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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023183678
(43)【公開日】2023-12-28
(54)【発明の名称】立体造形システム
(51)【国際特許分類】
B28B 1/30 20060101AFI20231221BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20231221BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20231221BHJP
【ＦＩ】
B28B1/30
B33Y30/00
B33Y50/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022097320
(22)【出願日】2022-06-16
(71)【出願人】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504237050
【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】木ノ村 幸士
(72)【発明者】
【氏名】田中 俊成
(72)【発明者】
【氏名】岩本 達也
(72)【発明者】
【氏名】原槙 真也
(72)【発明者】
【氏名】森山 英明
【テーマコード（参考）】
4G052
【Ｆターム（参考）】
4G052DA01
4G052DB12
4G052DC06
(57)【要約】
【課題】セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消する。
【解決手段】立体造形システムは、セメント系材料を吐出するノズル１３と、ノズル１３に取り付けられ、ノズル１３から吐出されたセメント系材料の表面を仕上げる仕上げ装置３とを備えている。仕上げ装置３は、ノズル１３から吐出されたセメント系材料の表面に接触するコテ３１Ａ，３１Ｂと、セメント系材料に振動を与える振動機構６７とを有している。
【選択図】図３
【解決手段】立体造形システムは、セメント系材料を吐出するノズル１３と、ノズル１３に取り付けられ、ノズル１３から吐出されたセメント系材料の表面を仕上げる仕上げ装置３とを備えている。仕上げ装置３は、ノズル１３から吐出されたセメント系材料の表面に接触するコテ３１Ａ，３１Ｂと、セメント系材料に振動を与える振動機構６７とを有している。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する立体造形システムであって、
前記セメント系材料を吐出するノズルと、
前記ノズルに取り付けられ、前記ノズルから吐出された前記セメント系材料の表面を仕上げる仕上げ装置と、を備え、
前記仕上げ装置は、
前記ノズルから吐出された前記セメント系材料の表面に接触するコテと、
前記セメント系材料に振動を与える振動機構と、
を有することを特徴とする立体造形システム。
前記セメント系材料を吐出するノズルと、
前記ノズルに取り付けられ、前記ノズルから吐出された前記セメント系材料の表面を仕上げる仕上げ装置と、を備え、
前記仕上げ装置は、
前記ノズルから吐出された前記セメント系材料の表面に接触するコテと、
前記セメント系材料に振動を与える振動機構と、
を有することを特徴とする立体造形システム。
【請求項2】
前記振動機構は、前記コテに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
【請求項3】
前記コテは、前記セメント系材料の吐出方向に進出した位置へ先端部が来るように移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
【請求項4】
前記コテは、前記ノズルの中心軸側の面において、前記ノズルの移動方向に平行な導入部と、前記ノズルの進行方向において前記導入部よりも後方に位置されている仕上げ部と、を有し、前記仕上げ部は、前記導入部よりも、前記ノズルの中心軸を通り前記ノズルの進行方向に沿う直線に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
【請求項5】
前記振動機構により発生する起振力を手動で調整するための調整部を備えることを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
【請求項6】
前記セメント系材料のコンシステンシーに関する流動性情報を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された前記流動性情報に基づいて、前記振動機構により発生する起振力を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
前記検出部によって検出された前記流動性情報に基づいて、前記振動機構により発生する起振力を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
【請求項7】
前記検出部は、前記セメント系材料を前記ノズルから定量吐出させるようにスクリュを駆動する駆動モータの回転数に対応する情報を前記流動性情報として検出することを特徴とする請求項６に記載の立体造形システム。
【請求項8】
前記振動機構は、前記コテに設けられるとともに、前記コテの先端部が前記セメント系材料の吐出方向に進出した位置にある際に、前記セメント系材料に振動を与えることを特徴とする請求項３に記載の立体造形システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する立体造形システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、３Ｄプリンタ技術を応用して、コンクリートやモルタル等のセメント系材料を用いて建造物、構造物等の造形物を形成する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。３Ｄプリンタ技術を用い、この種の造形物を形成する場合には、まず、形成しようとする造形物の３次元形状をコンピュータでモデリングする。次いで、そのモデリングされた３次元データから、多数の層に分けられた２次元データを生成する。
そして、移動可能な供給ヘッドにポンプからセメント系材料を供給するとともに、各層の２次元データに基づいて、供給ヘッドのノズルからセメント系材料を吐出して各層の２次元形状を形成する。そして、形成された２次元形状の層上に、続く層の２次元データに基づいて、セメント系材料を一層ずつ積層し、これにより、立体的な造形物を形成する。
そして、移動可能な供給ヘッドにポンプからセメント系材料を供給するとともに、各層の２次元データに基づいて、供給ヘッドのノズルからセメント系材料を吐出して各層の２次元形状を形成する。そして、形成された２次元形状の層上に、続く層の２次元データに基づいて、セメント系材料を一層ずつ積層し、これにより、立体的な造形物を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１８－１２２５３９号公報
【特許文献2】特開２０１８－１４０９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
セメント系材料を積層して造形物を形成する特許文献１，２に記載の３Ｄプリンタは、樹脂等の材料を用いた３Ｄプリンタに比べてノズル径が大きいため、形成される一層が厚い。また、柔らかい状態で材料を積み上げるため、層の断面形状は変形を生じやすい。このため、層の断面を拡大して見ると楕円を積み上げたような形となり、層と層の間に凹凸を生じやすい（特許文献１の図５、特許文献２の図３参照）。
このような凹凸（縞模様）の存在は、意匠的な制約や汚れの付着など美観への影響が懸念されるだけでなく、層と層の境界が不連続面を形成した場合には、造形物の耐久性や構造耐力の低下が懸念される。
また、セメント系材料の種類によっては、ねばりけ（粘性）を示す粘度、潰れにくさを示す降伏値等のフレッシュ性状（以下、「コンシステンシー」という）が異なる。コンシステンシーとは、フレッシュ材料（例えば、フレッシュコンクリート、フレッシュモルタル、フレッシュペースト等）の変形あるいは流動に対する抵抗性の程度であり、粘度や降伏値が大きい場合にはフレッシュ材料は変形や流動しにくくなる。したがって、使用するセメント系材料のコンシステンシーが大きいと、表面の良好な仕上げ（凹凸の平滑化）が困難な場合がある。例えば短繊維を含むモルタルを使用する場合、短繊維を含まないモルタルに比べ降伏値が大きくなることが多く、層間の縞模様を解消することはより困難となる。
本発明は、セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消することを課題とする。
このような凹凸（縞模様）の存在は、意匠的な制約や汚れの付着など美観への影響が懸念されるだけでなく、層と層の境界が不連続面を形成した場合には、造形物の耐久性や構造耐力の低下が懸念される。
また、セメント系材料の種類によっては、ねばりけ（粘性）を示す粘度、潰れにくさを示す降伏値等のフレッシュ性状（以下、「コンシステンシー」という）が異なる。コンシステンシーとは、フレッシュ材料（例えば、フレッシュコンクリート、フレッシュモルタル、フレッシュペースト等）の変形あるいは流動に対する抵抗性の程度であり、粘度や降伏値が大きい場合にはフレッシュ材料は変形や流動しにくくなる。したがって、使用するセメント系材料のコンシステンシーが大きいと、表面の良好な仕上げ（凹凸の平滑化）が困難な場合がある。例えば短繊維を含むモルタルを使用する場合、短繊維を含まないモルタルに比べ降伏値が大きくなることが多く、層間の縞模様を解消することはより困難となる。
本発明は、セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
前記課題を解決する本発明は、セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する立体造形システムである。この立体造形システムは、前記セメント系材料を吐出するノズルと、前記ノズルに取り付けられ、前記ノズルから吐出された前記セメント系材料の表面を仕上げる仕上げ装置と、を備える。前記仕上げ装置は、前記ノズルから吐出された前記セメント系材料の表面に接触するコテと、前記セメント系材料に振動を与える振動機構と、を有する。
本発明では、セメント系材料に振動を与えて流動化を促進させるとともに、コテがセメント系材料の表面に接触した状態でノズルが進行することで、表面の仕上げを行うことができる。しかも、セメント系材料の流動化を促進させることができるため、コンシステンシーが異なる各種の材料（配合）を使用する場合や、同じ材料であっても積層中にコンシステンシーが時間的に変化する場合にも、対応可能となる。これにより、層間の縞模様が解消され、仕上げ面が平滑となる。表面の仕上げを実施することによって層間の不連続面の形成が抑制されるため、造形物の耐久性の向上が期待できる。また、造形物の美観の向上、構造耐力低下の抑制も期待できる。
このように、本発明によれば、セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消することができる。
