(57)【要約】【課題】  立体物の造形精度および造形効率を向上させることができる装置や方法等を提供する。【解決手段】  造形装置は、造形情報を使用して立体物を造形する装置であり、造形中の立体物上に所定のパターンを表示させる出力手段２１と、所定のパターンが表示された立体物を撮像する撮像手段２２と、撮像された画像に基づく立体物の形状情報から造形情報を補正する補正手段４１とを含む。【選択図】  図４
2020142498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形情報を使用して立体物を造形する造形装置であって、
造形中の立体物上に所定のパターンを表示させる出力手段と、
前記所定のパターンが表示された前記立体物を撮像する撮像手段と、
撮像された画像に基づく前記立体物の形状情報から前記造形情報を補正する補正手段と
を含む、造形装置。
【請求項２】
前記出力手段は、前記立体物に対し、所定のパターン光を照射する、請求項１に記載の造形装置。
【請求項３】
前記出力手段は、前記立体物に対し、所定のパターンを投影する、請求項１に記載の造形装置。
【請求項４】
前記補正手段は、前記撮像手段により撮像された画像から抽出された前記形状情報を、前記造形情報と比較して、前記立体物上の各点の位置ずれ量を算出し、算出した前記位置ずれ量に基づき、前記造形情報を補正する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の造形装置。
【請求項５】
前記補正手段により算出された前記位置ずれ量が閾値以上である場合に、前記立体物の造形を停止させる制御手段を含む、請求項４に記載の造形装置。
【請求項６】
前記画像は、三次元の形状情報を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の造形装置。
【請求項７】
他の造形装置と通信し、前記他の造形装置が造形処理を行うタイミングを制御する通信制御手段を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の造形装置。
【請求項８】
前記通信制御手段は、前記他の造形装置において補正された第２の造形情報を補正情報として取得し、
前記補正手段は、前記画像に基づく前記立体物の形状情報と前記補正情報とを用いて前記造形情報を補正する、請求項７に記載の造形装置。
【請求項９】
前記造形情報を補正するために使用される補正情報を蓄積する情報蓄積装置と通信を行う通信制御手段を含み、
前記通信制御手段は、前記情報蓄積装置から前記補正情報を取得し、
前記補正手段は、前記画像に基づく前記立体物の形状情報と前記補正情報とを用いて前記造形情報を補正する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の造形装置。
【請求項１０】
他の造形装置と通信を行う通信制御手段を含み、
前記通信制御手段は、前記補正手段により補正された前記造形情報を補正情報として前記他の造形装置に送信する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の造形装置。
【請求項１１】
造形情報を使用して立体物を造形する造形システムであって、
造形中の立体物上に所定のパターンを表示させる出力手段と、
前記パターンが表示された前記立体物を撮像する撮像手段と、
撮像された画像に基づく前記立体物の形状情報から前記造形情報を補正する補正手段と、
を含む、造形システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の造形装置と、立体物を造形するために使用される造形情報を前記造形装置に送信する情報処理装置とを含む、造形システム。
【請求項１３】
造形情報を使用して立体物を造形する複数の造形装置を含む造形システムであって、
各造形装置が、
造形中の立体物上に所定のパターンを表示させる出力手段と、
前記パターンが表示された前記立体物を撮像する撮像手段と、
撮像された画像に基づく前記立体物の形状情報から前記造形情報を補正する補正手段と、
他の造形装置と通信し、前記他の造形装置が造形処理を行うタイミングを制御する通信制御手段と
を含む、造形システム。
【請求項１４】
造形情報を使用して立体物を造形する造形装置と情報蓄積装置とを含む造形システムであって、
前記造形装置が、
造形中の立体物上に所定のパターンを表示させる出力手段と、
前記パターンが表示された前記立体物を撮像する撮像手段と、
撮像された画像に基づく前記立体物の形状情報から前記造形情報を補正する補正手段と、
前記情報蓄積装置と通信を行う通信制御手段と
を含み、
前記情報蓄積装置が、前記造形情報を補正して得られた補正情報を蓄積する、造形システム。
【請求項１５】
立体物を造形するために使用される造形情報を造形装置により補正する方法であって、前記造形装置は、出力手段と、撮像手段と、補正手段とを含み、
前記出力手段が、造形中の立体物上に所定のパターンを表示させるステップと、
前記撮像手段が、前記パターンが表示された前記立体物を撮像するステップと、
前記補正手段が、撮像された画像に基づく前記立体物の形状情報から前記造形情報を補正するステップと
