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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】P2023023622
(43)【公開日】2023-02-16
(54)【発明の名称】立体造形システムおよび立体造形方法
(51)【国際特許分類】
B28B 1/30 20060101AFI20230209BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20230209BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20230209BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20230209BHJP
【ＦＩ】
B28B1/30
B33Y30/00
B33Y10/00
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 2021129298
(22)【出願日】2021-08-05
(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】岩本 達也
(72)【発明者】
【氏名】原槙 真也
【テーマコード（参考）】
4G052
【Ｆターム（参考）】
4G052DA01
4G052DA08
4G052DB12
4G052DC06
(57)【要約】
【課題】セメント系材料の吐出量を安定させることができる立体造形システムおよび立体造形方法を提供する。
【解決手段】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立体造形システム１００Ａであって、セメント系材料Ｃを吐出するノズル１３と、回転することでセメント系材料Ｃをノズル１３から吐出させるスクリュと、ノズル１３の吐出量に相関する情報を検出する検出装置６と、検出装置６の検出結果に基づいて、ノズル１３の吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御装置５とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】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立体造形システム１００Ａであって、セメント系材料Ｃを吐出するノズル１３と、回転することでセメント系材料Ｃをノズル１３から吐出させるスクリュと、ノズル１３の吐出量に相関する情報を検出する検出装置６と、検出装置６の検出結果に基づいて、ノズル１３の吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御装置５とを備える。
【選択図】図１
【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、
回転することで前記セメント系材料を前記ノズルから吐出させるスクリュと、
前記ノズルの吐出量に相関する情報を検出する検出装置と、
前記検出装置の検出結果に基づいて、前記ノズルの吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御装置と、を備える、
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、
回転することで前記セメント系材料を前記ノズルから吐出させるスクリュと、
前記ノズルの吐出量に相関する情報を検出する検出装置と、
前記検出装置の検出結果に基づいて、前記ノズルの吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御装置と、を備える、
ことを特徴とする立体造形システム。
【請求項2】
前記制御装置は、前記スクリュを駆動するモータの回転数を制御するための制御信号を出力する第１の制御装置と、フィードバック制御により前記制御信号を補正する第２の制御装置とを備え、
前記第１の制御装置は、前記ノズルの移動速度と前記スクリュの回転速度との関係を示した情報を有し、前記ノズルの移動速度に応じた第１のパルス信号を出力し、
前記第２の制御装置は、前記検出装置の検出結果に基づいて前記第１のパルス信号の周期を調整し、調整後の第２のパルス信号を前記モータに出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形システム。
前記第１の制御装置は、前記ノズルの移動速度と前記スクリュの回転速度との関係を示した情報を有し、前記ノズルの移動速度に応じた第１のパルス信号を出力し、
前記第２の制御装置は、前記検出装置の検出結果に基づいて前記第１のパルス信号の周期を調整し、調整後の第２のパルス信号を前記モータに出力する、
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】
前記第２の制御装置は、ＰＩ制御によって前記第１のパルス信号の周期を調整する、ことを特徴とする請求項２に記載の立体造形システム。
【請求項4】
前記検出装置は、前記ノズルの重さを計測するロードセルであり、前記ノズルの吐出量に相関する情報として、前記ノズルの重さの減少量を検出する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の立体造形システム。
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の立体造形システム。
【請求項5】
前記セメント系材料を前記ノズルに供給する供給装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記供給装置によって前記セメント系材料が供給されている期間では、前記スクリュの回転速度を変更せずに一定とする、
ことを特徴とする請求項４に記載の立体造形システム。
前記制御装置は、前記供給装置によって前記セメント系材料が供給されている期間では、前記スクリュの回転速度を変更せずに一定とする、
ことを特徴とする請求項４に記載の立体造形システム。
【請求項6】
前記検出装置は、前記造形物が形成されるテーブルの重さを計測するロードセルであり、前記ノズルの吐出量に相関する情報として、前記テーブルの重さの増加量を検出する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の立体造形システム。
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の立体造形システム。
【請求項7】
前記検出装置は、前記ノズルから吐出する前記セメント系材料の流量を検出するセンサ、または、前記ノズルから吐出する前記セメント系材料を撮影した画像を解析することで吐出する前記セメント系材料の流量を算出する画像解析手段である、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の立体造形システム。
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の立体造形システム。
【請求項8】
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方法であって、
前記立体造形方法は、スクリュを回転させることで前記セメント系材料をノズルから吐出させて前記造形物を形成するものであり、
前記ノズルの吐出量に相関する情報を検出する検出ステップと、
前記検出ステップの検出結果に基づいて、前記ノズルの吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御ステップと、を有し、
前記検出ステップと前記制御ステップとを繰り返し実行する、
ことを特徴とする立体造形方法。
前記立体造形方法は、スクリュを回転させることで前記セメント系材料をノズルから吐出させて前記造形物を形成するものであり、
