特許 7091876 造形装置、制御装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-20

(45)【発行日】2022-06-28

(54)【発明の名称】造形装置、制御装置および方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/386 20170101AFI20220621BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20220621BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20220621BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220621BHJP

   B22F 10/00 20210101ALI20220621BHJP

   B22F 12/00 20210101ALI20220621BHJP

【ＦＩ】

B29C64/386

B33Y30/00

B33Y50/02

B33Y10/00

B22F10/00

B22F12/00

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018118660

(22)【出願日】2018-06-22

(65)【公開番号】P2019217729

(43)【公開日】2019-12-26

【審査請求日】2021-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100110607

【弁理士】

【氏名又は名称】間山 進也

(72)【発明者】

【氏名】山本 典弘

【審査官】関口 貴夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１５６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７５４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００１６５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ３３Ｙ １０／００、４０／００、５０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

立体造形物を造形する造形装置であって、
造形から所定時間経過後の造形層の平面形状を測定する測定手段と、
前記造形層を造形してから所定時間経過後における、当該造形層の形状の変位量を予測する予測手段と、
前記測定手段により測定された前記造形層の平面形状データと、前記予測手段により予測された変位量とに基づいて、前記造形層に続いて前記造形層の上に続いて造形される第２の造形層の造形データを補正する補正手段と
を含む、造形装置。

【請求項2】

前記補正手段は、前記平面形状データと前記変位量とを比較することで求まる差分ベクトルを算出し、前記差分ベクトルに基づいて、造形層の造形データの補正量を算出することを特徴とする、請求項１に記載の造形装置。

【請求項3】

予測された変位量を格納する変位量記憶手段をさらに含み、
前記予測手段は、変位量をあらかじめ予測し、
前記変位量記憶手段は、所定のタイミングで前記変位量を出力することを特徴とする、請求項１または２に記載の造形装置。

【請求項4】

立体造形物を造形する造形装置であって、
造形層の平面形状を測定する測定手段と、
前記造形層を造形してから所定時間経過後における、当該造形層の形状の変位量を予測する予測手段と、
前記測定手段により測定された前記造形層の平面形状データと、前記予測手段により予測された変位量とに基づいて、前記造形層に続いて造形される造形層の造形データを補正する補正手段と、
第１の造形層の形状と、前記第１の造形層に続いて造形される第２の造形層の形状とを比較する比較手段とを含み、
前記比較手段が比較した結果、各造形層の形状の差分が所定の閾値よりも大きい場合には、前記補正手段は、前記第１の造形層の造形データを補正した補正量をクリアすることを特徴とする、造形装置。

【請求項5】

前記比較手段が比較した結果、各造形層の形状の相関値が所定の閾値よりも小さい場合には、前記補正手段は、前記第１の造形層の造形データを補正した補正量をクリアすることを特徴とする、請求項４に記載の造形装置。

【請求項6】

あらかじめ算出した補正量を記憶する補正量記憶手段をさらに含み、
前記補正手段は、前記比較手段が比較した結果に応じて、前記補正量記憶手段に格納される補正量に基づいて補正することを特徴とする、請求項４または５に記載の造形装置。

【請求項7】

立体造形物を造形する造形装置の動作を制御する制御装置であって、
造形層を造形してから所定時間経過後における、当該造形層の形状の変位量を予測する予測手段と、
造形から所定時間経過後の造形層の平面形状を測定する測定手段により測定された造形層の平面形状と、前記予測手段により予測された変位量とに基づいて、前記造形層の上に続いて造形される造形層の造形データを補正する補正手段を含む、制御装置。

【請求項8】

立体造形物を造形する方法であって、
造形から所定時間経過後の造形層の平面形状を測定するステップと、
前記造形層を造形してから所定時間経過後における、当該造形層の形状の変位量を予測するステップと、
前記測定するステップにおいて測定された前記造形層の平面形状と、前記予測するステップにおいて予測された前記変位量とに基づいて、造形データを補正し、前記造形層の上に続いて補正した造形データを使用して次の造形層を造形するステップと
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、造形装置、制御装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

入力されたデータに基づいて、立体造形物を造形する造形装置（いわゆる「３Ｄプリンタ」）が開発されている。立体造形を行う方法は、例えば、ＦＦＦ（Fused Filament Fabrication、熱溶解フィラメント製造法）、ＳＬＳ（Selective Laser Sintering、粉末焼結積層造形法）、ＭＪ（Material Jetting、マテリアルジェッティング）、ＥＢＭ（Electron Beam Melting、電子ビーム溶解法）、ＳＬＡ（Stereolithography Apparatus、光造形法）など、種々の方法が提案されている。

