(57)【要約】  ３Ｄプリンタにおけるフィラメント送りモニタ及びプリントエラーを修復する方法が提供される。本方法は、光学センサによって後端歯車の運動を検出することを含むことができる。プリントエラーは、光学センサに接続されたコントローラによって、後端歯車の検出された運動に基づいて判定することができるフィラメント送りローラの回転運動が所定の閾値を上回ったとの判定に応答して検出することができる。プリントエラーを修復するために、コントローラによってコマンドを生成し及び実行することができる。
2021516633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄプリンタにおいてプリントエラーを修復する方法であって、
光学センサによって、後端歯車の運動を検出することと、
前記光学センサに接続されたコントローラによって、フィラメント送りローラの回転運動であって、前記後端歯車の検出された運動に基づいて判定される前記回転運動が所定の閾値を上回った又は下回ったとの判定に応答して、前記プリントエラーを検出することと、
前記プリントエラーを修復するためにコマンドを実行することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記コントローラによって、前記３Ｄプリンタのプリントモードが押出しを含むことを判定することと、
前記コントローラによって、前記検出された運動に基づいてフィラメント送り状態を判定することと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フィラメント送り状態が、フィラメント送り運動及びフィラメント送り量を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コントローラによって、判定された前記フィラメント送り状態に基づいてフィラメント押出し機におけるフィラメント不在の事象を検出することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記後端歯車の運動は、前記フィラメント送りローラの運動に対応し、前記フィラメント送りローラの運動は、前記フィラメント送りローラと前記後端歯車とに相互接続された歯車列によって前記後端歯車に伝達される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記歯車列は、先端歯車によって前記フィラメント送りローラと相互接続し、前記歯車列は、前記先端歯車と前記後端歯車とに係合する中間歯車を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記コマンドを実行して、プリントを一時停止する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記コマンドを実行して、押出し機の高温端を加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記コマンドを実行して、判定された前記フィラメント送り状態に基づいて、前記フィラメント送りローラの前記回転運動を駆動する駆動モータの駆動率と、ツールヘッドの運動とを制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
３Ｄプリンタにおいてプリントエラーを修復する方法であって、
光学センサによって、後端歯車の運動を検出することと、
前記光学センサに接続されたコントローラによって、フィラメント送りローラの回転運動であって、前記後端歯車の検出された運動に基づいて判定される前記回転運動が所定の閾値を下回ったとの判定に応答して、前記プリントエラーを検出することと、
前記プリントエラーを修復するためにコマンドを実行することと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記コントローラによって、前記３Ｄプリンタのプリントモードが押出しを含むことを判定することと、
前記コントローラによって、前記検出された運動に基づいてフィラメント送り状態を判定することと、
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィラメント送り状態が、フィラメント送り運動及びフィラメント送り量を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記コントローラによって、判定された前記フィラメント送り状態に基づいてフィラメント押出し機におけるノズル目詰まりの事象を検出することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記後端歯車の運動は、前記フィラメント送りローラの運動に対応し、前記フィラメント送りローラの運動は、前記フィラメント送りローラと前記後端歯車とに相互接続された歯車列によって前記後端歯車に伝達される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記歯車列は、先端歯車によって前記フィラメント送りローラと相互接続し、前記歯車列は、前記先端歯車と前記後端歯車とに係合する中間歯車を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記コマンドを実行して、プリントを一時停止する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記コマンドを実行して、押出し機の高温端を加熱する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記コマンドを実行して、判定された前記フィラメント送り状態に基づいて、前記フィラメント送りローラの前記回転運動を駆動する駆動モータの駆動率と、ツールヘッドの運動とを制御する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記プリントエラーは、前記回転運動の方向が変化したとの判定に基づいて検出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記プリントエラーは、前記回転運動が停止したとの判定に基づいて検出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
３Ｄプリンタにおけるフィラメント送りモニタであって、
フィラメント送りローラと、
先端歯車及び後端歯車を含み、前記先端歯車によって前記フィラメント送りローラと連結された歯車列と、
前記後端歯車のセンサ対向面に向けられ、通信のためにコントローラに接続された光学センサと、
を含み、