前記ノズルの吐出量に相関する情報を検出する検出ステップと、
前記検出ステップの検出結果に基づいて、前記ノズルの吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御ステップと、を有し、
前記検出ステップと前記制御ステップとを繰り返し実行する、
ことを特徴とする立体造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、立体造形システムおよび立体造形方法に関する。
【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例としては、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】
建設用途の３Ｄプリンタでは、モルタルやコンクリートのようなセメント系材料を用いるが、これらの材料の流動性は様々な要因により時間的に変化する。例えば、温度や湿度等の環境要因によっても流動性を保持するための混和剤の効果が異なり、流動性の変化の度合いが異なる。また、使用する混和剤の種類によっては時間経過とともに流動性が大きくなる場合もあり、一概に時間経過とともに流動性が低下するとも限らない。このように、流動性の時間的な変化を事前に予測し、補正を掛けることは困難である。その為、吐出量が安定せず、積層精度の低下や乱れが発生し、また、造形物の倒壊につながる場合がある。
このような観点から、本発明は、セメント系材料の吐出量を安定させることができる立体造形システムおよび立体造形方法を提供する。
このような観点から、本発明は、セメント系材料の吐出量を安定させることができる立体造形システムおよび立体造形方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明に係る立体造形システムは、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、回転することで前記セメント系材料を前記ノズルから吐出させるスクリュと、前記ノズルの吐出量に相関する情報を検出する検出装置と、制御装置とを備える。制御装置は、前記検出装置の検出結果に基づいて、前記ノズルの吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する。
本発明に係る立体造形システムでは、吐出量の変化をリアルタイムに把握しながら吐出量を調整するので、セメント系材料の吐出量を安定させることができる。その結果、高精度の造形物を形成することが可能である。
前記制御装置は、前記スクリュを駆動するモータの回転数を制御するための制御信号を出力する第１の制御装置と、フィードバック制御により前記制御信号を補正する第２の制御装置とを備えるものであってよい。その場合、前記第１の制御装置は、前記ノズルの移動速度と前記スクリュの回転速度との関係を示した情報を有し、前記ノズルの移動速度に応じた第１のパルス信号を出力する。前記第２の制御装置は、前記検出装置の検出結果に基づいて前記第１のパルス信号の周期を調整し、調整後の第２のパルス信号を前記モータに出力する。前記第２の制御装置は、例えば、ＰＩ制御によって前記第１のパルス信号の周期を調整する。
本発明に係る立体造形システムでは、吐出量の変化をリアルタイムに把握しながら吐出量を調整するので、セメント系材料の吐出量を安定させることができる。その結果、高精度の造形物を形成することが可能である。
前記制御装置は、前記スクリュを駆動するモータの回転数を制御するための制御信号を出力する第１の制御装置と、フィードバック制御により前記制御信号を補正する第２の制御装置とを備えるものであってよい。その場合、前記第１の制御装置は、前記ノズルの移動速度と前記スクリュの回転速度との関係を示した情報を有し、前記ノズルの移動速度に応じた第１のパルス信号を出力する。前記第２の制御装置は、前記検出装置の検出結果に基づいて前記第１のパルス信号の周期を調整し、調整後の第２のパルス信号を前記モータに出力する。前記第２の制御装置は、例えば、ＰＩ制御によって前記第１のパルス信号の周期を調整する。
【0006】
前記検出装置は、前記ノズルの重さを計測するロードセルであり、前記ノズルの吐出量に相関する情報として、前記ノズルの重さの減少量を検出してもよい。
その場合、前記セメント系材料を前記ノズルに供給する供給装置をさらに備え、前記制御装置は、前記供給装置によって前記セメント系材料が供給されている期間では、前記スクリュの回転速度を変更せずに一定としてもよい。
また、前記検出装置は、前記造形物が形成されるテーブルの重さを計測するロードセルであり、前記ノズルの吐出量に相関する情報として、前記テーブルの重さの増加量を検出してもよい。
また、前記検出装置は、前記ノズルから吐出する前記セメント系材料の流量を検出するセンサ、または、前記ノズルから吐出する前記セメント系材料を撮影した画像を解析することで吐出する前記セメント系材料の流量を算出する画像解析手段であってもよい。
その場合、前記セメント系材料を前記ノズルに供給する供給装置をさらに備え、前記制御装置は、前記供給装置によって前記セメント系材料が供給されている期間では、前記スクリュの回転速度を変更せずに一定としてもよい。
また、前記検出装置は、前記造形物が形成されるテーブルの重さを計測するロードセルであり、前記ノズルの吐出量に相関する情報として、前記テーブルの重さの増加量を検出してもよい。
また、前記検出装置は、前記ノズルから吐出する前記セメント系材料の流量を検出するセンサ、または、前記ノズルから吐出する前記セメント系材料を撮影した画像を解析することで吐出する前記セメント系材料の流量を算出する画像解析手段であってもよい。
【0007】
本発明に係る立体造形方法は、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方法であり、スクリュを回転させることで前記セメント系材料をノズルから吐出させて前記造形物を形成するものである。
この立体造形方法は、前記ノズルの吐出量に相関する情報を検出する検出ステップと、前記検出ステップの検出結果に基づいて、前記ノズルの吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御ステップとを有する。前記検出ステップと前記制御ステップとを繰り返し実行される。
本発明に係る立体造形方法では、吐出量の変化をリアルタイムに把握しながら吐出量を調整するので、セメント系材料の吐出量を安定させることができる。その結果、高精度の造形物を形成することが可能である。
この立体造形方法は、前記ノズルの吐出量に相関する情報を検出する検出ステップと、前記検出ステップの検出結果に基づいて、前記ノズルの吐出量が一定になるように前記スクリュの回転速度を調整する制御ステップとを有する。前記検出ステップと前記制御ステップとを繰り返し実行される。
本発明に係る立体造形方法では、吐出量の変化をリアルタイムに把握しながら吐出量を調整するので、セメント系材料の吐出量を安定させることができる。その結果、高精度の造形物を形成することが可能である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、セメント系材料の吐出量を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の第１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2】本発明の第１実施形態に係る立体造形システムの概要を示す正面図である。
【図3】ノズル装置の拡大断面図である。
【図4】本発明の第１実施形態に係る立体造形システムが備える制御装置およびその周辺機器の構成を示す図である。
【図5】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6】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7】モータコントローラの制御の一例を示すフローチャートである。