本発明では、セメント系材料に振動を与えて流動化を促進させるとともに、コテがセメント系材料の表面に接触した状態でノズルが進行することで、表面の仕上げを行うことができる。しかも、セメント系材料の流動化を促進させることができるため、コンシステンシーが異なる各種の材料（配合）を使用する場合や、同じ材料であっても積層中にコンシステンシーが時間的に変化する場合にも、対応可能となる。これにより、層間の縞模様が解消され、仕上げ面が平滑となる。表面の仕上げを実施することによって層間の不連続面の形成が抑制されるため、造形物の耐久性の向上が期待できる。また、造形物の美観の向上、構造耐力低下の抑制も期待できる。
このように、本発明によれば、セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消することができる。
【0006】
また、前記振動機構は、前記コテに設けられていることが好ましい。この構成では、ノズルから吐出されたセメント系材料の表面に接触するコテを振動させることができるため、セメント系材料の表面を直接的に流動化させて効率良く仕上げることができる。
また、前記コテは、前記セメント系材料の吐出方向に進出した位置へ先端部が来るように移動可能であることが好ましい。この構成では、コテを進出させたとき接触するセメント系材料の表面が仕上げすべき面である場合に、コテを進出させて表面の仕上げを行うことができる。
また、前記振動機構は、前記コテに設けられるとともに、前記コテの先端部が前記セメント系材料の吐出方向に進出した位置にある際に、前記セメント系材料に振動を与えることが好ましい。この構成では、コテをセメント系材料の表面に接触させて表面の仕上げを行うときに、セメント系材料に振動を与えることができる。すなわち、必要なときにコテを介してセメント系材料に振動を効率的に与えることができ、不必要に振動を与えることはない。
また、前記コテは、前記セメント系材料の吐出方向に進出した位置へ先端部が来るように移動可能であることが好ましい。この構成では、コテを進出させたとき接触するセメント系材料の表面が仕上げすべき面である場合に、コテを進出させて表面の仕上げを行うことができる。
また、前記振動機構は、前記コテに設けられるとともに、前記コテの先端部が前記セメント系材料の吐出方向に進出した位置にある際に、前記セメント系材料に振動を与えることが好ましい。この構成では、コテをセメント系材料の表面に接触させて表面の仕上げを行うときに、セメント系材料に振動を与えることができる。すなわち、必要なときにコテを介してセメント系材料に振動を効率的に与えることができ、不必要に振動を与えることはない。
【0007】
また、前記コテは、前記ノズルの中心軸側の面において、前記ノズルの移動方向に平行な導入部と、前記ノズルの進行方向において前記導入部よりも後方に位置されている仕上げ部と、を有することが好ましい。この場合、前記仕上げ部は、前記導入部よりも、前記ノズルの中心軸を通り前記ノズルの進行方向に沿う直線に近い位置に配置されている。この構成では、ノズルから吐出したセメント系材料を導入部に導入した後に、セメント系材料の表面に確実にコテの仕上げ部を接触させて表面の仕上げを行うことができる。
【0008】
また、前記立体造形システムは、前記振動機構により発生する起振力を手動で調整するための調整部を備えるとよい。この構成では、使用するセメント系材料のコンシステンシーに応じて、振動機構により発生する起振力を、調整部によって調整することができる。例えば偏心重錘を振動モータで回転させる振動機構では、調整部を用いて振動モータの単位時間（例えば毎分）当たりの回転数（以下、単に「回転数」ともいう）を変えることで起振力を手動で調整できる。また、造形物の形成中に振動モータの回転数を変えることが可能で、セメント系材料のコンシステンシーの変化を見ながら起振力を柔軟に調整することができる。これにより、セメント系材料の表面の仕上げをより良好に行うことができる。なお、調整部を用いて偏心重錘の偏心モーメント量を変えることで起振力を手動で調整できるように構成されてもよい。
【0009】
また、前記立体造形システムは、検出部と、制御部と、を備えるとよい。この場合、前記検出部は、前記セメント系材料のコンシステンシーに関する流動性情報を検出し、前記制御部は、前記検出部によって検出された前記流動性情報に基づいて、前記振動機構により発生する起振力を制御する。この構成では、検出部によって検出されたセメント系材料の流動性情報を用いて、振動機構により発生する起振力を、制御部によって自動的に制御することができる。具体的には、例えば偏心重錘を振動モータで回転させる振動機構では、制御部によって振動モータの回転数を変えることで起振力を自動的に調整できる。これにより、セメント系材料の表面の仕上げをより良好に行うことができる。
また、前記検出部は、前記セメント系材料を前記ノズルから定量吐出させるようにスクリュを駆動する駆動モータの回転数に対応する情報を前記流動性情報として検出することが好ましい。この構成では、セメント系材料をノズルから定量吐出するフィードバック制御を行う場合に得られる駆動モータの回転数に対応する情報を、前記流動性情報として利用することができる。
また、前記検出部は、前記セメント系材料を前記ノズルから定量吐出させるようにスクリュを駆動する駆動モータの回転数に対応する情報を前記流動性情報として検出することが好ましい。この構成では、セメント系材料をノズルから定量吐出するフィードバック制御を行う場合に得られる駆動モータの回転数に対応する情報を、前記流動性情報として利用することができる。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、セメント系材料を積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施形態に係る立体造形システムの概要を示す斜視図である。
【図3】制御部に含まれる駆動モータコントローラの回路図および制御プログラムの例示である。
【図4】駆動モータコントローラのＰＩ制御を説明するための図である。
【図8】コテの斜視図である。
【図9】コテをノズルの進行方向における後方から見た図である。
【図10】第１実施形態において振動機構により発生する起振力の手動調整を説明するためのブロック図である。
【図11】立体造形システムの動作の内容を示すフローチャートである。
【図12】コテの向きの制御について説明するための模式的な平面図である。
【図16】ノズルの進行方向の計算方法を説明するための図である。
【図17】コテの位置の計算方法を説明するための図である。
【図18】図１８（ａ）は左のコテに相当する部分を塗りつぶして作成されたコテ配置レイヤーデータを示す図、図１８（ｂ）は右のコテに相当する部分を塗りつぶして作成されたコテ配置レイヤーデータを示す図である。
【図19】図１９（ａ）は左のコテに対応するコテ配置レイヤーデータと堆積レイヤーデータとを合成した合成画像を示す図、図１９（ｂ）は右のコテに対応するコテ配置レイヤーデータと堆積レイヤーデータとを合成した合成画像を示す図である。
【図20】第２実施形態において振動機構により発生する起振力の自動調整を説明するためのブロック図である。
【図21】変形例に係るコテ部を説明するための模式的な側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について適宜図面を参照して説明する。なお、以下に示す図面において、同一または同種の部材については、同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。
【0013】
［第１実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る立体造形システム１００の概要を示す斜視図である。立体造形システム１００は、セメント系材料をノズル装置１から押し出しながら二次元形状を生成し、これを高さ方向に積層することにより三次元の造形物を形成するものであり、いわゆる３Ｄプリンタである。セメント系材料は、例えばコンクリート、モルタル、セメントペースト等である。
図１は、本発明の実施形態に係る立体造形システム１００の概要を示す斜視図である。立体造形システム１００は、セメント系材料をノズル装置１から押し出しながら二次元形状を生成し、これを高さ方向に積層することにより三次元の造形物を形成するものであり、いわゆる３Ｄプリンタである。セメント系材料は、例えばコンクリート、モルタル、セメントペースト等である。
【0014】
図１に示すように、立体造形システム１００は、ノズル装置１と、ノズル支持装置２と、仕上げ装置３と、制御装置５とを備える。
ノズル装置１は、その先端（下端）に、セメント系材料Ｃを吐出するノズル１３（図２参照、以下同様）を有している。ノズル装置１は、ノズル１３からセメント系材料Ｃを吐出しながら平面移動する。ノズル装置１は、平面移動により所定の二次元形状を形成したら、上方に移動する。すなわち、ノズル装置１は、三次元的に移動可能に、ノズル支持装置２によって支持されている。ノズル装置１は、制御装置５に接続されており、制御装置５からの信号に応じてセメント系材料Ｃの吐出を行う。
ノズル装置１は、その先端（下端）に、セメント系材料Ｃを吐出するノズル１３（図２参照、以下同様）を有している。ノズル装置１は、ノズル１３からセメント系材料Ｃを吐出しながら平面移動する。ノズル装置１は、平面移動により所定の二次元形状を形成したら、上方に移動する。すなわち、ノズル装置１は、三次元的に移動可能に、ノズル支持装置２によって支持されている。ノズル装置１は、制御装置５に接続されており、制御装置５からの信号に応じてセメント系材料Ｃの吐出を行う。
【0015】
ノズル支持装置２は、ノズル装置１をＸ軸およびＹ軸に沿って平面移動させるとともに、Ｚ軸に沿って上下動させる。すなわち、立体造形システム１００は、ノズル支持装置２を介してノズル装置１を３次元的に移動させることで、立体的な造形物を形成することを可能としている。本実施形態のノズル支持装置２は、Ｘ軸に沿って配設されたＸ軸レール２１と、Ｙ軸に沿って配設された一対のＹ軸レール２２と、Ｚ軸に沿って立設されたＺ軸柱２３とを備えている。Ｘ軸レール２１は、ノズル装置１を摺動可能に支持している。ノズル装置１は、Ｘ軸レール２１に沿って移動することで、Ｘ軸方向に移動する。また、Ｘ軸レール２１は、一対のＹ軸レール２２に摺動可能に横架されている。Ｘ軸レール２１がＹ軸レール２２に沿って摺動することで、ノズル装置１がＹ軸方向に移動する。また、ノズル装置１がＸ軸レール２１に沿って移動するのと同時にＸ軸レール２１がＹ軸レール２２に沿って移動することで、ノズル装置１が斜め方向に移動する。すなわち、Ｘ軸レール２１およびＹ軸レール２２により、ノズル装置１を自由に平面移動させることができる。さらに、Ｙ軸レール２２は、Ｚ軸柱２３によって上下動可能に支持されている。Ｙ軸レール２２がＺ軸柱２３に沿って移動することで、ノズル装置１が上下動する。
ノズル支持装置２は、制御装置５に接続されており、制御装置５から送信された信号に応じてノズル装置１を所定の方向に移動させる。
ノズル支持装置２は、制御装置５に接続されており、制御装置５から送信された信号に応じてノズル装置１を所定の方向に移動させる。
【0016】
図２は、図１に示されるノズル装置１の拡大断面図である。図２に示すように、ノズル装置１は、上下方向を中心軸方向とするシリンダ部１１と、内部にスクリュ１４が収容されたスクリュ搬送部１２と、スクリュ搬送部１２の先端に着脱可能に装着されるノズル１３とを備えている。
シリンダ部１１内の上部には、貯留室１１ａが設けられている。貯留室１１ａは、上部が大径の略中空円筒状に形成されており、その下側の部分が下方に向かうにつれて縮径する中空の略逆円錐台状に形成されている。さらに、その下側のスクリュ搬送部１２との連結部が小径の中空円筒状に形成されている。スクリュ搬送部１２は、シリンダ部１１下部の小径部分と内径がほぼ同じ円筒状に形成される。ノズル１３は、漏斗状を呈しており、その先端に吐出口１３ａが下向きに設けられている。