【0003】

しかしながら、所望の立体造形物が造形できない場合があり、造形処理を補正する必要がある。

【0004】

造形処理を補正する技術として、特開２０１６－２１５６４１号公報（特許文献１）では、立体造形物の形成に先立って形成されるキャリブレーションマーカを検出して画像歪みを計測する技術が開示されている。特許文献１によれば、当該画像歪みに基づいて補正を行うことで、立体造形物の造形精度を向上できる。

【0005】

しかしながら、特許文献１では、立体造形物の造形後の温度低下に伴って生じる収縮などの影響を考慮しておらず、依然として所望の立体造形物が造形できない場合があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、所望の立体造形物を造形する造形装置、制御装置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】

【0007】

すなわち、本発明の実施形態によれば、立体造形物を造形する造形装置であって、
造形層の平面形状を測定する測定手段と、
前記造形層を造形してから所定時間経過後における、当該造形層の形状の変位量を予測する予測手段と、
前記測定手段により測定された前記造形層の平面形状データと、前記予測手段により予測された変位量とに基づいて、前記造形層に続いて造形される造形層の造形データを補正する補正手段と
を含む、造形装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

上述したように、本発明によれば、所望の立体造形物を造形する造形装置、制御装置および方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態における立体造形システム全体の概略構成を示す図。

【図2】本実施形態の造形装置に含まれるハードウェア構成を示す図。

【図3】本実施形態の造形装置に含まれるソフトウェアブロック図。

【図4】時間の経過に伴って立体造形物の形状が変形する例を説明する図。

【図5】本実施形態におけるデータフローを示す図。

【図6】本実施形態における補正ベクトル出力部の詳細なデータフローを示す図。

【図7】本実施形態の造形装置が造形する立体造形物の一例を示す図。

【図8】本実施形態における補正を説明する図。

【図9】他の実施形態におけるデータフローを示す図。

【図10】造形装置が実行する処理のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を、各実施形態をもって説明するが、本発明は後述する各実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする。また、以下の説明では、主としてＦＦＦ方式の造形装置で以て本発明を説明するが、実施形態を限定するものではない。

【0011】

また、以下では、説明の便宜上、立体造形物の高さ方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する面をｘｙ平面として説明する。

【0012】

図１は、本発明の実施形態における立体造形システム全体の概略構成を示す図である。図１（ａ）に示すように、立体造形システムには、立体造形物を造形する造形装置１００が含まれる。造形装置１００は、例えば情報処理端末１５０から、造形したい立体造形物の形状データが送信され、当該形状データに基づいて、立体造形物を造形する。また、情報処理端末１５０は、造形装置１００が実行する処理を制御する制御装置として動作してもよい。なお、造形装置１００の中に、情報処理端末１５０の機能が組み込まれていてもよい。

【0013】

図１（ｂ）に示すように、ｘｙ平面と平行に移動可能なヘッド１１０から、ステージ１２０上に造形材料１４０が吐出され、ｘｙ平面に造形層が造形される。１次元の線描を、同一平面内に描画することで、立体造形物のうち１層分の造形層を造形する。１層目の造形層が造形されると、ステージ１２０は、ｚ軸に沿う方向に１層分の高さ（積層ピッチ）だけ下がる。その後、１層目と同様にヘッド１１０が駆動して、２層目の造形層を造形する。造形装置１００は、これらの動作を繰り返すことで、造形層を積層し、立体造形物を造形する。なお、ヘッド１１０がｘｙ平面を移動し、ステージ１２０がｚ軸方向を移動する構成を例に説明したが、上述した構成は本実施形態を限定するものではなく、これ以外の構成であってもよい。

【0014】

また、本実施形態の造形装置１００は、造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物の形状を測定するためのセンサ１３０を具備する。センサ１３０は、造形層のｘｙ平面を測定してもよい。図１（ｃ）に示すように、好ましい実施形態では、センサ１３０は、造形中として、例えばヘッド１１０による造形動作に連動して、造形層の形状を測定してもよい。また、立体造形物の測定は、１層の造形層が造形されるごとに行ってもよい。なお、立体造形物の測定をどのタイミングで、どの範囲で行うかは、任意に選択することができ、特に実施形態を限定するものではない。

【0015】

次に、造形装置１００のハードウェア構成について説明する。図２は、本実施形態の造形装置１００に含まれるハードウェア構成を示す図である。造形装置１００は、ＣＰＵ２０１と、ＲＡＭ２０２と、ＲＯＭ２０３と、記憶装置２０４と、インターフェース２０５と、造形ユニット２０６と、形状センサ２０７と、周辺環境センサ２０８とを含んで構成される。各ハードウェアは、バスを介して接続されている。