【図8】第１実施形態の変形例に係るテーブル装置の概略構成図である。
【図9】本発明の第２実施形態に係る立体造形システムの概要を示す正面図である。
【図10】ノズル装置の拡大正面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
［第１実施形態］
＜第１実施形態に係る立体造形システムの構成＞
図１および図２を参照して、第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａの構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａの概要を示す斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａの概要を示す正面図である。なお、図１では、ノズル装置１を構成する要素の一部を省略している。
立体造形システム１００Ａは、セメント系材料をノズル装置１から押し出しながら２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３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、水和反応により硬化する水硬性組成物（セメントを含まない場合もある）である。第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａは、比較的小型の３Ｄプリンタを想定する。なお、後述する第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂ（図９参照）は、比較的大型の３Ｄプリンタを想定する。
＜第１実施形態に係る立体造形システムの構成＞
図１および図２を参照して、第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａの構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａの概要を示す斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａの概要を示す正面図である。なお、図１では、ノズル装置１を構成する要素の一部を省略している。
立体造形システム１００Ａは、セメント系材料をノズル装置１から押し出しながら２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３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、水和反応により硬化する水硬性組成物（セメントを含まない場合もある）である。第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａは、比較的小型の３Ｄプリンタを想定する。なお、後述する第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂ（図９参照）は、比較的大型の３Ｄプリンタを想定する。
【0012】
図１に示すように、立体造形システム１００Ａは、主に、ノズル装置１と、ノズル支持装置２と、テーブル装置３と、供給装置４と、制御装置５とを備える。
ノズル装置１は、テーブル装置３上に造形物を形成する装置である。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が平面移動により所定の２次元形状を形成したら、テーブル装置３が有する形成面３ａが下方に移動する。すなわち、ノズル装置１は、図１のＸＹ平面上を２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。なお、ノズル装置１が、３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てもよい。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、テーブル装置３上に造形物を形成する装置である。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が平面移動により所定の２次元形状を形成したら、テーブル装置３が有する形成面３ａが下方に移動する。すなわち、ノズル装置１は、図１のＸＹ平面上を２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。なお、ノズル装置１が、３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てもよい。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。
【0013】
図１に示すノズル支持装置２は、ノズル装置１を支える装置である。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。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。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。
【0014】
図１に示すテーブル装置３は、造形物が形成される部分である。テーブル装置３は、造形物が形成される形成面３ａをＺ軸に沿って上下動することが可能である。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ＸＹ平面上で２次元的に移動させるとともに、テーブル装置３が形成面３ａをＺ軸に沿って上下動させることで、立体的な造形物を形成することを可能としている。
図２に示すように、本実施形態のテーブル装置３は、形成面３ａを有する製作テーブル３２と、Ｚ軸に沿って立設された柱フレーム３３と、柱フレーム３３を介して製作テーブル３２の高さを調整する図示しない高さ調整機構とを備えている。製作テーブル３２は、平板状を呈しており、上面に形成面３ａを有する。製作テーブル３２および柱フレーム３３は、高さ調整機構によって上下動する。テーブル装置３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製作テーブル３２を上下方向（造形物形成時は下方向）に移動させる。
図２に示すように、本実施形態のテーブル装置３は、形成面３ａを有する製作テーブル３２と、Ｚ軸に沿って立設された柱フレーム３３と、柱フレーム３３を介して製作テーブル３２の高さを調整する図示しない高さ調整機構とを備えている。製作テーブル３２は、平板状を呈しており、上面に形成面３ａを有する。製作テーブル３２および柱フレーム３３は、高さ調整機構によって上下動する。テーブル装置３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製作テーブル３２を上下方向（造形物形成時は下方向）に移動させる。
【0015】
供給装置４は、ノズル装置１にセメント系材料Ｃを供給する装置である。供給装置４は、主に、貯留部としてのホッパ４１と、駆動源としてのポンプ４２と、供給パイプ４３とを備える。ホッパ４１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。供給パイプ４３は、ホッパ４１とノズル装置１とを接続する。ポンプ４２は、供給パイプ４３に設置され、ポンプ４２が作動することで、ホッパ４１に蓄えられたセメント系材料Ｃがノズル装置１に供給される。ポンプ４２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セメント系材料Ｃをノズル装置１に供給する。
【0016】