シリンダ部１１内の上部には、貯留室１１ａが設けられている。貯留室１１ａは、上部が大径の略中空円筒状に形成されており、その下側の部分が下方に向かうにつれて縮径する中空の略逆円錐台状に形成されている。さらに、その下側のスクリュ搬送部１２との連結部が小径の中空円筒状に形成されている。スクリュ搬送部１２は、シリンダ部１１下部の小径部分と内径がほぼ同じ円筒状に形成される。ノズル１３は、漏斗状を呈しており、その先端に吐出口１３ａが下向きに設けられている。
【0017】
シリンダ部１１には、貯留室１１ａの上部側方に、供給パイプ６１が接続されている。供給パイプ６１は、ポンプ６２を介して、貯留部としてのホッパ６３に接続されている。ホッパ６３内には、所定配合に練り混ぜられたセメント系材料Ｃが蓄えられている。ポンプ６２が作動すると、ホッパ６３に蓄えられたセメント系材料Ｃがシリンダ部１１に供給される。
【0018】
ノズル装置１の上部には、駆動モータ１５が設けられている。駆動モータ１５の出力軸には、回転軸１６がカップリング（図示省略）を介して回転駆動力を伝達可能に接続されている。回転軸１６には、シリンダ部１１の貯留室１１ａ内の位置に、らせん状線材を組み合わせた撹拌部材としての撹拌翼１７が装着されている。
【0019】
回転軸１６の下端には、螺旋状の雄ねじ部が外周面に形成されたスクリュ１４が回転軸１６と同軸に垂下された姿勢で固定されている。駆動モータ１５の正転駆動によってスクリュ１４が任意の定常速度で回転すると、貯留室１１ａ内のセメント系材料Ｃが螺旋状の雄ねじ部によりノズル１３の先端に向けて押し出される。駆動モータ１５は、セメント系材料Ｃをノズル１３から定量吐出させるようにスクリュ１４を駆動する。これにより、シリンダ部１１内のセメント系材料Ｃは、スクリュ搬送部１２の先端に向けて定量圧送可能とされている。
【0020】
図１に示すように、制御装置５は、コンピュータ５１と、３Ｄプリンタコントローラ５２と、バッファリング装置５３と、制御部５４とを備えている。コンピュータ５１は、例えば、ＣＰＵと記憶装置とを有するパーソナルコンピュータである。コンピュータ５１の記憶装置には、３次元形状データから得られた層ごとの２次元データが保存されている。この２次元データには、Ｇコード等の各種のコード（指令）が記述されている。制御部５４としては、例えば、高速処理が可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が使用される。
【0021】
次に、セメント系材料Ｃをノズル１３から定量吐出させる制御について説明するが、かかる制御に関する以下の構成は、第１実施形態では必ずしも備えていなくてもよい。
図２に示すように、立体造形システム１００（図１参照）は、検出装置１９を備えている。検出装置１９は、ノズル１３の吐出量に相関する情報を検出する装置である。検出装置１９によって検出された情報は、制御装置５に送られて、ノズル１３の吐出量を調整するフィードバック制御に使用される。検出装置１９の構成、検出対象の物理量の種類や数などは特に限定されず、ノズル１３の吐出量に相関する情報を適切に検出できるものであればよい。ノズル１３の吐出量に相関する情報は、例えば吐出されたセメント系材料Ｃの重さ、体積、流量などであってよい。本実施形態の検出装置１９は、ノズル装置１のフレーム部１８に取り付けられており、ノズル装置１の重さを計測する。検出装置１９は、ここではビーム型ロードセルであり、ノズル装置１を両側から支持している。
図２に示すように、立体造形システム１００（図１参照）は、検出装置１９を備えている。検出装置１９は、ノズル１３の吐出量に相関する情報を検出する装置である。検出装置１９によって検出された情報は、制御装置５に送られて、ノズル１３の吐出量を調整するフィードバック制御に使用される。検出装置１９の構成、検出対象の物理量の種類や数などは特に限定されず、ノズル１３の吐出量に相関する情報を適切に検出できるものであればよい。ノズル１３の吐出量に相関する情報は、例えば吐出されたセメント系材料Ｃの重さ、体積、流量などであってよい。本実施形態の検出装置１９は、ノズル装置１のフレーム部１８に取り付けられており、ノズル装置１の重さを計測する。検出装置１９は、ここではビーム型ロードセルであり、ノズル装置１を両側から支持している。
【0022】
図１、図２に示すように、制御装置５の制御部５４は、ノズル１３からの吐出量が一定になるように駆動モータ１５（つまり、スクリュ１４の回転速度）を調整する。制御部５４は、駆動モータ１５を制御するモータコントローラ５５（図３参照、以下同様）を有しており、モータコントローラ５５には、３Ｄプリンタコントローラ５２から駆動モータ１５の制御信号が入力される。また、モータコントローラ５５には、インジケータ（図示省略）を介して検出装置１９から検出結果（ノズル１３からの吐出量に相関する情報）が入力される。本実施形態では、吐出量に相関する情報として、ノズル装置１の重さが一定周期（可変周期であってもよい）でモータコントローラ５５に入力されることを想定する。モータコントローラ５５は、入力された情報を用いたフィードバック制御により、３Ｄプリンタコントローラ５２から出力された駆動モータ１５の制御信号を調整する。モータコントローラ５５は、モータドライバ（図示省略）を介して、調整後の制御信号で駆動モータ１５を駆動する。
【0023】
図３および図４を参照して、モータコントローラ５５の機能についてより具体的に説明する。図３は、モータコントローラ５５の回路図および制御プログラムの例示である。図４は、モータコントローラ５５のＰＩ制御を説明するための図である。なお、ＰＩ制御は、フィードバック制御の一例であって、フィードバック制御として他の制御を用いてもよい。
図３に示すように、モータコントローラ５５は、３Ｄプリンタコントローラ５２から出力されたモータ制御用のパルス信号を受信し、正逆転に合わせて総パルス数をカウントする。また、モータコントローラ５５は、インジケータ（図示省略）を介して検出装置１９から荷重値を一定周期（可変）で受信し、数値データに変換する。
また、図４に示すように、モータコントローラ５５は、吐出指令のパルス変化量Δｐに吐出率ｋを乗じて目標重量変化量Δｒとし、Δｐが指定したパルス増加量を越えると、吐出重量変化量Δｄとの誤差ｅに基づき、ＰＩ制御（Ｋｐ，Ｋｉ）でモータ回転数係数ｍを上下限内で算出する。これを、指定されたパルス変化量Δｐ毎に実行する。
また、モータコントローラ５５は、モータ制御用のパルス信号の周期測定値に、ＰＩ制御出力のモータ回転数係数ｍを乗じたパルス周期の信号を出力する。つまり、モータコントローラ５５は、３Ｄプリンタコントローラ５２からの指令速度に対して、モータ回転を可変制御する。
図３に示すように、モータコントローラ５５は、３Ｄプリンタコントローラ５２から出力されたモータ制御用のパルス信号を受信し、正逆転に合わせて総パルス数をカウントする。また、モータコントローラ５５は、インジケータ（図示省略）を介して検出装置１９から荷重値を一定周期（可変）で受信し、数値データに変換する。
また、図４に示すように、モータコントローラ５５は、吐出指令のパルス変化量Δｐに吐出率ｋを乗じて目標重量変化量Δｒとし、Δｐが指定したパルス増加量を越えると、吐出重量変化量Δｄとの誤差ｅに基づき、ＰＩ制御（Ｋｐ，Ｋｉ）でモータ回転数係数ｍを上下限内で算出する。これを、指定されたパルス変化量Δｐ毎に実行する。
また、モータコントローラ５５は、モータ制御用のパルス信号の周期測定値に、ＰＩ制御出力のモータ回転数係数ｍを乗じたパルス周期の信号を出力する。つまり、モータコントローラ５５は、３Ｄプリンタコントローラ５２からの指令速度に対して、モータ回転を可変制御する。
【0024】
次に、モータコントローラ５５の制御について説明する。モータコントローラ５５は、造形物の形成が開始され、３Ｄプリンタコントローラ５２から駆動モータ１５の制御信号の受信を開始した場合に処理を開始する。
モータコントローラ５５は、検出装置１９の検出結果（ここでは、収容するセメント系材料Ｃを含めたノズル装置１の重量）を取得する。モータコントローラ５５は、前回の検出結果との比較からノズル装置１の重量の減少量を算出し、重量の減少量からセメント系材料Ｃの吐出量を特定する。
次に、モータコントローラ５５は、特定したセメント系材料Ｃの吐出量に基づいて、ノズル１３の吐出量が一定になるように、駆動モータ１５の制御信号（つまり、スクリュ１４の回転速度）を調整する。具体的には、モータコントローラ５５は、吐出量を想定値と比較し、吐出量が想定値よりも少ないか（または多いか）を判定する。吐出量が想定値よりも少ない場合、モータコントローラ５５は、制御信号を調整して駆動モータ１５の回転数を上げる処理（制御信号の周期を短くする処理）を行う。また、吐出量が想定値よりも多い場合、モータコントローラ５５は、制御信号を調整して駆動モータ１５の回転数を下げる処理（制御信号の周期を長くする処理）を行う。本実施形態では、ＰＩ制御を想定しており、吐出量と想定値との偏差に比例（Ｐ制御）し、更に過去の偏差の蓄積量に比例（Ｉ制御）した制御信号（モータ回転数係数ｍ）を算出する。調整後の制御信号は駆動モータ１５に送信され、調整後の制御信号に基づいて駆動モータ１５が駆動する。上記の処理は、造形物の形成が終了するまで繰り返し実行される。
モータコントローラ５５は、検出装置１９の検出結果（ここでは、収容するセメント系材料Ｃを含めたノズル装置１の重量）を取得する。モータコントローラ５５は、前回の検出結果との比較からノズル装置１の重量の減少量を算出し、重量の減少量からセメント系材料Ｃの吐出量を特定する。
次に、モータコントローラ５５は、特定したセメント系材料Ｃの吐出量に基づいて、ノズル１３の吐出量が一定になるように、駆動モータ１５の制御信号（つまり、スクリュ１４の回転速度）を調整する。具体的には、モータコントローラ５５は、吐出量を想定値と比較し、吐出量が想定値よりも少ないか（または多いか）を判定する。吐出量が想定値よりも少ない場合、モータコントローラ５５は、制御信号を調整して駆動モータ１５の回転数を上げる処理（制御信号の周期を短くする処理）を行う。また、吐出量が想定値よりも多い場合、モータコントローラ５５は、制御信号を調整して駆動モータ１５の回転数を下げる処理（制御信号の周期を長くする処理）を行う。本実施形態では、ＰＩ制御を想定しており、吐出量と想定値との偏差に比例（Ｐ制御）し、更に過去の偏差の蓄積量に比例（Ｉ制御）した制御信号（モータ回転数係数ｍ）を算出する。調整後の制御信号は駆動モータ１５に送信され、調整後の制御信号に基づいて駆動モータ１５が駆動する。上記の処理は、造形物の形成が終了するまで繰り返し実行される。
【0025】
図５は、図１に示される仕上げ装置３をノズル１３とともに示す拡大斜視図である。図６（ａ）は図５の正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の右側面図、図６（ｃ）は図６（ａ）の下面図である。図７は、図６（ｃ）のＶ－Ｖ線断面図である。図８は、コテの斜視図である。図９は、コテをノズルの進行方向における後方から見た図である。
図５～図７に示すように、仕上げ装置３は、ノズル１３に取り付けられている。仕上げ装置３は、ノズル１３の吐出口１３ａから吐出されたセメント系材料Ｃの表面を仕上げる装置である。仕上げ装置３は、コテ部３０Ａ，３０Ｂと、回転機構部４０と、セメント系材料Ｃに振動を与える振動機構６７と、を備える。
