JP7060907B2 - 立体物製造装置および方法 - Google Patents

Description

本出願は、デジタル光処理（ＤＬＰ）を使用する立体物製造装置および方法、より具体的には、製造装置のステージを移動させる移動装置のトルク値に基づいてステージを制御する回路でのデジタル光処理を使用する立体物製造装置および方法に関する。

印刷技術を使用して３次元（「３Ｄ」）の立体物を形成するための様々な方法および装置が提案されている。例えば、デジタル光処理（ＤＬＰ）技術を使用して３Ｄ物体を形成する３Ｄプリンタは、よく知られている。このような装置では、フォトポリマーが充填されたバットにステージが載置され、ステージに付着する所望の立体物の層を生成するように、バットの底部からフォトポリマーの断面エリアへ光が照射される。それからステージがわずかに上昇して、物体のすべての層が生成されるまで処理が反復される。このような装置は、速い処理速度と比較的高い精度と比較的少ない廃棄物の発生とを含む長所を有する。

しかしながら、このような装置の有効性には改善の余地がある。例えば、日本特許出願公開第２０１５‐０２４６３４号（「ＪＰ’６３４」）は、生産過程において成形された物体を保持する部材からの３次元成形物体の落下を抑止する特徴を記載しているが、処理精度および速度に関する詳細な記載が欠如している。

また、例えば米国特許第８，６２３，２６４号（「ＵＳ’２６４」）は、トラフ（バット）が水平にシフトされうるか、回転テーブルに配設された複数のバットが円状に移動する方法および装置を概説している。さらにＵＳ’２６４は、処理中にビルドプラットフォーム（ステージ）への力を制御する方法を説明している。しかしながら、力の測定および制御について概説されている方法は比較的複雑であり、処理有効性を維持する単純な構成について改良の余地が残っている。

さらに、例えば、米国特許出願公開第２０１７／３６８７４７号（「ＵＳ’７４７」）は、例えば力を測定することによりビルドプラットフォーム（バット）の精密な位置を判断するための技術を記載しているが、処理速度についての示唆を記載しておらず、ゆえに処理有効性について改良の余地が残っている。

処理有効性が向上した、上記の問題を解決するＤＬＰ３Ｄプリンタが望ましい。このため、発明者らは、フォトポリマーを保持する構成を有するバットと、立体物の層を生成するようにバット内のフォトポリマーの少なくとも一部分に光を照射する構成を有するデジタル光処理部と、フォトポリマーを収容するバットに対して可動である構成を有する可動ステージと、ステージを移動させる構成を有する移動装置と、移動装置のトルク値に基づいて移動装置の速度を制御する構成を有する制御器と、を含む立体物製造装置を提案する。

発明者らはさらに、フォトポリマーをバットに充填することと、立体物の層を生成するようにデジタル光処理部を使用してバット内のフォトポリマーの少なくとも一部分に光を照射することと、移動装置を使用してフォトポリマーを収容するバットに対して可動ステージを移動させることと、移動装置のトルク値に基づいて移動装置の速度を制御することと、を含む立体物製造方法を提案する。

上記の装置と方法の両方によれば、立体物を生成するのに使用されるフォトポリマーを収容するバットに対して可動ステージが移動する速度は、ステージを移動させる移動装置のトルク値に基づいて制御されうる。これは、印刷処理中のワークの落下を防止しながら効率的かつ効果的な印刷処理を許容する。

図１は、或る実施態様によるプリンタの概略図である。 図２は、或る実施態様によるプリンタの全体構造を示すブロック図である。 図３は、或る実施態様による工作データの一例を示す表である。 図４は、或る実施態様による印刷処理の一例を示すフローチャートである。

ここに記載される材料、方法、そして例は、単に例示的であって限定の意図はない。図面では、同様の参照符号は幾つかの図を通して同一または対応の部品を指す。さらに、ここで使用される際に、“ａ”，“ａｎ”その他の語は、異なる記載がなければ「一つ以上」の意味を含む。図面は概して、他に明記されなければ一定の寸法に限定されるわけではない。

図１は、或る実施態様によるプリンタ１の概略図である。プリンタ１は、３Ｄ物体であるワークＷを製造するための装置である。プリンタ１はプリンタ本体１０と制御器１８とを備える。プリンタ本体１０は、バット１１、デジタル光処理部１２、可動ステージ１４、モータ１６、バット装填器３０、装填器移動装置４０、真空発生器８０などの要素を含む。
プリンタ１がワークＷを製造する際の印刷処理は、後で詳しく説明される。