を含む、補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体物を造形する造形装置、造形システム、立体物を造形するために使用される造形情報を補正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体物を造形する造形装置は、造形材料を用いて１層ずつ形成することにより造形する。このとき、造形中の材料特性に基づく経時変形や振動等の外部要因による意図しない制御動作等によって、造形精度が低くなり、所望の造形結果が得られない場合がある。
【０００３】
そこで、近赤外線を用いた照明を行い、得られる反射光からイメージセンサを用いて２次元画像を取得し、その画像情報の２次元情報から材料配置の欠陥を検出し、欠陥が検知された層の材料配置をやり直す技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の技術では、材料配置のやり直しが多いと、造形効率が低くなり、やり直すだけであるため、造形精度を向上させることはできないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、立体物の造形精度および造形効率を向上させることができる装置、システムおよび方法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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、造形情報を使用して立体物を造形する造形装置であって、
造形中の立体物上に所定のパターンを表示させる出力手段と、
所定のパターンが表示された立体物を撮像する撮像手段と、
撮像された画像に基づく立体物の形状情報から造形情報を補正する補正手段と
を含む、造形装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、立体物の造形精度および造形効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】造形システムの構成例を示した図。
【図２】造形装置の構成例を示した図。
【図３】造形装置が備える制御部のハードウェア構成の一例を示した図。
【図４】造形装置の機能ブロック図。
【図５】ある層を形成した後の造形物の状態を示した図。
【図６】造形物の各抽出点での位置ずれ量を示した図。
【図７】高さ方向の補正量を説明する図。
【図８】ある層を形成した後の造形物の状態を示した図。
【図９】造形物の各抽出点での位置ずれ量を示した図。
【図１０】水平方向の補正量を説明する図。
【図１１】光切断方式で対象物が存在しない場合のレーザ光照射および撮像を例示した図。
【図１２】光切断方式で対象物が存在する場合のレーザ光照射および撮像を例示した図。
【図１３】光切断方式で得られる画像データの一例を示した図。
【図１４】対象物の高さを算出する方法を説明する図。
【図１５】パターン投影方式について説明する図。
【図１６】パターン投影方式で対象物が存在しない場合のパターン投影および撮像を例示した図。
【図１７】パターン投影方式で対象物が存在する場合のパターン投影および撮像を例示した図。
【図１８】パターン投影方式で得られる画像データの一例を示した図。
【図１９】造形システムの別の構成例を示した図。
【図２０】造形装置の機能ブロック図。
【図２１】各造形装置の制御タイミングの一例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、立体物を造形する造形装置を含む造形システムの構成例を示した図である。造形システムは、例えばＰＣ等の情報処理装置１０と、情報処理装置１０と有線または無線により接続される造形装置１１とを含んで構成される。なお、情報処理装置１０と造形装置１１とは、１以上のネットワークを介して接続されていてもよい。
【００１０】
情報処理装置１０は、CAD（Computer Aided Design）等のプログラムを使用して作成されたCADデータ等の立体物の三次元形状を表す三次元情報（３Ｄデータ）を、造形に使用される造形情報（造形データ）として造形装置１１に送信する。
【００１１】
造形装置１１は、情報処理装置１０から造形データを受信し、造形データから、立体物を所定の間隔で切断（輪切り）して得られる断面形状を表す複数の断面情報（スライスデータ）を生成する。造形装置１１は、生成したスライスデータに基づき、１層ずつ形成し、それを積層して目的の立体物（造形物）を造形する。
【００１２】
造形システムは、情報処理装置１０と造形装置１１という２つの機器で構成されるものに限らず、情報処理装置１０の機能が造形装置１１内に搭載され、造形装置のみで構成されたものであってもよい。また、造形システムは、情報処理装置１０および造形装置１１の機能が３つ以上に分離し、３つ以上の機器に搭載され、３つ以上の機器で構成されていてもよい。
【００１３】
造形装置１１は、立体物を造形する装置であれば、いかなる造形方式のものであってもよいが、ここでは、造形方式を熱溶解積層法（ＦＦＦ）として説明する。
【００１４】
図２は、造形装置１１の構成例を示した図である。造形装置１１は、吐出手段２０と、出力手段２１と、撮像手段２２と、２つの駆動機構２３、２４と、制御部とを含んで構成される。吐出手段２０は、造形物を造形するために溶解した造形材料（フィラメント）を、造形テーブル２５上に吐出する。吐出手段２０は、固体の熱可塑性樹脂からなる材料を加熱し、溶解状態（液状）または半溶融状態（固体と液が混じり合った状態）の材料を吐出する。造形装置１１は、吐出手段２０による材料の吐出により、造形テーブル２５上に造形層を形成し、造形層を積層して、三次元形状の造形物２６を造形する。
【００１５】
