(57)【要約】【課題】  造形材料を吐出することによって造形を行う造形システムを提供すること。【解決手段】  造形材料を吐出することによって造形を行う造形システム１が開示される。本造形システム１は、造形材料１２を吐出する吐出部２１と、吐出部２１から造形材料１２を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定する測定部１０６と、測定された物理量に基づいて吐出部２１に供給する造形材料１２の供給量を操作するよう制御する制御部１２３とを含む。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形材料を吐出することによって造形を行う造形システムであって、
造形材料を吐出する吐出部と、
前記吐出部から前記造形材料を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定する測定部と、
測定された前記物理量に基づいて前記吐出部に供給する前記造形材料の供給量を操作するよう制御する制御部と
を含む、造形システム。
【請求項２】
前記制御部は、測定された前記物理量が目標値となるように前記造形材料の前記供給量を操作するフィードバック制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載の造形システム。
【請求項３】
前記造形システムは、
動力発生器を有し、前記動力発生器を用いて前記造形材料を前記吐出部に送り出す送出機構
を含み、前記測定部は、前記送出機構の前記動力発生器のトルクを、前記物理量として計測することを特徴とする、請求項１または２に記載の造形システム。
【請求項４】
前記造形システムは、
前記吐出部と機構的に独立した、前記造形材料を前記吐出部に送り出す送出機構を備えたユニットを有し、
前記測定部は、前記ユニットが前記造形材料を介して前記吐出部から受ける反力を、前記物理量として計測することを特徴とする、請求項１または２に記載の造形システム。
【請求項５】
前記吐出部は、前記造形材料を液体状態で貯留する液室を含み、
前記測定部は、前記液室の内部圧力を、前記物理量として計測することを特徴とする、請求項１または２に記載の造形システム。
【請求項６】
前記制御部は、
ツールパスデータに基づいて、前記造形材料のベース供給量を算出する供給量算出部と、
算出された前記ベース供給量に基づいて、測定された前記物理量を近づける目標値を算出する目標値算出部と、
前記造形材料のベース供給量および測定された前記物理量と目標値との差に基づいて、前記造形材料の供給量を調整する調整部と
を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の造形システム。
【請求項７】
前記造形システムは、熱溶解積層方式の三次元造形装置を含み、前記造形材料は、樹脂材料であり、前記吐出部は、前記三次元造形装置の造形ヘッドが有する吐出ノズルであり、前記樹脂材料を溶融状態で吐出することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の造形システム。
【請求項８】
造形材料を吐出することにより造形する造形装置を制御する制御装置であって、
吐出部から造形材料を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定部により測定させる測定制御部と、
測定された前記物理量に基づいて、前記吐出部に供給する前記造形材料の供給量を操作するように制御する供給量制御部と
を含む、制御装置。
【請求項９】
前記物理量は、前記造形材料を前記吐出部から吐出する抵抗の大きさ、前記造形材料の送り出しの際のトルク、前記造形材料の送り出しに応答した反力または前記造形材料の送り出しに応じて発生するノズル内圧である、請求項８に記載の制御装置。
【請求項１０】
造形材料を吐出することにより造形するための造形方法であって、コンピュータが、
吐出部から造形材料を吐出するステップと、
前記造形材料を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定部により測定するステップと、
測定された前記物理量に基づいて、前記吐出部に供給する前記造形材料の供給量を操作するステップと
を含む、造形方法。
【請求項１１】
造形材料を吐出することにより造形する造形装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、
吐出部から造形材料を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定部により測定させる測定制御部、および、
測定された前記物理量に基づいて、前記吐出部に供給する前記造形材料の供給量を操作するように制御する供給量制御部
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、造形技術に関し、より詳細には、造形材料を吐出して造形を行うための造形システム、制御装置、造形方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＦＦ（Fused Filament Fabrication）方式などの三次元造形装置において、加熱されたノズル部に樹脂材料を送り出す速度により、ノズル部から吐出される樹脂量が変化することが知られている。
【０００３】