前記先端歯車は、前記フィラメント送りローラに連結されて回転運動を受け、前記回転運動は前記歯車列を通じた伝達によって前記後端歯車において増幅され、前記３Ｄプリンタは、前記フィラメント送りローラの前記回転運動を駆動するための駆動モータを含み、前記光学センサは、前記センサ対向面の運動を検出し、前記コントローラは、前記駆動モータに接続されており、前記センサ対向面の検出された前記運動に基づいて前記フィラメント送りローラの前記回転運動を制御する、
フィラメント送りモニタ
【請求項２２】
前記歯車列は、前記先端歯車と前記後端歯車とに係合する中間歯車を含む、請求項２１に記載のフィラメント送りモニタ。
【請求項２３】
前記歯車列は、約１３．３の歯車比を構成する、請求項２２に記載のフィラメント送りモニタ。
【請求項２４】
前記中間歯車及び前記後端歯車は、各々、複合平歯車を含む、請求項２２に記載のフィラメント送りモニタ。
【請求項２５】
前記コントローラは、二線式通信プロトコル及び半二重通信プロトコルのうちの１つによって前記光学センサに接続される、請求項２１に記載のフィラメント送りモニタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に付加製造の分野に関し、具体的には、溶融フィラメント製造における材料の取扱い及び制御に関する。
【発明の概要】
【０００２】
本発明の態様は、３Ｄプリンタにおけるフィラメント送りモニタ及びプリントエラーを修復する方法に関する。種々の態様において、本方法は、光学センサによって後端歯車の運動を検出することを含むことができる。プリントエラーは、光学センサに接続されたコントローラによって、フィラメント送りローラの回転運動であって、後端歯車の検出された運動に基づいて判定することができる回転運動が所定の閾値を上回った又は下回ったとの判定に応答して、検出することができる。プリントエラーを修復するために、コントローラによってコマンドを生成し及び実行することができる。
【０００３】
一実施形態において、本方法は、３Ｄプリンタのプリントモードが押出しを含むことを判定することを含むことができる。後端歯車の検出された運動に基づいて、フィラメント送り状態を判定することができる。
【０００４】
一実施形態において、フィラメント送り状態は、フィラメント送り運動及びフィラメント送り量（feed rate）を含むことができる。
【０００５】
一実施形態において、判定されたフィラメント送り状態に基づいて、フィラメント押出し機におけるフィラメント不在の事象を検出することができる。
【０００６】
一実施形態において、判定されたフィラメント送り状態に基づいて、フィラメント押出し機におけるノズル目詰まりの事象を検出することができる。
【０００７】
一実施形態において、後端歯車の運動は、フィラメント送りローラの運動に対応するものとすることができ、フィラメント送りローラの運動は、フィラメント送りローラと後端歯車とに相互接続された歯車列によって、後端歯車に伝達することができる。
【０００８】
一実施形態において、歯車列は、先端歯車によってフィラメント送りローラと相互接続することができ、歯車列は、先端歯車と後端歯車とに係合する中間歯車を含むことができる。
【０００９】
種々の実施形態において、判定されたフィラメント送り状態に基づいて、コマンドを実行して、プリントを一時停止することができ、押出し機の高温端（hot end）を加熱することができ、又はフィラメント送りローラの回転運動を駆動することができる駆動モータの駆動率と、ツールヘッドの運動とを制御することができる。
【００１０】
種々の実施形態において、プリントエラーは、回転運動の方向が変化したとの判定に基づいて検出することができる。あるいは、プリントエラーは、回転運動が停止したとの判定に基づいて検出することができる。
【００１１】
一態様において、フィラメント送りモニタは、フィラメント送りローラと、先端歯車及び後端歯車を含む歯車列であって、先端歯車によってフィラメント送りローラと連結することができる歯車列と、後端歯車のセンサ対向面に向けられ、通信のためにコントローラに接続することができる光学センサと、を含むことができる。先端歯車は、フィラメント送りローラに連結されて回転運動を受けることができ、回転運動は歯車列を通じた伝達によって後端歯車において増幅されるようにできる。３Ｄプリンタは、フィラメント送りローラの回転運動を駆動するための駆動モータを含むことができる。光学センサは、センサ対向面の運動を検出することができ、コントローラは、駆動モータに接続され、センサ対向面の検出された運動に基づいてフィラメント送りローラの回転運動を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
以下の詳細な説明は、単なる例示のために提示されたものであり、本発明をそれのみに限定することを意図したものではなく、添付の図面と併せて最も良く認識されるであろう。図面は、必ずしも縮尺通りではない。図面は、単なる模式的表現であり、本発明の特定のパラメータを描写することを意図したものではない。図面は、本発明の典型的な実施形態のみを描くことを意図したものである。図中、同様の符号は同様の要素を表す。
【００１３】
【図１】本発明の実施形態によるプリント方法の中間ステップ中のプリンタの一部の断面図を示す。
【図２Ａ】本発明の実施形態によるフィラメント運動センサ組立体の第１図を示す。
【図２Ｂ】本発明の実施形態によるフィラメント運動センサ組立体の第２図を示す。
【図３】本発明の実施形態によるプリント方法の中間ステップ中のフィラメント運動センサ組立体の動作ステップのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の詳細な実施形態は、本明細書において、多様な形態で具体化することができる特許請求される構造及び方法を説明し及び例証する目的で開示され、決して網羅的であることも、又は開示された実施形態に限定することも意図しない。開示された実施形態の範囲及び趣旨から逸脱することなく多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本明細書で用いる用語は、１つ又は複数の実施形態の原理、実際的な用途、若しくは市場において見いだされる技術に優る技術的改善を最も良く説明するように、又は当業者が本明細書で開示される実施形態を理解することを可能にするように、選択されたものである。説明の際に、周知の特徴及び技術の詳細は、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にすることを避けるために省略される場合がある。
【００１５】
明細書における「１つの実施形態」、「一実施形態」、「例示的な実施形態」等への言及は、説明される実施形態が、１つ又は複数の特定の特徴、構造、又は特性を含むことができることを示すが、このような特定の特徴、構造、又は特性は、本明細書において本発明の開示された実施形態の各々及びすべてに対して共通である場合も又は共通でない場合もあることを理解されたい。さらに、このような語句は、必ずしもいずれか１つの特定の実施形態自体に言及するものではない。それゆえ、１つ又は複数の特定の特徴、構造、又は特性が、ある実施形態に関連して説明されている場合、明示的に説明されていてもいなくても、適用可能であれば、そのような１つ又は複数の特定の特徴、構造、又は特性を他の実施形態に関連してもたらすことは当業者の知識の範囲内であると言える。
