JPWO2017110375A1 - 三次元加工装置 - Google Patents

Abstract

三次元造形物の造形、測定および加工に要する時間を低減すると共に、品質の高い三次元造形物を得ることができる三次元加工装置を提供する。三次元加工装置は、三次元造形物の三次元データに基づいて樹脂材料を吐出する造形ヘッド３０と、樹脂材料から造形された三次元造形物の表面形状を測定するスキャンヘッド７０と、造形された三次元造形物の表面を加工する加工ヘッド４０と、制御装置８０と、を備え、制御装置８０は、造形ヘッド３０を制御する造形ヘッド制御部８８と、スキャンヘッド７０を制御するスキャンヘッド制御部９２と、測定された三次元造形物の表面形状と、三次元データに基づいて理論的に造形される三次元造形物の表面形状との差分である余剰部分を特定する特定部９４と、余剰部分を削るように加工ヘッド４０を制御する加工ヘッド制御部９８と、を備えている。

Description

本発明は、三次元加工装置に関する。

従来から、樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂硬化層を順次積層することによって、三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。この種の三次元造形装置の一つとして、例えば特許文献１に示すように、熱可塑性樹脂を軟化させたのち硬化させることで樹脂硬化層を形成する熱融解積層法（Fused Deposition Modeling）によるものが知られている。三次元造形装置は、造形する三次元造形物の三次元データに基づいて樹脂材料を吐出する造形ヘッドを備えている。

ところで、三次元造形装置によって造形された三次元造形物の表面を加工する場合、従来は、造形された三次元造形物を三次元造形装置とは別体の装置である切削加工装置に移動させ、三次元造形物を加工していた。ここで、三次元造形物の加工に際し、造形された三次元造形物の形状を正確に求める必要があるため、造形された三次元造形物は、三次元造形装置および切削加工装置とは別体の装置である測定装置において、その表面形状が測定されていた。

特開平０７−２２７８９５号公報

しかし、三次元造形装置、測定装置および切削加工装置間では、三次元造形物の形状および位置情報の互換性がないため、造形された三次元造形物を切削加工して仕上げることが困難であった。言い換えれば、三次元造形装置から測定装置に三次元造形物を移動させるため、造形後の三次元造形物の表面形状は測定することができるが、造形された三次元造形物と三次元データに基づいて理論的に造形される三次元造形物との形状の差異が不明確となってしまうため、どの部分が切削加工の対象となり、該部分をどの程度切削するかについての正確性に欠けてしまう。また、切削加工機においても、造形された三次元造形物と三次元データに基づいて理論的に造形される三次元造形物との形状の差異が不明確であるため、三次元造形物の最も外側から順に切削加工する必要があり、加工に要する時間が長くなってしまうという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、三次元造形物の造形、測定および加工に要する時間を低減すると共に、品質の高い三次元造形物を得ることができる三次元加工装置を提供することである。

本発明に係る三次元加工装置は、造形する三次元造形物の三次元データに基づいて樹脂材料を吐出する造形ヘッドと、前記造形ヘッドから吐出された前記樹脂材料を保持する造形テーブルと、前記造形テーブルに配置されかつ前記樹脂材料から造形された三次元造形物の表面形状を測定するスキャンヘッドと、前記造形テーブルに配置されかつ前記測定された三次元造形物の表面を加工する加工ヘッドと、前記造形ヘッドと、前記スキャンヘッドと、前記加工ヘッドとを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記三次元データに基づいて、前記造形テーブルに前記樹脂材料を吐出するように前記造形ヘッドを制御する造形ヘッド制御部と、前記三次元データに基づいて、前記造形テーブルに配置された前記三次元造形物の表面形状を測定するように前記スキャンヘッドを制御するスキャンヘッド制御部と、前記スキャンヘッドによって測定された前記三次元造形物の表面形状と、前記三次元データに基づいて理論的に造形される三次元造形物の表面形状との差分である余剰部分を特定する特定部と、前記余剰部分を削るように前記加工ヘッドを制御する加工ヘッド制御部と、を備えている。