プリンタ本体１０は、プリンタ１を構成する要素の幾つかのためのハウジングである。バット１１は、ワークＷを生成するのに使用されるフォトポリマー（例えばＰ１，Ｐ２）を保持するためのものである。バット１１は、バット１１に装填されたフォトポリマーへステージが上方から挿入されうるように、底部と側壁と開口上部とを備える容器である。バット１１は、（後述の）バット装填器３０の穴へ挿入された時の支持のためのリップ（不図示）を備えうる。（後述の）デジタル光処理部１２からの光がバット１１内のフォトポリマーに到達できるように、バット１１の底面は透明である。フォトポリマーを保持してデジタル光処理部からの光がフォトポリマーに到達することを許容できる限り、バット１１の構成は特に限定されない。プリンタ１には、ワークＷが複数の材料から製造されうるように、異なるフォトポリマーを各々が保持する複数のバット１１が設けられる。

バット１１はバット装填器３０に装填される。バット装填器３０は、バット１１を収容するための穴を備える回転テーブルであり、装填器移動装置４０を備える。バット１１のリップが穴の縁部に支持されるように、バット１１を受容するための穴は適切なサイズのものでありうる。バット装填器３０はまた、様々なサイズのバットを支持するためネジその他など調節可能な支持機構も備えうる。可動ステージ１４がバット１１へ下降するステージ受容位置（５０）へ複数のバット１１の各々が移動できるように、装填器移動装置４０はバット装填器３０を回転させる（図１で右側のバットはステージ受容位置５０にある）。プリンタ１では、装填器移動装置４０により回転される回転テーブルとしてバット装填器３０が構成されるが、構成はこれに限定されない。バット装填器は矩形板その他であってもよく、装填器移動装置は、コンベヤ、ローラ、その他を介してステージ受容位置へバットを移動させうる。代替的に、装填器移動装置は、機械的な爪を使用してバットを把持するロボットアームその他を使用して、ステージ受容位置でバットを交換しうる。しかしながら、装填器移動装置４０として回転テーブルを使用することの利点は、低い製造コストで比較的単純な機構によってステージ受容位置でのバット１１の精密な配置を可能にすることである。特に、このような構成は、良好な精度が垂直方向に維持されることを可能にし、これは印刷処理精度にとって重要である。このようなプリンタに必要とされる精度レベルはたいてい１０から１００ミクロンの範囲である。

デジタル光処理部１２は、印刷処理中に使用されてバット１１内のフォトポリマーの連続層を硬化させ、ワークＷを生成する。このようなユニットは周知であり、従来のデジタル光処理部が採用されてもよい。例えば、デジタル光処理部１２は、光源と光調整機構（不図示）とを含み、バット１１の透明底部を通して、バット１１内のフォトポリマーへ下方から光Ｌを照射することにより、生成されたワークＷの層を硬化させる。デジタル光処理部１２は制御器１８から命令を受理し、これらの命令に基づいてバット１１へ照射される光を調節する。例えば、形状、位置、表面積など、生成される層に関する情報に基づいて、光Ｌが調節されうる。

（図１に両方向矢印で示される）垂直方向に可動であるように可動ステージ１４がフレーム９０に装着される。可動ステージ１４は、移動装置、例えばモータ１６により垂直に移動する。ワークＷの印刷処理中に、可動ステージ１４の底面がバット１１内のフォトポリマーの内側になるまで可動ステージがモータ１６により下降する。制御器１８からの命令に基づいてデジタル光処理部１２によりフォトポリマーの層が硬化されてしまうと、モータ１６が所与のトルクで駆動されて可動ステージ１４を上昇させる。この処理は、ワークＷ全体が完成するまで層ごとに反復される。印刷処理に関する詳細は後で説明する。