樹脂材料を送り出す速度を制御することのよって所望の造形を得る試みが行われている。例えば、樹脂の吐出量の安定化に関連して、特表２００５−５０３２８３号公報（特許文献１）が知られている。特許文献１は、材料のフローを押し出す液化機の押出し速度を、予め決定された目標吐出速度に一致させるための、方法および装置を開示する。特許文献１の従来技術では、液化機に入る材料の体積速度が、液化機から押し出される材料の予測されたメルトフロー成分を考慮するように調節される。予測されたメルトフローの補償は、液化機が辿るツールパスに沿って堆積される材料によって作製される押出しプロフィールにおける誤差を減少させる。
【０００４】
しかしながら、特許文献１の従来技術では、液化機におけるモデル化材料の熱膨張を考慮することができるものの、依然として線幅のばらつきを抑制することが難しい場合があり、充分なものではなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、上記点に鑑みてなされたものであり、造形物の線幅をより安定化することが可能な造形システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示では、上記課題を解決するために、下記特徴を有する、造形材料を吐出することによって造形を行う造形システムを提供する。本造形システムは、造形材料を吐出する吐出部を含む。本造形システムは、また、吐出部から造形材料を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定する測定部を含む。本造形システムは、さらに、測定された物理量に基づいて吐出部に供給する造形材料の供給量を操作するよう制御する制御部を含む。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成により、造形システムにおいて造形物の線幅をより安定化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態による三次元造形装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本実施形態による三次元造形装置が備えるヘッドモジュールの構成を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態による三次元造形装置の機能構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、吐出抵抗を測定しながら樹脂送込量を制御する構成についてより詳細に説明するブロック図である。
【図５】図５は、線幅の変動を生じさせ得る要因を説明する図である。
【図６】図６は、本実施形態にかかる造形装置を制御する制御装置としてのコンピュータのハードウェア構成の一例を示した図。
【図７】図７は、他の実施形態にかかるヘッドモジュールの構成を示す図である。
【図８】図８は、さらに他の実施形態にかかるヘッドモジュールの構成を示す図である。
【図９】図９は、本実施形態による吐出抵抗を測定しながら樹脂送込量を制御する造形方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、図７の構成にて反力に応じた樹脂送出量の制御を行わず樹脂送出量一定で造形を行った場合の樹脂送出量、吐出ノズル先端と下面のギャップ、樹脂送込時に発生する反力および造形したロードの線幅をプロットした図。
【図１１】図１１は、図７の構成にて反力に応じた樹脂送出量の制御を行った場合の樹脂送出量、吐出ノズル先端と下面のギャップ、樹脂送込時に発生する反力および造形したロードの線幅をプロットした図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態について説明するが、実施形態は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。なお、以下の実施形態では、造形材料を吐出することによって造形を行う造形システムの一例として、樹脂材料を吐出することで造形を行う、制御装置を備えた熱溶解積層方式の三次元造形装置１を用いて説明する。しかしながら、造形システムは、以下に説明するものに限定されるものではない。
【００１０】
以下、図１および図２を参照しながら、本実施形態による三次元造形装置１の基本構成を説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態にかかる三次元造形装置１の概略構成を示す。本実施形態による三次元造形装置１は、筐体内部が三次元造形物を造形するための処理空間となるように構成されている。図１に示すように、三次元造形装置１は、その内部に、載置台としての造形テーブル１１を含み、造形テーブル１１上で三次元造形物Ｍが造形される。筐体内部における造形テーブル１１の上方には、造形ヘッドであるヘッドモジュール１５が設けられている。
【００１２】
三次元造形装置１には、筐体外部にフィラメント用のリール１３が取り付けられており、ヘッドモジュール１５側にはエクストルーダ１４が設けられている。リール１３は、エクストルーダ１４の回転にフィラメント１２が引っ張られる形で、大きく抵抗力を働かせることなく自転するような構成となっている。
【００１３】
図２は、本実施形態にかかるヘッドモジュール１５の構成を示す。図１および図２に示すように、ヘッドモジュール１５は、その下方に、造形材料であるフィラメントを吐出する吐出部である吐出ノズル２１を有する。ヘッドモジュール１５内には吐出ノズル２１に供給されるフィラメント１２を加熱溶融するための加熱ブロック２２が設けられている。さらに、加熱ブロック２２の上部には、冷却ブロック２３が設けられており、これにより、溶融したフィラメント１２Ｌがヘッドモジュール１５内の上部に逆流し、フィラメント１２を押し出す抵抗が大きくなったり、あるいは、固化したフィラメント１２が移送路内で詰ったりすることを避けている。