【００１６】
以後、説明の目的で、「上方」、「下方」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上部」、「下部」、「直交」、及び「平行」等の用語、並びにそれらのいずれかの派生語は、図面内で方向づけられたときの、開示された構造及び方法に関連するものとする。「上に重なる（overlying）」、「頂上に（atop）」、「の上に（on top）」、「上に配置される（positioned on）」又は「頂上に配置される（positioned atop）」という用語は、第１の構造のような第１の要素が、第２の構造のような第２の要素の上に存在し、第１の要素と第２の要素との間にインタフェース構造のような介在要素が存在してもよいことを意味する。「直接接触」という用語は、第１の構造のような第１の要素と、第２の構造のような第２の要素とが、２つの要素のインタフェースにおいていかなる中間層も伴わずに接続されることを意味する。
【００１７】
本発明の実施形態の開示を不明瞭にしないために、以下の詳細な説明は、当該分野で知られた特定の処理ステップ又は動作を含むことがあり、これらは明確な説明及び例証の目的で組み合わされていることがある。いくつかの事例において、当該分野で知られた特定の処理ステップ又は動作は、詳細に説明されていない、もしくは全く説明されていない場合があり、又はその両方の場合がある。以下の本発明の実施形態の開示は、相対的に、その特色のある要素、特徴、構造、又は特性に焦点を合わせたものであることを理解されたい。
【００１８】
熱溶解積層法（fused deposition modeling）としても知られる溶融フィラメント製造（fused filament fabrication）は、三次元（３Ｄ）物体をプリントする、すなわち構築する際に、積層堆積のために溶融した材料を押し出す、付加製造プロセスである。このプロセスは、例えば、ラピッド・プロトタイピング又は製造において、３Ｄプリンタによって実装することができる。プリンタは、材料を押し出すためのノズルを有する押出し組立体を含む、ツールヘッド又はプリントヘッドを含むことができる。材料は、例えば、熱可塑性フィラメントを含むことができ、これはスプール又はリールから供給され、フィラメント送り機構によって、ある送り量でプリントヘッドに装填することができる。フィラメントを押出し組立体の中で加熱して、ノズルの出口を通して押し出すことができる。
【００１９】
特定の動作条件下で、例えばノズルの目詰まり又は不適切なフィラメント送りに起因して、プリンタの誤動作又はエラーが生じることがあり、その結果、往々にして不完全な物体又は欠陥のある物体がプリントされる。例えば、特定の動作条件下で、不適切なフィラメント送りは、押出し組立体の高温端の不適切な加熱であって、組立体の内部でフィラメントを早まって液化させる結果として背圧を上昇させ、プリンタの誤動作に至る可能性がある、不適切な加熱によって生じる場合がある。他の動作条件下で、例えば、ノズルの目詰まりは、高温端の不適切な加熱であって、予め液化したフィラメントをノズルの出口付近で固化させる結果として目詰まりを生じさせ、プリンタの誤動作に至る可能性がある、不適切な加熱によって生じる場合がある。ノズルの目詰まりは、それ以外に又はそれに加えて、高温端の不適切な加熱であって、フィラメントの加熱不足、例えば特定の融点又は温度までの加熱を生じさせ、フィラメントの液化不良に至る、不適切な加熱によって生じる場合がある。別の例において、不適切なフィラメント送りは、フィラメント直径にむらがあることによって生じる場合がある。他の例において、ノズルの目詰まりは、フィラメントの不純物又は混入物、フィラメントと組立体の内部に残っていることがある他のフィラメント由来の異質なフィラメント残留物との相互作用、及び特定のタイプの熱可塑性フィラメントが環境から吸収し得る過剰のフィラメント水分、等によって生じる場合がある。
【００２０】
このようなプリンタの誤動作は、フィラメント送りの追跡又は監視が不適当であるために、プリンタの動作中に検出されることなく生じることがある。例えば、従来の３Ｄプリンタにおいて、フィラメントカウンタ又は計量装置は、インクリメンタルな回転エンコーダを含むことができ、これはフィラメント送り運動の監視において実装することができる。プリント動作中にフィラメントが移動することができる又はプリントヘッドに装填されることができる比較的低い速度又は送り量を前提とすると、このエンコーダの運動測定の分解能は、動作不良を効果的に検出するには不十分な場合がある。このような不十分さゆえに、フィラメントカウンタ装置による検出応答時間は、過剰に長くなることがあり、それゆえ、動作中にプリンタの誤動作を検出することの失敗の一因となる。
【００２１】
本発明の実施形態は、３Ｄプリンタにおいてプリンタ動作中にフィラメント送り運動及びフィラメント送り量を監視して、不適切なフィラメント送りを検出し、プリントエラーを防止するための、装置及び方法に関する。この装置は、光学センサと歯車列とを有するフィラメント運動センサ組立体を含むことができる。一実施形態において、装置及び方法は、プリンタ動作中に押出しノズルの目詰まり及び不適切なフィラメント送りの事象を検出して、不完全な物体又は欠陥のある物体のプリントを防止するように実装することができる。歯車列は、プリンタのフィラメント送り機構のフィラメント送りローラとインタフェースするように配置することができる。歯車列は、フィラメント送りローラと相互接続する先端歯車を含むことができ、光学センサによる測定のためにローラの回転運動を後端歯車まで歯車列を通して伝達及び増幅するようになっている。増幅された回転運動を、後端歯車のセンサ対向面による測定のために提供することができる。
【００２２】
有利には、好ましい実施形態による装置及び方法は、３Ｄプリンタにおいて経済的に実装することができ、プリンタ動作中の改善されたフィラメント送り監視を提供する。一実施形態において、フィラメント送り監視は、押出しノズルの目詰まり又は不適切なフィラメント送りによってプリントエラーが生じたときに、最小限のエラー検出応答時間でプリントエラーを効果的に検出するのに十分な、高い運動測定分解能を提供することができる。エラー検出応答時間は、本発明の好ましい実施形態によって提供されるように、インクリメンタルとは対照的に、連続的なフィラメント送り運動追跡によって最小化することができる。そのために、本発明の実施形態を実装して、動作効率、信頼性、及びスループットを改善するとともに、不完全な物体又は欠陥のある物体のプリントによって生じる潜在的な廃棄を低減することができる。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態によるプリント方法の中間ステップ中のプリンタ１００の一部の断面図を示す。プリンタ１００は、ツールヘッド１０４と相互接続したツールステージ１０２と、プリントステージ１１０と相互接続したプリントベッド１０８と、内部１１２と、フィラメント運動センサ組立体１０５とを含むことができる。