【0016】

ＣＰＵ２０１は、造形装置１００の動作を制御するプログラムを実行し、所定の処理を行う装置である。ＲＡＭ２０２は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラムの実行空間を提供するための揮発性の記憶装置であり、プログラムやデータの格納用、展開用として使用される。ＲＯＭ２０３は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラムやファームウェアなどを記憶するための不揮発性の記憶装置である。

【0017】

記憶装置２０４は、造形装置１００を機能させるＯＳや各種アプリケーション、設定情報、各種データなどを記憶する、読み書き可能な不揮発性の記憶装置である。インターフェース２０５は、造形装置１００と他の機器とを接続する装置である。インターフェース２０５は、例えば、情報処理端末１５０や、ネットワーク、外部記憶装置などと接続することができ、インターフェース２０５を介して、造形動作の制御データや、立体造形物の形状データなどを受信することができる。

【0018】

造形ユニット２０６は、造形手段として、造形データに基づいて造形層を造形する装置である。造形ユニット２０６は、ヘッド１１０や、ステージ１２０などを含んで、造形方式に応じて構成される。例えば、ＦＦＦ方式における造形ユニット２０６は、造形材料１４０を溶融する加熱機構や、造形材料１４０を吐出するノズルなどを含む。ＳＬＳ方式における造形ユニット２０６は、レーザ光源などを含む。

【0019】

形状センサ２０７は、造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物の形状を測定する装置である。形状センサ２０７は、造形層のｘｙ平面を測定してもよい。また、形状センサ２０７は、立体造形物のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の寸法などを測定してもよい。形状センサ２０７の例としては、赤外線センサ、カメラ、および３Ｄ計測センサ（例えば、光切断プロファイルセンサ）などが挙げられる。

【0020】

周辺環境センサ２０８は、造形装置１００の周囲の環境データを測定する装置である。周辺環境センサ２０８の例としては、温度センサ、湿度センサなどが挙げられる。

【0021】

次に、本実施形態における各ハードウェアによって実行される機能手段について、図３を以て説明する。図３は、本実施形態の造形装置１００に含まれるソフトウェアブロック図である。

【0022】

造形装置１００は、データ入力部３１０、造形データ生成部３２０、造形ユニット制御部３３０、造形物形状測定部３４０、変位形状予測部３５０、周辺環境データ取得部３６０、補正ベクトル出力部３７０、補正部３８０、ＦＦ（フィードフォワード）補正ベクトル記憶部３９０を含む。

【0023】

データ入力部３１０は、立体造形物を造形するための形状データなどの入力を受け付ける手段である。形状データは、一例として、情報処理端末１５０などで作成され、インターフェース２０５を介して、データ入力部３１０に入力される。

【0024】

造形データ生成部３２０は、データ入力部３１０に入力された形状データを立体造形物の高さ方向に対して分割し、複数の造形層の造形データ（いわゆるスライスデータ）を生成する手段である。造形データは、造形される立体造形物を積層ピッチ単位で分割することで、積層される各層を造形するための造形層の形状を示すデータとして生成される。造形データは、各層のｘｙ平面座標において、造形するかしないかを示す二値データとすることができる。また、好ましい実施形態では、単に各座標での造形の有無だけでなく、各座標における造形量や造形材料１４０の吐出量などをパラメータとして含んでもよい。なお、図３では、造形データ生成部３２０は造形装置１００に含まれているが、情報処理端末１５０に含まれてもよい。この場合、情報処理端末１５０で生成された造形データが、造形装置１００に送信され、造形処理が実行される。

【0025】

造形ユニット制御部３３０は、造形データに基づいて、造形ユニット２０６が造形する動作を制御する手段である。造形ユニット制御部３３０は、造形データに基づいてヘッド１１０の位置やステージ１２０の高さを調整することで、造形の速度、積層ピッチなどの種々のパラメータやアルゴリズムを制御しながら造形できる。また、造形ユニット制御部３３０は、造形データに基づいて造形量を制御することができる。例えば、ＦＦＦ方式では、造形材料１４０の吐出量を制御でき、ＳＬＳ方式では、レーザの強度を制御できる。なお、造形ユニット制御部３３０は、造形データ生成部３２０が出力した造形データに基づいて造形ユニット２０６を制御しても良いし、補正部３８０によって造形形状が補正された造形データ（補正造形データ）に基づいて造形ユニット２０６を制御してもよい。