【００１４】
加熱ブロック２２は、熱を発生させる熱減２５と、加熱ブロック２２の温度を検出する熱電対２６とを有し、吐出ノズル２１に供給されるフィラメント１２を加熱して溶融させる。冷却ブロック２３は、加熱ブロック２２の上部に配置され、空冷機構、水冷機構など利用した適宜な冷却源２７を有し、溶融したフィラメント１２Ｌがヘッドモジュール１５内の上部に逆流することを防止する。加熱ブロック２２と冷却ブロック２３との間には、フィラメント１２を吐出ノズル２１へ導くためのフィラメントガイド２４が設けられている。図２に示す吐出ノズル２１は、加熱ブロック２２、冷却ブロック２３、フィラメントガイド２４などの各種部品とともにモジュール化されている。
【００１５】
フィラメント１２は、細長いワイヤー形状の固体材料であり、巻き回された状態で三次元造形装置１のリール１３にセットされている。冷却ブロック２３の上方には、上述したエクストルーダ１４が設けられており、これにより、固体状態のフィラメント１２Ｓは、ヘッドモジュール１５に引き込まれて、移送路を介してヘッドモジュール１５の吐出ノズル２１へ供給される。本実施形態においては、図２に示すように、移送路を介して供給されるフィラメント１２を加熱ブロック２２で溶融し、溶融（液体）状態の樹脂材料１２Ｌを吐出ノズル２１から押し出すようにして吐出することによって、造形テーブル１１上に層状の造形構造物が順次積層されて、三次元造形物Ｍが造形される。
【００１６】
再び図１を参照すると、ヘッドモジュール１５は、装置前後方向（図１の紙面垂直方向＝Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動軸３３およびガイド軸３５に対し、Ｘ駆動ベース３０を介して、そのＸ軸駆動軸３３の長手方向（Ｘ軸方向）に沿ってスライド可能に保持されている。ヘッドモジュール１５は、Ｘ軸駆動モータ３４の駆動力により、装置前後方向（Ｘ軸方向）へ移動可能となっている。また、ヘッドモジュール１５は、加熱ブロック２２によって加熱されて高温になるところ、その熱がＸ軸駆動モータ３４に伝導しにくいように、フィラメントガイド２４を含む移送路は、低熱伝導性のものであることが好ましい。
【００１７】
Ｘ軸駆動モータ３４は、装置左右方向（図１の左右方向＝Ｙ軸方向）に延びるＹ軸駆動軸３１に対し、そのＹ軸駆動軸３１の長手方向（Ｙ軸方向）に沿ってスライド可能に保持されている。Ｘ軸駆動モータ３４が、Ｙ軸駆動モータ３２の駆動力によりＹ軸方向に沿って移動することにより、ヘッドモジュール１５は、Ｙ軸方向に沿って移動することができる。
【００１８】
造形テーブル１１は、Ｚ軸駆動軸３６およびガイド軸３８に通され、装置上下方向（図１中の上下方向＝Ｚ軸方向）に延びるＺ軸駆動軸３６に対し、そのＺ軸駆動軸３６の長手方向（Ｚ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。造形テーブル１１は、Ｚ軸駆動モータ３７の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動することができる。
【００１９】
各軸駆動モータ３２，３４，３７を動作させて、ヘッドモジュール１５および造形テーブル１１の移動制御を行うことによって、ヘッドモジュール１５および造形テーブル１１の相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に移動させることが可能となる。なお、説明する実施形態では、ヘッドモジュール１５をＸ軸およびＹ軸で、造形テーブル１１をＺ軸で移動制御を行うことによって、ヘッドモジュール１５および造形テーブル１１の相対的な三次元位置を決定しているが、これに限定されるものではない。例えば、造形テーブル１１を固定し、ヘッドモジュール１５をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸で移動制御を行ってもよい。
【００２０】
図１に示す三次元造形装置１には、さらに、クリーニングブラシ４１およびダストボックス４２が設けられている。フィラメント１２の溶融吐出を継続すると、吐出ノズル２１の周辺部が溶融樹脂で汚れることがある。クリーニングブラシ４１によって定期的にクリーニング動作を行うことで、吐出ノズル２１の先端に樹脂が固着しないようにすることができる。クリーニングは、固着を防止する観点から好ましくは、樹脂の温度が下がりきらないうちに行うことが望ましく、そのため、クリーニングブラシ４１には、好ましくは耐熱性樹脂が用いられる。ダストボックス４２は、クリーニング動作時に生じる研磨粉を収容する。ダストボックス４２にたまった研磨粉は、定期的に廃棄するか、あるいは吸引路を設けて外部へ排出される。
【００２１】
以下、図３〜図５を参照しながら、本実施形態にかかる三次元造形装置１が実行する吐出制御について説明する。
【００２２】
図３は、本実施形態にかかる三次元造形装置１の機能構成を示すブロック図である。本実施形態にかかる三次元造形装置１は、Ｘ軸・Ｙ軸駆動機構１０１、Ｚ軸駆動機構１０２、樹脂送出機構１０３、樹脂加熱部１０４、加熱部温度測定部１０５、吐出抵抗測定部１０６、テーブル加熱部１１１およびテーブル温度検出部１１２を含み構成される。
【００２３】