本発明の三次元加工装置によれば、造形テーブル上に造形された三次元造形物は、スキャンヘッドによる測定および加工ヘッドによる加工において、両ヘッドの相対的な位置関係が三次元加工装置によって特定され、かつ使用する三次元造形物の三次元データが共通であるため、測定時および加工時における原点位置の調整が不要となる。また、スキャンヘッド制御部は、三次元データに基づいて、三次元造形物の表面形状を測定するようにスキャンヘッドを制御する。ここで、三次元データによって、造形テーブルのどの部分に三次元造形物が配置されているかが把握可能であるため、スキャンヘッドを表面形状の測定前に三次元造形物の近傍にまで移動させた後、三次元造形物の表面形状を測定することが可能である。特に、スキャンヘッドが対象物に接触してその形状を測定するものである場合には、スキャンヘッドの総移動時間を大幅に短縮することができる。また、加工ヘッド制御部は、特定部によって特定された余剰部分を削るように加工ヘッドを制御する。特定部によって、三次元造形物のどの部分をどの程度削ればよいのかが明確となるため、加工ヘッドを当該余剰部分に即座に移動させて加工することが可能である。これにより、加工ヘッドの総移動時間を大幅に短縮することができる。ここで、一般に、樹脂材料を吐出して三次元造形物を造形する時間は、三次元造形物の表面を加工ヘッドによって加工する時間より長い。造形ヘッドから吐出する樹脂材料の太さを太くする等、単位時間当たりの吐出量を多くすることによって、造形時間の短縮を図ることはできるが、この場合三次元造形物の形状の精度が若干低下してしまう。しかしながら、本発明では、造形ヘッドから吐出する樹脂材料の単位時間当たりの吐出量を多くして、表面形状の粗い三次元造形物を造形しても、最終的に三次元造形物の表面を加工するため、品質の高い三次元造形物を得ることができる。すなわち、三次元造形物の造形時間を短縮することができる。

本発明によれば、三次元造形物の造形、測定および加工に要する時間を低減すると共に、品質の高い三次元造形物を得ることができる。

図１は、一実施形態に係る三次元加工装置の斜視図である。 図２は、一実施形態に係る制御装置のブロック図である。 図３は、一実施形態に係る造形ヘッドのノズルから造形テーブルに熱可塑性樹脂が吐出される状態を示す説明図である。 図４は、三次元データに基づいて理論的に造形される目的三次元造形物を示す説明図である。 図５は、三次元データに基づいて実際に造形された三次元造形物を示す説明図である。 図６は、スキャンヘッドが三次元造形物の表面形状を測定する前の状態を示す説明図である。 図７は、スキャンヘッドが三次元造形物の表面形状を測定している状態を示す説明図である。 図８は、加工ヘッドが三次元造形物の表面を加工する前の状態を示す説明図である。 図９は、加工ヘッドが三次元造形物の表面を加工している状態を示す説明図である。 図１０は、加工ヘッドによって表面が加工された三次元造形物を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る三次元加工装置について説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。

図１は、本実施形態に係る三次元加工装置１０の斜視図である。三次元加工装置１０は、三次元造形物を造形する装置である。三次元加工装置１０は、三次元造形物の断面形状を表すスライス画像を用意し、樹脂材料を硬化して、スライス画像に沿った断面形状の樹脂硬化層を順次積層することによって、三次元造形物を造形する装置である。三次元加工装置１０は、造形された三次元造形物の表面形状を測定する装置である。三次元加工装置１０は、造形された三次元造形物の表面を加工する装置である。ここで、「断面形状」とは、三次元造形物を所定の厚み（例えば、０．１ｍｍ）ごとにスライスしたときの断面の形状である。本実施形態では、樹脂材料として熱可塑性樹脂を用いる場合を例に説明する。

以下の説明では、左、右、上、下とは、三次元加工装置１０の正面にいる作業者から見た左、右、上、下をそれぞれ意味することとする。また、三次元加工装置１０から上記作業者に近づく方を前方、遠ざかる方を後方とする。図面中の符号Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄは、それぞれ前、後、左、右、上、下を表す。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、三次元加工装置１０の設置態様を何ら限定するものではない。

図１に示すように、三次元加工装置１０は、ハウジング２２と、造形ヘッド３０と、加工ヘッド４０と、造形テーブル５０と、制御装置８０と、キャリッジ６０、スキャンヘッド７０とを備えている。

図１に示すように、ハウジング２２は、右側壁２２Ａと、左側壁２２Ｂと、底壁２２Ｃと、後壁２２Ｄとを備えている。ハウジング２２には、その上側から前側に渡って開口２３が形成されている。ハウジング２２には、開口２３を覆う図示しないカバーが設けられている。

図１に示すように、キャリッジ６０は、ハウジング２２内に配置されている。キャリッジ６０は、ハウジング２２内に配置された一対の第１ガイドレール６１に移動自在に設けられている。キャリッジ６０は、第１ガイドレール６１に沿って左右方向に移動可能である。左右方向に延びる第１ガイドレール６１は、右側壁２２Ａと左側壁２２Ｂとに接続されている。キャリッジ６０は、第１モータ６０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて左右方向に移動する。第１モータ６０Ａは、制御装置８０によって制御される。キャリッジ６０は、一対の第２ガイドレール６２と、一対の第３ガイドレール６３と、一対の第４ガイドレール６４とを備えている。第２ガイドレール６２、第３ガイドレール６３および第４ガイドレール６４は、上下方向に延びる。第２ガイドレール６２は、第３ガイドレール６３の左方に配置されている。第２ガイドレール６２は、第４ガイドレール６４の右方に配置されている。

