用された使用回数も当然考慮される。

次のステップＳ６で、制御装置８は、造形が終了したか否か、すなわち第１２単位層の造形が終了したか否かを判定して、動作フローの分岐先を決定する。この時点で、第３単位層までの造形が終了しているので、動作フローはステップＳ７に進められる。ステップＳ７で、均一化選択部８２は、第二の均一化要素（第４～第６単位層の形状Ｍ１）を設定して、動作フローをステップＳ３に戻す。

２回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、図５Ｂに示された使用率を参照し、使用率を均一化するように造形ノズル５を自動選択する。ここで、第１ノズル５１、第２ノズル５２、第７ノズル５７、および第８ノズル５８は、使用率が他よりも低く、優先的に選択される。均一化選択部８２は、第４～第６単位層の形状Ｍ１の描画に使用する造形ノズル５を、二つの選択肢から選ぶ。すなわち、均一化選択部８２は、第１ノズル５１～第４ノズル５４、または、第５ノズル５５～第８ノズル５８を設定する。

図６Ａは、第１ノズル５１～第４ノズル５４が選択された場合を示している。図示されるように、調整機構６は、均一化選択部８２からの制御にしたがい、造形ヘッド４の位置を造形ノズル５の二個分だけ標準位置から右方に調整する。したがって、２回目のステップＳ４で、第１ノズル５１～第４ノズル５４を使用した描画、および固化が３回繰り返される。描画および固化の詳細な動作は、１回目と同様である。

上述したように、均一化選択部８２は、均一化要素が切り替わったときに造形ヘッド４を移動させ、同じ形状Ｍ１に対して異なる造形ノズル５を選択することができる。なお、使用率を均一化することは、使用率の偏りを低減することを意味する。均一化選択部８２は、造形データの制約が許す範囲内で、使用率が低い造形ノズル５の使用を優先し、使用率が高い造形ノズル５の使用を控える。

さらに、２回目のステップＳ５で、演算部８１は、複数の造形ノズル５の各々の使用率を再び演算する。ここで、造形ノズル５の累積使用量は、第一の均一化要素における使用回数、および第二の均一化要素における使用回数が加算されて求められる。また、造形ノズル５の各々が造形インクを吐出する機会は、４８回に増加する。

演算の結果は、図６Ｂに示される。図示されるように、第７ノズル５７および第８ノズル５８の使用率は０％のままである。第１ノズル５１および第６ノズル５６の使用率は１２．５％である。第２ノズル５２および第５ノズル５５の使用率は２５％である。第３ノズル５３および第４ノズル５４の使用率は３７．５％である。この後、動作フローは、ステップＳ６からステップＳ７に進められる。ステップＳ７で、均一化選択部８２は、第三の均一化要素（第７～第９単位層の形状Ｍ２）を設定して、動作フローをステップＳ３に戻す。

３回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、図６Ｂに示された使用率を参照し、使用率を均一化するように造形ノズル５を自動選択する。ここで、第７ノズル５７および第８ノズル５８は、使用率が０％で他よりも低く、優先的に選択される。均一化選択部８２は、第７～第９単位層の形状Ｍ２の描画に使用する造形ノズル５を、第４ノズル５４～第８ノズル５８に設定する。

図７Ａは、使用する造形ノズル５として、第４ノズル５４～第８ノズル５８が選択された場合を示している。図示されるように、調整機構６は、均一化選択部８２からの制御にしたがい、造形ヘッド４の位置を造形ノズル５の二個分だけ標準位置から左方に調整する。したがって、３回目のステップＳ４で、第４ノズル５４～第８ノズル５８を使用した描画、および固化が３回繰り返される。描画および固化の詳細な動作は、１回目および２回目と同様である。