【0026】

造形物形状測定部３４０は、測定手段として、形状センサ２０７を制御し、造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物の形状として、寸法や高さなどの測定データを測定する手段である。造形物形状測定部３４０は、測定した結果を測定データとして取得する。

【0027】

変位形状予測部３５０は、造形されてから所定時間が経過した後の造形層の形状の変位量を予測する手段である。変位形状予測部３５０は、造形材料の物性や周囲温度などの各種条件に基づき、造形データから予測される造形層の形状の変位量を求める。また、変位形状予測部３５０は、形状の変位量の時間的変化をシミュレーションによって求めることもでき、変位量－時間特性を出力できる。変位形状予測部３５０が予測した変位量予測データは、補正ベクトル出力部３７０に出力される。

【0028】

また、変位量予測データは、立体造形物を造形する前にダミー造形を行うことで、変位量の予測精度を向上することができ、ダミー造形を複数回繰り返すことで、さらに変位量の予測精度を向上できる。なお、造形装置１００は、出力される変位量予測データをあらかじめ求めておき、種々の記憶手段に格納したうえで、適宜出力される構成であってもよい。

【0029】

周辺環境データ取得部３６０は、周辺環境センサ２０８を制御し、造形装置１００周辺の温度や湿度などの環境データを取得する手段である。取得した周辺環境データは、変位形状予測部３５０に出力され、変位量を予測するシミュレーションのパラメータとして用いられる。

【0030】

補正ベクトル出力部３７０は、算出手段として、下層の測定データと、変位量予測データとに基づいて算出される、上層の補正ベクトルを出力する。補正ベクトル出力部３７０は、１層下の造形層の変位量予測データを出力する予測データ出力遅延部３７１と、測定データと変位量予測データとを比較して差分ベクトルを算出する変位量算出部３７２とを含む。さらに、補正ベクトル出力部３７０は、差分ベクトルに基づいて補正ベクトルを算出する補正量算出部３７３と、補正ベクトルを次層の変位量予測データに対応付けて出力する補正量変換部３７４とを含む。なお、補正ベクトル出力部３７０に含まれる上記の各機能ブロックの詳細については後述する。

【0031】

補正部３８０は、補正ベクトルに基づいて、収縮後の造形層の形状が所望の形状となるように造形データを補正する手段である。これによって、収縮後の造形層の形状の精度を向上できる。

【0032】

ＦＦ補正ベクトル記憶部３９０は、シミュレーションやダミー造形によってあらかじめ算出された補正ベクトルを記憶する手段である。例えば各造形層の層間の形状が急峻に変化する場合には、フィードバック制御では適切に補正できないことがある。このような場合には、ＦＦ補正ベクトル記憶部３９０に格納される補正ベクトルによって、フィードフォワード制御による補正をすることで、立体造形物の形状に応じて適切に補正することができ、所望の立体造形物を造形することができる。

【0033】

以上説明した各機能手段によって、精度の高い立体造形物を造形することができる。なお、上述したソフトウェアブロックは、ＣＰＵ２０１が本実施形態のプログラムを実行することで、各ハードウェアを機能させることにより、実現される機能手段に相当する。また、各実施形態に示した機能手段は、全部がソフトウェア的に実現されても良いし、その一部または全部を同等の機能を提供するハードウェアとして実装することもできる。

【0034】

時間の経過による立体造形物の形状変化について図４を以て説明する。図４は、時間の経過に伴って立体造形物の形状が変形する例を説明する図である。

【0035】

図４（ａ）にはステージ１２０上に造形された立体造形物の温度が低下することで、収縮する過程を示す側面図である。立体造形物の形状は、造形後からの時間経過に伴い、造形層の温度が低下することで造形層が収縮する。図４では、造形直後の立体造形物の形状を破線で示し、収縮途中の立体造形物の形状を薄い色で示し、収縮後の（最終的な）立体造形物の形状を濃い色で示している。

【0036】

図４（ｂ）は、図４（ａ）に対応する上面図である。図４（ｂ）の矢線は造形直後の立体造形物の形状と、収縮途中の立体造形物の形状との差を示す差分ベクトルであり、立体造形物の外形の変位量を示している。一般に造形直後の立体造形物の形状は、造形ユニット制御部３３０に入力される造形データの形状と一致する。また、収縮途中や収縮後の立体造形物の形状は、造形物形状測定部３４０によって測定することができる。

【0037】

ところで、造形層の収縮は、図４（ｂ）に示すように、層内で一様ではなく、偏って収縮する場合がある。また、造形層の収縮が治まり、形状が安定するまでには時間がかかる。そこで、変位形状予測部３５０は、各造形層の造形データと周辺環境条件とに基づいて、図４（ｃ）に示す変位量特性をシミュレーションした変位量予測データを出力する。図４（ｃ）の横軸は造形してからの経過時間を示し、縦軸は造形直後の形状からの変位量の予測値を示している。変位量予測データは、温度低下による収縮が飽和するまで変位量を予測したデータを含む。