出力手段２１は、レーザ光源やプロジェクタ等とされ、吐出手段２０の横に近隣して配置され、造形中の造形物２６上に所定のパターンを表示させる。パターンは、いかなるパターンであってもよく、線状のパターンを一例として挙げることができる。
【００１６】
出力手段２１としてレーザ光源を用いる場合、造形中の造形物２６にレーザ光をパターン光として照射する。レーザ光の照射によりパターンを形成する方法は、光切断方式と呼ばれる。出力手段２１としてプロジェクタを用いる場合、造形中の造形物２６にパターンの像を映し出す。パターンの投影によりパターンを形成する方法は、パターン投影方式と呼ばれる。
【００１７】
撮像手段２２は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサやＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の撮像素子とされ、出力手段２１によりパターンが表示された造形物２６を撮像する。撮像手段２２は、撮像された造形物２６の画像を画像データとして出力する。撮像手段２２も、出力手段２１と同様、吐出手段２０の横に近隣して配置される。
【００１８】
駆動機構２４は、吐出手段２０と、出力手段２１と、撮像手段２２とが取り付けられ、それらの手段の、水平方向の任意の方向（ｙ方向）への位置を制御する。駆動機構２４は、吐出手段２０と、出力手段２１と、撮像手段２２とが取り付けられ、これらの吐出手段２０等を支持するためのｙ方向駆動軸と、ｙ方向駆動軸をｙ方向へ移動させるｙ方向駆動モータとを含む。
【００１９】
駆動機構２３は、駆動機構２４のｙ方向駆動軸が連結され、水平方向であって、ｙ方向に対して垂直方向（ｘ方向）への位置を制御する。駆動機構２３は、ｙ方向駆動軸の一端が連結されるｘ方向駆動軸と、ｘ方向駆動軸をｘ方向へ移動させるｘ方向駆動モータとを含む。
【００２０】
このような構成とすることで、吐出位置を制御する駆動機構２３、２４を、パターンの出力位置や撮像位置の制御にも兼用することができる。なお、出力手段２１や撮像手段２２のｘ方向およびｙ方向への位置を制御する機構は、駆動機構２３、２４と独立したものであってもよい。
【００２１】
造形物２６は、吐出手段２０から材料を吐出しながら、駆動機構２３、２４により吐出手段２０を移動させることで造形層を形成し、造形層を形成した後に造形テーブル２５を１段下げ、次の造形層を同様にして形成することを繰り返すことにより造形することができる。
【００２２】
図３は、造形装置１１が備える制御部のハードウェア構成を例示した図である。制御部２７は、ハードウェアとして、ＣＰＵ３０と、ＲＯＭ３１と、ＲＡＭ３２と、記憶装置３３と、入出力Ｉ／Ｆ３４と、通信Ｉ／Ｆ３５とを含む。各ハードウェアは、バス３６を介して互いに接続され、情報のやりとりを行う。
【００２３】
ＣＰＵ３０は、造形装置１１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。ＲＯＭ３１は、不揮発性の記憶装置で、ＣＰＵ３０が実行するプログラムやファームウェア等を記憶する。ＲＡＭ３２は、揮発性の記憶装置で、ＣＰＵ３０がプログラムを実行する際の作業空間を提供する。記憶装置３３は、不揮発性の記憶装置で、ＯＳ(Operating System)、各種アプリケーション、設定情報、造形データ等の各種データを記憶する。
【００２４】
設定情報としては、造形に使用する材料の種類、材料を加熱する温度、材料の吐出速度等の情報が挙げられる。
【００２５】
入出力Ｉ／Ｆ３４は、吐出手段２０、出力手段２１、撮像手段２２と接続し、吐出手段２０や出力手段２１へ制御信号を出力し、撮像手段２２から画像データの入力を受け付ける。通信Ｉ／Ｆ３５は、情報処理装置１０等と接続し、情報処理装置１０等との通信を制御する。
【００２６】
図４は、造形装置１１の機能ブロック図である。造形装置１１は、ＣＰＵ３０がプログラムを実行して機能部を生成し、各機能部により各機能を実現する。このため、造形装置１１は、各機能を実現するための各機能部を備える。ここでは、プログラムにより各機能部を実現しているが、これに限られるものではなく、各機能部の一部または全部を回路等のハードウェアで実現してもよい。
【００２７】
造形装置１１は、機能部として、抽出部４０と、補正部４１と、造形制御部４２と、タイミング制御部４３とを含む。
【００２８】
抽出部４０は、撮像手段２２から出力された画像データを取得する。画像データは、出力手段２１によりパターンが表示された造形物２６の画像データである。抽出部４０は、取得した画像データから造形物２６の三次元の形状情報を抽出する。
【００２９】
補正部４１は、抽出部４０により抽出された形状情報に基づき、造形データを補正する。補正部４１は、抽出された形状情報を、造形データと比較し、その段階での設計上の造形物上の各点と実際に造形した造形物２６上の対応する各点の位置ずれ量を検出する。そして、補正部４１は、検出した位置ずれ量に基づき、造形データを補正し、補正データを生成する。
【００３０】
造形制御部４２は、補正部４１により生成された補正データを取得し、補正データからスライスデータに変換する。造形制御部４２は、スライスデータに基づき、吐出位置や吐出量を制御する制御信号を生成する。タイミング制御部４３は、造形制御部４２により生成された制御信号を受け付け、所定のタイミングで制御信号を、吐出手段２０、駆動機構２３、２４へ出力する。
【００３１】