コテ部３０Ａ，３０Ｂは、ノズル１３から吐出されたセメント系材料Ｃの表面を仕上げる際に接触するコテ３１Ａ，３１Ｂを有している。コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料Ｃの吐出方向（図７における下方）に進出した位置へ先端部が来るように、移動可能に構成されている。本実施形態では、具体的には、コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料の吐出方向に進出移動、および吐出方向とは反対方向（図７における上方）に退避移動可能に構成されている。
図５～図７に示すように、仕上げ装置３は、ノズル１３に取り付けられている。仕上げ装置３は、ノズル１３の吐出口１３ａから吐出されたセメント系材料Ｃの表面を仕上げる装置である。仕上げ装置３は、コテ部３０Ａ，３０Ｂと、回転機構部４０と、セメント系材料Ｃに振動を与える振動機構６７と、を備える。
コテ部３０Ａ，３０Ｂは、ノズル１３から吐出されたセメント系材料Ｃの表面を仕上げる際に接触するコテ３１Ａ，３１Ｂを有している。コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料Ｃの吐出方向（図７における下方）に進出した位置へ先端部が来るように、移動可能に構成されている。本実施形態では、具体的には、コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料の吐出方向に進出移動、および吐出方向とは反対方向（図７における上方）に退避移動可能に構成されている。
【0026】
回転機構部４０は、ノズル１３の中心軸ＣＬを中心としてノズル１３に対してコテ３１Ａ，３１Ｂを回転移動させるものである。回転機構部４０は、アウターステータ４１と、アウターロータ４２Ａ，４２Ｂと、サーボモータ４５とを有している。アウターステータ４１は、プレート４７を介して、ノズル１３に固定されている。アウターステータ４１は、略円筒形状を呈しており、ノズル１３の径方向外側に固定して配置される。アウターロータ４２Ａとアウターロータ４２Ｂとは、ノズル１３の中心軸ＣＬ方向に並んで配置されており、互いに固定されている。アウターロータ４２Ａ，４２Ｂは、アウターステータ４１の径方向外側に軸受４８（図７参照）を介してノズル１３の中心軸ＣＬを中心として回転可能に配置されている。アウターロータ４２Ａとアウターステータ４１との間にはＯリング４９Ａが装着されており、アウターロータ４２Ｂとアウターステータ４１との間にはＯリング４９Ｂが装着されている。サーボモータ４５は、アウターロータ４２Ａ，４２Ｂを動力伝達手段を介して回転駆動させる。この動力伝達手段は、アウターロータ４２Ａに固定された第１のプーリ４３と、第１のプーリ４３とベルト４６を介して動力伝達可能に接続された第２のプーリ４４とを有している。この場合、サーボモータ４５は、第２のプーリ４４を回転駆動させる。本実施形態では、第１のプーリ４３および第２のプーリ４４として歯付きプーリが使用され、ベルト４６として歯付きベルトが使用される。
なお、前記した動力伝達手段として、本実施形態ではベルト機構（第１のプーリ４３、第２のプーリ４４、およびベルト４６）を採用したが、これに限定されるものではなく、例えばギア機構を採用してもよい。具体的には、前記した動力伝達手段は、アウターロータ４２Ａに固定された第１のギアと、第１のギアに噛合する第２のギアとを有していてもよい（図示省略）。この場合、サーボモータ４５は、第２のギアを回転駆動させる。なお、サーボモータ４５の代わりに、ステッピングモータや、ＤＣモータとエンコーダとの組み合わが使用されてもよい。また、サーボモータ４５の代わりにステッピングモータを使用し、Ｇコードに指令を追加すれば、図１のバッファリング装置５３は省略可能となる。
なお、前記した動力伝達手段として、本実施形態ではベルト機構（第１のプーリ４３、第２のプーリ４４、およびベルト４６）を採用したが、これに限定されるものではなく、例えばギア機構を採用してもよい。具体的には、前記した動力伝達手段は、アウターロータ４２Ａに固定された第１のギアと、第１のギアに噛合する第２のギアとを有していてもよい（図示省略）。この場合、サーボモータ４５は、第２のギアを回転駆動させる。なお、サーボモータ４５の代わりに、ステッピングモータや、ＤＣモータとエンコーダとの組み合わが使用されてもよい。また、サーボモータ４５の代わりにステッピングモータを使用し、Ｇコードに指令を追加すれば、図１のバッファリング装置５３は省略可能となる。
【0027】
コテ部３０Ａ，３０Ｂは、圧縮ばね３２Ａ，３２Ｂ（図７参照）と、サーボモータ３３Ａ，３３Ｂとを有している。圧縮ばね３２Ａ，３２Ｂは、コテ３１Ａ，３１Ｂを該コテ３１Ａ，３１Ｂの進出方向に付勢する。サーボモータ３３Ａ，３３Ｂは、スプール３３１Ａ，３３１Ｂを回転させることで、コテ３１Ａ，３１Ｂを該コテ３１Ａ，３１Ｂの退避方向に糸状部材３４Ａ，３４Ｂを介して巻き戻す。サーボモータ３３Ａ，３３Ｂは、アウターロータ４２Ａの外周面における１８０度反対側の位置にそれぞれ固定されている。糸状部材３４Ａ，３４Ｂとして、例えば、強度の高いＰＥラインが使用される。なお、糸状部材３４Ａ，３４Ｂには、破断防止のため、例えばテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂製のチューブを被せることが望ましい。
【0028】
図５に示すように、アウターロータ４２Ｂの先端（下端）には、コテ３１Ａ，３１Ｂを上下方向に摺動可能に支持するコテ台３５が固定されている。コテ台３５は、アウターロータ４２Ｂに固定された第１円板部３６、第１円板部３５ａの下方に配置された第２円板部３７、および第１円板部３６と第２円板部３７とを繋ぐ中間部３８を有している。
【0029】
図７に示すように、第１円板部３６の下面には、該下面から下方に延伸する一対のロッド３６ａが設けられている。また、図５に示すように、ロッド３６ａを間に挟んで両側に、第１円板部３６の下面から下方に延伸するガイド棒３６ｂ（図５参照）が設けられている。コテ３１Ａ，３１Ｂには、ロッド３６ａが挿入される中央穴３１１Ａ，３１１Ｂと、ガイド棒３６ｂが挿入されるガイド穴（図示省略）とが形成されている。第２円板部３７には、コテ３１Ａ，３１Ｂが上下方向に挿通する一対の開口３７ａが形成されている。開口３７ａの径方向外側が部分的に切り欠かれており、振動機構６７との干渉を回避している。
ロッド３６ａの先端と中央穴３１１Ａ，３１１Ｂの底面との間に、圧縮ばね３２Ａ，３２Ｂが装着される。ロッド３６ａには、糸状部材３４Ａ，３４Ｂが挿通する上下方向に沿う貫通孔３６ｃが形成されている。スプール３３１Ａ，３３１Ｂから延びる糸状部材３４Ａ，３４Ｂは、貫通孔３６ｃを通って、中央穴３１１Ａ，３１１Ｂの底面に接続されている。これにより、コテ３１Ａ，３１Ｂは、下方に進出移動、および上方に退避移動可能となっている。
ロッド３６ａの先端と中央穴３１１Ａ，３１１Ｂの底面との間に、圧縮ばね３２Ａ，３２Ｂが装着される。ロッド３６ａには、糸状部材３４Ａ，３４Ｂが挿通する上下方向に沿う貫通孔３６ｃが形成されている。スプール３３１Ａ，３３１Ｂから延びる糸状部材３４Ａ，３４Ｂは、貫通孔３６ｃを通って、中央穴３１１Ａ，３１１Ｂの底面に接続されている。これにより、コテ３１Ａ，３１Ｂは、下方に進出移動、および上方に退避移動可能となっている。
【0030】
図５、図６に示すように、コテ３１Ａ，３１Ｂは、略直方体形状を呈している。図６（ｃ）、図８に示すように、コテ３１Ａ，３１Ｂのノズル１３の中心軸ＣＬ側の面は、それぞれ導入部３１２Ａ，３１２Ｂと仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂとを有している。導入部３１２Ａ，３１２Ｂは、ノズル１３の移動方向に平行に、ノズル１３先端の外周面に接する位置に配置される。仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂは、導入部３１２Ａ，３１２Ｂよりもノズル１３の中心軸ＣＬを通りノズル１３の進行方向に沿う直線Ｌに近い位置に配置される。図６（ｃ）においては、ノズル１３の進行方向は紙面の上方向である。コテ３１Ａ，３１Ｂのうち、仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂは、セメント系材料Ｃの表面に接触して仕上げ面を形成する。仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂは、ノズル１３の進行方向において、導入部３１２Ａ，３１２Ｂよりも後方、かつノズル１３の中心よりも後方に位置されている。
【0031】
図９に示すように、コテ３１Ｂの後面（ノズル１３の進行方向における後方の面）３１４Ｂは、ノズル１３から遠い側（図９の破線の左側）が長方形を呈し、ノズル１３に近い側（図９の破線の右側）が台形を呈している。この台形の下端（セメント系材料Ｃの吐出方向先端側）における２つの内角がそれぞれ直角に設定されており、図９の破線を台形の下底とすると、上底がＨとなり、高さがＷとなる。このように、コテ３１Ｂの後面３１４Ｂのノズル１３に近い側に、下端における２つの内角がそれぞれ直角に設定された台形が形成されることによって、吐出されたセメント系材料Ｃが下方に流れ過ぎるのが抑えられる。これにより、セメント系材料Ｃの表面の仕上げがより良好となる。コテ３１Ｂにおけるノズル１３と反対側の面には、振動機構６７を取り付けるために使用されるアリ溝（台形の溝）３１５Ｂが形成されている。なお、コテ３１Ａの形状については、コテ３１Ｂと対称な形状に形成されているため、説明を省略する。
【0032】
図１０は、第１実施形態において振動機構６７により発生する起振力の手動調整を説明するためのブロック図である。振動機構６７は、偏心重錘（図示省略）を回転させる振動モータ６８を有している。本実施形態では、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂにそれぞれ設けられており、コテ３１Ａ，３１Ｂ全体に振動が伝播するようになっている。また、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂに着脱可能とされている。これにより、セメント系材料Ｃの種類によっては、振動機構６７を外して造形物を形成して、良好な表面の仕上げを得ることも可能となる。また、振動機構６７を外した状態では、振動機構６７に影響を与えることなくコテ３１Ａ，３１Ｂの清掃が可能となる。
【0033】
振動機構６７により発生する起振力Ｐ０（ｋＮ）は、以下の式で求められる。
Ｐ０＝（Ｋω２）×１０－３
ω＝２πＮ／６０＝２πｆ
Ｋ：偏心重錘のもっている偏心モーメント量（ｋｇ・ｍ）
ω：角振動数（ｓｅｃ－１）
Ｎ：振動数（毎分当たりの繰り返し回数：振動モータ６８の（毎分当たりの）回転数）（ｍｉｎ－１）
ｆ：周波数（毎秒当たりの繰り返し回数（Ｈｚ）
したがって、起振力は、偏心重錘の偏心モーメント量、または振動モータ６８の回転数を変えることで調整できる。
Ｐ０＝（Ｋω２）×１０－３
ω＝２πＮ／６０＝２πｆ
Ｋ：偏心重錘のもっている偏心モーメント量（ｋｇ・ｍ）
ω：角振動数（ｓｅｃ－１）
Ｎ：振動数（毎分当たりの繰り返し回数：振動モータ６８の（毎分当たりの）回転数）（ｍｉｎ－１）
ｆ：周波数（毎秒当たりの繰り返し回数（Ｈｚ）
したがって、起振力は、偏心重錘の偏心モーメント量、または振動モータ６８の回転数を変えることで調整できる。
【0034】