【0038】

本実施形態では、造形後から一定時間が経過した時刻（測定時刻ｔとして参照する）において測定された立体造形物の形状の測定データと、変位量予測データから導出されるｔにおける収縮途中の立体造形物の変位量予測データとを比較して、差分ベクトルを算出する。これによって、立体造形物の形状が安定するまで待つことなく、次層の造形データを適切に補正できるので、効率的に立体造形物の造形精度を向上できる。

【0039】

本実施形態の補正処理について説明する。図５は、本実施形態におけるデータフローを示す図である。図５に示すように、立体造形物が第ｎ－１層まで造形された場合について考える。このとき造形物形状測定部３４０は、第ｎ－１層のｘｙ平面の形状を測定する。造形物形状測定部３４０は、測定したデータを第（ｎ－１）層測定データとして補正ベクトル出力部３７０に出力する。

【0040】

変位形状予測部３５０は、造形データ生成部３２０が生成した各層の造形データを取得し、当該造形データに基づいて造形した場合の形状をシミュレーションすることで、変位量－時間特性を予測する。シミュレーションは、温度、湿度、造形材料１４０の物性など種々の造形条件に基づいて行う。シミュレーション結果は、各層ごとに変位量予測データとして補正ベクトル出力部３７０および補正部３８０に出力される。

【0041】

補正ベクトル出力部３７０は、変位量予測データと平面形状の測定データとを比較することで、補正ベクトルデータを算出し、補正部３８０に出力する。補正部３８０では、変位量予測データと補正ベクトルに基づいて、造形ユニット２０６の動作を制御するための補正造形データを生成し、造形ユニット制御部３３０に出力する。造形ユニット制御部３３０は、補正造形データに基づいて造形ユニット２０６の動作を制御することで、所望の形状の立体造形物を造形する。

【0042】

上述した補正ベクトル出力部３７０での処理について図６～図８を以て説明する。図６は、本実施形態における補正ベクトル出力部３７０の詳細なデータフローを示す図である。図６に示すように、補正ベクトル出力部３７０は、予測データ出力遅延部３７１と、変位量算出部３７２と、補正量算出部３７３と、補正量変換部３７４とを含んで構成される。

【0043】

図７は、本実施形態の造形装置１００が造形する立体造形物の一例を示す図であり、本実施形態では、図７に示す形状の立体造形物を造形する場合における補正の例について説明する。図７（ａ）は、造形装置１００によって造形される、所望の立体造形物（以下、「モデルＭ」として参照する）の形状である。本実施形態のモデルＭは、一例として、錐台形状の下部モデルＭ_ａと直方体形状の中央部モデルＭ_ｂおよび上部モデルＭ_ｃから構成されているものとする。造形装置１００のデータ入力部３１０には、モデルＭの形状を示すデータが入力され、造形データ生成部３２０において、モデルＭを高さ方向に対して積層ピッチ単位で分割したスライスデータを生成する。

【0044】

図７（ｂ）は、モデルＭを分割したスライスデータの各層の形状を示している。本実施形態のモデルＭは、図７（ｂ）に示すように、下部モデルＭ_ａと、中央部モデルＭ_ｂと、上部モデルＭ_ｃとをそれぞれ５層ずつに分割したものとし、各層のスライスデータは、Ｌ_１～Ｌ_１５として生成されるものとする。以下、図７のモデルＭを造形する場合における補正処理の例を説明する。

【0045】

図８は、本実施形態における補正を説明する図である。図８（ａ）は、第（ｎ－１）層の造形層を測定し、差分ベクトルを求める例を示している。また、図８（ｂ）は、第ｎ層の形状を補正する例を示している。以下では、図６～図８を適宜参照して補正処理について説明する。

【0046】

図６に示すように、変位形状予測部３５０が出力した第ｎ層変位量予測データは、予測データ出力遅延部３７１に入力される。予測データ出力遅延部３７１は、入力された各層の変位量予測データを一時的に記憶し、所定のタイミングで変位量算出部３７２に対して出力する手段である。また、造形物形状測定部３４０が出力した第（ｎ－１）層測定データは、変位量算出部３７２に入力される。