さらに、３回目のステップＳ５で、演算部８１は、複数の造形ノズル５の各々の使用率を再び演算する。演算の結果は、図７Ｂに示される。図示されるように、第１ノズル５１の使用率は８．３％である。第２ノズル５２および第８ノズル５８の使用率は１６．７％である。第３ノズル５３の使用率は２５％である。第４ノズル５４～第７ノズル５７の使用率は３３．３％である。この後、動作フローは、ステップＳ６からステップＳ７に進められる。ステップＳ７で、均一化選択部８２は、第四の均一化要素（第９～第１２単位層の形状Ｍ３＝Ｍ１）を設定して、動作フローをステップＳ３に戻す。

４回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、図７Ｂに示された使用率を参照し、使用率を均一化するように造形ノズル５を自動選択する。ここで、第１ノズル５１は、使用率が８．３％と他よりも低く、優先的に選択される。均一化選択部８２は、第１０～第１２単位層の形状Ｍ３（＝Ｍ１）の描画に使用する造形ノズル５を、第１ノズル５１～第４ノズル５４に設定する。調整機構６は、図６Ａと同様に、造形ヘッド４の位置を造形ノズル５の二個分だけ標準位置から右方に調整する。したがって、４回目のステップＳ４で、第１ノズル５１～第４ノズル５４を使用した描画、および固化が３回繰り返される。

さらに、４回目のステップＳ５で、演算部８１は、複数の造形ノズル５の各々の使用率を再び演算する。演算の結果は、図８に示される。４回目のステップＳ６で、第１２単位層の造形が終了して、三次元造形物Ｍの製造が終了しており、動作フローはステップＳ８に分岐される。ステップＳ８で、駆動部２によりステージ３および製造された三次元造形物Ｍが機外に搬出される。この後、動作フローは、ステップＳ１に戻される。

２回目のステップＳ１で、駆動部２により新しいステージ３が描画エリア２３まで搬入される。新しいステージ３に対するステップＳ３で、均一化選択部８２は、図８に示された使用率を参照し、使用率を均一化するように造形ノズル５を選択する。図８において、第１ノズル５１および第８ノズル５８は、使用率が他よりも低く、優先的に選択される。かつ、第５ノズル５５および第６ノズル５６は、第３ノズル５３および第４ノズル５４と比較して使用率が低いので、優先的に選択される。したがって、均一化選択部８２は、新しいステージ３において第１～第３単位層の形状Ｍ１の描画に使用する造形ノズル５を、第５ノズル５５～第８ノズル５８に設定する。

第１実施形態の三次元造形機１によれば、複数の造形ノズル５の各々が造形インクの吐出に使用された使用率および累積使用量の少なくとも一方を演算して、使用率および累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、使用する造形ノズル５を選択する。したがって、複数の造形ノズル５の使用率や累積使用量の均一化に寄与することができる。加えて、複数の造形ノズル５の間で劣化速度の偏りが減少するので、複数の造形ノズル５を同時に交換する機会が増えて、交換作業の手間が削減される。

これに対して、従来技術では、造形ヘッド４を標準位置に固定して使用する。このため、三次元造形物Ｍの製造を継続している間、第１ノズル５１、第７ノズル５７、および第８ノズル５８は、全く使用されない。一方、第５ノズル５５は、他と比較して使用率が高いので劣化が進行し、頻繁に交換することになる。三次元造形機１によれば、使用する第１ノズル５１～第８ノズル５８を選択することにより、それらの使用率を均一化して、劣化速度の偏りを削減することができる。

なお、三次元造形物Ｍの造形データは既知である。したがって、均一化選択部８２は、図５Ａから図８に至る造形進捗状況を、実際に行う以前にシミュレーションすることができる。つまり、均一化選択部８２は、三次元造形物Ｍを構成する複数の単位層の形状を表す造形データに基づいて、複数の単位層の各々で造形インクの吐出に使用する造形ノズル５を予め選択することができる。これによれば、前もって一連の演算処理を実行でき、均一化要素の造形が終了するたびに演算処理を行う必要がなくなる。