本実施形態にかかる三次元造形装置１は、制御装置である制御ユニット５１を有し、制御ユニット５１上には、造形装置駆動制御部１２１、センシング結果表示部１２２および樹脂送込量制御部１２３が構成される。制御ユニット５１は、プログラムに従って所定の制御演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムや各種データを記憶するメモリ、外部機器と接続するインタフェースなどを含み、これらの協働により上述した各部を実現する。
【００２４】
Ｘ軸・Ｙ軸駆動機構１０１は、制御ユニット５１からの制御信号に応じてＸ軸駆動モータ３４およびＹ軸駆動モータ３２を制御し、ヘッドモジュール１５をＸＹ平面上の所望の位置に変位させる。Ｘ軸・Ｙ軸駆動機構１０１は、また、ヘッドモジュール１５のＸ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれの移動距離を検出し、検出結果を制御ユニット５１に送信する。Ｘ軸・Ｙ軸駆動機構１０１による検出結果に基づいて、ヘッドモジュール１５の移動速度を算出することができる。Ｚ軸駆動機構１０２は、制御ユニット５１からの制御信号に基づいてＺ軸駆動モータ３７を制御し、造形テーブル１１のＺ軸方向位置を所望の位置に変位させる。
【００２５】
樹脂送出機構１０３は、制御ユニット５１からの制御信号に基づいて、エクストルーダ１４により、造形材料であるフィラメント１２を吐出ノズル２１に送り出す。樹脂加熱部１０４は、制御ユニット５１からの制御信号に基づいて、吐出ノズル２１の温度および吐出ノズル２１に送出されたフィラメント１２を所望の温度に加熱する。加熱部温度測定部１０５は、樹脂加熱部１０４の温度またはこれに関連する温度を検出し、検出結果を制御ユニット５１に送信する。ここでは、樹脂加熱部１０４（加熱ブロック２２）の温度を検出するものとして説明しているが、フィラメント１２自体の温度や吐出ノズル２１の温度が検出されてもよい。
【００２６】
テーブル加熱部１１１は、制御ユニット５１の制御信号に基づいて、造形テーブル１１を所望の温度に加熱する。テーブル温度検出部１１２は、造形テーブル１１の温度またはこれに関連する温度であるテーブル温度を検出し、検出結果を制御ユニット５１に送信する。テーブル温度には、造形テーブル１１自体の温度のほか、造形テーブル１１を加熱する機構（電熱ヒータ等）の温度などが含まれる。
【００２７】
吐出抵抗測定部１０６は、吐出ノズル２１から樹脂材料（溶融したフィラメント１２）を吐出する際の吐出抵抗（力）に少なくとも関連する物理量を測定し、測定結果を制御ユニット５１に送信する。吐出抵抗の大きさは、物理量として、直接測定してもよいし、吐出抵抗に関連して変化する物理量を測定することで間接的に測定してもよい。吐出抵抗に関連する物理量として、フィラメント１２をノズルに送り出すエクストルーダ１４（樹脂送出機構１０３）が備える動力発生器である駆動モータのフィラメント１２の送り出しの際のトルク、フィラメント１２を介して吐出ノズル２１から受ける、フィラメント１２の送り出しに応答した反力、フィラメント１２の送り出しに応じて吐出ノズル２１内部で発生するノズル内圧などを挙げることができる。また、吐出抵抗は、吐出のしにくさを意味し、それ自体は、例えば１／｛（樹脂吐出量）／（樹脂供給量）｝として定義することができ、樹脂供給量および樹脂吐出量をリアルタイムで計測することにより、吐出抵抗の大きさを直接計測することができる。ここで、樹脂吐出量は、計測されたフィラメント送り込み速度とフィラメント断面積との積で求めることができる。樹脂吐出量は、例えば、吐出口付近に光学式形状測定装置を取り付け、吐出直後の樹脂の体積を測定することにより計測することができる。計測系構築に際してレイアウト上許容される場合、吐出抵抗を直接計測してもよい。
【００２８】
図２を参照して、図２に示すヘッドモジュール１５において、樹脂をノズルに送り込むエクストルーダ１４（樹脂送出機構１０３）に使用されている駆動モータのトルクを検出する構成について説明する。図２に示すエクストルーダ１４は、ＡＣサーボモータによって駆動されているローラやギヤを含む。樹脂が吐出されにくい、つまり、吐出抵抗が大きいときは、液室内部の樹脂量が多くなっており、結果として、フィラメント１２を送り込むのに必要な力が増大する。このため、フィラメント１２を送り込む力、すなわちエクストルーダ１４を駆動するモータのトルクを検出することによって、吐出抵抗の大きさを測ることができる。
【００２９】
なお、吐出抵抗を測定するために使用することができるモータとしては、トルクや電流値が計測できるものであれば、ＡＣモータやＤＣモータなどいかなるモータであってよい。また、トルクメータなどの測定器で直接モータのトルクを計測してもよい。上述したフィラメント１２を介して受ける反力を測定する方法および樹脂材料の送り出しに応じて吐出ノズル２１内部で発生するノズル内圧を測定する方法については、詳細を後述する。
【００３０】
再び図３を参照する。樹脂送込量制御部１２３は、ツールパスデータに基づいて、樹脂送込量を決定し、樹脂送出機構１０３を制御する。ここで、ツールパスデータとは、所望の三次元造形物Ｍを造形するための三次元データ（例えばＳＬＴ（Stereolithography）形式のデータ）から、各層毎にスライスして得られる、ヘッドモジュール１５を動作させるためのデータ（例えばＧコード）をいう。
本実施形態による樹脂送込量制御部１２３は、ツールパスデータに基づいて決定された樹脂送込量をベースとして、さらに、吐出抵抗測定部１０６により測定された吐出抵抗に基づいて、最終的な樹脂送込量を決定する。ここで、樹脂送込量は、フィラメント１２の線速度などの操作可能な量である。