なお、第１層目の造形層を形成する段階では、造形テーブル上にまだ造形層が存在しないため、補正部４１は、補正量を０とし、造形データを造形制御部４２へ出力する。このため、造形制御部４２は、造形データに基づき、制御信号を生成し、吐出手段２０および駆動機構２３、２４がその制御信号を基に第１層を形成する。
【００３２】
第１層を形成した後は、造形テーブル２５上に造形中の造形物２６が存在することから、出力手段２１が造形物２６上にパターンを表示させ、撮像手段２２が造形物２６を撮像する。抽出部４０は、撮像手段２２から出力された画像データに基づき、造形物２６の形状情報を抽出し、補正部４１は、抽出された形状情報に基づき、造形データを補正する。造形制御部４２は、補正された造形データ（補正データ）から制御信号を生成し、吐出手段２０および駆動機構２３、２４がその制御信号を基に第２層を形成する。それ以降は、最終の層を形成するまで、これと同じ処理が繰り返される。
【００３３】
位置ずれ量の検出は、三次元の形状情報を用いて行うため、より精度の高い補正が可能となる。なお、位置ずれ量の検出や補正データの生成については、様々なアルゴリズムを用いて実施することができる。以下に、その一例として、差分に基づく補正データの生成方法を説明する。
【００３４】
図５は、ある層を形成した後の造形物２６の状態を示した図である。図５は、高さ方向の補正について説明するため、造形物２６の状態をｘ−ｚ平面上で考えることを図示したものである。
【００３５】
図６は、図５のｘ−ｚ平面上にある造形物２６の断面図で、造形データを第１の三次元情報とし、抽出部４０により抽出された形状情報を第２の三次元情報として、各情報における各抽出点での位置ずれ量を示した図である。破線は、第１の三次元情報から得られる形状を示し、その外周の任意の点を抽出点５０としている。実線は、実際に造形された造形物２６の形状を示し、その外周の抽出点５０に対応する点を抽出点５１としている。抽出点５０と抽出点５１との差が、位置ずれδで、この位置ずれδは、溶解された材料が冷えて硬化する際の収縮等により発生する。
【００３６】
図７は、高さ方向の補正量を説明する図である。図７に示すように、破線で示す第１の三次元情報から得られる形状を基準とし、位置ずれδが負の方向に発生した場合、ずれた分だけ、反対方向の正の方向に加算することで補正することができる。
【００３７】
このことから、第１の三次元情報における抽出点[n]の高さをZa[n]とし、第２の三次元情報における抽出点[n]の高さをZb[n]とした場合、抽出点[n]における位置ずれ量ZΔ[n]は、次の式１のような差分式で定義することができる。
【００３８】
【数１】
2020142498.tif 000003
【００３９】
ここで、各抽出点における補正量は、材料の吐出量を制御するための増幅パラメータをKとすると、−K×ZΔ[n]で表すことができる。増幅パラメータKは、造形装置１１の特性や材料の変形特性から予め定めておくことができる。各抽出点における補正量を加味した高さ方向の造形データZ_h[n]は、上記の補正量を用い、次の式２のように定義することができる。
【００４０】
【数２】
2020142498.tif 000004
【００４１】
図８は、ある層を形成した後の造形物２６の状態を示した図である。図８は、水平方向の補正について説明するため、造形物２６の状態をｘ−ｙ平面上で考えることを図示したものである。
【００４２】
図９は、図８のｘ−ｙ平面上にある造形物２６の断面図で、第１の三次元情報と第２の三次元情報とにおける各抽出点５０、５１での位置ずれ量を示した図である。第１の三次元情報では、ｘ−ｙ平面上の断面が円形であるが、実際に形成された造形物２６の第２の三次元情報では、ｘ方向を短軸方向とし、ｙ方向を長軸方向とする楕円形となっている。
【００４３】
図１０は、水平方向の補正量を説明する図である。図１０に示すように、第１の三次元情報から得られる形状を基準とし、ｘ方向については位置ずれ量分だけ大きくなるように加算し、ｙ方向については位置ずれ量分だけ小さくなるように減算することで補正することができる。
【００４４】
このことから、第１の三次元情報における抽出点[n]の位置座標をPa(x,y)[n]とし、第２の三次元情報における抽出点[n]の位置座標をPb(x,y)[n]とした場合、抽出点[n]における位置ずれ量PΔ(Δx,Δy)[n]は、次の式３のような差分式で定義することができる。
【００４５】
【数３】
2020142498.tif 000005
【００４６】
ここで、各抽出点における補正量は、吐出位置を制御するための増幅パラメータをベクトル係数α(αx,αy)とすると、−α(αx,αy)×PΔ(x,y)[n]で表すことができる。ベクトル係数は、造形装置１１の特性や材料の変形特性から予め定めておくことができる。各抽出点における補正量を加味したｘ−ｙ平面方向の造形データP_h(x,y)[n]は、上記の補正量を用い、次の式４のように定義することができる。
【００４７】
【数４】
2020142498.tif 000006
【００４８】
したがって、造形中の情報を三次元データとして適宜取得することで、取得したデータから造形物２６の位置ずれ量を抽出し、造形データを補正しながら造形物２６を造形することができる。
【００４９】
次に、造形中の情報を取得する方法として、第２の三次元情報を生成する方法について説明する。第２の三次元情報は、出力手段２１によりパターンが表示された造形物２６を、撮像手段２２により撮像して得られた画像データから形状情報を抽出することにより生成される。
【００５０】