４．均一化要素が異なる第１応用形態
第１実施形態のステップＳ２において、均一化選択部８２は、均一化要素として三つの単位層を用いるが、均一化要素として一つの三次元造形物Ｍを用いてもよい。この場合、１回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、第１ノズル５１～第８ノズル５８がすべて未使用品であることから、図９Ａに示された造形ヘッド４の標準位置を選択する。そして、均一化選択部８２は、均一化要素の造形（三次元造形物Ｍの製造）が終了するまで、造形ヘッド４の標準位置を変更しない。つまり、均一化選択部８２は、第２ノズル５２～第６ノズル５６を自動選択したことになる。したがって、第１ノズル５１、第７ノズル５７、および第８ノズル５８は、使用されない。

次のステップＳ４で、第１～第１２単位層の各々を造形するための描画および固化が１２回繰り返される。次のステップＳ５で、演算部８１は、複数の造形ノズル５の各々が造形インクの吐出に使用された使用率を演算する。演算の結果は、図９Ｂに示される。図示されるように、第１ノズル５１、第７ノズル５７、および第８ノズル５８の使用率は０％である。次のステップＳ６で、第１２単位層の造形が終了して三次元造形物Ｍが製造されているので、動作フローはステップＳ８に分岐される。ステップＳ８で、駆動部２によりステージ３および製造された三次元造形物Ｍが機外に搬出される。この後、動作フローは、ステップＳ１に戻される。

２回目のステップＳ１で、駆動部２により二つ目のステージ３が描画エリア２３まで搬入される。２回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、図９Ｂに示された使用率を参照し、使用率が低い第７ノズル５７および第８ノズル５８を含むように、第４ノズル５４～第８ノズル５８を選択する。この後、２回目のステップＳ４で、二個目の三次元造形物Ｍが製造される。さらに、２回目のステップＳ５で、演算部８１は、図１０Ｂに示された使用率を演算する。図示されるように、第１ノズル５１の使用率は、０％のままである。

この後、動作フローは、ステップＳ８を経由してステップＳ１に戻され、三つ目のステージ３が描画エリア２３まで搬入される。３回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、図１０Ｂに示された使用率を参照し、使用率が０％の第１ノズル５１を含むように、第１ノズル５１～第５ノズル５５を選択する。この後の３回目のステップＳ５で、演算部８１は、図１１Ｂに示された使用率を演算する。図示されるように、第１ノズル５１の使用率は、６％まで増加したが、他と比較して未だ低い。したがって、四つ目のステージ３に対して、均一化選択部８２は、図１１Ｂと同様に、第１ノズル５１～第５ノズル５５を選択する。

５．オペレータの指示にしたがう第２応用形態
第１実施形態のステップＳ３において、均一化選択部８２は、複数の造形ノズル５の各々の使用率に基づいて、使用する造形ノズル５を自動選択するが、オペレータの指示にしたがうようにしてもよい。この場合、２回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、図５Ｂに示された使用率をオペレータに提示し、オペレータの指示にしたがって使用する造形ノズル５を選択する。

例えば、調子の悪い第８ノズル５８の使用を禁止する指示をオペレータが行った場合を想定する。この場合、均一化選択部８２は、第１実施形態における二つの選択肢、すなわち、第１ノズル５１～第４ノズル５４、または、第５ノズル５５～第８ノズル５８のうち、必然的に前者を選択する。さらに、３回目のステップＳ３で、均一化選択部８２は、図１２に示されるように、第８ノズル５８を除外して、第３ノズル５３～第７ノズル５７を選択する。図１２と図７Ａを比較すればわかるように、オペレータの指示により、使用する造形ノズル５が一個分だけずらされる。

６．第２実施形態の三次元造形機
次に、第２実施形態の三次元造形機について、図１３Ａおよび図１３Ｂを参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。第２実施形態の三次元造形機は、調整機構６の有無および均一化選択部８２の機能が第１実施形態と相違し、その他の部位が第１実施形態と同じである。第２実施形態において、調整機構６は省略され、造形ヘッド４は、ヘッド取り付け座６１に固定的に設けられ、常に標準位置に位置する。