【0047】

変位量算出部３７２では第（ｎ－１）層変位量予測データと第（ｎ－１）層測定データとに基づいて、予測値の誤差を示す第（ｎ－１）層差分ベクトルを算出する。なお、差分ベクトルの算出には同じ層について比較する必要があることから、予測データ出力遅延部３７１で変位量予測データを１層分遅延させて、変位量算出部３７２に出力する。これによって、変位量算出部３７２において比較対象となる造形層を一致させることができ、適切に差分ベクトルを算出することができる。

【0048】

なお、造形された立体造形物の形状は温度低下によって収縮するものであり、形状の測定は収縮している過程で行われ得る。したがって、変位量算出部３７２は、入力された変位量予測データから、測定時刻ｔに対応する時刻の変位量を抽出して、比較対象とする。このようにして測定時刻ｔを対応させることで、適切な補正を行うことができ、効率的に立体造形物の造形精度を向上できる。

【0049】

図８（ａ）は、変位量算出部３７２が、第（ｎ－１）層変位量予測データに基づく形状と第（ｎ－１）層測定データとを比較して、第（ｎ－１）層差分ベクトルを抽出した例を示す図である。図８（ａ）の実線は、測定時刻ｔにおける造形層の輪郭形状を示している。また、図８（ａ）の破線は、図４（ｃ）に示したような変位量予測データに基づいて算出される、造形層の測定時刻ｔに対応する時点での輪郭形状を示している。図８（ａ）の矢線は差分ベクトルを示しており、差分ベクトルは以下のようにして求めることができる。

【0050】

まず変位量算出部３７２は、測定した造形層の輪郭形状を構成する点および変位量予測データに基づく輪郭形状を構成する点を抽出する。その後、造形層の輪郭形状を構成する各点に対応する、変位量予測データに基づく輪郭形状を構成する各点を求める。そして、上記のようにして求めた対応する各点について、位置ベクトルの差を求めることで差分ベクトルを算出することができる。なお、各輪郭形状について対応する点を求める方法の例としては、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）のような点群データの位置合わせアルゴリズムを用いることができるが、特に限定するものではない。

【0051】

また、計算量を抑制するために、差分ベクトルの算出には、抽出した点の全てを使用しなくてもよい。例えば、抽出された点の一部を使用して、点間の形状を補完してもよく、図８（ａ）に示すように、輪郭形状を構成する点Ｐ_１～Ｐ_１０について差分ベクトルを算出してもよい。

【0052】

変位量算出部３７２は、上述のようにして算出した第（ｎ－１）層差分ベクトルを補正量算出部３７３に出力する。補正量算出部３７３は、図７に示すように乗算器３７３ａと、記憶領域３７３ｂと、加算器３７３ｃとを含んで構成される。乗算器３７３ａは、差分ベクトルに一定の係数αを乗じる。記憶領域３７３ｂは、前回補正時、すなわち第（ｎ－２）層補正時の補正量を記憶するメモリである。なお、記憶領域３７３ｂには第（ｎ－２）層以前の補正量を蓄積してもよい。加算器３７３ｃは、第（ｎ－１）層に関する乗算器３７３ａの出力値と、第（ｎ－２）層補正量とを加算することで、第（ｎ－１）層補正ベクトルを出力する。

【0053】

なお、補正量算出部３７３を構成する各演算装置はシリアルに構成されてもよいが、上述した各演算は、差分ベクトルの数に対応する回数を行うことから、図７に示すように並列で構成されてもよい。また、図７に示す構成では、積分制御によって補正ベクトルを算出する構成となっているが特に実施形態を限定するものではなく、例えば、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御やＰＩ制御などの他の制御方法によって補正ベクトルを算出してもよい。

【0054】

補正量変換部３７４には、変位形状予測部３５０が出力した第ｎ層変位量予測データと、予測データ出力遅延部３７１が出力した第（ｎ－１）層変位量予測データと、補正量算出部３７３が出力した第（ｎ－１）層補正ベクトルとが入力される。補正量変換部３７４は、入力された上記の各種データに基づいて、第ｎ層を補正するか否かを判定し、補正する場合には第（ｎ－１）層補正ベクトルを第ｎ層の形状データに対応した補正ベクトルに変換し、補正部３８０に出力する。補正量変換部３７４は、以下のようにして第ｎ層補正ベクトルを求める。

【0055】

まず、補正量変換部３７４は、第（ｎ－１）層変位量予測データに基づく形状と、第ｎ層変位量予測データに基づく形状とを比較し、それぞれの形状を構成する点を対応付ける。各点の対応付けは、変位量算出部３７２の処理と同様に、ＩＣＰなどによって行うことができる。点Ｐ_１～Ｐ_１０に対応する点は、図８（ｂ）に示すように、点Ｐ’_１～Ｐ’_１０として抽出される。なお、図８（ｂ）は、第ｎ層の形状を補正する例を示す図である。図８（ｂ）において、濃い色で示す領域は第ｎ層変位量予測データに基づく形状であり、実線で示す領域は第ｎ層の補正形状である。