図１１および図１２を参照して、光切断方式について説明する。光切断方式では、出力手段２１としてレーザ光源を使用し、レーザ光源からレーザ光を、対象物を含めた出力エリア６０に照射し、レーザ光による細線のパターン６１を表示させる。図１１に示す例では、対象物が存在しないので、出力エリア６０に表示されたパターン６１は、直線状となっている。
【００５１】
図１２に示す例では、造形物２６が存在するため、細線のパターン６１は、造形物２６の外周に沿った形で表示される。この状態を、出力手段２１に対して一定の角度を持たせた状態の撮像手段２２により撮像すると、得られる画像データが、造形物２６の高さ形状に応じた細線形状となる。
【００５２】
図１３に、造形物２６が存在しない場合と存在する場合の画像データを例示する。図１３（ａ）に示す造形物２６が存在しない場合の細線のパターン６１を基準とすると、図１３（ｂ）に示すように、造形物２６が存在することにより細線の延びる方向や位置が変わってくる。このため、造形物２６に応じて変化した細線の部分につき、変化量が得られる。変化量は、基準からの距離Lとして算出することができる。
【００５３】
図１４を参照して、造形物２６の形状情報として高さを算出する方法を説明する。造形物２６の高さhは、出力手段２１と撮像手段２２の構成角度、画像上における基準との距離、変化量を用いて算出することができる。
【００５４】
構成角度は、出力手段２１の光を出射する点とその光が当たる造形テーブル２５上の点５２とを繋ぐ第１の直線と、撮像手段２２の撮像素子の中心と点５２とを繋ぐ第２の直線の成す角θである。画像上における基準との距離は、造形物２６の外周と第１の直線とが交差する点５３を通り第２の直線に平行な第３の直線と、第２の直線との距離Δである。
【００５５】
上記の点５２に対応するｘ方向のある画素x[n]における造形物２６の高さをh(x[n])とすると、h(x[n])は、撮像手段２２の撮像倍率係数をγとし、x[n]における基準位置から造形物２６上の細線位置までのy方向の距離をΔ(x[n])とし、出力手段２１と撮像手段２２の構成角度をθとして、次の式５を用いて算出することができる。
【００５６】
【数５】
2020142498.tif 000007
【００５７】
上記式５中、撮像倍率係数γは、出力エリア６０上の１画素サイズを、画像データ上の１画素サイズで除算した値である。
【００５８】
造形装置１１は、出力手段２１と撮像手段２２がx方向の駆動機構２３およびy方向の駆動機構２４により、構造上の位置関係を保持した状態で移動することが可能である。このため、造形物２６に対し、細線状のパターン光を照射し、y方向に一定の速度で移動しながら一定の間隔で画像を取得することができ、取得した画像において、x方向の画素毎に高さhを算出することで、造形物２６の三次元情報を取得することができる。
【００５９】
上記では光切断方式を採用する場合の第２の三次元情報を生成する方法を説明したが、以下に、もう１つのパターン投影方式を採用する場合の第２の三次元情報を生成する方法について説明する。パターン投影方式は、三角測量に基づいた立体情報を取得する方式として一般的に知られた方式である。
【００６０】
図１５を参照して、パターン投影方式について説明する。パターン投影方式では、出力手段２１からy方向にサイン波状の濃度変化をもったパターン（濃度パターン）を、造形物２６を含めた出力エリア６０に投影する。濃度パターンは、少なくとも３つ以上のサイン波の位相をずらしたパターンが採用される。図１５（ａ）には、３つの濃度パターンP1〜P3が例示されている。
【００６１】
濃度パターンP1〜P3は、周期を決める定数をkとすると、次の式６のような波動関数で表される。
【００６２】
【数６】
2020142498.tif 000008
【００６３】
濃度レベルI1〜I3は、図１５（ｂ）に示すように、座標と画素値との関係からサイン波で表され、位相をずらしたものとなることから、波動関数を用い、次の式７のように表すことができる。式７中、Gは、パターン投影とは関係のないオフセット成分であり、Aは、サイン波の振幅である。
【００６４】
【数７】
2020142498.tif 000009
【００６５】
式７中のkyは、y方向の位置を位相に変換した値φを用いて、式８のように表すことができる。
【００６６】
【数８】
2020142498.tif 000010
【００６７】
上記の式８を連立方程式として、G、Aを消去し、φについて解くと、次の式９のように表すことができる。
【００６８】
【数９】
2020142498.tif 000011
【００６９】
上記式９のように、φは、ｙ方向の各位置における３方向の位相パターンにおける濃度レベルI1、I2、I3で表すことができることから、これらの濃度レベルを取得することができれば、画素の位置情報を把握することが可能となる。
【００７０】
図１６は、造形物２６が存在しない場合のパターン投影および撮像を例示した図である。図１７は、ある高さを持った造形物２６が存在する場合のパターン投影および撮像を例示した図である。
【００７１】
造形物２６が存在しない場合、投影されたサイン波状の濃度パターンは、同じ濃度のパターンが一定間隔で並んだものとなる。一方、ある高さを持った造形物２６が存在する場合、造形物２６に投影されたサイン波状の濃度パターンは、造形物２６の外周に沿った形となる。すなわち、造形物２６が存在する部分のみ、パターンの位置が移動し、変化する。
【００７２】