【００３１】
造形装置駆動制御部１２１は、Ｘ軸・Ｙ軸駆動機構１０１およびＺ軸駆動機構１０２に制御信号を送信し、ヘッドモジュール１５および造形テーブル１１の移動制御を行うことにより、ヘッドモジュール１５と造形テーブル１１との相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に移動させる。センシング結果表示部１２２は、例えば、加熱部温度測定部１０５やテーブル温度検出部１１２によって検出された結果を表示する。
【００３２】
以下、図４を参照しながら、本実施形態による樹脂送込制御に関与する樹脂送込量制御部１２３、樹脂送出機構１０３、吐出抵抗測定部１０６および吐出ノズル２１のはたらきについて、より詳細に説明する。
【００３３】
図４は、吐出抵抗を測定しながら樹脂送込量を制御する構成についてより詳細に説明するブロック図である。図４に示すように、樹脂送込量制御部１２３は、より詳細には、樹脂送込量算出部１２４と、吐出抵抗目標算出部１２５と、樹脂送込量調整部１２６と、減算器１２７とを含み構成される。
【００３４】
樹脂送込量算出部１２４は、ツールパスデータに基づいて、ベースとなる樹脂送込量（ベース供給量）を決定する。吐出ノズル２１から吐出される樹脂量（体積速度）が、吐出ノズル２１にフィラメント１２を送り込む速度に対して遅れを有するところ、樹脂送込量算出部１２４は、あらかじめ決定されたツールパスに応じて、樹脂の吐出の遅れを考慮するように、加熱ブロック２２に入る樹脂材料の体積速度を調節する。樹脂送込量算出部１２４は、本実施形態における供給量算出部を構成する。決定されたベース樹脂送込量は、吐出抵抗目標算出部１２５および樹脂送込量調整部１２６に入力される。
【００３５】
吐出抵抗目標算出部１２５は、決定されたベース樹脂送込量に基づいて、測定する吐出抵抗を近づける目標値を算出する。吐出抵抗目標算出部１２５は、本実施形態における目標値算出部を構成する。
【００３６】
樹脂送込量制御部１２３は、吐出抵抗測定部１０６により、フィラメント１２を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定させる制御を行っている。減算器１２７は、吐出抵抗目標算出部１２５により算出された吐出抵抗の目標値と、吐出抵抗測定部１０６により検出された吐出抵抗測定値との差分を計算し、計算された吐出抵抗差分を、樹脂送込量調整部１２６に入力する。
【００３７】
樹脂送込量調整部１２６は、入力されるベース樹脂送込量および吐出抵抗差分に基づいて、最終的な樹脂送込量を調整する。樹脂送込量調整部１２６は、吐出抵抗差分が大きい（目標値に比べて吐出抵抗が少ない）場合は、樹脂送込量を大きくし、吐出抵抗差分が逆に小さい（負である）場合は、樹脂送込量を少なくするよう調整する。樹脂送込量調整部１２６は、このように吐出抵抗の目標値と現在の検出値との差分をゼロとすることを目指す制御を行う。制御の例として、特に限定されるものではないが、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御に代表されるようなフィードバック制御が挙げられる。樹脂送込量調整部１２６は、本実施形態における調整部を構成する。
【００３８】
樹脂送込量制御部１２３は、樹脂送込量調整部１２６により決定された最終的な樹脂送込量に基づいて樹脂送り込み量指令を樹脂送出機構１０３に発行し、吐出ノズル２１に供給する樹脂送込量を操作するよう制御する。樹脂送込量制御部１２３は、本実施形態における制御部または供給量制御部を構成する。
【００３９】
樹脂送出機構１０３は、樹脂送り込み量指令に応じて、指令された樹脂送込量に応じて、吐出ノズル２１に対しフィラメント１２を供給する。このとき、吐出ノズル２１から樹脂材料を吐出する際に、所定の外乱が加わり、吐出される樹脂の線幅が変動する可能性がある。所定の外乱としては、フィラメント径のばらつきや、吐出先の下層の造形の荒れによる吐出ノズル２１先端と下面の間のギャップの変動を挙げることができる。そして、外乱による変動は、吐出抵抗力にも現れる。
【００４０】
図５は、線幅の変動を生じさせ得る要因を説明する図である。図５（Ａ）は、フィラメントの直径のばらつきに起因した線幅の変動を説明する。図５（Ｂ）は、吐出ノズル２１先端と下面の間のギャップの変動に起因した線幅の変動を説明する。
【００４１】
フィラメントの直径は、製造工程により完全に均一に作成することが困難であり、数パーセントのばらつきが生じる可能性がある。フィラメント直径のばらつきにより、フィラメントの実際の径（実線）が既定の径（破線）よりも大きい場合、図５（Ａ）に示されるように、樹脂送込量（例えば線速）が一定であっても、吐出ノズル２１に供給される樹脂の体積速度は大きくなる。その結果、吐出ノズル２１から、目標よりも多くの樹脂が吐出、つまり樹脂の吐出の体積速度も増大し、このため、線幅が太くなる。同時に、想定した場合よりも多くの樹脂が吐出されることで、結果として吐出抵抗も上昇する。反対に、フィラメントの実際の径（実線）が既定の径（破線）よりも小さい場合、吐出ノズル２１に供給される樹脂の体積速度は小さくなり、線幅が細くなる。このように、線幅と吐出抵抗には正の相関がある。
【００４２】