造形ヘッド３０は、造形する三次元造形物の三次元データに基づいて、熱可塑性樹脂３８を吐出する。図１に示すように、造形ヘッド３０は、ハウジング２２内に配置されている。造形ヘッド３０は、キャリッジ６０に設けられている。キャリッジ６０が左右方向に移動することによって、造形ヘッド３０も左右方向に移動する。造形ヘッド３０は、第２ガイドレール６２に移動自在に設けられている。造形ヘッド３０は、本体部３２と、熱可塑性樹脂３８を吐出するノズル３４と、ヒータ３５と、一対のローラギア３６とを備えている。本体部３２は、第２ガイドレール６２に移動自在に設けられている。本体部３２は、第２モータ３０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて上下方向に移動する。これにより、造形ヘッド３０は、上下方向に移動する。第２モータ３０Ａは、制御装置８０によって制御される。キャリッジ６０の上方には、カートリッジ３７が配置されている。カートリッジ３７は、熱可塑性樹脂３８を収容する。カートリッジ３７は、交換可能である。図３に示すように、ノズル３４は、カートリッジ３７（図１参照）から搬送された熱可塑性樹脂３８を造形テーブル５０に吐出する。ノズル３４のノズル径Ｄは変更可能に構成されている。ノズル３４の開口は、円形状に形成されている。なお、ノズル３４の開口が矩形状に形成されている場合、開口の長径がノズル径Ｄとなる。ノズル径Ｄを大きくすることで、三次元造形物の造形をより速く行うことができる。また、ノズル径Ｄを小さくすることで、三次元造形物をより高い精度で造形することができる。ヒータ３５は、カートリッジ３７から搬送された熱可塑性樹脂３８に熱を加える。ヒータ３５は、本体部３２に取り付けられている。ヒータ３５は、ノズル３４より上方に配置されている。図１に示すように、ローラギア３６は、本体部３２に設けられている。一対のローラギア３６は、相互に離間して配置されている。ローラギア３６は、第３モータ３６Ａ（図２参照）の駆動力を受けて回転する。第３モータ３６Ａは、制御装置８０によって制御される。カートリッジ３７から搬送された熱可塑性樹脂３８は、一対のローラギア３６間を通過する。ローラギア３６が回転することによって、熱可塑性樹脂３８は、ノズル３４に搬送され、ノズル３４から造形テーブル５０に吐出される。熱可塑性樹脂３８は、ヒータ３５の熱によって柔らかくなり、柔らかい状態でノズル３４から造形テーブル５０に吐出される。造形テーブル５０に吐出された熱可塑性樹脂３８は、その後硬化する。造形ヘッド３０は、制御装置８０において作成されたスライス画像に対応する所定の断面形状の樹脂硬化層を順次積層する。これにより、所望の三次元造形物１５が造形される。

スキャンヘッド７０は、硬化した熱可塑性樹脂３８から造形された三次元造形物１５の表面形状を測定する。図１に示すように、スキャンヘッド７０は、ハウジング２２内に配置されている。スキャンヘッド７０は、キャリッジ６０に設けられている。キャリッジ６０が左右方向に移動することによって、スキャンヘッド７０も左右方向に移動する。スキャンヘッド７０は、第３ガイドレール６３に移動自在に設けられている。スキャンヘッド７０は、造形ヘッド３０より右方に配置されている。スキャンヘッド７０は、造形ヘッド３０および加工ヘッド４０と一体となって移動する。スキャンヘッド７０は、本体部７２と、接触センサ７４とを備えている。本体部７２は、第３ガイドレール６３に移動自在に設けられている。本体部７２は、第４モータ７０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて上下方向に移動する。これにより、スキャンヘッド７０は、上下方向に移動する。第４モータ７０Ａは、制御装置８０によって制御される。接触センサ７４は、本体部７２に上下方向に移動自在に取り付けられている。接触センサ７４の下端７４Ｂは、本体部７２より下方に位置する。接触センサ７４の移動は制御装置８０によって制御される。造形テーブル５０に配置された三次元造形物１５の表面形状を測定するとき、接触センサ７４は、本体部７２から下方に移動して三次元造形物１５に接触する。これを繰り返し行うことによって、三次元造形物１５の表面形状が測定される。スキャンヘッド７０は、スキャンピッチを大きくして三次元造形物１５の所定のポイントにおける表面形状を測定することができる（サンプルスキャン）。スキャンピッチは、例えば、ノズル径Ｄに対してＤ以上３Ｄ以下とするとよい。この場合、サンプルスキャンは、樹脂硬化層の積層で得られた三次元造形物１５の表面のうち、加工工程において切削すべき厚みの程度（表面の凹凸を含んだ、切削すべき厚みの平均値）、さらにその厚みのばらつきの程度や最大値を部分的に実測することになる。サンプルスキャンの結果から、三次元造形物１５の表面全体の切削加工の程度、すなわち切削して削り取る樹脂硬化層のおおよその厚さと、三次元造形物１５全体において発生し得る厚さの最大値を推定する。三次元造形物１５の厚さの最大値を推定することで、造形終了直後の三次元造形物１５の表面に対する切削加工開始時の刃先の初期位置を最小距離とすることができ、切削加工時間を短縮することができる。即ち、加工の必要のない空間（三次元造形物１５の厚さの最大値以上の高さ）を加工ヘッド４０がさまよう時間を省略することができる。