図１０に示すように、立体造形システム１００（図１参照）は、振動機構６７により発生する起振力を手動で調整するための調整部５８を備える。調整部５８は、可変可能な値を設定して、制御装置５の制御部５４に入力するものである。調整部５８としては、ここでは可変抵抗器が使用されるが、これに限定されるものではなく、例えばロータリーエンコーダや押しボタン等が使用され得る。制御部５４は、調整部５８から入力された値（ここではアナログ値）を読み取る。読み取られた値は、例えば２５５段階の数値（デジタル値）に変換され、例えばコンピュータ５１に備えられた表示部に表示される。制御部５４は、得られた数値に基づいて振動モータ６８を制御するための指令値を生成して、例えば無線シリアル通信等の通信手段によって、ノズル装置１に設けられたノズル側制御部５６に送信する。ノズル側制御部５６は、制御部５４から受け取った指令値に基づいてＰＷＭ信号を生成し、モータドライバ５７に送信する。モータドライバ５７は、受信したＰＷＭ信号に応じた電圧を、振動機構６７の振動モータ６８に出力する。このように、制御部５４からの指令値に応じた電圧によって振動モータ６８の回転数が変更されることで、振動機構６７により発生する起振力が調整される。なお、振動モータ６８は、ＰＷＭ制御に限定されるものではなく、例えば印加する電圧値を変化させることで制御されてもよい。
【0035】
次に、図１１を参照して、立体造形システム１００の動作について説明する。
図１１に示すように、制御装置５のコンピュータ５１が動作開始の指示を受けると、３Ｄプリンタコントローラ５２は、コンピュータ５１の記憶装置から層ごとの２次元データを取得する（ステップＳ１）。ここで、３Ｄプリンタコントローラ５２は、２次元データに記述されたコードに基づいて、ノズル装置１、ノズル支持装置２、および仕上げ装置３に送るパルス列データを生成する。続いて、バッファリング装置５３は、３Ｄプリンタコントローラ５２から送られるパルス列データを一旦保存する（ステップＳ２）。続いて、制御部５４は、バッファリング装置５３に保存されたパルス列データから、ノズル１３の進行方向を解析する（ステップＳ３）。例えば、ノズル１３の吐出口１３ａ中心の現在の位置に対する一つ前の位置から移動先の位置に向かう直線方向が、ノズル１３の進行方向とされる。また、制御部５４は、解析されたノズル１３の進行方向に基づく回転機構部４０に対する制御信号を、ノズル１３移動用のパルス列データと同じタイミングで送信する（ステップＳ４）。
図１１に示すように、制御装置５のコンピュータ５１が動作開始の指示を受けると、３Ｄプリンタコントローラ５２は、コンピュータ５１の記憶装置から層ごとの２次元データを取得する（ステップＳ１）。ここで、３Ｄプリンタコントローラ５２は、２次元データに記述されたコードに基づいて、ノズル装置１、ノズル支持装置２、および仕上げ装置３に送るパルス列データを生成する。続いて、バッファリング装置５３は、３Ｄプリンタコントローラ５２から送られるパルス列データを一旦保存する（ステップＳ２）。続いて、制御部５４は、バッファリング装置５３に保存されたパルス列データから、ノズル１３の進行方向を解析する（ステップＳ３）。例えば、ノズル１３の吐出口１３ａ中心の現在の位置に対する一つ前の位置から移動先の位置に向かう直線方向が、ノズル１３の進行方向とされる。また、制御部５４は、解析されたノズル１３の進行方向に基づく回転機構部４０に対する制御信号を、ノズル１３移動用のパルス列データと同じタイミングで送信する（ステップＳ４）。
【0036】
続いて、制御信号およびパルス列データに基づいてノズル装置１、ノズル支持装置２、および仕上げ装置３が動作されることで、層ごとに造形物が形成される（ステップＳ５）。そして、ステップＳ１～Ｓ５が繰り返されて、立体的な造形物が形成される。なお、本実施形態では、エクストルーダ（セメント系材料Ｃの押出し情報）のパルス列データも同時にバッファリングされるため、このパルス列データは、ノズル１３からの吐出量のフィードバック制御にも活用され得る。
【0037】
図１２は、コテ３１Ａ，３１Ｂの向きの制御について説明するための模式的な平面図である。図１２の実線で示すように、ノズル１３が紙面左方向に進行する場合、コテ３１Ａ，３１Ｂがノズル１３の中心軸ＣＬを通りノズル１３の進行方向に沿う直線Ｌ１の側方に位置するように、回転機構部４０の動作を制御する。図１２の二点鎖線で示すように、ノズル１３が紙面上方向に進行する場合、コテ３１Ａ，３１Ｂがノズル１３の中心軸ＣＬを通りノズル１３の進行方向に沿う直線Ｌ２の側方に位置するように、回転機構部４０の動作を制御する。
【0038】
図１３（ａ），（ｂ）は、コテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動の制御について説明するための模式的な正面図である。図１３に示す造形物６５は、図１３の紙面に垂直な方向に延びる長尺の構成部材を一層当たり３列に並べ、これを３層に積層する例を示している。図１３（ａ）では、ノズル１３の吐出口１３ａが下から３層目の右端に位置しており、ノズル１３は、白抜き矢印方向にセメント系材料Ｃを吐出しながら、図１３の紙面の奥方向に移動する。この場合、３層目の右端部に吐出されるセメント系材料Ｃの右の表面は造形物６５の外面に当たるため、仕上げすべき面であると判別される。したがって、ノズル１３の進行方向に向かって右側のコテ３１Ａが進出位置に来るように制御される。コテ３１Ａが進出位置にあるとき、コテ３１Ａの先端部（下端部）は、形成しようとする層の一つ下の層（ここでは下から２層目）の側面に当接するように位置される。図１３（ｂ）では、ノズル１３の吐出口１３ａが３層目の中央部に位置している。この場合、３層目の中央部に吐出されるセメント系材料Ｃの左右の表面は造形物６５の内部に当たるため、仕上げすべき面ではないと判別され、コテ３１Ａ，３１Ｂは退避位置に来るように制御される。ここで、図１３（ｂ）においてコテ３１Ａが進出すると、形成済みの造形物６５に当接してしまうことになり適切ではない。
また、本実施形態では、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂの先端部がセメント系材料Ｃの吐出方向に進出した位置にある際に、セメント系材料Ｃに振動を与えるように構成されている。すなわち、コテ３１Ａ，３１Ｂが進出しているときにセメント系材料Ｃに振動が与えられる。
また、本実施形態では、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂの先端部がセメント系材料Ｃの吐出方向に進出した位置にある際に、セメント系材料Ｃに振動を与えるように構成されている。すなわち、コテ３１Ａ，３１Ｂが進出しているときにセメント系材料Ｃに振動が与えられる。
【0039】
図１４（ａ）～（ｄ）は、コテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動の制御についてさらに具体的に説明するための模式的な図である。図１４（ａ）は完成後の造形物６５の模式的な正面図である。図１４（ｂ）は形成途中の造形物６５の下から１層目（下層）を示す模式的な平面図である。図１４（ｃ）は形成途中の造形物６５の２層目（上層）を進出位置にあるコテ３１Ａ，３１Ｂとともに示す模式的な平面図である。図１４（ｄ）は完成後の造形物６５の模式的な斜視図である。図１４に示す造形物６５は、水平方向に延びる長尺の構成部材Ａ１～Ａ６を一層当たり３列に並べ、これを２層に積層する例を示している。
【0040】
図１４（ｂ）に示すように、造形物６５の１層目（下層）を形成する際、例えば矢印で示す方向にノズル１３の吐出口１３ａが移動する。この際には、形成対象が造形物６５の最下層（構成部材Ａ１～Ａ３）であるため、コテ３１Ａ，３１Ｂは、退避位置に来るように制御される。図１４（ｃ）に示すように、造形物６５の２層目（上層）を形成する際、例えば矢印で示す方向にノズル１３の吐出口１３ａが移動する。この際には、形成対象が造形物６５の上層（構成部材Ａ４～Ａ６）であるため、上層と下層の間における縞模様を解消するため、コテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動が制御される。
【0041】
本実施形態では、造形物６５の形成時における造形物６５に対するコテ３１Ａ，３１Ｂの３次元位置情報から、コテ３１Ａ，３１Ｂを進出させたときに接触するであろうセメント系材料Ｃの表面が仕上げすべき面であるか否かが判別される。具体的には、コテ３１Ａ，３１Ｂが進出時に接触するセメント系材料Ｃの表面が造形物６５の外面に当たる場合に、仕上げすべき面であると判別される。したがって、図１４（ｃ）に示すように、構成部材Ａ４、および構成部材Ａ４と構成部材Ａ５との接続部分の形成時には、コテ３１Ａは進出位置、コテ３１Ｂは退避位置に来るように制御される。構成部材Ａ５の形成時には、コテ３１Ａ，３１Ｂは、退避位置に来るように制御される。構成部材Ａ５と構成部材Ａ６との接続部分、および構成部材Ａ６の形成時には、コテ３１Ａは退避位置、コテ３１Ｂは進出位置に来るように制御される。
【0042】
次に、図１５～図１８を参照して、コテ３１Ａ，３１Ｂを進出させたときに接触するセメント系材料Ｃの表面が仕上げすべき面であるか否かの判別方法、およびコテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動の決定方法について説明する。
１．準備
造形物６５の３次元形状のデータを、スライサーを用いて、Ｇコードが記述された２次元データ（ＮＣ用プログラム）に変換する。
１．準備
造形物６５の３次元形状のデータを、スライサーを用いて、Ｇコードが記述された２次元データ（ＮＣ用プログラム）に変換する。
【0043】
２．堆積レイヤーデータ８０（図１５（ｃ）参照）の作成
（１）堆積レイヤーデータ８０の初期化
図１５（ａ）は、実際に堆積層が配置されるエリアである積層エリア７０を示す図である。ここでは、堆積層は、外側の層７１と、内側の層７２とから構成されている。そして、積層エリア７０に対応するピクセル数を持つビットマップファイルを作成する。ここで、各ピクセルのＲＧＢデータは、すべてゼロとする。例えば、積層エリア７０が５００ｍｍ×５００ｍｍ（横幅Ｗ１×縦幅Ｈ１）で、空間分解能が０．１ｍｍの場合について考える。この場合、横方向ピクセル数Ｗ２および縦方向ピクセル数Ｈ２がともに５００ｍｍ÷０．１ｍｍ＝５０００ピクセルのビットマップファイルが作成される。このビットマップファイルが、初期化された堆積レイヤーデータ８０となる。
（２）Ｇコードの読み取り
スライサーが出力したＧコードを１行ずつ読み込む。読み込んだ座標が移動先の座標となる。その際、Ｘ座標、Ｙ座標、および吐出モータ（駆動モータ１５）の回転角のデータ（エクストルーダ）がセットになった直線補間のＧコード（指令）のみを使用する。つまり、移動のみの場合や吐出モータ回転のみの場合の指令は無視する。
直線補間のＧコードは、例えば、Ｇ０１ Ｘ１０．０ Ｙ１０．０ Ａ５００である。ここで、Ｇ０１：直線補間、Ｘ：Ｘ座標、Ｙ：Ｙ座標、Ａ：吐出モータ回転角である。
（１）堆積レイヤーデータ８０の初期化
図１５（ａ）は、実際に堆積層が配置されるエリアである積層エリア７０を示す図である。ここでは、堆積層は、外側の層７１と、内側の層７２とから構成されている。そして、積層エリア７０に対応するピクセル数を持つビットマップファイルを作成する。ここで、各ピクセルのＲＧＢデータは、すべてゼロとする。例えば、積層エリア７０が５００ｍｍ×５００ｍｍ（横幅Ｗ１×縦幅Ｈ１）で、空間分解能が０．１ｍｍの場合について考える。この場合、横方向ピクセル数Ｗ２および縦方向ピクセル数Ｈ２がともに５００ｍｍ÷０．１ｍｍ＝５０００ピクセルのビットマップファイルが作成される。このビットマップファイルが、初期化された堆積レイヤーデータ８０となる。