【0056】

補正量変換部３７４は、ｔにおける変位量の予測値に基づいて、第（ｎ－１）層補正ベクトルを第ｎ層補正ベクトルに変換する。補正部３８０は、第ｎ層予測形状における最終的な変位量予測値（収縮後の形状）に、第ｎ層補正ベクトルを対応付けた形状データを第ｎ層補正造形データとして出力する。

【0057】

ところで、上述したようなフィードバック制御による補正処理は、第（ｎ－１）層の形状と、第ｎ層の形状とが同一であったり、類似していたりする場合には有効である。例えば、図７（ｂ）のＬ_１～Ｌ_５のように形状が緩やかに変化する場合や、Ｌ_６～Ｌ_１０やＬ_１１～Ｌ_１５のように同一形状の造形層を積層する場合などに有効である。一方で、例えばＬ_５とＬ_６のような、層間の形状の変化が顕著である場合には、適切に補正されないことがある。すなわち各層の形状が円形であるＬ_１～Ｌ_５の造形層の収縮プロセスと、形状が矩形であるＬ_６の造形層の収縮プロセスとが異なる蓋然性が高いことから、Ｌ_１～Ｌ_５において蓄積したデータでＬ_６以降の造形層を補正しても適切に補正できず、所望の立体造形物とならない。そこで、補正量変換部３７４は、第（ｎ－１）層の形状と、第ｎ層の形状とを比較し、各層の形状の差分の大小に基づいて上記の補正を行うか否か選択することが好ましい。

【0058】

具体的には、補正量変換部３７４は、入力された第ｎ層変位量予測データに基づく形状と、第（ｎ－１）層変位量予測データに基づく形状とを比較する。比較の結果、各層の対応点間の距離が所定の閾値よりも小さい場合には、第（ｎ－１）層補正ベクトルに基づいて第ｎ層補正ベクトルを出力する。一方で、各層の対応点間の距離が閾値よりも大きい場合には、第（ｎ－１）層までに蓄積した補正量を第ｎ層の補正に反映せず、補正ベクトルをゼロとして出力する。また、各層の対応点間の距離が閾値よりも大きい場合には、補正量変換部３７４は、補正量算出部３７３に対してクリアコマンドを出力するように構成されてもよい。クリアコマンドを受領した記憶領域３７３ｂは、蓄積されている第（ｎ－１）層までの補正量をクリアする。これによって、層間の形状変化量が大きい場合には、以前の造形層の補正ベクトルを用いずに補正することができるので、造形層を適切に補正することができる。

【0059】

また、層間の形状変化量が大きい場合であっても、図形形状が類似している場合には、第（ｎ－１）層補正ベクトルに基づいて第ｎ層補正ベクトルを出力してもよい。例えば、Ｌ_１０とＬ_１１とでは、各造形層とも矩形であり形状が相似していることから、Ｌ_１０までの造形層の補正ベクトルを、Ｌ_１１の造形層に適用できる蓋然性が高い。

【0060】

そこで補正量変換部３７４は、第（ｎ－１）層の形状と第ｎ層の形状とを比較して、両者の相関値を算出する。形状の相関値が閾値よりも大きい場合には第（ｎ－１）層補正ベクトルに基づいて第ｎ層補正ベクトルを出力する。一方で、形状の相関値が閾値よりも小さい場合には、第（ｎ－１）層までに蓄積した補正量を第ｎ層の補正に反映せず、補正ベクトルをゼロとして出力する。また、形状の相関値が閾値よりも小さい場合には、補正量変換部３７４は、補正量算出部３７３に対してクリアコマンドを出力し、記憶領域３７３ｂに蓄積されている第（ｎ－１）層までの補正量をクリアするように構成されてもよい。これによって、層間の形状変化量が大きくても各層の形状の相関に基づいて、造形層を適切に補正することができる。

【0061】

また、上述したような、各層間の形状の変化が顕著な場合には、図６に示したようなフィードバック制御によらずに補正してもよい。例えば、他の好ましい実施形態における造形装置１００は、フィードフォワード制御による補正を行ってもよく、図９に示すように、補正部３８０に対してＦＦ補正ベクトルを出力可能に構成されたＦＦ補正ベクトル記憶部３９０を含んで構成されてもよい。