可動ステージ１４は複数の穴１４２も備える。穴１４２は可動ステージ１４の底面に開口する。集合的または個別的に穴１４２へ負圧が供給されうるように、穴１４２は例えば真空発生器８０に接続される。穴１４２へ負圧を印加することにより、可動ステージ１４で生成されているワークＷは可動ステージ１４により確実に保持され、これは印刷処理中にワークＷが落下するのを防止する。例えば、これは可動ステージ１４が高速で上昇するのを可能にし、こうして印刷処理の効率を向上させる。穴１４２への負圧は、制御器１８からの命令に基づいて個別的に制御されうる。例えば、可動ステージ１４の底面と接触するワークＷの層の形状、位置、表面積その他に基づいてどの穴１４２に負圧が印加されるかを調節することにより、生成されているワークＷを可動ステージ１４に確実に保持しながら負圧を効率的に供給することが可能である。ワークＷをステージの底面に保持する力は、ワークＷの新たに生成される層をバットの底面に保持する力の観点から特に重要である。この力は、現在層（バットの底面と接触している層）の形状、位置、表面積その他に応じても変化しうるだろう。そのため、例えばワークＷの必要保持力と可動ステージ１４の移動速度とを決定する時には、可動ステージ１４の底面と接触するワークＷの層の形状、位置、表面積その他と、現在層の形状、位置、表面積その他の両方が検討されうる。可動ステージ１４の移動速度の変化に関する詳細は後で説明される。

図２は、或る実施態様によるプリンタ１の構成全体を示すブロック図である。図２に示されているように、プリンタ１は操作パネル６０（図１には不図示）も含む。操作パネル６０は、オペレータに情報を表示するとともに、ジョブデータ２０のエントリ（図３参照）のような入力と印刷処理の開始または停止の命令とを受理するのに使用される。

制御器１８はプリンタ１の制御全体を実施する。制御器１８は、設定回路１８２、保存回路１８４、処理回路１８６、およびメモリ１８８などの要素を含みうる。制御器１８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどの要素を含む汎用コンピュータその他から構成されうる。制御器１８のメモリ１８８は、印刷処理中に使用されるジョブデータ２０などの情報を記憶する。ジョブデータ２０は操作パネル６０を使用してオペレータにより入力されうる。ジョブデータ２０に関する詳細は以下に挙げる。

処理回路１８６は、印刷処理中にジョブデータ２０に基づいて印刷ワークＷの処理を実施する。保存回路１８４は、モータ１６のトルク値など、印刷処理中に生成される情報を保存する。設定回路１８２は、印刷処理中に使用される分離閾値ＳＴおよび下方閾値ＦＴなどの値を設定するのに制御器１８により使用される。このような閾値、使用される他の情報、印刷処理などに関する詳細は以下に挙げる。

図３は、或る実施態様によるジョブデータ２０の一例を示す表である。ジョブデータ２０は、ワークＷを生成するのに使用される印刷処理中に使用され、例えば、生成される３Ｄ物体のタイプを規定するワークタイプとレイヤ情報ＬＩとを含む。レイヤ情報ＬＩは、ワークタイプのＬＩ１からＬＩｘまでの各層の情報を含む。ＬＩ１からＬＩｘの各々は、例えばこの層の形状、位置、および表面積を表す情報を内含する。この情報は、デジタル光処理部１２により処理されて、バット１１に照射される光を適切に調節する。この情報はまた、可動ステージ１４の穴１４２への負圧の供給を制御するのに制御器１８により使用されうる。

図４は、印刷処理の一例のフローチャートを示す。図４を参照して印刷処理がこれから詳しく説明される。

図４の印刷処理は制御器１８により実施される。印刷処理を開始するオペレータからの命令を受理した後に、Ｓ１００で、可動ステージがバット１１内で次の層の開始位置まで下降するように制御器１８はモータ１６を制御する。

次に、Ｓ１０５で、制御器１８はデジタル光処理部１２を制御して、ジョブデータ２０（図３参照）に規定されているような、生成されている３Ｄ物体の第１層のレイヤ情報ＬＩに基づいてバット１１内のフォトポリマーの層に光を照射する。

そしてＳ１１０で、制御器１８はモータ１６を制御して可動ステージ１４を第１速度ｖ１で上昇させる。例えば、フォトポリマーとして使用されている材料と、生成されるワークＷのサイズ、形状、重量、層表面積等とに基づいて、第１速度ｖ１が予め判断されうることに注意していただきたい。