図１に示すように、制御装置５は、立体造形システム１００Ａの全体の動作を制御する装置である。制御装置５は、単数または複数の装置で構成することができる。制御装置５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。制御装置５は、層ごとの２次元データに基づいてノズル支持装置２およびテーブル装置３に制御信号を送信し、形成面３ａに対してノズル装置１を移動させる。また、制御装置５は、ノズル１３からの吐出量が一定になるようにノズル装置１を制御する。制御装置５は、ノズル１３の吐出量に基づくフィードバック制御により、ノズル１３の吐出量が一定になるように制御する。また、制御装置５は、供給装置４を制御して、所定のタイミングでセメント系材料Ｃをノズル装置１に供給させる。以下では、吐出量のフィードバック制御に関連する構成について説明する。
【0017】
（吐出量のフィードバック制御に関連する構成）
まず、図３を参照して、ノズル装置１の内部構造について説明する。図３は、ノズル装置１の拡大断面図である。図３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には、供給パイプ４３が接続されている。
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）を介して接続されている。回転軸１６には、駆動モータ１５の回転駆動力が伝達される。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。
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。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。
まず、図３を参照して、ノズル装置１の内部構造について説明する。図３は、ノズル装置１の拡大断面図である。図３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には、供給パイプ４３が接続されている。
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）を介して接続されている。回転軸１６には、駆動モータ１５の回転駆動力が伝達される。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。
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。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。
【0018】
図１および図２に示すように、立体造形システム１００Ａは、ここまで説明した構成要素の他に検出装置６を備える。検出装置６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６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６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６は、ノズル装置１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６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。つまり、検出装置６の一端（不動体に固定する側）は、ノズル支持装置２のＸ軸レール２１に沿った移動を可能にするＸ軸スライド機構１９（図２参照）に固定され、検出装置６の他端（荷重を測定する側）は、シリンダ部１１に取り付けられるフレーム部１８（図２参照）の下部プレート１８ａを支持している。
本実施形態の検出装置６は、ノズル装置１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６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。つまり、検出装置６の一端（不動体に固定する側）は、ノズル支持装置２のＸ軸レール２１に沿った移動を可能にするＸ軸スライド機構１９（図２参照）に固定され、検出装置６の他端（荷重を測定する側）は、シリンダ部１１に取り付けられるフレーム部１８（図２参照）の下部プレート１８ａを支持している。
【0019】
図２に示すように、Ｘ軸スライド機構１９は、主に、ボールねじ１９ａと、スライド部１９ｂとを備える。ボールねじ１９ａは、回転運動を直線運動に変換する部品であり、図示しない駆動源に連結されている。図示しない駆動源が発生する回転駆動力がボールねじ１９ａに伝達することにより、スライド部１９ｂがＸ軸方向に移動し、スライド部１９ｂと一体となってノズル装置１もＸ軸方向に移動する。図１に示すように、検出装置６の一端は、スライド部１９ｂにねじで固定されている。
図２に示すフレーム部１８は、ノズル装置１を補強する役割を担い、シリンダ部１１を取り囲むように取り付けられている。フレーム部１８は、主に、シリンダ部１１の下部に配置される下部プレート１８ａと、シリンダ部１１の上部に配置される上部プレート１８ｂと、駆動モータ１５の固定に利用されるモータプレート１８ｃとを備える。また、フレーム部１８は、下部プレート１８ａと上部プレート１８ｂとを連結するＺ軸フレーム１８ｄと、上部プレート１８ｂとモータプレート１８ｃとを連結するＺ軸フレーム１８ｅとを備える。図１に示すように、検出装置６の他端は、下部プレート１８ａを下側から支持している。これにより、ノズル装置１の荷重が二つの検出装置６にかかった状態になっている。
図２に示すフレーム部１８は、ノズル装置１を補強する役割を担い、シリンダ部１１を取り囲むように取り付けられている。フレーム部１８は、主に、シリンダ部１１の下部に配置される下部プレート１８ａと、シリンダ部１１の上部に配置される上部プレート１８ｂと、駆動モータ１５の固定に利用されるモータプレート１８ｃとを備える。また、フレーム部１８は、下部プレート１８ａと上部プレート１８ｂとを連結するＺ軸フレーム１８ｄと、上部プレート１８ｂとモータプレート１８ｃとを連結するＺ軸フレーム１８ｅとを備える。図１に示すように、検出装置６の他端は、下部プレート１８ａを下側から支持している。これにより、ノズル装置１の荷重が二つの検出装置６にかかった状態になっている。
【0020】
また、図１に示すように、Ｘ軸スライド機構１９（図２参照）は、スライド部１９ｂの後部から上方に向かって配置される背面プレート１９ｃを備える。図２に示すように、背面プレート１９ｃの上部には、一対のリニアブッシュ１９ｄが設置されている。リニアブッシュ１９ｄには、上部プレート１８ｂに固定されるリニアシャフト１８ｇが挿通している。リニアシャフト１８ｇは、上部プレート１８ｂの下面に設けられたシャフトホルダ１８ｆを介して固定されており、Ｚ軸に沿って配置されている。リニアシャフト１８ｇおよびリニアブッシュ１９ｄによって、検出装置６で検出する荷重はＺ軸方向の荷重（垂直荷重）に制限されている。
【0021】
次に、図４を参照して、制御装置５およびその周辺機器の構成について説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａが備える制御装置５およびその周辺機器の構成を示す図である。なお、本発明に関連する吐出量のフィードバック制御を中心に説明を行い、３Ｄプリンタの一般的な制御については詳細な説明を省略する。
図４に示すように、制御装置５は、二つのコンピュータ５１ａ，５１ｂと、３Ｄプリンタコントローラ５２と、二つのモータコントローラ５４ａ，５４ｂとを主に備える。制御装置５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸におけるノズル装置１の位置を制御する機能と、セメント系材料Ｃの吐出量を制御する機能とを有する。図４では、ノズル装置１の位置を制御する機能に必要な構成要素を「制御装置５ａ」としてまとめて記しており、また、セメント系材料Ｃの吐出量を制御する機能に必要な構成要素を「制御装置５ｂ」としてまとめて記している。なお、ノズル装置１の位置制御に関して、本実施形態ではテーブル装置３の製作テーブル３２を上下動させることで、形成面３ａに対するＺ軸方向のノズル装置１の位置を相対的に変更している。