【００２４】
プリンタ１００は、自動化製造装置を表す。本発明の一実施形態において、プリンタ１００は、例えば、３Ｄプリンタを含むことができる。実施形態において、プリンタ１００は、例えば、物品１０６をプリントする際の溶融フィラメント製造プロセスなどの付加製造プロセスを実装することができる。ツールヘッド１０４は、図１に示すように、内部１１２内でプリントベッド１０８の上方に空間的に配置することができる。物品１０６は、３Ｄプリントされた部品、物品、又は物体とすることができる。物品１０６は、図１に示すように、プリンタ動作中、ツールヘッド１０４に面することができるプリントベッド１０８の表面上に又は該表面に沿ってプリントすることができる。プリンタ１００は、プリンタ動作中に、ツールステージ１０２によるツールヘッド１０４の空間的な方向付け及び位置決め、プリントステージ１１０によるプリントベッド１０８の空間的な方向付け及び位置決め、又はその両方を制御する、空間的方向づけ及び位置決めシステムを実装することができる。空間的方向づけ及び位置決めシステムは、例えば、コントローラ、計測器（instrumentation）、並びに、ドライブ及びモータといったアクチュエータ等を含むことができる。ツールヘッド１０４、プリントベッド１０８、又はその両方の空間的方向づけ及び位置決めは、図１に示すように、三次元デカルト座標のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のような１つ又は複数の直交する軸に対して実施することができる。
【００２５】
本発明の種々の実施形態において、プリンタ１００は、例えば、デルタ座標３Ｄプリンタ、極座標３Ｄプリンタ、及びロボットアーム型３Ｄプリンタを含むことができる。
【００２６】
ツールステージ１０２は、プリンタ１００の空間的方向づけ及び位置決めシステムの一部を表す。本発明の一実施形態において、ツールステージ１０２は、プリンタ動作中の内部１１２内における空間的方向付け及び位置決めのためにツールヘッド１０４を支持することができる。ツールステージ１０２は、例えば、ツールヘッド１０４を支持するためのマウント又はキャリッジを含むことができる。マウントは、図１に示すように、ツールヘッド１０４をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿って又はその周りで動かすために、例えば、モータ駆動式Ｘ−Ｙステージ、及びモータ駆動式Ｚ軸ステージ等に取り付けることができる。
【００２７】
ツールヘッド１０４は、動作中にプリンタ１００によって行われる溶融フィラメント製造プロセスにおいて実装することができる押出し組立体を表す。本発明の一実施形態において、ツールヘッド１０４は、例えば、フィラメント送り機構及び押出しノズルを含むことができる。実施形態において、フィラメント送り機構は、例えば、ステッピングモータ又はブラシレス直流（ＤＣ）電気モータといった駆動モータと、駆動回路又はマイクロコントローラといった駆動コントローラと、ピンチホイール又はローラといったフィラメント送りローラとを含むことができる。駆動モータは、フィラメント送りローラと相互接続することができ、駆動コントローラによって制御されて、動作中にフィラメント送りローラを駆動又は作動させることができる。実施形態において、押出しノズルは、例えば、入口と、液化器などの加熱要素と、出口とを含むことができる。実施形態において、フィラメントは、例えば、プリンタ動作中にスプール又はリールから引き出されて供給され、フィラメント送り機構によって、ある送り量でツールヘッド１０４に装填されることができ、入口を経て押出しノズル内に送り込まれ、加熱要素によって加熱され、その後、ノズルの出口を通って押し出される。押し出されたフィラメントは、物品１０６をプリントする際にプリントベッド１０８の表面上に又は該表面に沿って層状に形成され及び堆積されることができる。実施形態において、フィラメントは、例えば、熱可塑性フィラメントを含むことができる。熱可塑性フィラメントは、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＦ）、及びポリカーボネート（ＰＣ）等のような材料のものとすることができる。スプールは、プリンタ１００のフレームに取り付けることができる。
【００２８】
プリントベッド１０８は、物品１０６をプリントする際の支持のために、押し出されたフィラメントをその上に堆積することができる構築面（build surface）を表す。本発明の一実施形態において、プリントベッド１０８は、例えば、プリントベッド、ビルドプレート（build plate）、及びプリントシート等を含むことができる。ツールヘッド１０４に面したプリントベッド１０８の表面は、プリンタ動作中に押し出されたフィラメントを受けることができる。
【００２９】
プリントステージ１１０は、プリンタ１００の空間的方向づけ及び位置決めシステムの一部を表す。本発明の一実施形態において、プリントステージ１１０は、プリンタ動作中に内部１１２における空間的方向付け及び位置決めのためにプリントベッド１０８を支持することができる。プリントステージ１１０は、例えば、プリントベッド１０８を支持するためのマウント又は表面を含むことができる。マウントは、図１に示すように、プリントベッド１０８及び物品１０６をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿って又はその周りで動かすために、例えば、モータ駆動式Ｘ−Ｙステージ、及びモータ駆動式Ｚ軸ステージ等とインタフェースすることができる。
【００３０】
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、本発明の実施形態によるフィラメント運動センサ組立体１０５の第１図及び第２図を示す。フィラメント運動センサ組立体１０５は、光学センサ２１２と、歯車列２０４とを含むことができる。
【００３１】
フィラメント運動センサ組立体１０５は、フィラメント送りモニタ、フィラメントカウンタ、又はフィラメント送り量トラッカ等によって提供することができるような機能をプリンタ１００に提供する。本発明の一実施形態において、フィラメント運動センサ組立体１０５をツールヘッド１０４に対して実装して、プリンタ動作中にプリンタ１００におけるフィラメント送り運動及びフィラメント送り量を監視することができる。実施形態において、フィラメント運動センサ組立体１０５は、ツールヘッド１０４に対して、プリンタ動作中に押出しノズルの目詰まり及びフィラメント２０１の不適切なフィラメント送りの事象を検出して、プリンタ１００による不完全な物体又は欠陥のある物体のプリントを防止するように実装することができる。