そしてＳ１１５で、制御器１８は、生成された層が３Ｄ物体の第１層であったかどうかをジョブデータ２０に基づいて判断する。Ｓ１１５で「Ｙｅｓ」と判断した場合に、制御器１８はＳ１２０に進み、ここで、可動ステージ１４を指定量だけ上昇させた後に、制御器１８は、モータ１６から受理した現在トルク値に基づき、設定回路１８２を使用して分離閾値ＳＴを設定する。例えば、モータ１６のエンコーダからの情報に基づいてモータ１６からトルク値が受理されうることに注意していただきたい。そして制御器１８はＳ１５５に進み、ここで可動ステージ１４は所定の上限で停止する。

Ｓ１１５で制御器１８が「Ｎｏ」と判断した場合に、処理はＳ１２５に進む。Ｓ１２５では、可動ステージの現在位置が所定の上限より大きいかどうかを制御器１８が判断する。Ｓ１２５で「Ｙｅｓ」と判断した場合に、制御器１８はプリンタ１の動作を停止させ（Ｓ１３０）、それからＳ１００に戻る。Ｓ１２５で「Ｎｏ」と判断した場合に、制御器１８はＳ１３５へ進む。

Ｓ１３５で、制御器１８は、モータ１６の現在トルクが、現在設定されている分離閾値ＳＴより小さいかどうかを判断する。Ｓ１３５で「Ｎｏ」と判断した場合に、制御器１８はＳ１１０へ戻る。Ｓ１３５で「Ｙｅｓ」と判断した場合に、制御器１８はＳ１４０へ進む。

Ｓ１４０で、制御器１８は現在トルク値が所定の下方閾値ＦＴより小さいかどうかを判断する。例えば、フォトポリマーとして使用される材料、生成されるワークＷのサイズ、形状、重量、層表面積等に基づいて、制御器１８の設定回路１８２により下方閾値ＦＴが予め設定されうることに注意していただきたい。Ｓ１４０で「Ｙｅｓ」と判断した場合に、制御器１８は、プリンタ１の動作を停止させ、操作パネル６０を介してオペレータに警告を発出する（Ｓ１４５）。Ｓ１４５で「Ｎｏ」と判断した場合に、制御器１８はＳ１５０へ進む。

Ｓ１５０で、制御器１８はモータ１６の現在トルクに基づいて分離閾値ＳＴを更新し、それからＳ１５５へ進む。

Ｓ１５５で、制御器１８はモータ１６を制御し、ｖ１より大きい第２速度ｖ２で可動ステージ１４を上昇させる。第１速度ｖ１のように、例えばフォトポリマーとして使用されている材料と、生成されるワークのサイズ、形状、重量、層表面積等とに基づいて、第２速度ｖ２が予め判断されうることに注意していただきたい。

そして処理はＳ１６０へ進み、可動ステージ１４は上限で停止する。そしてＳ１６５では、生成されている３Ｄ物体の最終層が完成したかどうかを制御器１８が判断する。Ｓ１６５で「Ｎｏ」と判断した場合に、制御器１８はＳ１００へ戻る。Ｓ１６５で「Ｙｅｓ」と判断した場合に、制御器１８は処理を終える。

上述のように、プリンタ１では、モータ１６のトルク値に基づいてモータ１６（移動装置）の速度を制御するように制御器１８が構成される。ゆえに、モータ１６の速度を適切に制御することにより、生成されているワークＷが可動ステージ１４から落下することなく、印刷処理が効率的かつ効果的に実施されるように、可動テーブル１４が移動する。

さらに、プリンタ１では、可動ステージ１４はバット１１の上方に配置されて少なくとも一つの穴１４２を含み、少なくとも一つの穴１４２を介して供給されている負圧を介して、生成されたワークＷの保持を支持する構成を穴１４２が持つ。したがって、印刷処理中にワークＷはより確実に可動ステージ１４に保持されて、生成されているワークＷが可動ステージ１４から落下するのを防止しながら高速の印刷処理を可能にする。

また、プリンタ１では、可動ステージ１４が複数の穴１４２を含む時に、制御器は、工作データ２０に規定されるようなワークＷのワークタイプに基づいて穴１４２の各々への負圧の供給を個別的に制御するよう構成される。