前述したような、ノズル３４から吐出された熱可塑性樹脂３８の積層による造形方法においては、造形終了直後の三次元造形物１５の表面における切削すべき樹脂硬化層の厚さのばらつきは、全体的にほぼ同程度であることがわかっている。特に、三次元造形物１５の平面部分における上記厚さのばらつきは、全体的にほぼ同程度である。よって、このようなサンプルスキャンによる方法によって、三次元造形物１５の表面形状の全てを推定することができる。また、三次元造形物１５の一部に突起（部分的な凸部）が形成されていたり、穴（部分的な凹部）が形成されていたりする場合は、平面部分のサンプルスキャンに加えて、突起や穴を含むこれらの周辺部分をスキャンするとよい（スポットスキャン）。なお、平面部分が少ない場合、平面部分がない球面（例えばドーム形状）の場合、あるいは凹凸の曲面のみで構成されるような立体形状の場合は、熱可塑性樹脂３８の粘度や温度、積層の進行速度や方向などの積層方法によっては、凸部と凹部の厚みの程度が予測困難にばらつくことがある。かかる場合には、スキャンヘッド７０は、スキャンピッチをＤより小さくして三次元造形物１５の表面形状の全てを測定してもよい（フルスキャン）。

加工ヘッド４０は、表面形状が測定された三次元造形物１５の表面を加工する。図１に示すように、加工ヘッド４０は、ハウジング２２内に配置されている。加工ヘッド４０は、キャリッジ６０に設けられている。キャリッジ６０が左右方向に移動することによって、加工ヘッド４０も左右方向に移動する。加工ヘッド４０は、第４ガイドレール６４に移動自在に設けられている。加工ヘッド４０は、造形ヘッド３０より左方に配置されている。加工ヘッド４０は、造形ヘッド３０およびスキャンヘッド７０と一体となって移動する。加工ヘッド４０は、本体部４２と、スピンドル４４と、スピンドル４４に着脱自在に取り付けられた加工ツール４５と、スピンドル４４を回転させる第５モータ４６とを備えている。スピンドル４４は、加工ツール４５を回転させる。本体部４２は、第４ガイドレール６４に移動自在に設けられている。本体部４２は、第６モータ４０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて上下方向に移動する。これにより、加工ヘッド４０は、上下方向に移動する。第６モータ４０Ａは、制御装置８０によって制御される。スピンドル４４は、本体部４２に取り付けられている。第５モータ４６は、本体部４２に取り付けられている。第５モータ４６は、スピンドル４４より上方に配置されている。第５モータ４６は、制御装置８０によって制御される。

造形テーブル５０は、造形ヘッド３０のノズル３４から吐出された熱可塑性樹脂３８を保持する。造形テーブル５０上に三次元造形物１５が造形される。造形された三次元造形物１５は、スキャンヘッド７０による測定および加工ヘッド４０による加工が完了するまで、造形テーブル５０上に位置する。造形テーブル５０は、ハウジング２２内に配置されている。造形テーブル５０は、造形ヘッド３０、加工ヘッド４０およびスキャンヘッド７０の下方に配置されている。造形テーブル５０は、底壁２２Ｃより上方に設けられている。造形テーブル５０は、底壁２２Ｃに設けられた図示しないガイドレールに移動自在に設けられている。造形テーブル５０は、第７モータ５０Ａ（図２参照）の駆動力を受けて前後方向に移動する。第７モータ５０Ａは、制御装置８０によって制御される。