図４に示すように、制御装置５は、二つのコンピュータ５１ａ，５１ｂと、３Ｄプリンタコントローラ５２と、二つのモータコントローラ５４ａ，５４ｂとを主に備える。制御装置５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸におけるノズル装置１の位置を制御する機能と、セメント系材料Ｃの吐出量を制御する機能とを有する。図４では、ノズル装置１の位置を制御する機能に必要な構成要素を「制御装置５ａ」としてまとめて記しており、また、セメント系材料Ｃの吐出量を制御する機能に必要な構成要素を「制御装置５ｂ」としてまとめて記している。なお、ノズル装置１の位置制御に関して、本実施形態ではテーブル装置３の製作テーブル３２を上下動させることで、形成面３ａに対するＺ軸方向のノズル装置１の位置を相対的に変更している。
【0022】
制御装置５ａは、主に、コンピュータ５１ａと、３Ｄプリンタコントローラ５２と、モータコントローラ５４ａとで構成される。コンピュータ５１ａは、造形物の製造者によって操作され、造形物の製造に関する情報（例えば、造形の開始指示など）の入力を受け付ける。コンピュータ５１ａは、例えば製造者が操作するコントロールパネルを有する。３Ｄプリンタコントローラ５２は、立体造形システム１００Ａの全体を制御する。３Ｄプリンタコントローラ５２は、例えばノズル装置１や製作テーブル３２の位置情報（移動量の情報であってもよい）をモータコントローラ５４ａに出力する。モータコントローラ５４ａは、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸におけるノズル装置１の位置を制御する。モータコントローラ５４ａは、３Ｄプリンタコントローラ５２から受け取った位置情報に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の移動を実現する制御信号を作成し、モータドライバ６１ａを介して、駆動モータ（図示せず）を駆動する。これにより、ノズル装置１をＸ軸およびＹ軸に沿って平面移動させ、また、製作テーブル３２をＺ軸に沿って上下移動させる。
【0023】
制御装置５ｂは、主に、コンピュータ５１ｂと、３Ｄプリンタコントローラ５２と、モータコントローラ５４ｂとで構成される。コンピュータ５１ｂは、例えば後述するフィードバック制御の指令や、セメント系材料Ｃの吐出量のモニタリングを行うために使用される。コンピュータ５１ｂは、例えばマイクロコンピュータに置き換えることが可能である。３Ｄプリンタコントローラ５２は、ノズル装置１を制御して、ノズル１３からセメント系材料Ｃを吐出させる。具体的には、３Ｄプリンタコントローラ５２は、スクリュ１４を駆動する駆動モータ１５の回転数を制御するための制御信号をモータコントローラ５４ｂに出力する。３Ｄプリンタコントローラ５２は、例えば、ノズル装置１の移動速度とスクリュ１４の回転速度との関係を示した情報を予め有しており、ノズル装置１の移動速度に応じた制御信号を出力する。なお、３Ｄプリンタコントローラ５２は、特許請求の範囲における「第１の制御装置」の例示であり、また、モータコントローラ５４ｂは、特許請求の範囲における「第２の制御装置」の例示である。
モータコントローラ５４ｂ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。モータコントローラ５４ｂ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５４ｂには、インジケータ６２を介して検出装置６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５４ｂに入力されることを想定する。モータコントローラ５４ｂ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５４ｂは、モータドライバ６１ｂを介して、調整後の制御信号で駆動モータ１５を駆動する。なお、フィードバック制御を行うタイミングは特に限定されない。
モータコントローラ５４ｂ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。モータコントローラ５４ｂ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５４ｂには、インジケータ６２を介して検出装置６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５４ｂに入力されることを想定する。モータコントローラ５４ｂ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５４ｂは、モータドライバ６１ｂを介して、調整後の制御信号で駆動モータ１５を駆動する。なお、フィードバック制御を行うタイミングは特に限定されない。
【0024】
図５および図６を参照して、モータコントローラ５４ｂの機能についてより具体的に説明する。図５は、モータコントローラ５４ｂの回路図および制御プログラムの例示である。図６は、モータコントローラ５４ｂ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５に示すように、モータコントローラ５４ｂ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（吐出指令検出機能）。また、モータコントローラ５４ｂは、インジケータ６２を介して検出装置６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（吐出量検出機能）。
また、図６に示すように、モータコントローラ５４ｂ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（ＰＩ制御機能）。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５４ｂ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（モータ制御機能）。つまり、モータコントローラ５４ｂ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５に示すように、モータコントローラ５４ｂ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（吐出指令検出機能）。また、モータコントローラ５４ｂは、インジケータ６２を介して検出装置６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（吐出量検出機能）。
また、図６に示すように、モータコントローラ５４ｂ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（ＰＩ制御機能）。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５４ｂ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（モータ制御機能）。つまり、モータコントローラ５４ｂ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。
【0025】
図７を参照して、モータコントローラ５４ｂの制御について説明する。図７は、モータコントローラ５４ｂの制御の一例を示すフローチャートである。モータコントローラ５４ｂ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図７に示す処理を開始する。