【００３２】
図２Ａを参照すると、フィラメント運動センサ組立体１０５は、ツールヘッド１０４のフィラメント送りローラ２０３に対して実装することができる。フィラメント送りローラ２０３は、隣接する遊び車２０５と共に動作することができる。プリンタ動作中、フィラメント送りローラ２０３は、軸２０２の周りでフィラメント送り方向に回転するように駆動されることができ、図１を参照して説明したように、フィラメント２０１などのフィラメントをある送り量でツールヘッド１０４の押出しノズルに送り込むことを可能にする。フィラメント送りローラ２０３は、それ以外に、逆方向に駆動されることができ、フィラメント２０１の後退を可能にする。実施形態において、フィラメント２０１の送り量は、フィラメント送りローラ２０３の接線速度に対応するものとすることができる。例えば、フィラメント送りローラ２０３の円周の周りに位置する点の周辺速度又は接線速度を例えば約０．２ミリメートル毎秒とすると、フィラメント２０１の送り量は、それに応じて約０．２ミリメートル毎秒となり得る。一般に、送り量は、例えばフィラメント２０１の材料特性、及びプリントを完了したときの物品１０６の要求される材料特性等に基づいて、変更することができる。
【００３３】
本発明の一実施形態において、歯車列２０４は、フィラメント送りローラ２０３とインタフェースするように、かつフィラメント送りローラ２０３によって駆動されるように配置することができる。実施形態において、歯車列２０４は、例えば、入力歯車すなわち先端歯車２０６と、中間歯車２０８と、出力歯車すなわち後端歯車２１０とを含むことができる。実施形態において、先端歯車２０６は、例えば、フィラメント送りローラ２０３と対応して回転するようにフィラメント送りローラ２０３と相互接続することができ、フィラメント送りローラ２０３の回転運動を中間歯車２０８及び後端歯車２１０に伝達する。実施形態において、先端歯車２０６は、別の方法で、例えば、プリンタ動作中に対応して回転するようにフィラメント送りローラ２０３と接続することができる。実施形態において、先端歯車２０６は、中間歯車２０８とかみ合うことができ、中間歯車２０８は、後端歯車２１０とかみ合うことができる。実施形態において、先端歯車２０６において歯車列２０４に入力された回転運動は、光学センサ２１２による測定のために後端歯車２１０で出力されるように伝達され、増幅されることができる。実施形態において、フィラメント送りローラ２０３の増幅された回転運動は、図２Ｂで示すように、例えば後端歯車２１０のセンサ対向面２１７によって測定されるように提供することができる。
【００３４】
本発明の一実施形態において、先端歯車２０６は、例えば、平歯車を含むことができる。実施形態において、中間歯車２０８及び後端歯車２１０は、各々、例えば、複合平歯車を含むことができる。複合平歯車は、例えば、２つの連結された同軸配置された平歯車を含むことができる。連結された同軸配置された平歯車は、異なるサイズであってもよい。実施形態において、中間歯車２０８及び後端歯車２１０は、例えば、それぞれ、同軸配置された平歯車２０７及び同軸配置された平歯車２０９を含むことができる。実施形態において、先端歯車２０６、中間歯車２０８、及び後端歯車２１０は、平行な複数軸の周りで回転することができる。実施形態において、先端歯車２０６、中間歯車２０８、及び後端歯車２１０は、別の方法で、歯車の各々の回転軸の配置に応じて、適宜、他のいずれかのタイプの歯車を含むことができる。
【００３５】
フィラメント送りローラ２０３によって入力され、歯車列２０４を通って伝達される回転運動を、歯車列２０４の総歯車比、又は速度比に従って増幅することができる。本発明の一実施形態において、歯車列２０４の速度比は、例えばフィラメント送りローラ２０３の半径に対する先端歯車２０６の半径に基づいて定められる、第１の比に基づいて特定することができる。一例において、第１の比は、１．３対１とすることができ、すなわち先端歯車２０６の半径は、フィラメント送りローラ２０３の半径の１．３倍とすることができる。実施形態において、歯車列２０４の歯車比は、例えば同軸配置された平歯車２０７の半径に対する中間歯車２０８の半径に基づいて定められる、第２の比に基づいてさらに特定することができる。この例において、第２の比は、３．２対１とすることができ、すなわち、中間歯車２０８の半径は、同軸配置された平歯車２０７の半径の３．２倍とすることができる。実施形態において、歯車列２０４の歯車比は、例えば同軸配置された平歯車２０９の半径に対する後端歯車２１０の半径に基づいて定められる、第３の比に基づいてさらに特定することができる。この例において、第３の比は、３．２対１とすることができ、すなわち、後端歯車２１０の半径は、同軸配置された平歯車２０９の半径の３．２倍とすることができる。実施形態において、第２の比及び第３の比は等しくてもよい。実施形態において、歯車列２０４の速度比は、例えば約１３．３とすることができる。この例において、これは第１の比と第２の比と第３の比との積として計算することができ、すなわち、１．３掛ける３．２掛ける３．２は、約１３．３に等しい。フィラメント２０１の送り量が先の例のように約０．２ミリメートル毎秒に等しいものとした場合、後端歯車２１０の円周の周りに位置する点の接線速度は、約２．６６ミリメートル毎秒になる。歯車列２０４は、別の方法で、先端歯車２０６、中間歯車２０８、又は後端歯車２１０などの歯車を異なる個数含むように設計して、その結果、異なる歯車比又は速度比を有するようにすることもでき、これは設計事項として決定することができる。
【００３６】
図２Ｂを参照すると、フィラメント２０１のフィラメント送り運動及びフィラメント送り量を監視して、プリント動作中に押出しノズルの目詰まり及び不適切なフィラメント送りの事象を検出するために、光学センサ２１２を後端歯車２１０に対して実装することができる。本発明の一実施形態において、押出しノズルの目詰まり及び不適切なフィラメント送りは、後端歯車２１０のセンサ対向面２１７の相対回転運動に基づいて検出することができる。実施形態において、相対回転運動は、例えば、後端歯車２１０によって出力されるフィラメント送りローラ２０３の増幅された回転運動の変動を含むことができる。例えば、変動は、回転運動方向の逆転、回転運動速度の上昇又は低下、又は回転運動の欠如を含むことができる。実施形態において、光学センサ２１２は、後端歯車２１０のセンサ対向面２１７に隣接して配置することができる。実施形態において、光学センサ２１２は、例えば、センサハウジング２１４と、センサインタフェース２１６とを含むことができる。実施形態において、センサハウジング２１４は、例えば、光学センサと、光学式エラー検出コントローラとを含むことができる。