また、均一化選択部８２は、ステージ３の直交方向における三次元造形物Ｍの載置位置を調整する。具体的に、均一化選択部８２は、奇数番目に製造する三次元造形物Ｍの載置位置をステージ３の右側に寄せる。これによれば、均一化選択部８２は、図１３Ａに示されるように、第４ノズル５４～第８ノズル５８を選択したことになる。また、均一化選択部８２は、偶数番目に製造する三次元造形物Ｍの載置位置をステージ３の左側に寄せる。これによれば、均一化選択部８２は、図１３Ｂに示されるように、第１ノズル５１～第５ノズル５５を選択したことになる。このように、ステージ３における三次元造形物Ｍの載置位置を固定せず、直交方向に調整することで、八個の造形ノズル５の全てを使用して、使用率を均一化する効果が生じる。

７．第３実施形態の三次元造形システム１Ｓ
次に、第３実施形態の三次元造形システム１Ｓについて、図１４を参考にして説明する。三次元造形システム１Ｓは、三次元造形機１Ａおよびプログラム生成部９で構成される。三次元造形機１Ａは、第１実施形態と同様の駆動部２、ステージ３、造形ヘッド４、複数の造形ノズル５、調整機構６、および固化部７を備え、制御装置８Ａの機能が第１実施形態と相違する。制御装置８Ａは、プログラム生成部９が生成した制御プログラム９１にしたがって駆動部２などを制御する。駆動部２は、制御プログラム９１に基づいて造形ヘッド４がステージ３の上方を相対移動するように駆動する。

プログラム生成部９は、三次元造形機１Ａと別体のコンピュータ装置を用いて構成される。プログラム生成部９は、少なくとも第１実施形態で説明した演算部８１および均一化選択部８２の機能を有する制御プログラム９１を生成する。制御プログラム９１は、三次元造形機１Ａに転送されて実行される。あるいは、三次元造形機１Ａは、プログラム生成部９内の制御プログラム９１にアクセスして実行する。第３実施形態の三次元造形システム１Ｓにおいて、三次元造形機１Ａは、第１実施形態、第１応用形態、および第２応用形態と同じ動作を行うことができる。

８．実施形態の応用および変形
なお、均一化要素として、三つの単位層や一つの三次元造形物Ｍ以外を用いることができる。例えば、均一化要素として一つの単位層を用いる場合、第１単位層を描画する造形ノズル５と、第２単位層を描画する造形ノズル５とを異なるものにすることができる。また、均一化要素として二つの三次元造形物Ｍを用いる場合、二つの三次元造形物Ｍを造形する造形ノズル５は共通化され、三つ目の三次元造形物Ｍを造形する造形ノズル５は異なるものとされる。

また、均一化選択部８２は、造形ヘッド４がステージ３の上方を相対移動する移動回数を増加させないことを条件とするが、この条件を取り払ってもよい。この場合、例えば、第１単位層の描画を２回に分け、１回目に第１ノズル５１および第２ノズル５２を用いて第１単位層の半分を描画し、２回目に第７ノズル５７および第８ノズル５８を用いて第１単位層の残り半分を描画する。これによれば、複数の造形ノズル５の使用率の均一化の程度を格段に向上でき、一方で製造に掛かる所要時間が増加する。その他にも、第１～第３実施形態は、様々な応用や変形が可能である。

１、１Ａ：三次元造形機 １Ｓ：三次元造形システム ２：駆動部 ２１：搬入出エリア ２２：固化エリア ２３：描画エリア ３：ステージ ４：造形ヘッド ５：造形ノズル ５１～５８：第１ノズル～第８ノズル ６：調整機構 ６１：ヘッド取り付け座 ７：固化部 ８、８Ａ：制御装置 ８１：演算部 ８２：均一化選択部 ８３：制御部 ９：プログラム生成部 ９１：制御プログラム