このため、出力手段２１に対して一定の角度を持たせた状態の撮像手段２２から撮像すると、得られる画像データは、造形物２６の高さ形状に応じて、サイン波状の濃度パターンが移動した画像データとなる。
【００７３】
図１８（ａ）は、位相をずらした３つの濃度パターンのうちの１つの位相における濃度パターンを、造形物２６が存在しない状態で照射した場合に得られる画像の一例を示した図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）と同じ濃度パターンを、造形物２６が存在する状態で照射した場合に得られる画像の一例を示した図である。図１８（ｂ）では、造形物２６の存在により、造形物２６の外周に沿った形で濃度パターンが移動している。
【００７４】
造形物２６の三次元情報は、以下のようにして取得することができる。まず、造形物２６が存在しない場合の各画素位置[x,y]における濃度レベルD1[x,y]を検出する。濃度レベルは、上記式７を用いて算出することができる。
【００７５】
次に、造形物２６が存在する場合の各画素位置[x,y]における濃度レベルD2[x,y]を検出する。照射する濃度パターンは、ｙ方向に濃度を変化させた３つの濃度パターンであるため、造形物２６が存在しない状態で取得した画素位置[x1,y1]における濃度レベルD1[x1,y1]と、造形物２６が存在する状態で取得した画素位置[x1,y1]における濃度レベルD2[x1,y1]とから検索を行い、その位置座標[x2,y2]を検出する。
【００７６】
濃度パターンは、ｙ方向に変化させているので、x1=x2となる各xの位置において、ｙ方向の位置ずれ量Δ[x,y]を、次の式１０から算出する。この位置ずれ量Δ[x,y]は、造形物２６の高さに依存した情報となる。
【００７７】
【数１０】
2020142498.tif 000012
【００７８】
造形装置１１は、図１４に示したように、パターン投影方式における出力手段２１と撮像手段２２の構成角度がθである場合、上記式１０により算出された位置ずれ量Δ[x,y]を用いて、光切断方式と同様、各画素位置[x,y]における対象物の高さh[x,y]を算出することが可能となる。
【００７９】
造形物２６の高さh[x,y]は、撮像倍率係数をγとすると、次の式１１のように表すことができる。
【００８０】
【数１１】
2020142498.tif 000013
【００８１】
造形装置１１は、図２に示したように、出力手段２１と撮像手段２２が、ｘ方向の駆動機構２３とｙ方向の駆動機構２４により、図１４に示した構造上の位置関係を保ったまま移動することが可能である。このため、ｙ方向に出力エリア間隔毎に、造形物２６に対して少なくとも３つの位相条件でサイン波状のパターン光を照射し、得られた画像データ上の画素毎の高さh[x,y]を算出することで、造形物２６の三次元情報を取得することができる。
【００８２】
以上のようにして算出した三次元情報を第２の三次元情報とし、造形物の３Ｄデータに含まれる三次元情報を第１の三次元情報とし、第２の三次元情報を基に第１の三次元情報を補正しながら造形を行うことで、ずれを低減し、造形物の精度を向上させることができる。
【００８３】
なお、位置ずれ量の検出において、閾値以上のずれを検出した場合、制御部は、造形動作を停止させることができる。このような造形動作の停止により、大きな不良品が発生してしまった場合に材料の無駄や、造形時間の無駄を無くすことができる。
【００８４】
これまで１台の造形装置１１で造形から補正まで行うことを説明してきた。このような機能をもつ造形装置１１を複数使用し、複数の造形装置１１間で相互に補正データをやりとりして造形を行うことで、１台のみで補正を施す場合より、さらに造形品質を向上させることができる。そのためのシステム構成、制御タイミング、機能構成について、以下に詳細に説明する。
【００８５】
図１９は、造形システムの別の構成例を示した図である。造形システムは、ネットワークに接続される、情報処理装置１０と、複数の造形装置１１と、情報蓄積装置１２とを含んで構成される。ネットワークは、有線および無線のいずれで構築されるネットワークであってもよい。なお、情報処理装置１０と造形装置１１については既に説明したので、その説明は省略する。
【００８６】
情報蓄積装置１２は、補正データを蓄積するための記憶装置を含み、造形装置１１からの補正データの取得要求を受けて、造形装置１１に対して要求された補正データを提供する。
【００８７】
造形システムは、複数の造形装置１１を含むが、説明を簡単にするため、２つの造形装置１１で構成されるものとし、各造形装置１１の役割を説明しておく。以下、２つの造形装置１１を、造形装置１と造形装置２として参照する。
【００８８】
造形装置２は、最終的な造形物の造形を行う。造形装置２で造形される造形物を、本造形物とする。
【００８９】
造形装置１は、造形装置２で本造形物を造形するために使用する補正データを得るため、本造形物と同じ造形物の造形を行う。造形装置１で造形される造形物を、予備造形物とする。
【００９０】
図２０は、造形装置の機能ブロック図である。造形装置は、ＣＰＵ３０がプログラムを実行して機能部を生成し、各機能部により各機能を実現する。このため、造形装置は、各機能を実現するための各機能部を備える。ここでは、プログラムにより各機能部を実現しているが、これに限られるものではなく、各機能部の一部または全部を回路等のハードウェアで実現してもよい。造形装置１、２は、いずれも同じ構成であるため、ここでは造形装置１についてのみ説明する。
【００９１】