モータコントローラ５４ｂは、検出装置６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（ステップＳ１０）。モータコントローラ５４ｂ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５４ｂ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（ステップＳ２０）。具体的には、モータコントローラ５４ｂ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（ステップＳ２１）。吐出量が想定値よりも少ない場合、モータコントローラ５４ｂ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（ステップＳ２２）。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５４ｂ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（ステップＳ２３）。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。
モータコントローラ５４ｂは、検出装置６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（ステップＳ１０）。モータコントローラ５４ｂ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５４ｂ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（ステップＳ２０）。具体的には、モータコントローラ５４ｂ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（ステップＳ２１）。吐出量が想定値よりも少ない場合、モータコントローラ５４ｂ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（ステップＳ２２）。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５４ｂ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（ステップＳ２３）。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。
【0026】
ステップＳ１０，Ｓ２０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（ステップＳ３０）。なお、供給装置４がノズル装置１へのセメント系材料Ｃの供給を開始したタイミングでステップＳ３０の処理を抜け、セメント系材料Ｃの供給を行っている期間中は、検出装置６を用いたフィードバック制御を行わないのがよい。検出装置６の検出結果からノズル装置１の重量の減少量を算出するのが難しくなるためである。セメント系材料Ｃの供給は、シリンダ部１１の貯留室１１ａ内でのセメント系材料Ｃの高さがある一定の高さ以上になった場合に終了する。例えば、図示しないセンサで貯留室１１ａ内のセメント系材料Ｃの量を検知し、そのことを供給装置４に通知する。モータコントローラ５４ｂは、供給装置４によるセメント系材料Ｃの供給が終了した後で検出装置６を用いたフィードバック制御を再開する。セメント系材料Ｃの供給を行っている期間中の制御は、例えば直前の制御状態を継続するものであってよい。なお、セメント系材料Ｃの供給を行っている期間中であっても、セメント系材料Ｃの供給量を考慮して吐出量を特定し（例えば、ノズル装置１の重量の減少量に供給量を加えた値を吐出量として求める）、その特定した吐出量を用いて駆動モータ１５の回転数を上げる処理（または下げる処理）を実行してもよい。
【0027】
以上のように、第１実施形態に係る立体造形システム１００Ａでは、時間経過や温度変化等の環境要因によってセメント系材料Ｃの流動性に変化が生じても、ノズル１３からの吐出量が常に一定となり安定する。その結果、積層精度の低下や乱れ、造形物の倒壊を防ぐことができる。
【0028】
［第１実施形態の変形例］
図１および図２に示すように、第１実施形態では、検出装置６でノズル装置１の重さを計測していた。しかしながら、図８に示すように、検出装置６に代えて／または検出装置６とともに、形成面３ａを有する製作テーブル３１の重さを計測する検出装置７を設置してもよい。
図８に示すテーブル装置３は、形成面３ａを有する製作テーブル３１と、製作テーブル３１の下方に配置される下フレーム３５と、Ｚ軸に沿って立設された柱フレーム３３と、下フレーム３５および柱フレーム３３を介して製作テーブル３１の高さを調整する図示しない高さ調整機構と、製作テーブル３１の重さを計測する検出装置７とを備えている。製作テーブル３１は、平板状を呈しており、上面に形成面３ａを有する。製作テーブル３１の角部付近の下面側には、形成面３ａを水平にするためのテーブルレベル調整ねじ３４が設けられており、テーブルレベル調整ねじ３４を時計回りまたは反時計回りに回転させることで、製作テーブル３１の上下方向の位置を部分的に調整できる。
図８に示す検出装置７は、例えばビーム型ロードセルであり、ノズル支持装置２の製作テーブル３１と下フレーム３５との間に配置されている。検出装置７は、製作テーブル３１を下フレーム３５から持ち上げた状態にしている。この検出装置７を用いた場合、モータコントローラ５４ｂは、検出装置７の検出結果（ここでは、形成面３ａに形成される造成物を含めた製作テーブル３１の重量）を取得する。モータコントローラ５４ｂは、前回の検出結果との比較から製作テーブル３１の増加量を算出し、重量の増加量からセメント系材料Ｃの吐出量を特定する。この検出装置７を用いた場合でも、第１実施形態と同様に、時間経過や温度変化等の環境要因によってセメント系材料Ｃの流動性に変化が生じても、ノズル１３からの吐出量を常に一定とすることができる。また、検出装置７を用いることで、セメント系材料Ｃの供給を行っている期間中でのフィードバック制御が可能になる。
図１および図２に示すように、第１実施形態では、検出装置６でノズル装置１の重さを計測していた。しかしながら、図８に示すように、検出装置６に代えて／または検出装置６とともに、形成面３ａを有する製作テーブル３１の重さを計測する検出装置７を設置してもよい。
図８に示すテーブル装置３は、形成面３ａを有する製作テーブル３１と、製作テーブル３１の下方に配置される下フレーム３５と、Ｚ軸に沿って立設された柱フレーム３３と、下フレーム３５および柱フレーム３３を介して製作テーブル３１の高さを調整する図示しない高さ調整機構と、製作テーブル３１の重さを計測する検出装置７とを備えている。製作テーブル３１は、平板状を呈しており、上面に形成面３ａを有する。製作テーブル３１の角部付近の下面側には、形成面３ａを水平にするためのテーブルレベル調整ねじ３４が設けられており、テーブルレベル調整ねじ３４を時計回りまたは反時計回りに回転させることで、製作テーブル３１の上下方向の位置を部分的に調整できる。
図８に示す検出装置７は、例えばビーム型ロードセルであり、ノズル支持装置２の製作テーブル３１と下フレーム３５との間に配置されている。検出装置７は、製作テーブル３１を下フレーム３５から持ち上げた状態にしている。この検出装置７を用いた場合、モータコントローラ５４ｂは、検出装置７の検出結果（ここでは、形成面３ａに形成される造成物を含めた製作テーブル３１の重量）を取得する。モータコントローラ５４ｂは、前回の検出結果との比較から製作テーブル３１の増加量を算出し、重量の増加量からセメント系材料Ｃの吐出量を特定する。この検出装置７を用いた場合でも、第１実施形態と同様に、時間経過や温度変化等の環境要因によってセメント系材料Ｃの流動性に変化が生じても、ノズル１３からの吐出量を常に一定とすることができる。また、検出装置７を用いることで、セメント系材料Ｃの供給を行っている期間中でのフィードバック制御が可能になる。
【0029】
［第２実施形態］
＜第２実施形態に係る立体造形システムの構成＞
図９を参照して（適宜、図１を参照）、第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂの構成について説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂの概要を示す正面図である。第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂは、前述した通り、比較的大型の３Ｄプリンタを想定している。