【００３７】
本発明の一実施形態において、光学センサを実装して、フィラメント２０１のフィラメント送り運動及びフィラメント送り量を監視するためのデータを生成することができる。実施形態において、生成されたフィラメント送り運動及びフィラメント送り量を監視するためのデータは、例えば、増幅されたフィラメント送りローラ２０３の回転運動に対応する回転運動データを含むことができる。実施形態において、光学センサは、例えば、光源と、光検出器と、光学センサコントローラとを含むことができる。実施形態において、光源は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は放射(レーザ）光源の誘導放出による光増幅等を含むことができる。例えば、光源は、赤外線ダイオード、赤外線レーザ、又はレーザダイオードを含むことができる。実施形態において、光検出器は、例えば、カメラ、イメージセンサ、光学センサ、フォトディテクタ、又は光電セル等を含むことができる。例えば、光検出器は、相補的金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサを含むことができる。実施形態において、光学センサコントローラは、例えば、集積回路を含むことができる。例えば、光学センサコントローラは、画像処理チップ、又はデジタル信号処理（ＤＳＰ）チップ等を含むことができる。実施形態において、光学センサは、例えば、光学式マウスセンサを含むこと、及び、光学式マウスセンサにより実装することができる。一例において、光学センサは、台湾、新竹市のＰｉｘＡｒｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ，Ｉｎｃ．によって開発されたＰＡＷ３２０４マウスセンサなどの光学式マウスセンサによって実装することができる。実施形態において、光学センサは、例えば、８００ドット毎インチ（ＤＰＩ）の分解能を伴うことができる。一般に、光学センサは、例えば後端歯車２１０によって出力されるフィラメント送りローラ２０３の増幅された回転運動の変動度などに基づいて、設計事項として選択することができる。
【００３８】
本発明の一実施形態において、光学式エラー検出コントローラは、フィラメント２０１のフィラメント送り運動及びフィラメント送り量を監視してプリント動作中に押出しノズルの目詰まり及び不適切なフィラメント送りの事象を検出するために、光学センサと通信するように実装することができる。実施形態において、光学式エラー検出コントローラは、二線式通信プロトコル、又は半二重通信プロトコル等によって光学センサと通信することができる。実施形態において、光学式エラー検出コントローラは、さらに、光学センサ２１２、又は駆動モータによるフィラメント送りローラ２０３の作動を制御するために、ツールヘッド１０４のフィラメント送り機構の駆動コントローラと通信するように実装することができる。実施形態において、光学式エラー検出コントローラは、例えばマイクロコントローラを含むことができる。例えば、光学式エラー検出コントローラは、中央処理ユニットと、メモリと、プログラム可能入力／出力（Ｉ／Ｏ）周辺機器とを含むことができる。一例において、光学式エラー検出コントローラは、カリフォルニア州、サンノゼのＡｔｍｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発された「Ａｔｍｅｇａ  １６」ＣＭＯＳ  ８ビット・マイクロコントローラなどのマイクロコントローラによって実装することができる。
【００３９】
本発明の一実施形態において、光学式エラー検出コントローラは、さらに、ツールヘッド１０４の運動及び速度を制御するために、ツールヘッド１０４と通信するように実装することができる。
【００４０】
本発明の一実施形態において、センサインタフェース２１６は、センサハウジング２１４と、後端歯車２１０のセンサ対向面２１７との間のインタフェースを設けるように実装することができる。実施形態において、センサインタフェース２１６は、例えば、穴、開口部、又は窓等を含むことができる。
【００４１】
図３は、本発明の実施形態による、プリント方法の中間ステップ中のフィラメント運動センサ組立体１０５の動作ステップのフローチャートを示す。
【００４２】
ステップ３０２において、フィラメント運動センサ組立体１０５は、プリンタ１００の現在のプリントモードを判定することができる。本発明の一実施形態において、プリントモードは、例えば、押出しモード及びトラベルモードを含むことができる。実施形態において、押出しモードは、後退可能（retract enabled）モードに対応し得るものであり、トラベルモードは、後退不能（retract disabled）モードに対応し得るものである。押出しモードは、例えば、フィラメント２０１がプリンタ動作中にプリンタ１００のスプールから引き出されて供給され、フィラメント送り機構によって、ある送り量でツールヘッド１０４に装填されることができるモードを含むことができ、フィラメントは、入口を経て押出しノズル内に送り込まれ、加熱要素によって加熱され、その後、ノズルの出口を通って押し出される。トラベルモードは、例えば、フィラメント２０１が、プリンタ動作中、例えば物品１０６に関するプリントポイント又はエリア間でのツールヘッド１０４の移動（トラベル）中に、プリンタ１００のスプールから引き出され供給されなくてもよいモードを含むことができる。トラベルモード中、フィラメント２０１は、ツールヘッド１０４に装填され又は送られなくてもよい。トラベルモードにおいて、フィラメント２０１は、駆動モータの逆駆動、及びフィラメント送りローラ２０３の逆作動によって、それに相応に、所定の距離、例えば約１ｍｍ後退することができる。
【００４３】
本発明の一実施形態において、プリンタ１００のプリントモードは、例えば、ツールヘッド１０４のフィラメント送り機構の駆動コントローラから光学センサ２１２の光学式エラー検出コントローラが受け取るデータに基づいて判定することができる。実施形態において、受け取ったデータは、例えば、フィラメント送り機構の駆動モータを作動してフィラメント送りローラ２０３を駆動する際にツールヘッド１０４の駆動コントローラによって生成された、ステップ及び方向の入力を含むことができる。実施形態において、後退は、例えば、関連づけられた、増幅されたフィラメント送りローラ２０３の回転運動に対応するものとすることができる。
【００４４】
ステップ３０４において、フィラメント運動センサ組立体１０５は、フィラメント２０１に関してフィラメント送り状態を判定することができる。本発明の一実施形態において、フィラメント送り状態は、プリンタ１００の現在のプリントモードが押出しモードを含むとの判定に応答して監視することができる、フィラメント送り運動及びフィラメント送り量に基づくものとすることができる。実施形態において、フィラメント送り状態は、センサ対向面２１７の回転運動に基づいて光学センサ２１２によって生成することができる、フィラメント運動データに基づいて判定することができる。実施形態において、光学センサ２１２の光学式エラー検出コントローラは、フィラメント運動データを受け取って、フィラメント２０１のフィラメント送り運動及びフィラメント送り量を監視することができる。