Claims (8)

1. 単位層を積み重ねて三次元造形物を製造する三次元造形機であって、
   製造途中の前記三次元造形物を載置するステージと、
   造形インクを吐出して前記単位層を描画する複数の造形ノズルを保持した造形ヘッドと、
   前記造形ヘッドが前記ステージの上方を相対移動するように駆動する駆動部と、
   複数の前記造形ノズルの各々が前記造形インクの吐出に使用された使用率および累積使用量の少なくとも一方を演算する演算部と、
   複数の前記造形ノズルの間で前記使用率および前記累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを選択する均一化選択部と、を備え、
   前記造形ヘッドは、前記ステージの上方を相対移動する移動方向と直交する直交方向に一列に複数の前記造形ノズルを保持しており、
   前記均一化選択部は、複数の前記単位層からなる第一の均一化要素に対して前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを設定するとともに、複数の前記単位層からなる第二の前記均一化要素に対して第一の前記均一化要素とは異なる前記造形ノズルを設定し、さらに、前記直交方向における前記三次元造形物と複数の前記造形ノズルとの相対位置関係を調整することにより、設定した前記造形ノズルを選択する、
   三次元造形機。
2. 前記三次元造形機は、前記直交方向における前記ステージと前記造形ヘッドとの相対位置関係を調整する調整機構をさらに備え、
   前記均一化選択部は、前記調整機構を制御する、
   請求項１に記載の三次元造形機。
3. 前記均一化選択部は、複数の前記造形ノズルの各々の前記使用率および前記累積使用量の少なくとも一方に基づいて、前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを自動選択する、請求項１または２に記載の三次元造形機。
4. 前記均一化選択部は、複数の前記造形ノズルの各々の前記使用率および前記累積使用量の少なくとも一方をオペレータに提示し、前記オペレータの指示にしたがって前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを選択する、請求項１または２に記載の三次元造形機。
5. 前記均一化選択部は、前記三次元造形物を構成する複数の前記単位層の形状を表す造形データに基づいて、複数の前記単位層の各々で前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを予め選択する、請求項１または２に記載の三次元造形機。
6. 前記均一化選択部は、前記造形ヘッドが前記ステージの上方を相対移動する移動回数を増加させないことを条件として、前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを選択する、請求項１～５のいずれか一項に記載の三次元造形機。
7. オペレータからの指令に基づいて、通常の場合に前記均一化選択部の機能をオンし、製造速度を優先する場合に前記均一化選択部の機能をオフする制御部をさらに備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の三次元造形機。
8. 単位層を積み重ねて製造する三次元造形物を載置するステージ、造形インクを吐出して前記単位層を描画する複数の造形ノズルを保持した造形ヘッド、および、制御プログラムに基づいて前記造形ヘッドが前記ステージの上方を相対移動するように駆動する駆動部を有する三次元造形機と、
   複数の前記造形ノズルの各々が前記造形インクの吐出に使用される使用率および累積使用量の少なくとも一方を演算し、複数の前記造形ノズルの間で前記使用率および前記累積使用量の少なくとも一方を均一化するように、前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを選択する指令を含む前記制御プログラムを生成するプログラム生成部と、
   を備え、
   前記造形ヘッドは、前記ステージの上方を相対移動する移動方向と直交する直交方向に一列に複数の前記造形ノズルを保持しており、
   前記制御プログラムは、
   複数の前記単位層からなる第一の均一化要素に対して前記造形インクの吐出に使用する前記造形ノズルを設定するとともに、複数の前記単位層からなる第二の前記均一化要素に対して第一の前記均一化要素とは異なる前記造形ノズルを設定し、さらに、前記直交方向における前記三次元造形物と複数の前記造形ノズルとの相対位置関係を調整することにより、設定した前記造形ノズルを選択する前記指令を含む、
   三次元造形システム。

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