また、吐出ノズル２１の先端と下面との間のギャップが小さくなると、図５（Ｂ）に示すように、樹脂が吐出される空間が狭くなり、吐出された樹脂は、すでに吐出されている樹脂を押し広げるように吐出され、線幅が太くなる。この結果、ノズル直下に樹脂が無い状態と比較して樹脂が出にくくなり、吐出抵抗は上昇する。同時に、樹脂が吐出されにくくなるとともに、ロード（吐出樹脂によって作られた道路）の厚みは減少し、線幅は増大する。
【００４３】
このように、樹脂送込量（線速度）を一定にしても、フィラメント径およびノズル先端および下面間のギャップに起因して線幅が変動する。この線幅の変化には吐出抵抗が相関しており、吐出ノズル２１の先端部分と造形面の間隔やフィラメント径が変化すると、これにともない吐出抵抗が変化する。本実施形態においては、吐出抵抗に少なくとも関連する物理量を測定し、吐出抵抗の目標値と現在の測定値の差分がゼロに近づけるように樹脂送込量を操作する。吐出抵抗が目標の値となるよう維持することで、これらの外乱影響を低減し、線幅を一定に制御できるようになる。また、線幅が均一になることで、ロードの上下層との接合面積が均一となり、積層方向の強度を下げる要因となるクラック（欠損）の発生が減少し、積層方向の引張強度が向上される。
【００４４】
なお、図３および図４に示す実施形態においては、樹脂送込量制御部１２３およびそのサブモジュールが、三次元造形装置１に内蔵された制御ユニット５１により実現されているものとして説明した。しかしながら、造形システムの構成は、これに限定されるものではない。例えば、樹脂送込量制御部１２３や造形装置駆動制御部１２１などが、三次元造形装置１に接続された外部コンピュータにより実現されてもよい。この場合、三次元造形装置１と、これに接続された制御装置としての外部コンピュータとが合わせて造形システムが構成されることになる。このような構成であっても、図３に示す機能構成例と同様の機能を実現することができる。
【００４５】
図６を参照して、制御装置としての外部コンピュータのハードウェア構成について説明する。コンピュータ２００は、一般的なパーソナル・コンピュータと同様の構成を有する。このため、コンピュータ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０３と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）２０４と、Ｉ／Ｆ２０５と、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）２０６と、操作部２０７とを含む。なお、ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、ＨＤＤ２０４およびＩ／Ｆ２０５は、バス２０８を介して互いに接続されている。また、ＨＤＤ２０４は、不揮発性の記憶装置であれば、ＳＳＤ（Solid State Drive）等のいかなる記憶装置であってもよい。
【００４６】
ＣＰＵ２０１は、演算手段であり、コンピュータ２００全体の動作を制御する。ＲＯＭ２０２は、読み出し専用の不揮発性記憶媒体で、ブートプログラムやハードウェアを制御するためのファームウェア等のプログラムを格納する。ＲＡＭ２０３は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性記憶媒体で、ＣＰＵ２０１が情報を処理する際の作業領域として使用される。ＨＤＤ２０４は、情報の読み書きが可能な不揮発性記憶媒体で、ＯＳ(Operating System)や各種のプログラム、各種のデータ等を格納する。
【００４７】
Ｉ／Ｆ２０５は、バス２０８と各種のハードウェアやネットワーク等を接続し、情報の入出力や送受信等を制御する。Ｉ／Ｆ２０５は、コンピュータ１０がネットワークを介して他の機器と通信するためのネットワークＩ／Ｆを含むことができる。ネットワークＩ／Ｆとしては、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）やＵＳＢ（Universal Serial Bus）インタフェース等を用いることができる。ＬＣＤ２０６は、ユーザがコンピュータの状態を確認するための視覚的ユーザインタフェースで、操作部２０７は、キーボードやマウス等のユーザがコンピュータ２０に情報を入力するためのユーザインタフェースである。
【００４８】
コンピュータ２００は、ＲＯＭ２０２に格納されたプログラムや、ＨＤＤ２０４や図示しない光学ディスク等の記憶媒体からＲＡＭ２０３に読み出されたプログラムに従ってＣＰＵ２０１が演算を行うことにより各種の機能を実現する各機能部が構成される。なお、機能部は、全部がプログラムの実行により実現されてもよいし、一部がプログラムの実行により実現され、その他が回路等のハードウェアにより実現されてもよいし、全部がハードウェアにより実現されてもよい。
【００４９】
以下、図７および図８を参照しながら、フィラメント１２を吐出ノズル２１に送り込むエクストルーダ１４（樹脂送出機構１０３）に使用されているモータのトルクを検出する以外の吐出抵抗（力）に関連する物理量を検出する方法について説明する。
【００５０】
図７は、他の実施形態にかかるヘッドモジュール１５Ｂの構成を示す図である。図７に示す他の実施形態にかかるヘッドモジュール１５Ｂは、上述したフィラメント１２を介して受ける反力を測定するためのものである。
【００５１】
図７に示すように、ヘッドモジュール１５は、吐出ノズル２１、加熱ブロック２２、冷却ブロック２３およびフィラメントガイド２４を有するノズルユニット１６と、エクストルーダ１４（樹脂送出機構１０３）の送り込みローラやガイドローラを有する送り込みユニット１７とが、それぞれ機構的に独立するように構成されている。