【００４５】
本発明の一実施形態において、フィラメント運動データは、例えば、センサ対向面２１７の回転運動を追跡している光学センサ２１２によって生成されるＸ方向及びＹ方向運動データを含むことができる。実施形態において、フィラメント送りローラ２０３の回転運動は、Ｘ方向及びＹ方向運動データに基づいて判定することができる。実施形態において、フィラメント運動センサ組立体１０５によって提供される測定分解能は、例えば、後端歯車２１０の回転軸（図示せず）からのセンサインタフェース２１６の距離に基づいて決定することができる。例えば、この距離を短くすると、センサ対向面２１７の毎秒の回転数に関して、より高い測定分解能を提供することができる。フィラメント運動センサ組立体１０５によって提供される測定分解能は、センサ対向面２１７において提供されるフィラメント送りローラ２０３の増幅された回転運動、及びフィラメント送りローラ２０３の回転運動に基づいて選択することができる。
【００４６】
ステップ３０６において、フィラメント運動センサ組立体１０５は、プリントエラーを検出することができる。本発明の一実施形態において、プリントエラーは、例えば、フィラメント送り運動及びフィラメント送り量のエラーを含むことができ、これは、部分的な又は完全なノズルの目詰まり、及びフィラメントの不在等によって生じる場合があり、又はこれらを生じさせる場合もある。実施形態において、プリントエラーは、例えば、ステップ３０２などで判定されたプリントモードに関してフィラメント運動データに基づいて検出することができる。実施形態において、プリントエラーは、プリンタ１００が押出しモードに設定されているという判定に応答して検出することができる。実施形態において、プリントエラーは、センサ対向面２１７における増幅されたフィラメント送りローラ２０３の回転運動が所定の閾値を上回った又は下回ったとの判定に応答して検出することができる。所定の閾値は、押出しモード中のフィラメント送りローラ２０３の正常な回転運動に基づいて決定することができる。例えば、高すぎる回転運動又は回転運動の欠如は、フィラメントの不在を示すことがあり、低すぎる回転運動は、ノズルの目詰まりを示すことがある。実施形態において、プリントエラーは、増幅されたフィラメント送りローラ２０３の回転運動の変化率が所定の閾値を上回った又は下回ったとの判定に応答して検出することができる。例えば、フィラメント送りローラ２０３を駆動して軸２０２の周りで回転させるのにステッピングモータが使用される場合、ノズルの目詰まりは、間欠的な駆動モータのスキップを生じさせることがある（すなわち、増幅されたフィラメント送りローラ２０３の回転運動の加速）。
【００４７】
ステップ３０８において、フィラメント運動センサ組立体１０５は、検出されたプリントエラーに基づいて実行用のコマンドを生成することができる。本発明の一実施形態において、コマンドは、光学センサ２１２の光学式エラー検出コントローラによって生成することができる。実施形態において、コマンドを、実行のためにツールヘッド１０４のフィラメント送り機構の駆動コントローラに伝達することができる。実施形態において、コマンドを実行して、プリント動作中にプリントを一時停止することができる。実施形態において、コマンドをさらに実行して、警報を例えばプリンタ１００のユーザインタフェースに伝達することができる。実施形態において、コマンドをさらに実行して、警報を、例えばイントラネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）、又はインターネットといった広域ネットワーク（ＷＡＮ）等を介してユーザデバイスに伝達することができる。一般に、コマンドは、不完全な物体又は欠陥のある物体のプリントを防止するために生成することができる。
【００４８】
本発明の実施形態において、コマンドを実行して、ツールヘッド１０４の高温端の加熱を調整又は有効化することができる。例えば、高温端を所定温度まで加熱して、フィラメントを高温端で確実に適正に液化させることができる。高温端を、例えば、回転運動が所定の閾値を下回ったとの判定に応答して加熱することができる。所定の閾値を下回る回転運動は、例えばノズルの目詰まりを示す場合がある。実施形態において、回転運動が所定の閾値を上回ったとの判定に応答して、高温端を所定温度まで加熱して、フィラメントを高温端で確実に適正に液化させることができる。所定の閾値を上回る回転運動は、例えばフィラメントの不在を示す場合がある。
【００４９】
本発明の一実施形態において、コマンドを実行して、フィラメント送り状態に基づいて駆動モータの駆動率を制御することができる。実施形態において、コマンドをさらに実行して、フィラメント送り状態に基づいてツールヘッド１０４の運動を制御することができる。例えば、コマンドを実行して、ツールヘッド１０４のフィラメント送り量及び運動（すなわち速度）を低減して、低減されたフィラメント送り量の結果として生じ得る押出し速度を変化させることができる。
【００５０】
本発明の種々の実施形態の説明は、例証の目的で提示したものであるが、網羅的であることも、又は開示された実施形態に限定することも意図しない。説明した実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本明細書で用いる用語は、実施形態の原理、実際的な用途、若しくは市場において見いだされる技術に優る技術的改善を最も良く説明するように、又は当業者が本明細書で開示される実施形態を理解することを可能にするように、選択されたものである。したがって、本発明は、説明され例証されたそのままの形態に限定することを意図せず、添付の特許請求の範囲内にあることを意図する。
【図１】
2021516633.tif 000003
【図２Ａ】
2021516633.tif 000004
【図２Ｂ】
2021516633.tif 000005
【図３】
2021516633.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月17日(2020.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄプリンタにおいてプリントエラーを修復する方法であって、
光学センサによって、後端歯車の運動を検出することと、
前記光学センサに接続されたコントローラによって、フィラメント送りローラの回転運動であって、前記後端歯車の検出された運動に基づいて判定される前記回転運動が所定の閾値を上回った又は下回ったとの判定に応答して、前記プリントエラーを検出することと、