立体造形システム１００Ｂは、セメント系材料Ｃをノズル装置１０１から押し出しながら２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３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Ｃは、例えばコンクリート、モルタル、セメントペースト等、水和反応により硬化する水硬性組成物（セメントを含まない場合もある）である。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
＜第２実施形態に係る立体造形システムの構成＞
図９を参照して（適宜、図１を参照）、第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂの構成について説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂの概要を示す正面図である。第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂは、前述した通り、比較的大型の３Ｄプリンタを想定している。
立体造形システム１００Ｂは、セメント系材料Ｃをノズル装置１０１から押し出しながら２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３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Ｃは、例えばコンクリート、モルタル、セメントペースト等、水和反応により硬化する水硬性組成物（セメントを含まない場合もある）である。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【0030】
図９に示すように、立体造形システム１００Ｂは、主に、ノズル装置１０１と、ノズル支持装置１０２と、製作テーブル１０３と、供給装置４（図１参照）と、制御装置５（図１参照）とを備える。
ノズル装置１０１は、製作テーブル１０３上に造形物を形成する装置である。ノズル装置１０１は、その先端（下端）に、セメント系材料Ｃを吐出するノズル１１３を有している。ノズル装置１０１は、ノズル１１３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１０１は、平面移動により所定の２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１０１は、３次元的に移動可能に、ノズル支持装置１０２によって支持されている。ノズル装置１０１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。
製作テーブル１０３は、造形物が形成される部分である。製作テーブル１０３は、造形物が形成される形成面１０３ａを備える、製作テーブル１０３は、床面に固定されており、本実施形態の形成面１０３ａは上下動しない。
ノズル装置１０１は、製作テーブル１０３上に造形物を形成する装置である。ノズル装置１０１は、その先端（下端）に、セメント系材料Ｃを吐出するノズル１１３を有している。ノズル装置１０１は、ノズル１１３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１０１は、平面移動により所定の２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１０１は、３次元的に移動可能に、ノズル支持装置１０２によって支持されている。ノズル装置１０１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。
製作テーブル１０３は、造形物が形成される部分である。製作テーブル１０３は、造形物が形成される形成面１０３ａを備える、製作テーブル１０３は、床面に固定されており、本実施形態の形成面１０３ａは上下動しない。
【0031】
図９に示すノズル支持装置１０２は、ノズル装置１０１を支える装置である。ノズル支持装置１０２は、ノズル装置１０１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１００Ｂは、ノズル支持装置１０２を介してノズル装置１０１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１０２は、Ｘ軸に沿って配設されたＸ軸レール１２１と、Ｙ軸に沿って配設された一対のＹ軸レール１２２と、Ｚ軸に沿って立設されたＺ軸柱１２３と、ノズル支持装置１０２とともにＺ軸方向に移動するＺ軸スライド部１１９を保持してノズル支持装置１０２のＺ軸方向の位置を固定する昇降機構１２４とを備えている。昇降機構１２４は、Ｘ軸レール１２１に摺動可能に設置されている。昇降機構１２４がＸ軸レール１２１に沿って摺動することで、ノズル装置１０１がＸ軸方向に移動する。また、Ｘ軸レール１２１は、一対のＹ軸レール１２２に摺動可能に横架されている。Ｘ軸レール１２１がＹ軸レール１２２に沿って摺動することで、ノズル装置１０１がＹ軸方向に移動する。また、昇降機構１２４がＸ軸レール１２１に沿って移動するのと同時にＸ軸レール１２１がＹ軸レール１２２に沿って移動することで、ノズル装置１０１が斜め方向に移動する。すなわち、Ｘ軸レール１２１およびＹ軸レール１２２により、ノズル装置１０１を自由に平面移動させることができる。さらに、昇降機構１２４は、ノズル装置１０１が固定されたＺ軸スライド部１１９を摺動可能に支持している。Ｚ軸スライド部１１９は、Ｚ軸に沿って配置されたＺ軸フレーム１１９ａを有しており、昇降機構１２４がＺ軸フレーム１１９ａを保持する位置を変更することで、ノズル装置１０１が上下動する。ノズル支持装置１０２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１０１を所定の方向に移動させる。
【0032】
図１０を参照して、ノズル装置１０１の構造について説明する。図１０は、ノズル装置１０１の拡大正面図である。なお、ノズル装置１０１の基本構造は、第１実施形態のノズル装置１と同様である。
図１０に示すように、ノズル装置１０１は、上下方向を中心軸方向とするシリンダ部１１１と、内部にスクリュ１１４が収容されたスクリュ搬送部１１２と、スクリュ搬送部１１２の先端に着脱可能に装着されるノズル１１３とを備えている。ノズル１１３は、漏斗状を呈しており、その先端に吐出口１１３ａが下向きに設けられている。シリンダ部１１１には、供給パイプ４３が接続されている。
図１０に示すように、ノズル装置１０１は、上下方向を中心軸方向とするシリンダ部１１１と、内部にスクリュ１１４が収容されたスクリュ搬送部１１２と、スクリュ搬送部１１２の先端に着脱可能に装着されるノズル１１３とを備えている。ノズル１１３は、漏斗状を呈しており、その先端に吐出口１１３ａが下向きに設けられている。シリンダ部１１１には、供給パイプ４３が接続されている。
【0033】
ノズル装置１０１の上部には、駆動モータ１１５が設けられている。駆動モータ１１５の出力軸には、回転軸１１６がカップリング（図示省略）を介して接続されている。回転軸１１６には、駆動モータ１１５の回転駆動力が伝達される。回転軸１１６には、シリンダ部１１１の貯留室１１１ａ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１１７が装着されている。なお、ノズル装置１０１の構成はあくまで例示であって、例えば撹拌翼１１７を備えない構成であってもよい。
回転軸１１６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１１４が回転軸１１６と同軸に垂下された姿勢で固定されている。駆動モータ１１５の正転駆動によってスクリュ１１４が任意の定常速度で回転すると、貯留室１１１ａ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１１３の先端に向けて押し出される。これにより、シリンダ部１１１内のセメント系材料Ｃは、スクリュ搬送部１１２の先端に向けて定量圧送可能とされている。