制御装置８０は、三次元造形物１５の造形、三次元造形物１５の表面形状の測定および三次元造形物１５の表面の加工を制御する。詳しくは、制御装置８０は、造形ヘッド３０、加工ヘッド４０、造形テーブル５０、キャリッジ６０およびスキャンヘッド７０などを制御する。制御装置８０は、造形する三次元造形物の三次元データに基づいて、造形ヘッド３０、加工ヘッド４０およびスキャンヘッド７０を制御する。なお、制御装置８０の構成は特に限定されない。例えば、制御装置８０は、コンピュータであり、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという。）と、ＣＰＵが実行するプログラムなどを格納したＲＯＭと、ＲＡＭなどを備えていてもよい。なお、三次元データとは、点群データ、即ちＸＹＺ座標値を表す三次元座標データや、三次元モデルを構成する各三角形の面の法線ベクトルと各三角形の３つの頂点の座標値とが記録されたＳＴＬデータ等を意味する。

図２に示すように、制御装置８０は、記憶部８２と、スライス画像作成部８４と、造形用パスデータ作成部８６と、造形ヘッド制御部８８と、スキャン用パスデータ作成部９０と、スキャンヘッド制御部９２と、特定部９４と、加工用パスデータ作成部９６と、加工ヘッド制御部９８とを備えている。

記憶部８２は、造形する三次元造形物の三次元データを記憶する。図４は、記憶部８２に記憶された三次元データに基づいて理論的に造形される三次元造形物（以下、目的三次元造形物２０とする。）の一例を示す図である。記憶部８２は、目的三次元造形物２０の位置情報を記憶する。ここで、目的三次元造形物２０の位置情報とは、例えば、目的三次元造形物２０の原点情報Ｏと、その原点情報Ｏを基準にした目的三次元造形物２０の表面形状を表す外形情報との両方を含む。目的三次元造形物２０の位置情報とは、目的三次元造形物２０の表面形状に基づいた三次元座標データである。記憶部８２には、目的三次元造形物２０を所定の間隔にスライスして分割された複数のスライス画像を記憶する。本実施形態では、上記スライス画像は、スライス画像作成部８４によって作成される。三次元データは、例えば、ユーザの操作によって、記憶媒体または他のコンピュータ（図示せず）から記憶部８２に読み込まれる。なお、スライス画像は、例えば、ユーザの操作によって、記憶媒体または他のコンピュータ（図示せず）から記憶部８２に読み込まれてもよい。

スライス画像作成部８４は、記憶部８２に記憶された目的三次元造形物２０を上下方向（Ｚ軸方向）に所定の間隔でスライスして、目的三次元造形物２０の断面形状に対応したスライス画像を複数作成する。目的三次元造形物２０は、ＸＹ平面に平行にスライスされる。所定の間隔は、例えば、ノズル径Ｄ以上である。

造形用パスデータ作成部８６は、作成された複数のスライス画像に基づいて、造形ヘッド３０の移動経路を示す造形用パスデータを作成する。作成された造形用パスデータは、記憶部８２に記憶される。造形ヘッド３０の移動経路とは、ノズル３４の下端３４Ｂが描く軌跡である。

造形ヘッド制御部８８は、記憶部８２に記憶された三次元データに基づいて、造形テーブル５０に熱可塑性樹脂３８を吐出するように造形ヘッド３０を制御する。即ち、造形ヘッド制御部８８は、造形用パスデータを用いて、造形ヘッド３０による熱可塑性樹脂３８の吐出および造形ヘッド３０の移動を制御する。造形ヘッド制御部８８は、第１モータ６０Ａを駆動して、キャリッジ６０の移動を制御する。造形ヘッド制御部８８は、第２モータ３０Ａを駆動して、造形ヘッド３０の移動を制御する。造形ヘッド制御部８８は、第３モータ３６Ａを駆動して、ローラギア３６を制御する。造形ヘッド制御部８８は、第７モータ５０Ａを駆動して、造形テーブル５０の移動を制御する。これにより、図５に示すように、三次元造形物が造形テーブル５０上に造形される。なお、図５において、目的三次元造形物２０は、二点鎖線で表されている。

スキャン用パスデータ作成部９０は、記憶部８２に記憶された三次元データに基づいて、造形テーブル５０上に造形された三次元造形物１５に対するスキャンヘッド７０の移動経路を示すスキャン用パスデータを作成する。図６に示すように、ノズル３４のノズル径をＤ（図３参照）としたとき、スキャンヘッド７０の移動経路は、目的三次元造形物２０の表面に対して、例えば、垂直方向にＤ〜３Ｄ程度の距離だけ離れている。本実施形態では、スキャンヘッド７０の移動経路は、目的三次元造形物の表面に対して垂直方向に２Ｄの距離だけ離れている。作成されたスキャン用パスデータは、記憶部８２に記憶される。スキャンヘッド７０の移動経路とは、接触センサ７４の下端７４Ｂが描く軌跡である。なお、接触センサ７４は、移動経路上の所定の測定ポイントに位置すると、本体部７２から下方に移動して三次元造形物１５に接触する。測定ポイントは、ユーザが任意に設定することができる。