【0062】

図９は、他の実施形態におけるデータフローを示す図である。ＦＦ補正ベクトルは、通常のフィードバック制御における伝達特性をＧとした場合におけるＧ^－１となる特性を持つベクトルであり、シミュレーションやダミー造形などによって予め求めておくことができる。

【0063】

各層間の形状の変化が顕著であって、フィードバック制御による補正が適切でない場合には、ＦＦ補正ベクトル記憶部３９０は、補正部３８０に対してＦＦ補正ベクトルを出力する。補正部３８０は、第ｎ層補正ベクトルと、ＦＦ補正ベクトルとに基づいて、第ｎ層造形データを補正する。

【0064】

このように、造形層の形状に応じて、フィードバック制御による補正とフィードフォワード制御による補正とを適宜選択して実行することで、立体造形物の形状や、周辺環境の変化などに対応した補正ができる。

【0065】

次に、造形装置１００が実行するここまでに説明してきた処理についてまとめる。図１０は、造形装置１００が実行する処理のフローチャートである。造形装置１００は、ステップＳ１０００から処理を開始する。ステップＳ１００１でｎ＝０として設定し、ステップＳ１００２では、ｎの値を１だけインクリメントする。

【0066】

ステップＳ１００３において、造形ユニット制御部３３０は造形ユニット２０６を制御し、第ｎ層目の造形層を造形する。ステップＳ１００４では、全ての造形層を造形したか否かによって処理を分岐する。全ての造形層を造形した場合（ＹＥＳ）、すなわちステップＳ１００３で造形した造形層が最上部の造形層である場合には、ステップＳ１００９に進み、造形処理を終了する。全ての造形層を造形していない場合（ＮＯ）、すなわち造形されていない造形層が存在する場合には、ステップＳ１００５に進む。

【0067】

ステップＳ１００５では、造形物形状測定部３４０は、ステップＳ１００３で造形した第ｎ層目の造形層の形状を測定する。ステップＳ１００６において、補正ベクトル出力部３７０は、第ｎ層の造形層の形状と、第ｎ＋１層の造形層の形状とを比較し、その差分が閾値よりも小さいか否かによって処理を分岐する。求めた差分が閾値よりも小さい場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１００７に進む。また、求めた差分が閾値よりも大きい場合には（ＮＯ）、ステップＳ１００８に進む。

【0068】

ステップＳ１００７では、ステップＳ１００５で測定したデータに基づいて、補正ベクトル出力部３７０は、フィードバック制御による第ｎ＋１層の補正値を算出する。また、算出した補正値に基づいて補正部３８０は、第ｎ＋１層の造形データを補正する。その後ステップＳ１００２に戻り、全ての造形層を造形するまで、ステップＳ１００２以降の各処理を繰り返す。

【0069】

ステップＳ１００８では、第ｎ層の補正量を第ｎ＋１層に反映させないために、補正量算出部３７３の記憶領域３７３ｂに格納されている補正量のデータをクリアする。また、ステップＳ１００８では、上述したように、ＦＦ補正ベクトル記憶部３９０が補正部３８０に対してＦＦ補正ベクトルを出力することで、フィードフォワード制御による補正を行ってもよい。その後、ステップＳ１００２に戻り、全ての造形層を造形するまで、ステップＳ１００２以降の各処理を繰り返す。

【0070】

造形装置１００は、図１０に示す処理を行うことで、立体造形物の形状や、周辺環境の変化などに対応した補正ができ、所望の立体造形物を造形することができる。

【0071】

以上、説明した本発明の各実施形態によれば、所望の立体造形物を造形する造形装置、制御装置および方法を提供することができる。

【0072】

上述した本発明の各実施形態の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）等で記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ－ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ等の装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。

【0073】

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、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】

【0074】

１００…造形装置、１１０…ヘッド、１２０…ステージ、１３０…センサ、１４０…造形材料、１５０…情報処理端末、２０１…ＣＰＵ、２０２…ＲＡＭ、２０３…ＲＯＭ、２０４…記憶装置、２０５…インターフェース、２０６…造形ユニット、２０７…形状センサ、２０８…周辺環境センサ、３１０…データ入力部、３２０…造形データ生成部、３３０…造形ユニット制御部、３４０…造形物形状測定部、３５０…変位形状予測部、３６０…周辺環境データ取得部、３７０…補正ベクトル出力部、３７１…予測データ出力遅延部、３７２…変位量算出部、３７３…補正量算出部、３７３ａ…乗算器、３７３ｂ…記憶領域、３７３ｃ…加算器、３７４…補正量変換部、３８０…補正部、３９０…ＦＦ補正ベクトル記憶部

【先行技術文献】

【特許文献】

【0075】

【文献】特開２０１６－２１５６４１号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】