造形装置１は、機能部として、図４に示した例と同様、抽出部４０と、補正部４１と、造形制御部４２と、タイミング制御部４３とを含む。この例では、造形装置１は通信制御部４４をさらに含む。抽出部４０、補正部４１、造形制御部４２、タイミング制御部４３については既に説明したので、その説明は省略する。
【００９２】
通信制御部４４は、他の造形装置１１との間で補正データの送受信を行い、他の造形装置１１との間の通信のタイミングを制御する。このため、通信制御部４４は、補正部４１との間で補正データをやりとりし、造形制御部４２との間でタイミング制御に使用する制御信号をやりとりする。また、通信制御部４４は、情報蓄積装置１２とも通信し、必要に応じて、情報蓄積装置１２から補正データを取得する。
【００９３】
具体的に、造形装置１、２を用いた造形物の造形動作について説明する。造形装置１、２はいずれも同じ機能構成であり、各機能部の符号が同じ符号となるので、ここでは符号を省略して説明する。
【００９４】
最初に、造形装置１の動作について説明する。造形装置１では、補正部は、補正データを用いることなく、造形物を生成するための造形物生成データを生成し、造形制御部へ出力する。造形物生成データは、造形データから生成される。
【００９５】
造形制御部は、入力された造形物生成データを、予備造形物の対象となる層を造形するためのスライスデータに変換し、変換したスライスデータに基づき、吐出位置や吐出量を制御する制御信号を生成する。タイミング制御部は、造形制御部により生成された制御信号を受け付け、所定のタイミングで制御信号を吐出手段、ｘ方向の駆動機構、ｙ方向の駆動機構へ出力する。これにより、吐出手段から造形材料を吐出し、予備造形物の対象となる層を造形する。
【００９６】
予備造形物の対象となる層を造形した後、撮像手段、出力手段、２つの駆動機構を制御し、撮像手段により造形した層の画像データを取得する。出力手段が造形した層に対してパターンを表示させる方法は、光切断方式であってもよいし、パターン投影方式であってもよい。抽出部は、画像データを基に、第２の三次元情報を生成する。
【００９７】
補正部は、生成された第２の三次元情報と、造形データの第１の三次元情報とから実際に造形された造形物におけるずれ量を検出する。補正部は、検出したずれ量から補正データ１を生成し、通信制御部へ出力する。通信制御部は、受け取った補正データ１を、ネットワークを介して造形装置２へ転送する。
【００９８】
一方、補正部は、上記と同様、生成した補正データ１を用いることなく、造形物生成データを生成する。そして、造形制御部等が上記の動作を行い、予備造形物の対象となる層として、次の層（上記の層の上に形成すべき層）を造形する。これらの動作を繰り返し、予備造形物を造形するとともに、各層に対する補正データ１を生成し、造形装置２へ転送する。
【００９９】
次に、造形装置２の動作について説明する。造形装置２では、本造形物の造形だけではなく、造形装置１および造形装置２の造形タイミングの制御も行う。このため、造形装置１、２の制御タイミングを示す図２１を参照しながら、造形装置２の動作について説明する。
【０１００】
造形装置２は、本造形物の第１層目の造形に先立ち、プレ造形として、造形装置１に対し、予備造形物の第１層目の造形および第１層目の補正データ１の生成を指示する。造形装置１は、この指示を受けて、予備造形物の造形動作を開始する。すなわち、造形装置１では、第１層目の造形、第１層目のスキャン、第１層目の補正データ１の生成が行われる。
【０１０１】
造形装置２では、造形装置１で第１層目の補正データ１の生成が完了し、補正データ１を受領した後、補正部が、補正データ１を用いて、本造形物の第１層目の造形で使用する補正データを生成する。補正部は、造形データの第１の三次元情報と、生成した補正データとを用い、本造形物の第１層目を造形するための造形物生成データを生成し、造形制御部へ出力する。
【０１０２】
造形制御部は、入力された造形物生成データを、本造形物の第１層目を造形するためのスライスデータに変換し、変換したスライスデータに基づき、吐出位置や吐出量を制御する制御信号を生成する。タイミング制御部は、造形制御部により生成された制御信号を受け付け、所定のタイミングで制御信号を吐出手段、ｘ方向の駆動機構、ｙ方向の駆動機構へ出力する。これにより、吐出手段から造形材料を吐出し、第１層目を造形する。
【０１０３】
造形装置２は、第１層目の造形タイミングで、造形装置１に対し、予備造形物の第２層目の造形の開始および第２層目の補正データ１の生成を指示する。
【０１０４】
造形装置２では、本造形物の第１層目を造形した後、撮像手段、出力手段、２つの駆動機構を制御し、撮像手段により造形した層の画像データを取得する。出力手段が造形した層に対してパターンを表示させる方法は、光切断方式であってもよいし、パターン投影方式であってもよい。抽出部は、画像データを基に、第２の三次元情報を生成する。
【０１０５】
補正部は、生成された第２の三次元情報と、造形データの第１の三次元情報とから実際に造形された造形物におけるずれ量を検出する。補正部は、検出したずれ量から補正データ２を生成する。そして、補正部は、生成した補正データ２と、造形装置１で生成された第２層目の補正データ１とを用いて、本造形物の第２層目の造形で使用する補正データを生成する。補正部は、この補正データを用いて第１の三次元情報を補正し、第２層目の造形物生成データを生成し、造形制御部へ出力する。
【０１０６】