スキャンヘッド制御部９２は、記憶部８２に記憶された三次元データに基づいて、造形テーブル５０に配置された三次元造形物１５の表面形状を測定するようにスキャンヘッド７０を制御する。即ち、スキャンヘッド制御部９２は、スキャン用パスデータを用いて、スキャンヘッド７０の移動および接触センサ７４を制御する。スキャンヘッド制御部９２は、第１モータ６０Ａを駆動して、キャリッジ６０の移動を制御する。スキャンヘッド制御部９２は、第４モータ７０Ａを駆動して、スキャンヘッド７０の移動を制御する。スキャンヘッド制御部９２は、第６モータ７０Ａを駆動して、造形テーブル５０の移動を制御する。スキャンヘッド制御部９２は、図示しないアクチュエータを用いて接触センサ７４を制御する。これにより、三次元造形物１５の表面形状（即ち三次元造形物１５の三次元座標）が測定される。なお、スキャンヘッド制御部９２は、記憶部８２に記憶された三次元データに基づいて、造形テーブル５０に配置された三次元造形物１５の所定のポイントにおける表面形状を測定（即ちサンプルスキャン）するようにスキャンヘッド７０を制御してもよい。この場合、スキャンヘッド制御部９２は、測定された所定のポイントにおける表面形状に基づいて、三次元造形物１５の全体の表面形状を推定する。

図７に示すように、特定部９４（図２参照）は、スキャンヘッド７０によって測定された三次元造形物１５の表面形状と、目的三次元造形物２０の表面形状との差分である余剰部分１００を特定する。図７において、余剰部分１００は、三次元造形物１５の外形線と目的三次元造形物２０の外形線とに囲まれた部分である。一般に、熱可塑性樹脂３８（図３参照）を用いて三次元造形物１５を造形する場合、三次元造形物１５は、目的三次元造形物２０より大きめに造形される。特定部９４は、実際に造形された三次元造形物１５と目的三次元造形物２０とから上記余剰部分１００を特定する。特定部９４は、余剰部分１００のうち最も厚みの厚い最厚部１０２を特定する。最厚部１０２は、余剰部分１００のうち目的三次元造形物２０の表面に対する垂直方向の厚みが最も厚い部分である。三次元造形物１５が複数の面を含む場合、面毎に最厚部１０２を特定するとよい。余剰部分１００および最厚部１０２の位置情報は、記憶部８２に記憶される。

加工用パスデータ作成部９６は、余剰部分１００の位置情報に基づいて、造形テーブル５０上に造形された三次元造形物１５に対する加工ヘッド４０の移動経路を示す加工用パスデータを作成する。加工用パスデータ作成部９６は、例えば、最厚部１０２が最初に加工されるように、加工用パスデータを作成する。作成された加工用パスデータは、記憶部８２に記憶される。加工ヘッド４０の移動経路とは、加工ツール４５の下端４５Ｂ（図８参照）が描く軌跡である。

加工ヘッド制御部９８は、余剰部分１００を削るように加工ヘッド４０を制御する。即ち、加工ヘッド制御部９８は、加工用パスデータを用いて、加工ヘッド４０による余剰部分の加工および加工ヘッドの移動を制御する。加工ヘッド制御部９８は、第１モータ６０Ａを駆動して、キャリッジ６０の移動を制御する。加工ヘッド制御部９８は、第５モータ４６を駆動して、スピンドル４４の回転を制御する。加工ヘッド制御部９８は、第６モータ４０Ａを駆動して、加工ヘッド４０の移動を制御する。加工ヘッド制御部９８は、第７モータ５０Ａを駆動して、造形テーブル５０の移動を制御する。これにより、三次元造形物１５の表面が加工される。さらに、図８に示すように、加工ヘッド制御部９８は、最厚部１０２を最初に削るように加工ヘッド４０を制御する。これにより、三次元造形物１５の表面のうち最厚部１０２が最初に切削加工される。図９は、三次元造形物１５の上面１５Ｔのうち最厚部１０２（図８参照）を含む余剰部分１００が削り取られた状態を示す説明図である。図９に示すように、三次元造形物１５の上面１５Ｔは、目的三次元造形物２０の上面２０Ｔと略一致する。図１０は、三次元造形物１５のうち余剰部分１００（図８参照）が削り取られた状態を示す説明図である。図１０に示すように、余剰部分１００が削り取られた三次元造形物１５の形状は、目的三次元造形物２０の形状と略一致する。