【００５２】
図７に示すように、送り込みユニット１７には、その外装１７ａ内に、２つの圧力センサ２８ａ，２８ｂが設けられている。圧力センサ２８は、吐出抵抗測定部１０６として、樹脂送出機構１０３を有する送り込みユニット１７がフィラメント１２を介して吐出ノズル２１（ノズルユニット１６）から受ける力（反力）を物理量として測定する。圧力センサ２８は、圧縮方向で圧力を検出する。フィラメントを液室方向へ送る場合は、圧力センサ２８ａが反力を検出し、一方、フィラメントを液室とは反対方向へ引くときは圧力センサ２８ｂが圧力を検出する。２つの圧力センサ２８ａ，２８ｂを設けることで双方向の反力を検出できるようになる。モータのトルクを測定する実施形態と同様に、吐出抵抗が高いときは反力が大きくなる。つまり、吐出抵抗と反力は正の相関をもって変化する。このため、反力を測定することにより、吐出抵抗の大きさを測ることができる。なお、圧力センサ２８としては、圧電素子や歪ゲージなど、圧力が測定できるものであればいかなるものを用いることができる。
【００５３】
図８は、さらに他の実施形態にかかるヘッドモジュール１５Ｃの構成を示す図である。図８に示すさらに他の実施形態にかかるヘッドモジュール１５Ｃは、上述したフィラメント１２の送り出しに応じて吐出ノズル２１内部で発生するノズル内圧を測定するためのものである。
【００５４】
ここで、ノズル部１６Ｃ（吐出ノズル２１、加熱ブロック２２およびフィラメントガイド２４を含む。）の溶融（液体）状態のフィラメントが貯留される部分を液室１６ａと参照する。図８に示すように、液室１６ａには、その内部の圧力を検知するための圧力センサ２９が設けられている。圧力センサ２９は、図８に示す実施形態では、吐出抵抗測定部１０６として、樹脂が溶融するノズル内部の液室１６ａ内部の圧力を物理量として測定する。
【００５５】
吐出抵抗が高くなると樹脂が吐出されにくくなる一方で、エクストルーダ１４によって液室内部に送り込まれる樹脂量(体積流量)は変化せず一定である。このため、液室１６ａ内部の樹脂量は増加し、液室１６ａ内部圧力が上昇する。つまり、吐出抵抗とノズル内部圧力は正の相関をもって変化する。このため、ノズル内部圧力を測定することにより、吐出抵抗の大きさを測ることができる。
【００５６】
以下、図９を参照しながら、吐出抵抗を測定しながら樹脂送込量を制御する本実施形態による造形方法について説明する。図９に示す制御は、造形指示がなされたことに応答して、ステップＳ１００から開始される。
【００５７】
ステップＳ１０１では、樹脂送込量算出部１２４は、所定のツールパスデータに基づいて、ベース樹脂送込量を算出する。ステップＳ１０２では、吐出抵抗目標算出部１２５は、算出されたベース樹脂送込量に基づいて、吐出抵抗目標値を算出する。吐出抵抗目標値は、ツールパスに依存して変化するが、ツールパスによって一意に求められる。例えば、造型速度が速いパスでは目標吐出抵抗は大きくなる。
【００５８】
ステップＳ１０３では、減算器１２７により、吐出抵抗の目標値と、測定された吐出抵抗測定値との吐出抵抗差分を算出する。なお、初回のループでは、吐出抵抗が未測定であるので、例えば差がないものとして算出されればよい。ステップＳ１０４では、樹脂送込量調整部１２６は、ステップＳ１０２で算出されたベース樹脂送込量と、ステップＳ１０３で算出された吐出抵抗差分とに基づいて、ベース樹脂送込量を調整し、最終的な樹脂送込量を決定する。
【００５９】
ステップＳ１０５では、樹脂送込量制御部１２３は、ステップＳ１０４で決定された最終的な樹脂送込量にて樹脂送出機構１０３に対し駆動指令を発行する。ステップＳ１０６では、樹脂送出機構１０３は、駆動指令に応答して樹脂送出量を操作し、決定された最終的な樹脂送込量でフィラメントの送込を行う。ステップＳ１０７では、吐出ノズル２１から樹脂が吐出される。ステップＳ１０８では、吐出抵抗測定部１０６は、吐出ノズル２１から樹脂材料を吐出する際の吐出抵抗に少なくとも関連した物理量を測定する。
【００６０】
ステップＳ１０９では、制御ユニット５１は、本制御を終了するか否かを判断する。ステップＳ１０９で、例えば指示された造形処理がまだ途中であり本制御はまだ終了させないと判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ１０３へループさせる。一方、ステップＳ１０９で、例えば指示された造形処理が完了し本制御を終了させると判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１０へ処理を進め、本処理を終了させる。
【００６１】
以下、図１０および図１１を参照しながら、物理量として反力を用いる場合を例に、吐出抵抗に関連した物理量に応じた樹脂送り量の制御を行う場合と行わない場合の造形結果について説明する。
【００６２】
図１０は、図７の構成にて反力に応じた樹脂送出量の制御を行わず、樹脂送出量一定で造形を行った場合の樹脂送出量（図１０（Ａ）の灰色線）、吐出ノズル２１先端と下面のギャップ（図１０（Ａ）の黒線）、樹脂送込時に発生する反力（図１０（Ｂ）の灰色線）、造形したロードの線幅（図１０（Ｂ）の黒線）をプロットした図である。なお、ここでは、外乱として、吐出ノズル２１先端と下面のギャップ（間隔）が周期的に変動するような環境で造形した際のものである。図１０（Ａ）の黒線と図１０（Ｂ）の黒線および灰色線とを比較すると理解されるように、樹脂送出量一定で造形を行った場合は、ギャップが小さくなる箇所では、反力および線幅が大きくなり、目標の線幅で造形できない。