造形制御部は、上記と同様にして、本造形物の第２層目を造形するための造形材料の吐出位置や吐出量を制御する制御信号を生成し、タイミング制御部が、所定のタイミングで制御信号を出力して、本造形物の第２層目を造形する。これらの動作を繰り返し、第３層目以降の層を造形していき、本造形物を造形する。
【０１０７】
このように、造形装置１での予備造形物の造形を先行して実施し、予備造形物の造形時に得られる補正データ１を、造形装置２での本造形物の造形に反映させることで、１台の造形装置のみで造形を行う場合より造形精度を向上させることができる。これは、１台の造形装置では既に造形した層の結果から想定して、その１段上の層のデータに対して補正を行うしかないが、複数の造形装置を使用する場合、他の造形装置で得られた同じ段の層の結果を反映して補正を行うことが可能となるからである。
【０１０８】
造形装置１、２の補正部では、位置ずれ量を１台の造形装置を使用する場合と同様、上記式１により算出することができる。このとき、造形装置１、２で得られる高さ方向の各補正量は、造形装置１については−K_1×Z_1Δ[n]で、造形装置２については−K_2×Z_2Δ[n]で表すことができる。このため、各抽出点における補正量を加味した高さ方向の造形データ（造形物生成データ）Z_h[n]は、これらの補正量を用い、上記式２を次の式１２のように定義し直すことができる。
【０１０９】
【数１２】
2020142498.tif 000014
【０１１０】
また、水平方向であるｘ−ｙ平面方向の各補正量は、造形装置１については−α_1(α_1x,α_1y)×P_1Δ(x,y)[n]、造形装置２については−α_2(α_2x,α_2y)×P_2Δ(x,y)[n]で表すことができる。このため、各抽出点における補正量を加味したｘ−ｙ平面方向の造形データ（造形物生成データ）P_h(x,y)[n]は、これらの補正量を用い、上記式４を次の式１３のように定義し直すことができる。
【０１１１】
【数１３】
2020142498.tif 000015
【０１１２】
これらの式１２、１３を使用して各抽出点の位置座標を算出し、造形物生成データを生成することができる。
【０１１３】
上記のように２つの造形装置１、２を使用し、造形装置１で予備造形物の造形を先行して実施させることができるが、予め予備造形物の造形を実施し、各層での補正データ１を取得し、情報蓄積装置１２に蓄積しておくこともできる。この場合、造形装置２により本造形物を造形する際、情報蓄積装置１２から各層の補正データ１を取得し、取得した補正データ１を用いて本造形物の造形を行うことで、造形装置１を使用した場合と同等の効果を得ることができる。
【０１１４】
図１９には、情報蓄積装置１２を含む構成を例示したが、２つの造形装置１、２を使用して予備造形物の造形と本造形物の造形を行う場合は、情報蓄積装置１２はなくてもよい。また、情報蓄積装置１２を用いる場合は、造形装置が１台だけであってもよい。
【０１１５】
これまで本発明を、造形装置、造形方法および造形システムとして上述した実施の形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。したがって、他の実施の形態、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】
【０１１６】
１０…情報処理装置
１１…造形装置
２０…吐出手段
２１…出力手段
２２…撮像手段
２３、２４…駆動機構
２５…造形テーブル
２６…造形物
２７…制御部
３０…ＣＰＵ
３１…ＲＯＭ
３２…ＲＡＭ
３３…記憶装置
３４…入出力Ｉ／Ｆ
３５…通信Ｉ／Ｆ
３６…バス
４０…抽出部
４１…補正部
４２…造形制御部
４３…タイミング制御部
４４…通信制御部
５０、５１…抽出点
５２、５３…点
６０…出力エリア
６１…パターン
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１７】
【特許文献１】特開２０１８−０７９５８０号公報
【図１】
2020142498.tif 000016
【図２】
2020142498.tif 000017
【図３】
2020142498.tif 000018
【図４】
2020142498.tif 000019
【図５】
2020142498.tif 000020
【図６】
2020142498.tif 000021
【図７】
2020142498.tif 000022
【図８】
2020142498.tif 000023
【図９】
2020142498.tif 000024
【図１０】
2020142498.tif 000025
【図１１】
2020142498.tif 000026
【図１２】
2020142498.tif 000027
【図１３】
2020142498.tif 000028
【図１４】
2020142498.tif 000029
【図１５】
2020142498.tif 000030
【図１６】
2020142498.tif 000031
【図１７】
2020142498.tif 000032
【図１８】
2020142498.tif 000033
【図１９】
2020142498.tif 000034
【図２０】
2020142498.tif 000035
【図２１】
2020142498.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月6日(2020.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2020142498.tif 000037