以上のように、本実施形態では、造形テーブル５０上に造形された三次元造形物１５は、スキャンヘッド７０による測定および加工ヘッド４０による加工において、スキャンヘッド７０および加工ヘッド４０の相対的な位置関係が三次元加工装置１０によって特定され、かつ使用する三次元造形物の三次元データが共通であるため、測定時および加工時における原点位置の調整が不要となる。また、スキャンヘッド制御部９２は、三次元データに基づいて、三次元造形物１５の表面形状を測定するようにスキャンヘッド７０を制御する。ここで、三次元データによって、造形テーブル５０のどの部分に三次元造形物１５が配置されているかが把握可能であるため、スキャンヘッド７０を表面形状の測定前に三次元造形物１５の近傍にまで移動させた後、三次元造形物１５の表面形状を測定することが可能である。特に、スキャンヘッド７０が対象物に接触してその形状を測定する接触センサ７４を備えている場合には、スキャンヘッド７０の総移動時間を大幅に短縮することができる。また、加工ヘッド制御部９８は、特定部９４によって特定された余剰部分１００を削るように加工ヘッド４０を制御する。特定部９４によって、三次元造形物１５のどの部分をどの程度削ればよいのかが明確となるため、加工ヘッド４０を当該余剰部分１００に即座に移動させて加工することが可能である。これにより、加工ヘッド４０の総移動時間を大幅に短縮することができる。ここで、一般に、熱可塑性樹脂３８を吐出して三次元造形物１５を造形する時間は、三次元造形物１５の表面を加工ヘッド４０によって加工する時間より長い。造形ヘッド３０から吐出する熱可塑性樹脂３８の太さを太くする等、単位時間当たりの吐出量を多くすることによって、造形時間の短縮を図ることはできるが、この場合三次元造形物１５の形状の精度が若干低下してしまう。しかしながら、本発明では、造形ヘッド３０から吐出する熱可塑性樹脂３８の単位時間当たりの吐出量を多くして、表面形状の粗い三次元造形物１５を造形しても、最終的に三次元造形物１５の表面を加工するため、品質の高い三次元造形物１５を得ることができる。すなわち、三次元造形物１５の造形時間を短縮することができる。

本実施形態では、スキャンヘッド制御部９２は、記憶部８２に記憶された三次元データに基づいて、造形テーブル５０に配置された三次元造形物１５の所定のポイントにおける表面形状を測定するようにスキャンヘッド７０を制御し、かつ、測定された所定のポイントにおける表面形状に基づいて、三次元造形物１５の全体の表面形状を推定することができる。三次元造形装置１０において、熱可塑性樹脂３８から造形された直後（即ち加工ヘッド４０による加工の直前）の三次元造形物１５の表面に発生する凹凸の変動範囲や、後工程の加工ヘッド４０による加工によって切削すべき厚みの程度（表面の凹凸を含んだ、切削すべき厚みや最大値）が予測できる場合、スキャンヘッド７０による測定は、三次元造形物１５全体をくまなくスキャン（即ちフルスキャン）する必要がなく、スキャンポイントを所定の数ポイントに特定してスキャン（即ちサンプルスキャン）し、その結果から三次元造形物１５全体の表面形状を推定することができる。これにより、スキャンヘッド７０の総移動時間を大幅に短縮することができる。

本実施形態では、図８に示すように、加工ヘッド制御部９８は、最厚部１０２を最初に削るように加工ヘッド４０を制御する。これにより、加工ヘッド４０の三次元造形物１５に対する接近する動作および離反する動作をより少なくすることができる。この結果、加工ヘッド４０の総移動時間を短縮することができる。

本実施形態では、図２に示すように、加工ヘッド制御部９８は、加工用パスデータ作成部９６によって作成された加工用パスデータを用いて、加工ヘッド４０による余剰部分１００の加工および加工ヘッド４０の移動を制御する。これにより、造形された三次元造形物１５の余剰部分１００をより確実に削ることができる。

本実施形態では、図６に示すように、スキャンヘッド７０の移動経路は、目的三次元造形物２０の表面に対して垂直方向に２Ｄだけ離れている。このように、三次元造形物１５により接近できるため、三次元造形物１５の表面形状をより迅速に測定することができる。