【００６３】
図１１は、図７の構成にて反力に応じた樹脂送出量の行った場合の樹脂送出量（図１１（Ａ）の灰色線）、吐出ノズル２１先端と下面のギャップ（図１１（Ａ）の黒線）、樹脂送込時に発生する反力（図１１（Ｂ）の灰色線）、造形したロードの線幅（図１１（Ｂ）の黒線）をプロットした図である。図１１（Ａ）の黒線と灰色線とを比較すると理解されるように、樹脂送込量は、ギャップの変動に合わせて変化する。そして、図１１（Ａ）の黒線と灰色線とを参照すると理解されるように、反力が一定になるように樹脂送り込み量を制御することによって、線幅が一定になり、かつ、吐出抵抗も一定となっており、目標の線幅で安定に造形されていることがわかる。
【００６４】
以上説明したように、上述した実施形態によれば、線幅の変動の影響をより低減し、造形物の線幅をより安定化することが可能な造形システム、制御装置、造形方法およびプログラムを提供することができる。
【００６５】
上述したように、下層の造形の荒れによって、ノズル先端部分と造形面の間隔が均一でない場合に、間隔の変化に応じて線幅が変化し、均一な線幅での造形が難しくなる。また、樹脂材料のサイズ（フィラメントの直径）のばらつきによって、ノズル部から吐出される樹脂量によって吐出量が変化し、均一な線幅での造形が難しくなる。
【００６６】
しかしながら、上述した実施形態の造形システムによれば、これらのばらつきに起因して発生する線幅のばらつきを好適に低減することができ、造形品質の向上が期待される。さらに、線幅ばらつきを低減することができるので、上層および下層との接合面積を均一にすることができ、積層方向の強度向上が期待される。
【００６７】
なお、上述までの実施形態では、ヘッドモジュール１５が有する吐出ノズル２１から樹脂材料１２を溶融状態で吐出することで造形を行う熱溶解積層方式の三次元造形装置１を一例として説明してきた。しかしながら、造形システムは、上述した、熱溶解積層方式の三次元造形装置に限定されるものではなく、吐出部から造形材料を所定の吐出抵抗を伴って吐出することで造形し、吐出部へ供給する造形材料の供給量が操作可能な如何なる造形システムであってよい。
【００６８】
なお、上記機能部は、アセンブラ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などのレガシープログラミング言語やオブジェクト指向プログラミング言語などで記述されたコンピュータ実行可能なプログラムにより実現でき、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ブルーレイディスク、ＳＤカード、ＭＯなど装置可読な記録媒体に格納して、あるいは電気通信回線を通じて頒布することができる。また、上記機能部の一部または全部は、例えばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブル・デバイス（ＰＤ）上に実装することができ、あるいはＡＳＩＣ（特定用途向集積）として実装することができ、上記機能部をＰＤ上に実現するためにＰＤにダウンロードする回路構成データ（ビットストリームデータ）、回路構成データを生成するためのＨＤＬ（Hardware Description Language）、ＶＨＤＬ（Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language）、Ｖｅｒｉｌｏｇ−ＨＤＬなどにより記述されたデータとして記録媒体により配布することができる。
【００６９】
これまで本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７０】
１…三次元造形装置、１１…造形テーブル、１２…フィラメント、１３…リール、１４…エクストルーダ、１５…ヘッドモジュール、１６…ノズルユニット、１７…送り出しユニット、２１…吐出ノズル、２２…加熱ブロック、２３…冷却ブロック、２４…フィラメントガイド、２５…加熱源、２６…熱電対、２７…冷却源、３０…Ｘ駆動ベース、３１…Ｙ軸駆動軸、３２…Ｙ軸駆動モータ、３３…Ｘ軸駆動軸、３４…Ｘ軸駆動モータ、３５…ガイド軸、３６…Ｚ軸駆動軸、３７…Ｚ軸駆動モータ、３８…ガイド軸、４１…クリーニングブラシ、４２…ダストボックス、１０１…Ｘ軸・Ｙ軸駆動機構、１０２…Ｚ軸駆動機構、１０３…樹脂送出機構、１０４…樹脂加熱部、１０５…加熱部温度測定部、１０６…吐出抵抗測定部、１１１…テーブル加熱部、１１２…テーブル温度検出部、５１…制御ユニット、１２１…造形装置駆動制御部、１２２…センシング結果表示部、１２３…樹脂送込量制御部、１２４…樹脂送込量算出部、１２５…吐出抵抗目標算出部、１２６…樹脂送込量調整部１２７…減算器
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７１】
【特許文献１】特表２００５−５０３２８３号公報
【図１】
2020192705.tif 000003
【図２】
2020192705.tif 000004
【図３】
2020192705.tif 000005
【図４】
2020192705.tif 000006
【図５】
2020192705.tif 000007
【図６】
2020192705.tif 000008
【図７】
2020192705.tif 000009
【図８】
2020192705.tif 000010
【図９】
2020192705.tif 000011
【図１０】
2020192705.tif 000012
【図１１】
2020192705.tif 000013