前記プリントエラーを修復するためにコマンドを実行することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記コントローラによって、前記３Ｄプリンタのプリントモードが押出しを含むことを判定することと、
前記コントローラによって、前記検出された運動に基づいてフィラメント送り状態を判定することと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フィラメント送り状態が、フィラメント送り運動及びフィラメント送り量を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コントローラによって、判定された前記フィラメント送り状態に基づいてフィラメント押出し機におけるフィラメント不在の事象を検出することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記後端歯車の運動は、前記フィラメント送りローラの運動に対応し、前記フィラメント送りローラの運動は、前記フィラメント送りローラと前記後端歯車とに相互接続された歯車列によって前記後端歯車に伝達される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記歯車列は、先端歯車によって前記フィラメント送りローラと相互接続し、前記歯車列は、前記先端歯車と前記後端歯車とに係合する中間歯車を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記コマンドを実行して、プリントを一時停止する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記コマンドを実行して、押出し機の高温端を加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記コマンドを実行して、判定された前記フィラメント送り状態に基づいて、前記フィラメント送りローラの前記回転運動を駆動する駆動モータの駆動率と、ツールヘッドの運動とを制御する、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
３Ｄプリンタにおいてプリントエラーを修復する方法であって、
光学センサによって、後端歯車の運動を検出することと、
前記光学センサに接続されたコントローラによって、フィラメント送りローラの回転運動であって、前記後端歯車の検出された運動に基づいて判定される前記回転運動が所定の閾値を下回ったとの判定に応答して、前記プリントエラーを検出することと、
前記プリントエラーを修復するためにコマンドを実行することと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記コントローラによって、前記３Ｄプリンタのプリントモードが押出しを含むことを判定することと、
前記コントローラによって、前記検出された運動に基づいてフィラメント送り状態を判定することと、
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィラメント送り状態が、フィラメント送り運動及びフィラメント送り量を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記コントローラによって、判定された前記フィラメント送り状態に基づいてフィラメント押出し機におけるノズル目詰まりの事象を検出することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記後端歯車の運動は、前記フィラメント送りローラの運動に対応し、前記フィラメント送りローラの運動は、前記フィラメント送りローラと前記後端歯車とに相互接続された歯車列によって前記後端歯車に伝達される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記歯車列は、先端歯車によって前記フィラメント送りローラと相互接続し、前記歯車列は、前記先端歯車と前記後端歯車とに係合する中間歯車を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記コマンドを実行して、プリントを一時停止する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記コマンドを実行して、押出し機の高温端を加熱する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記コマンドを実行して、判定された前記フィラメント送り状態に基づいて、前記フィラメント送りローラの前記回転運動を駆動する駆動モータの駆動率と、ツールヘッドの運動とを制御する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記プリントエラーは、前記回転運動の方向が変化したとの判定に基づいて検出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記プリントエラーは、前記回転運動が停止したとの判定に基づいて検出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
３Ｄプリンタにおけるフィラメント送りモニタであって、
フィラメント送りローラと、
先端歯車及び後端歯車を含み、前記先端歯車によって前記フィラメント送りローラと連結された歯車列と、
前記後端歯車のセンサ対向面に向けられ、通信のためにコントローラに接続された光学センサと、
を含み、
前記先端歯車は、前記フィラメント送りローラに連結されて回転運動を受け、前記回転運動は前記歯車列を通じた伝達によって前記後端歯車において増幅され、前記３Ｄプリンタは、前記フィラメント送りローラの前記回転運動を駆動するための駆動モータを含み、前記光学センサは、前記センサ対向面の運動を検出し、前記コントローラは、前記駆動モータに接続されており、前記センサ対向面の検出された前記運動に基づいて前記フィラメント送りローラの前記回転運動を制御する、
フィラメント送りモニタ
【請求項２２】
前記歯車列は、前記先端歯車と前記後端歯車とに係合する中間歯車を含む、請求項２１に記載のフィラメント送りモニタ。
【請求項２３】
前記歯車列は、１３．３の歯車比を構成する、請求項２２に記載のフィラメント送りモニタ。
【請求項２４】
前記中間歯車及び前記後端歯車は、各々、複合平歯車を含む、請求項２２に記載のフィラメント送りモニタ。
【請求項２５】
前記コントローラは、二線式通信プロトコル及び半二重通信プロトコルのうちの１つによって前記光学センサに接続される、請求項２１に記載のフィラメント送りモニタ。
【国際調査報告】
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2021516633.tif 000008
2021516633.tif 000009