本実施形態では、図１に示すように、造形ヘッド３０には、熱可塑性樹脂３８に熱を加えるヒータ３５が設けられている。熱可塑性樹脂３８はヒータ３５によって軟化され、造形テーブル５０上で硬化して三次元造形物１５が造形される。このように造形された三次元造形物１５では表面に凹凸が発生することがあるが、本実施形態によれば、加工ヘッド４０によって三次元造形物１５の表面が削られるため、表面に凹凸のない、なめらかで高品質な三次元造形物１５を得ることができる。

上述した実施形態では、スキャンヘッド７０は、接触式のセンサである接触センサ７４を備えていたが、これに限定されない。スキャンヘッド７０は、レーザ光によって非接触で三次元造形物の表面形状を測定するセンサを備えていてもよい。

上述した実施形態では、１つのキャリッジ６０に、造形ヘッド３０と、加工ヘッド４０と、スキャンヘッド７０とが設けられていたが、これに限定されない。造形ヘッド３０と、加工ヘッド４０と、スキャンヘッド７０とは、それぞれ独立して移動するように構成されていてもよい。また、造形ヘッド３０と、加工ヘッド４０と、スキャンヘッド７０との位置関係は特に限定されない。造形ヘッド３０と、加工ヘッド４０と、スキャンヘッド７０とは、並び順が入れ替わっていてもよい。

１０ 三次元加工装置
１５ 三次元造形物
２０ 目的三次元造形物
３０ 造形ヘッド
３８ 熱可塑性樹脂
４０ 加工ヘッド
５０ 造形テーブル
７０ スキャンヘッド
８０ 制御装置
８８ 造形ヘッド制御部
９２ スキャンヘッド制御部
９４ 特定部
９８ 加工ヘッド制御部
１００ 余剰部分
１０２ 最厚部

Claims (6)

1. 造形する三次元造形物の三次元データに基づいて樹脂材料を吐出する造形ヘッドと、
   前記造形ヘッドから吐出された前記樹脂材料を保持する造形テーブルと、
   前記造形テーブルに配置されかつ前記樹脂材料から造形された三次元造形物の表面形状を測定するスキャンヘッドと、
   前記造形テーブルに配置されかつ前記測定された三次元造形物の表面を加工する加工ヘッドと、
   前記造形ヘッドと、前記スキャンヘッドと、前記加工ヘッドとを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記三次元データに基づいて、前記造形テーブルに前記樹脂材料を吐出するように前記造形ヘッドを制御する造形ヘッド制御部と、
   前記三次元データに基づいて、前記造形テーブルに配置された前記三次元造形物の表面形状を測定するように前記スキャンヘッドを制御するスキャンヘッド制御部と、
   前記スキャンヘッドによって測定された前記三次元造形物の表面形状と、前記三次元データに基づいて理論的に造形される三次元造形物の表面形状との差分である余剰部分を特定する特定部と、
   前記余剰部分を削るように前記加工ヘッドを制御する加工ヘッド制御部と、を備えている、三次元加工装置。
2. 前記スキャンヘッド制御部は、前記三次元データに基づいて、前記造形テーブルに配置された前記三次元造形物の所定のポイントにおける表面形状を測定するように前記スキャンヘッドを制御し、かつ、測定された前記所定のポイントにおける表面形状に基づいて、前記三次元造形物の全体の表面形状を推定する、請求項１に記載の三次元加工装置。
3. 前記特定部は、前記余剰部分のうち最も厚みの厚い最厚部を特定し、
   前記加工ヘッド制御部は、前記最厚部を最初に削るように前記加工ヘッドを制御する、請求項１または２に記載の三次元加工装置。
4. 前記制御装置は、前記余剰部分の位置情報に基づいて、前記造形された三次元造形物に対する前記加工ヘッドの移動経路を示す加工用パスデータを作成する加工用パスデータ作成部をさらに備え、
   前記加工ヘッド制御部は、前記加工用パスデータを用いて、前記加工ヘッドによる前記余剰部分の加工および前記加工ヘッドの移動を制御する、請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元加工装置。
5. 前記制御装置は、前記三次元データに基づいて、前記造形された三次元造形物に対する前記スキャンヘッドの移動経路を示すスキャン用パスデータを作成するスキャン用パスデータ作成部をさらに備え、
   前記造形ヘッドは、前記樹脂材料を吐出するノズルを備え、
   前記ノズルのノズル径をＤとしたとき、前記スキャンヘッドの移動経路は、前記三次元データに基づいて理論的に造形される三次元造形物の表面に対して垂直方向にＤ〜３Ｄの距離だけ離れている、請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元加工装置。
6. 前記樹脂材料は、熱可塑性樹脂であり、
   前記造形ヘッドには、前記熱可塑性樹脂に熱を加えるヒータが設けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元加工装置。

Images