（２）Ｇコードの読み取り
スライサーが出力したＧコードを１行ずつ読み込む。読み込んだ座標が移動先の座標となる。その際、Ｘ座標、Ｙ座標、および吐出モータ（駆動モータ１５）の回転角のデータ（エクストルーダ）がセットになった直線補間のＧコード（指令）のみを使用する。つまり、移動のみの場合や吐出モータ回転のみの場合の指令は無視する。
直線補間のＧコードは、例えば、Ｇ０１ Ｘ１０．０ Ｙ１０．０ Ａ５００である。ここで、Ｇ０１：直線補間、Ｘ：Ｘ座標、Ｙ：Ｙ座標、Ａ：吐出モータ回転角である。
【0044】
（３）ノズル１３の中心の移動経路の作成
図１５（ｂ）に示すように、現在位置Ｐ１のＸＹ座標および移動先位置Ｐ２のＸＹ座標から、移動経路を表す直線の式を求め、適当に分割して、それぞれの座標を求める。求めた座標が、ノズル１３の中心位置の移動経路となる。
（４）吐出範囲（吐出口径）の塗りつぶし
図１５（ｂ）に示すように、ノズル１３の中心位置を中心とした円（吐出口径）を想定し、円の内側のピクセルを堆積領域７３として塗りつぶす。ここでは、堆積領域７３内の各ピクセルのＲＧＢデータは、（ｒｅｄ，ｇｒｅｅｎ，ｂｌｕｅ）＝（１００，０，０）とする。
図１５（ｂ）に示すように、現在位置Ｐ１のＸＹ座標および移動先位置Ｐ２のＸＹ座標から、移動経路を表す直線の式を求め、適当に分割して、それぞれの座標を求める。求めた座標が、ノズル１３の中心位置の移動経路となる。
（４）吐出範囲（吐出口径）の塗りつぶし
図１５（ｂ）に示すように、ノズル１３の中心位置を中心とした円（吐出口径）を想定し、円の内側のピクセルを堆積領域７３として塗りつぶす。ここでは、堆積領域７３内の各ピクセルのＲＧＢデータは、（ｒｅｄ，ｇｒｅｅｎ，ｂｌｕｅ）＝（１００，０，０）とする。
【0045】
（５）一つのレイヤー（層）についての処理が終わるまで、（２）から（４）を繰り返す。これにより、図１５（ｃ）に示すように、堆積レイヤーデータ８０が作成される。堆積レイヤーデータ８０は、ＲＧＢデータがすべてゼロのピクセルからなる素地部８１と、塗りつぶされたピクセルからなる堆積塗りつぶし部８２とを有している。なお、本実施形態ではＲＧＢデータのうちのＲｅｄしか使用していないので、ＲＧＢデータの代わりにグレイスケールのデータを使用することも可能である。また、画像ファイルのデータではなく、配列のデータを用いて判定することも可能である。
（６）一つのレイヤーについての処理が終わったら、ファイル（例えば、layer001.bmp,layer002.bmp）を保存する。
（７）すべてのレイヤーについての処理が終わるまで、（１）、（５）を繰り返す。
（６）一つのレイヤーについての処理が終わったら、ファイル（例えば、layer001.bmp,layer002.bmp）を保存する。
（７）すべてのレイヤーについての処理が終わるまで、（１）、（５）を繰り返す。
【0046】
３．コテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動の決定
（１）ノズル１３中心の位置の読み取り
スライサーが出力したＧコードを３行ずつ読み込む。その際、Ｘ座標、Ｙ座標、吐出モータ回転角のデータがセットになった直線補間のＧコード（指令）のみを使用する。１行目が一つ前のノズル１３中心の位置（Ｘ０，Ｙ０）、２行目が現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）、３行目が移動先の位置（Ｘ２，Ｙ２）とする。
（２）ノズル１３の進行方向θの計算
図１６に示すように、ノズル１３中心の現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）に対する一つ前の位置（Ｘ０，Ｙ０）から移動先の位置（Ｘ２，Ｙ２）に向かう直線方向が、現在の位置におけるノズル１３の進行方向θとされる。すなわち、現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）におけるノズル１３の進行方向θは、式（１）から求められる。
（１）ノズル１３中心の位置の読み取り
スライサーが出力したＧコードを３行ずつ読み込む。その際、Ｘ座標、Ｙ座標、吐出モータ回転角のデータがセットになった直線補間のＧコード（指令）のみを使用する。１行目が一つ前のノズル１３中心の位置（Ｘ０，Ｙ０）、２行目が現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）、３行目が移動先の位置（Ｘ２，Ｙ２）とする。
（２）ノズル１３の進行方向θの計算
図１６に示すように、ノズル１３中心の現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）に対する一つ前の位置（Ｘ０，Ｙ０）から移動先の位置（Ｘ２，Ｙ２）に向かう直線方向が、現在の位置におけるノズル１３の進行方向θとされる。すなわち、現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）におけるノズル１３の進行方向θは、式（１）から求められる。
【0047】
【数1】
【0048】
（３）コテ３１Ａ，３１Ｂの位置の計算
図１７に示すように、ノズル１３中心の現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）と進行方向θから、左右のコテ３１Ａ，３１Ｂの位置を求める。ここで、ノズル１３中心と左右の３１Ａ，３１Ｂとの相対的な位置関係は予め分かっているものとする。
図１７に示すように、ノズル１３中心の現在の位置（Ｘ１，Ｙ１）と進行方向θから、左右のコテ３１Ａ，３１Ｂの位置を求める。ここで、ノズル１３中心と左右の３１Ａ，３１Ｂとの相対的な位置関係は予め分かっているものとする。
【0049】
（４）コテ配置レイヤーデータ９０Ａ，９０Ｂの作成
図１５（ｃ）に示す堆積レイヤーデータ８０と同じピクセル数を持つビットマップファイルを作成する。ここで、各ピクセルのＲＧＢデータは、すべてゼロとする。続いて、コテ３１Ａ，３１Ｂに相当する部分を塗りつぶす。ここでは、塗りつぶされたピクセルのＲＧＢデータは、（ｒｅｄ，ｇｒｅｅｎ，ｂｌｕｅ）＝（１００，０，０）とする。平面視で進行方向に向かって左のコテ３１Ｂと右のコテ３１Ａとで、別ファイルを作成する。図１８（ａ）は、左のコテ３１Ｂに相当する部分を塗りつぶして作成されたコテ配置レイヤーデータ９０Ｂを示す図である。コテ配置レイヤーデータ９０Ｂは、ＲＧＢデータがすべてゼロのピクセルからなる素地部９１と、塗りつぶされたピクセルからなるコテ塗りつぶし部９２Ｂとを有している。図１８（ｂ）は、右のコテ３１Ａに相当する部分を塗りつぶして作成されたコテ配置レイヤーデータ９０Ａを示す図である。コテ配置レイヤーデータ９０Ａは、ＲＧＢデータがすべてゼロのピクセルからなる素地部９１と、塗りつぶされたピクセルからなるコテ塗りつぶし部９２Ａとを有している。
図１５（ｃ）に示す堆積レイヤーデータ８０と同じピクセル数を持つビットマップファイルを作成する。ここで、各ピクセルのＲＧＢデータは、すべてゼロとする。続いて、コテ３１Ａ，３１Ｂに相当する部分を塗りつぶす。ここでは、塗りつぶされたピクセルのＲＧＢデータは、（ｒｅｄ，ｇｒｅｅｎ，ｂｌｕｅ）＝（１００，０，０）とする。平面視で進行方向に向かって左のコテ３１Ｂと右のコテ３１Ａとで、別ファイルを作成する。図１８（ａ）は、左のコテ３１Ｂに相当する部分を塗りつぶして作成されたコテ配置レイヤーデータ９０Ｂを示す図である。コテ配置レイヤーデータ９０Ｂは、ＲＧＢデータがすべてゼロのピクセルからなる素地部９１と、塗りつぶされたピクセルからなるコテ塗りつぶし部９２Ｂとを有している。図１８（ｂ）は、右のコテ３１Ａに相当する部分を塗りつぶして作成されたコテ配置レイヤーデータ９０Ａを示す図である。コテ配置レイヤーデータ９０Ａは、ＲＧＢデータがすべてゼロのピクセルからなる素地部９１と、塗りつぶされたピクセルからなるコテ塗りつぶし部９２Ａとを有している。
【0050】
（５）仕上げすべき面であるか否かの判別（現在のレイヤー（層））
図１９（ａ），（ｂ）に示すように、コテ配置レイヤーデータ９０Ａ，９０Ｂと堆積レイヤーデータ８０のビットマップファイルをピクセルごとに加算（合成）することで、合成画像８０Ａ，８０Ｂを作成する。合成画像８０Ａは、素地部８１と、堆積塗りつぶし部８２と、コテ塗りつぶし部９２Ａとを有している。ここでは、コテ塗りつぶし部９２Ａは、堆積塗りつぶし部８２の上に重なっている。合成画像８０Ｂは、素地部８１と、堆積塗りつぶし部８２と、コテ塗りつぶし部９２Ｂとを有している。合成画像８０Ａ，８０Ｂのピクセルの値を調べることで、コテ塗りつぶし部９２Ａ，９２Ｂと堆積塗りつぶし部８２との重なりを以下のように判定できる．
図１９（ａ），（ｂ）に示すように、コテ配置レイヤーデータ９０Ａ，９０Ｂと堆積レイヤーデータ８０のビットマップファイルをピクセルごとに加算（合成）することで、合成画像８０Ａ，８０Ｂを作成する。合成画像８０Ａは、素地部８１と、堆積塗りつぶし部８２と、コテ塗りつぶし部９２Ａとを有している。ここでは、コテ塗りつぶし部９２Ａは、堆積塗りつぶし部８２の上に重なっている。合成画像８０Ｂは、素地部８１と、堆積塗りつぶし部８２と、コテ塗りつぶし部９２Ｂとを有している。合成画像８０Ａ，８０Ｂのピクセルの値を調べることで、コテ塗りつぶし部９２Ａ，９２Ｂと堆積塗りつぶし部８２との重なりを以下のように判定できる．
【0051】
すなわち、すべてのピクセルの値が、ｒｅｄ≦１００（ｇｒｅｅｎ，ｂｌｕｅはゼロ）である場合、「重なりなし」と判定される。一方、ｒｅｄ＝２００（もしくはｒｅｄ＞１００）のピクセルがある（または所定ピクセル数以上ある）場合、「重なりあり」と判定される。そして、「重なりなし」と判定された場合、コテ３１Ａ，３１Ｂが進出時に接触するセメント系材料Ｃの表面が仕上げすべき面であると判別される。
（６）仕上げすべき面であるか否かの判別（一つ下のレイヤー（層））
一つ下の堆積レイヤーデータに対して、（５）と同様の処理を実行する。
（６）仕上げすべき面であるか否かの判別（一つ下のレイヤー（層））
一つ下の堆積レイヤーデータに対して、（５）と同様の処理を実行する。
【0052】
（７）２次元データ（ＮＣ用プログラム）の修正
仕上げすべき面であるか否かの判別結果に基づいて、コテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動を制御するための指令を追加するように、２次元データを修正する。
すなわち、現在のレイヤーおよび一つ下のレイヤーのどちらも「重なりなし」の場合、コテ３１Ａ，３１Ｂは進出位置と決定する（仕上げあり）。一方、現在のレイヤーあるいは一つ下のレイヤーが「重なりあり」の場合、コテ３１Ａ，３１Ｂは退避位置と決定する（仕上げなし）。この決定は、右のコテ３１Ａと左のコテ３１Ｂとで別々に行われる。
（８）一つのレイヤーについての処理が終わるまで、（１）から（７）を繰り返す。
（９）すべてのレイヤーについての処理が終わるまで（８）を繰り返す。
このような２次元データの修正は、制御装置５のコンピュータ５１が所定のプログラムを実行することで効率的に行うが、マニュアルで行うことも可能である。
なお、サーボモータ４５の代わりに、ステッピングモータを用いる場合には、ノズル１３の進行方向θを事前に解析し、解析されたノズル１３の進行方向θに基づく回転機構部４０の回転角の情報をＧコードに追加するように修正された２次元データを使用する。