回転軸１１６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１１４が回転軸１１６と同軸に垂下された姿勢で固定されている。駆動モータ１１５の正転駆動によってスクリュ１１４が任意の定常速度で回転すると、貯留室１１１ａ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１１３の先端に向けて押し出される。これにより、シリンダ部１１１内のセメント系材料Ｃは、スクリュ搬送部１１２の先端に向けて定量圧送可能とされている。
【0034】
また、立体造形システム１００Ｂは、検出装置１０６を備える。検出装置１０６は、ノズル１１３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１０６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１１３の吐出量を調整するフィードバック制御に使用される。
本実施形態の検出装置１０６は、ノズル装置１０１に取り付けられており、ノズル装置１０１の重さを計測する。検出装置１０６は、引張型のロードセルであり、Ｚ軸スライド部１１９の下部でノズル装置１０１を支持している。つまり、検出装置１０６の一部（不動体に固定する側）は、Ｚ軸スライド部１１９の下部プレート１１９ｂに固定され、検出装置１０６の一部（荷重を測定する側）は、シリンダ部１１１に取り付けられるフレーム部１１８を、ブラケット１０６ａを介して支持している。
図１０に示すフレーム部１１８は、ノズル装置１０１を補強する役割を担い、シリンダ部１１１を取り囲むように取り付けられている。フレーム部１１８は、主に、シリンダ部１１１の下部に配置される下部プレート１１８ａと、駆動モータ１１５の固定に利用されるモータプレート１１８ｃと、下部プレート１１８ａとモータプレート１１８ｃとを連結するＺ軸フレーム１１８ｄとを備える。
本実施形態の検出装置１０６は、ノズル装置１０１に取り付けられており、ノズル装置１０１の重さを計測する。検出装置１０６は、引張型のロードセルであり、Ｚ軸スライド部１１９の下部でノズル装置１０１を支持している。つまり、検出装置１０６の一部（不動体に固定する側）は、Ｚ軸スライド部１１９の下部プレート１１９ｂに固定され、検出装置１０６の一部（荷重を測定する側）は、シリンダ部１１１に取り付けられるフレーム部１１８を、ブラケット１０６ａを介して支持している。
図１０に示すフレーム部１１８は、ノズル装置１０１を補強する役割を担い、シリンダ部１１１を取り囲むように取り付けられている。フレーム部１１８は、主に、シリンダ部１１１の下部に配置される下部プレート１１８ａと、駆動モータ１１５の固定に利用されるモータプレート１１８ｃと、下部プレート１１８ａとモータプレート１１８ｃとを連結するＺ軸フレーム１１８ｄとを備える。
【0035】
また、図１０に示すように、フレーム部１１８のＺ軸フレーム１１８ｄの側部には、一対のリニアブッシュ１１８ｇが上下方向に並べて設置されている。リニアブッシュ１１８ｇには、Ｚ軸スライド部１１９のＺ軸フレーム１１９ａに固定されるリニアシャフト１１９ｄが挿通している。リニアシャフト１１９ｄは、Ｚ軸フレーム１１９ａの側面に設けられたシャフトホルダ１１９ｃを介して固定されており、Ｚ軸に沿って配置されている。リニアシャフト１１９ｄおよびリニアブッシュ１１８ｇによって、検出装置１０６で検出する荷重はＺ軸方向の荷重（垂直荷重）に制限されている。
以上説明した第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂによっても、第１実施形態と略同等の効果を奏することができる。つまり、第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂでは、時間経過や温度変化等の環境要因によってセメント系材料Ｃの流動性に変化が生じても、ノズル１１３からの吐出量が常に一定となり安定する。その結果、積層精度の低下や乱れ、造形物の倒壊を防ぐことができる。
以上説明した第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂによっても、第１実施形態と略同等の効果を奏することができる。つまり、第２実施形態に係る立体造形システム１００Ｂでは、時間経過や温度変化等の環境要因によってセメント系材料Ｃの流動性に変化が生じても、ノズル１１３からの吐出量が常に一定となり安定する。その結果、積層精度の低下や乱れ、造形物の倒壊を防ぐことができる。
【0036】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を変えない範囲で実施することができる。
例えば、各実施形態やその変形例では、ノズル１３，１１３の吐出量に相関する情報として、検出装置６，７，１０６は、ノズルの重さの減少量や造形物が形成されるテーブルの重さを検出していた。しかしながら、例えば、ノズルから吐出するセメント系材料Ｃの流量を検出するセンサ、または、ノズルから吐出するセメント系材料Ｃを撮影した画像を解析することで吐出するセメント系材料Ｃの流量を算出する画像解析手段を検出装置として用いてもよい。
また、各実施形態では、フィードバック制御としてＰＩ制御を説明したが、他の制御（例えば、電流値制御やアナログ制御など）を用いてもよい。
例えば、各実施形態やその変形例では、ノズル１３，１１３の吐出量に相関する情報として、検出装置６，７，１０６は、ノズルの重さの減少量や造形物が形成されるテーブルの重さを検出していた。しかしながら、例えば、ノズルから吐出するセメント系材料Ｃの流量を検出するセンサ、または、ノズルから吐出するセメント系材料Ｃを撮影した画像を解析することで吐出するセメント系材料Ｃの流量を算出する画像解析手段を検出装置として用いてもよい。
また、各実施形態では、フィードバック制御としてＰＩ制御を説明したが、他の制御（例えば、電流値制御やアナログ制御など）を用いてもよい。
【符号の説明】
【0037】
１，１０１ ノズル装置
２，１０２ ノズル支持装置
３ テーブル装置
１０３ 製作テーブル
３ａ，１０３ａ 形成面
４ 供給装置
５ 制御装置
６，１０６ 検出装置
７ 検出装置
１１ シリンダ部
１２ スクリュ搬送部
１３ ノズル
１５ 駆動モータ
１８ フレーム部
１９ Ｘ軸スライド機構
２１ Ｘ軸レール
２２ Ｙ軸レール
２３ Ｚ軸柱
３１ 製作テーブル
３２ 製作テーブル
３３ 柱フレーム
３４ テーブルレベル調整ねじ
３５ 下フレーム
４１ ホッパ
４２ ポンプ
４３ 供給パイプ
５１ａ，５１ｂ コンピュータ
５２ ３Ｄプリンタコントローラ（第１の制御装置）
５４ａ モータコントローラ
５４ｂ モータコントローラ（第２の制御装置）
１００Ａ，１００Ｂ 立体造形システム
１１９ Ｚ軸スライド部
１２１ Ｘ軸レール
１２２ Ｙ軸レール
１２３ Ｚ軸柱
１２４ 昇降機構
２，１０２ ノズル支持装置
３ テーブル装置
１０３ 製作テーブル
３ａ，１０３ａ 形成面
４ 供給装置
５ 制御装置
６，１０６ 検出装置
７ 検出装置
１１ シリンダ部
１２ スクリュ搬送部
１３ ノズル
１５ 駆動モータ
１８ フレーム部
１９ Ｘ軸スライド機構
２１ Ｘ軸レール
２２ Ｙ軸レール
２３ Ｚ軸柱
３１ 製作テーブル
３２ 製作テーブル
３３ 柱フレーム
３４ テーブルレベル調整ねじ
３５ 下フレーム
４１ ホッパ
４２ ポンプ
４３ 供給パイプ
５１ａ，５１ｂ コンピュータ
５２ ３Ｄプリンタコントローラ（第１の制御装置）
５４ａ モータコントローラ
５４ｂ モータコントローラ（第２の制御装置）
１００Ａ，１００Ｂ 立体造形システム
１１９ Ｚ軸スライド部
１２１ Ｘ軸レール
１２２ Ｙ軸レール
１２３ Ｚ軸柱
１２４ 昇降機構
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】