そして、修正された２次元データに基づいてノズル１３からセメント系材料Ｃを吐出するとともにコテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動を制御することで、表面の仕上げが行われた立体的な造形物を形成できる。
仕上げすべき面であるか否かの判別結果に基づいて、コテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動を制御するための指令を追加するように、２次元データを修正する。
すなわち、現在のレイヤーおよび一つ下のレイヤーのどちらも「重なりなし」の場合、コテ３１Ａ，３１Ｂは進出位置と決定する（仕上げあり）。一方、現在のレイヤーあるいは一つ下のレイヤーが「重なりあり」の場合、コテ３１Ａ，３１Ｂは退避位置と決定する（仕上げなし）。この決定は、右のコテ３１Ａと左のコテ３１Ｂとで別々に行われる。
（８）一つのレイヤーについての処理が終わるまで、（１）から（７）を繰り返す。
（９）すべてのレイヤーについての処理が終わるまで（８）を繰り返す。
このような２次元データの修正は、制御装置５のコンピュータ５１が所定のプログラムを実行することで効率的に行うが、マニュアルで行うことも可能である。
なお、サーボモータ４５の代わりに、ステッピングモータを用いる場合には、ノズル１３の進行方向θを事前に解析し、解析されたノズル１３の進行方向θに基づく回転機構部４０の回転角の情報をＧコードに追加するように修正された２次元データを使用する。
そして、修正された２次元データに基づいてノズル１３からセメント系材料Ｃを吐出するとともにコテ３１Ａ，３１Ｂの進出退避移動を制御することで、表面の仕上げが行われた立体的な造形物を形成できる。
【0053】
前記したように、本実施形態の立体造形システム１００は、セメント系材料Ｃを吐出するノズル１３と、ノズル１３に取り付けられ、ノズル１３から吐出されたセメント系材料Ｃの表面を仕上げる仕上げ装置３とを備える。仕上げ装置３は、ノズル１３から吐出されたセメント系材料Ｃの表面に接触するコテ３１Ａ，３１Ｂと、セメント系材料Ｃに振動を与える振動機構６７とを有している。
本実施形態では、セメント系材料Ｃに振動を与えて流動化を促進させるとともに、コテ３１Ａ，３１Ｂがセメント系材料Ｃの表面に接触した状態でノズル１３が進行することで、表面の仕上げを行うことができる。しかも、セメント系材料Ｃの流動化を促進させることができるため、コンシステンシーが異なる各種の材料（配合）を使用する場合や、同じ材料であっても積層中にコンシステンシーが時間的に変化する場合にも、対応可能となる。これにより、層間の縞模様が解消され、仕上げ面が平滑となる。表面の仕上げを実施することによって層間の不連続面の形成が抑制されるため、造形物の耐久性の向上が期待できる。また、造形物の美観の向上、構造耐力低下の抑制も期待できる。
このように、本発明によれば、セメント系材料Ｃを積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消することができる。
本実施形態では、セメント系材料Ｃに振動を与えて流動化を促進させるとともに、コテ３１Ａ，３１Ｂがセメント系材料Ｃの表面に接触した状態でノズル１３が進行することで、表面の仕上げを行うことができる。しかも、セメント系材料Ｃの流動化を促進させることができるため、コンシステンシーが異なる各種の材料（配合）を使用する場合や、同じ材料であっても積層中にコンシステンシーが時間的に変化する場合にも、対応可能となる。これにより、層間の縞模様が解消され、仕上げ面が平滑となる。表面の仕上げを実施することによって層間の不連続面の形成が抑制されるため、造形物の耐久性の向上が期待できる。また、造形物の美観の向上、構造耐力低下の抑制も期待できる。
このように、本発明によれば、セメント系材料Ｃを積層して立体的な造形物を形成する場合において、層間の縞模様を解消することができる。
【0054】
また、本実施形態では、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂにそれぞれ設けられている。この構成では、ノズル１３から吐出されたセメント系材料Ｃの表面に接触するコテ３１Ａ，３１Ｂを振動させることができるため、セメント系材料Ｃの表面を直接的に流動化させて効率良く仕上げることができる。なお、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂに設けられることに限定されず、例えばノズル１３の外周面上に設けられてもよい。
また、本実施形態では、コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料Ｃの吐出方向に進出した位置へ先端部が来るように移動可能である。この構成では、コテ３１Ａ，３１Ｂを進出させたとき接触するセメント系材料Ｃの表面が仕上げすべき面である場合に、コテ３１Ａ，３１Ｂを進出させて表面の仕上げを行うことができる。
また、本実施形態では、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂにそれぞれ設けられるとともに、コテ３１Ａ，３１Ｂの先端部がセメント系材料Ｃの吐出方向に進出した位置にある際に、セメント系材料Ｃに振動を与える。この構成では、コテ３１Ａ，３１Ｂをセメント系材料Ｃの表面に接触させて表面の仕上げを行うときに、セメント系材料Ｃに振動を与えることができる。すなわち、必要なときにコテ３１Ａ，３１Ｂを介してセメント系材料Ｃに振動を効率的に与えることができ、不必要に振動を与えることはない。
また、本実施形態では、コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料Ｃの吐出方向に進出した位置へ先端部が来るように移動可能である。この構成では、コテ３１Ａ，３１Ｂを進出させたとき接触するセメント系材料Ｃの表面が仕上げすべき面である場合に、コテ３１Ａ，３１Ｂを進出させて表面の仕上げを行うことができる。
また、本実施形態では、振動機構６７は、コテ３１Ａ，３１Ｂにそれぞれ設けられるとともに、コテ３１Ａ，３１Ｂの先端部がセメント系材料Ｃの吐出方向に進出した位置にある際に、セメント系材料Ｃに振動を与える。この構成では、コテ３１Ａ，３１Ｂをセメント系材料Ｃの表面に接触させて表面の仕上げを行うときに、セメント系材料Ｃに振動を与えることができる。すなわち、必要なときにコテ３１Ａ，３１Ｂを介してセメント系材料Ｃに振動を効率的に与えることができ、不必要に振動を与えることはない。
【0055】
また、本実施形態では、コテ３１Ａ，３１Ｂは、ノズルの中心軸側の面において、導入部３１２Ａ，３１２Ｂと、仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂとをそれぞれ有している。導入部３１２Ａ，３１２Ｂは、ノズル１３の移動方向に平行である。仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂは、ノズル１３の進行方向において導入部３１２Ａ，３１２Ｂよりも後方に位置されている。この場合、仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂは、導入部３１２Ａ，３１２Ｂよりも、ノズル１３の中心軸ＣＬを通りノズル１３の進行方向に沿う直線に近い位置に配置されている。この構成では、ノズル１３から吐出したセメント系材料Ｃを導入部３１２Ａ，３１２Ｂに導入した後に、セメント系材料Ｃの表面に確実にコテ３１Ａ，３１Ｂの仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂを接触させて表面の仕上げを行うことができる。
【0056】
また、本実施形態では、立体造形システム１００は、振動機構６７により発生する起振力を手動で調整するための調整部５８を備えている。この構成では、使用するセメント系材料Ｃのコンシステンシーに応じて、振動機構６７により発生する起振力を、調整部５８によって調整することができる。例えば偏心重錘を振動モータ６８で回転させる振動機構６７では、調整部５８を用いて振動モータ６８の回転数を変えることで起振力を手動で調整できる。また、造形物の形成中に振動モータ６８の回転数を変えることができ、セメント系材料Ｃのコンシステンシーの変化を見ながら起振力を柔軟に調整することができる。これにより、セメント系材料Ｃの表面の仕上げをより良好に行うことができる。なお、調整部５８を用いて偏心重錘の偏心モーメント量を変えることで起振力を手動で調整できるように構成されてもよい。
【0057】
［第２実施形態］
次に、図２０を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図２０は、第２実施形態において振動機構６７により発生する起振力の自動調整を説明するためのブロック図である。第２実施形態は、振動機構６７により発生する起振力を自動調整する点で、手動調整する第１実施形態と相違している。なお、第１の実施形態と共通する点についての説明は省略する。
次に、図２０を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図２０は、第２実施形態において振動機構６７により発生する起振力の自動調整を説明するためのブロック図である。第２実施形態は、振動機構６７により発生する起振力を自動調整する点で、手動調整する第１実施形態と相違している。なお、第１の実施形態と共通する点についての説明は省略する。
【0058】
図２０に示すように、検出部５９は、セメント系材料Ｃのコンシステンシーに関する流動性情報を検出する。本実施形態では、検出部５９は、セメント系材料Ｃをノズル１３から定量吐出させるようにスクリュ１４を駆動する駆動モータ１５の回転数に対応する情報を流動性情報として検出する。すなわち、検出部５９は、モータコントローラ５５から、モータ回転数係数ｍを受け取ることで、モータ回転数係数ｍを流動性情報として検出する。そして、制御部５４は、検出部５９によって検出された流動性情報としてのモータ回転数係数ｍに基づいて、振動機構６７により発生する起振力を制御する。
【0059】
具体的には、制御部５４は、ｍ＞１．０の場合、つまり吐出量が想定値よりも少ない場合、セメント系材料Ｃの流動性が想定よりも低下していると判断して、振動モータ６８の回転数を増加させる。これにより、起振力が増大して、セメント系材料Ｃの流動性が促進される。制御部５４は、ｍ＝１．０の場合、つまり吐出量が想定値通りの場合、セメント系材料Ｃの流動性が想定通りと判断して、振動モータ６８の回転数を変更しない。これにより、起振力は変化せず、セメント系材料Ｃの流動性が維持される。一方、制御部５４は、ｍ＜１．０の場合、つまり吐出量が想定値よりも多い場合、セメント系材料Ｃの流動性が想定よりも上昇していると判断して、振動モータ６８の回転数を減少させる。これにより、起振力が低下して、セメント系材料Ｃの流動性が抑制される。
【0060】
起振力の補正係数Ａは、以下の式で定義される。
Ａ＝Ｐ／Ｐ０＝（ｆ／ｆ０）２＝（Ｎ／Ｎ０）２
周波数または回転数の補正係数Ｂは、以下の式で与えられる。
Ｂ＝（ｆ／ｆ０）＝（Ｎ／Ｎ０）＝Ａ１／２
Ｐ：補正後の起振力
Ｐ０：起振力の初期値（対象とする材料でｍ＝１．０のときに良好な仕上げが得られる起振力）
ｆ：補正後の周波数
ｆｏ：周波数の初期値（対象とする材料でｍ＝１．０のときに良好な仕上げが得られる周波数）
Ｎ：補正後の回転数
Ｎｏ：回転数の初期値（対象とする材料でｍ＝１．０のときに良好な仕上げが得られる振動モータ６８の回転数）
起振力の補正係数Ａは、ｍ＝１．０のときにＡ＝１．０となるモータ回転数係数ｍの関数であり、例えば以下の式で与えられる。
Ａ＝αｍ－１
α：１よりも大きい任意の数値（例えば実験で決定される）
この場合、回転数の補正係数Ｂは、以下の式で求められる。
Ｂ＝Ａ１／２＝（αｍ－１）１／２
Ａ＝Ｐ／Ｐ０＝（ｆ／ｆ０）２＝（Ｎ／Ｎ０）２
周波数または回転数の補正係数Ｂは、以下の式で与えられる。
Ｂ＝（ｆ／ｆ０）＝（Ｎ／Ｎ０）＝Ａ１／２
Ｐ：補正後の起振力
Ｐ０：起振力の初期値（対象とする材料でｍ＝１．０のときに良好な仕上げが得られる起振力）
ｆ：補正後の周波数
ｆｏ：周波数の初期値（対象とする材料でｍ＝１．０のときに良好な仕上げが得られる周波数）
Ｎ：補正後の回転数
Ｎｏ：回転数の初期値（対象とする材料でｍ＝１．０のときに良好な仕上げが得られる振動モータ６８の回転数）
起振力の補正係数Ａは、ｍ＝１．０のときにＡ＝１．０となるモータ回転数係数ｍの関数であり、例えば以下の式で与えられる。
Ａ＝αｍ－１
α：１よりも大きい任意の数値（例えば実験で決定される）
この場合、回転数の補正係数Ｂは、以下の式で求められる。
Ｂ＝Ａ１／２＝（αｍ－１）１／２
【0061】
制御部５４は、検出部５９によって検出された流動性情報としてのモータ回転数係数ｍから得られた回転数の補正係数Ｂに基づいて振動モータ６８を制御するための指令値を生成して、ノズル側制御部５６に送信する。ノズル側制御部５６は、制御部５４から受け取った指令値に基づいてＰＷＭ信号を生成し、モータドライバ５７に送信する。モータドライバ５７は、受信したＰＷＭ信号に応じた電圧を、振動機構６７の振動モータ６８に出力する。このように、制御部５４からの指令値に応じた電圧によって振動モータ６８の回転数が変更されることで、振動機構６７により発生する起振力が調整される。
【0062】
このような第２実施形態では、立体造形システム１００は、検出部５９と、制御部５４とを備えている。この場合、検出部５９は、セメント系材料Ｃのコンシステンシーに関する流動性情報を検出し、制御部５４は、検出部５９によって検出された流動性情報に基づいて、振動機構６７により発生する起振力を制御する。この構成では、検出部５９によって検出されたセメント系材料Ｃの流動性情報を用いて、振動機構６７により発生する起振力を、制御部５４によって自動的に制御することができる。具体的には、例えば偏心重錘を振動モータ６８で回転させる振動機構では、制御部５４によって振動モータ６８の回転数を変えることで起振力を自動的に調整できる。これにより、セメント系材料Ｃの表面の仕上げをより良好に行うことができる。
【0063】
また、第２実施形態では、検出部５９は、セメント系材料Ｃをノズル１３から定量吐出させるようにスクリュ１４を駆動する駆動モータ１５の回転数に対応する情報であるモータ回転数係数ｍを流動性情報として検出する。この構成では、セメント系材料Ｃをノズルから定量吐出するフィードバック制御を行う場合に得られるモータ回転数係数ｍを、流動性情報として利用することができる。
なお、検出部５９は、モータ回転数係数ｍを検出する場合に限定されるものではない。検出部５９は、例えばレーザ変位計を使用して非接触でセメント系材料Ｃの表面粗さを検出し、流動性情報と置き換えてもよい。この場合、セメント系材料Ｃの表面粗さが大きいほど、コンステンシーが大きいと判断できる。また、検出部５９は、例えば撮像装置を使用して撮像されたセメント系材料Ｃの表面の画像から認識された表面のきめ細かさや輝度等の情報を流動性情報として検出してもよい。
なお、検出部５９は、モータ回転数係数ｍを検出する場合に限定されるものではない。検出部５９は、例えばレーザ変位計を使用して非接触でセメント系材料Ｃの表面粗さを検出し、流動性情報と置き換えてもよい。この場合、セメント系材料Ｃの表面粗さが大きいほど、コンステンシーが大きいと判断できる。また、検出部５９は、例えば撮像装置を使用して撮像されたセメント系材料Ｃの表面の画像から認識された表面のきめ細かさや輝度等の情報を流動性情報として検出してもよい。
【0064】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
例えば、ノズル１３から吐出されたセメント系材料Ｃの表面に対する仕上げの有無は、例えば円環形状の層の内側と外側とで独立して設定可能である。例えば円筒形状の造形物の外側のみを仕上げ、内側は仕上げずに敢えて凹凸を残すことができる。この場合、円筒形状の造形物の内部に例えばコンクリートを打ち込んだ場合に、両者の付着力を高めて一体化させることが可能である。また、表面の内外での仕上げの使い分けだけでなく、一つの面内でその一部のみを仕上げることも可能であり、デザインの自由度が拡大する。
コテ３１Ａ，３１Ｂの導入部３１２Ａ，３１２Ｂと仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂとは、間に段差が形成されているが、これに限定されるものではなく、同一平面上に存在していてもよい。この場合の平面は、ノズル１３の中心軸ＣＬを通りノズル１３の進行方向に沿う直線Ｌに平行、または仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂの方が導入部３１２Ａ，３１２Ｂよりも直線Ｌに近くなるように傾斜していることが好ましい。
前記実施形態では、コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料の吐出方向に進出移動、および吐出方向とは反対方向に退避移動可能に構成されている。つまり、前記実施形態では、コテ３１Ａ，３１Ｂは、直線方向に移動させられるように構成されているが、これに限定されるものではない。図２１は、変形例に係るコテ部３０Ｃを説明するための模式的な側面図である。図２１に示すように、コテ部３０Ｃは、サーボモータ３３Ａと、第１リンク３０２Ｃと、第２リンク３０３Ｃと、コテ３１Ｃとを有している。第１リンク３０２Ｃは、一端がサーボモータ３３Ａによって回転させられる軸３０１Ｃに固定され、他端が第２リンク３０３Ｃの一端に回動可能に連結されている。第２リンク３０３Ｃの他端は、コテ３１Ｃの先端部に回動可能に連結されている。コテ３１Ｃの基端部は、ヒンジ３０４Ｃに回動可能に連結されている。つまり、コテ３１Ｃは、回転方向に移動、すなわちヒンジ３０４Ｃを中心として回動させられることで、セメント系材料の吐出方向に進出した位置へコテ３１Ｃの先端部が来るように構成されている。この場合、第１リンク３０２Ｃを矢印Ａで示す方向に回動させるとコテ３１Ｃの先端部が下がり、第１リンク３０２Ｃを矢印Ｂで示す方向に回動させるとコテ３１Ｃの先端部が上がる。コテ３１Ｄも、コテ３１Ｃを回動させる機構と同様な構成（図示省略）によって回動させることができる。
ノズル支持装置２の構成は、ノズル装置１を３次元的に移動させることが可能であれば特に限定されるものではなく、例えば多軸式ロボットアームの先端にノズル装置１を装着して支持してもよい。この場合、ロボットアームの動作によってノズル１３とともにコテ３１Ａ，３１Ｂを回転させることができるため、回転機構部４０を省略してもよい。
また、前記実施形態では、ノズル装置１を３次元的に移動させる立体造形システム１００について説明したが、これに限定されるものではない。立体造形システム１００の構成は、例えば、ノズル装置１が平面移動するとともに造形物が形成される製作テーブルが上下動することで立体的な造形物が形成されるものであってもよい。
例えば、ノズル１３から吐出されたセメント系材料Ｃの表面に対する仕上げの有無は、例えば円環形状の層の内側と外側とで独立して設定可能である。例えば円筒形状の造形物の外側のみを仕上げ、内側は仕上げずに敢えて凹凸を残すことができる。この場合、円筒形状の造形物の内部に例えばコンクリートを打ち込んだ場合に、両者の付着力を高めて一体化させることが可能である。また、表面の内外での仕上げの使い分けだけでなく、一つの面内でその一部のみを仕上げることも可能であり、デザインの自由度が拡大する。
コテ３１Ａ，３１Ｂの導入部３１２Ａ，３１２Ｂと仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂとは、間に段差が形成されているが、これに限定されるものではなく、同一平面上に存在していてもよい。この場合の平面は、ノズル１３の中心軸ＣＬを通りノズル１３の進行方向に沿う直線Ｌに平行、または仕上げ部３１３Ａ，３１３Ｂの方が導入部３１２Ａ，３１２Ｂよりも直線Ｌに近くなるように傾斜していることが好ましい。
前記実施形態では、コテ３１Ａ，３１Ｂは、セメント系材料の吐出方向に進出移動、および吐出方向とは反対方向に退避移動可能に構成されている。つまり、前記実施形態では、コテ３１Ａ，３１Ｂは、直線方向に移動させられるように構成されているが、これに限定されるものではない。図２１は、変形例に係るコテ部３０Ｃを説明するための模式的な側面図である。図２１に示すように、コテ部３０Ｃは、サーボモータ３３Ａと、第１リンク３０２Ｃと、第２リンク３０３Ｃと、コテ３１Ｃとを有している。第１リンク３０２Ｃは、一端がサーボモータ３３Ａによって回転させられる軸３０１Ｃに固定され、他端が第２リンク３０３Ｃの一端に回動可能に連結されている。第２リンク３０３Ｃの他端は、コテ３１Ｃの先端部に回動可能に連結されている。コテ３１Ｃの基端部は、ヒンジ３０４Ｃに回動可能に連結されている。つまり、コテ３１Ｃは、回転方向に移動、すなわちヒンジ３０４Ｃを中心として回動させられることで、セメント系材料の吐出方向に進出した位置へコテ３１Ｃの先端部が来るように構成されている。この場合、第１リンク３０２Ｃを矢印Ａで示す方向に回動させるとコテ３１Ｃの先端部が下がり、第１リンク３０２Ｃを矢印Ｂで示す方向に回動させるとコテ３１Ｃの先端部が上がる。コテ３１Ｄも、コテ３１Ｃを回動させる機構と同様な構成（図示省略）によって回動させることができる。
ノズル支持装置２の構成は、ノズル装置１を３次元的に移動させることが可能であれば特に限定されるものではなく、例えば多軸式ロボットアームの先端にノズル装置１を装着して支持してもよい。この場合、ロボットアームの動作によってノズル１３とともにコテ３１Ａ，３１Ｂを回転させることができるため、回転機構部４０を省略してもよい。
また、前記実施形態では、ノズル装置１を３次元的に移動させる立体造形システム１００について説明したが、これに限定されるものではない。立体造形システム１００の構成は、例えば、ノズル装置１が平面移動するとともに造形物が形成される製作テーブルが上下動することで立体的な造形物が形成されるものであってもよい。
【符号の説明】
【0065】
１ ノズル装置
１３ ノズル
１４ スクリュ
１５ 駆動モータ
２ ノズル支持装置
３ 仕上げ装置
３１Ａ，３１Ｂ コテ
３１２Ａ，３１２Ｂ 導入部
３１３Ａ，３１３Ｂ 仕上げ部
５ 制御装置
５４ 制御部
５５ モータコントローラ
５８ 調整部
５９ 検出部
６５ 造形物
６７ 振動機構
１００ 立体造形システム
Ｃ セメント系材料
ＣＬ 中心軸
Ｌ 直線
ｍ モータ回転数係数（流動性情報）
θ 進行方向
１３ ノズル
１４ スクリュ
１５ 駆動モータ
２ ノズル支持装置
３ 仕上げ装置
３１Ａ，３１Ｂ コテ
３１２Ａ，３１２Ｂ 導入部
３１３Ａ，３１３Ｂ 仕上げ部
５ 制御装置
５４ 制御部
５５ モータコントローラ
５８ 調整部
５９ 検出部
６５ 造形物
６７ 振動機構
１００ 立体造形システム
Ｃ セメント系材料
ＣＬ 中心軸
Ｌ 直線
ｍ モータ回転数係数（流動性情報）
θ 進行方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】