さらに、プリンタ１においてさらに設けられるのは、複数のバット１１が装填可能であるバット装填器３０であって、バット１１の各々が異なるフォトポリマーを収容する、バット装填器３０と、バット装填器３０を移動させるための装填器移動装置４０である。
可動ステージ１４はバット装填器３０の上方に配置され、制御器１８は、ワークＷが異なる材料から製造されうるため複数のバット１１の各々がステージを受容する位置に一度に一つずつ配置されるように装填器移動装置４０を駆動するよう構成される。
さらに、プリンタ１は、トルク値と比較される閾値である分離閾値ＳＴを設定する構成を有する設定回路１８２も備え、制御器１８は、トルク値が分離閾値ＳＴを超えるかどうかを検査して、トルク値が分離閾値ＳＴより小さい場合にはモータ１６を制御して第１速度ｖ１で移動させる構成を有する。したがって、プリンタ１は高速でより効率的な印刷処理を達成する。

また、プリンタ１では、制御器１８は、設定回路１８２を使用して、トルク値と比較される閾値である下方閾値ＦＴを設定する構成も持ち、制御器１８は、トルク値が下方閾値ＦＴと等しいか下方閾値より大きい場合に動作の停止とオペレータへの警告の発出のうち少なくとも一方を実施するとともに、トルク値が下方閾値ＦＴより小さい場合にモータ１６を制御して第２速度ｖ２で移動させる構成を持ち、第２速度ｖ２は第１速度ｖ１より速い。したがって、プリンタ１は高速でより効率的な印刷処理を達成する。

プリンタ１において、制御器１８はさらに、下方閾値ＦＴと比較した後からのトルク値であるモータ１６の現在トルク値に基づいて分離閾値ＳＴを更新するよう構成される。これは後続の層の印刷処理がより適切に実施されることを許容する。したがって、プリンタ１は高速でより効率的な印刷処理を達成する。

プリンタ１で、制御器１８は、分離閾値ＳＴと下方閾値ＦＴの少なくとも一方を設定する時に、現在処理されている層である現在層の表面積値を検討する構成も持ちうる。これは、分離閾値ＳＴまたは下方閾値がより適切に設定されることを許容し、生成されているワークＷが可動ステージ１４から落下するのを防止しながら高速の印刷処理を可能にする。

さらに、別の実施態様によれば、フォトポリマーをバットに充填することと、立体物の層を生成するようにデジタル光処理部を使用してバットのフォトポリマーの少なくとも一部分に光を照射することと、移動装置を使用してフォトポリマーを収容するバットに対して可動ステージを移動させることと、移動装置のトルク値に基づいて移動装置の速度を制御することとを含む立体物製造方法を実施するのに、プリンタ１が使用される。この方法は、プリンタ１のものと同じ長所を達成する。

上の記載では、本開示の目的の例示的実施形態を開示および説明している。当業者に理解されるように、本開示の目的は、その趣旨または本質的な特性を逸脱することなく他の特定の形で具現化されうる。したがって、本開示は例示的であることを意図しており、本開示の目的および請求項の範囲を限定するものではない。
上の教示を考慮すると、本開示の幾つかの変形および変更が可能である。それゆえ、添付の請求項の範囲内で、具体的に説明されたやり方以外で開示が実践されうることが理解されるはずである。

例えば、図には示されていないが、バット１１を傾動させるために傾動機構が設けられうる。このようにして、可動ステージ１４が上昇する際に生成されている３Ｄ物体に加えられる剥離力が低減されるので、３Ｄ物体へのダメージが防止される。傾動機構はモータ１６（移動装置）のトルク値に基づいて制御されてもよい。

１：プリンタ １０：プリンタ本体 １１：バット １２：デジタル光処理部 １４：可動ステージ １４２：穴 １６：モータ １８：制御器 １８２：設定回路 １８４：保存回路 １８６：処理回路 １８８：メモリ ２０：ジョブデータ ３０：バット装填器 ４０：装填器移動装置 ５０：ステージ収容位置 ６０：操作パネル ８０：真空発生器 Ｌ：光 Ｐ１，Ｐ２：フォトポリマー Ｔ：トルク ＦＴ：下方閾値 ＳＴ：分離閾値 ｖ１：第１速度 ｖ２：第２速度 Ｗ：ワーク

Claims (10)

1. 立体物製造装置であって、
   フォトポリマーを保持する構成を有するバットと、
   立体物の層を生成するように前記バット内の前記フォトポリマーの少なくとも一部分に光を照射する構成を有するデジタル光処理部と、
   前記フォトポリマーを収容する前記バットに対して可動である構成を有する可動ステージと、
   前記ステージを移動させる構成を有するモータと、
   前記モータのトルク値に基づいて前記ステージの移動速度を制御する構成を有する制御器と、
   を含む立体物製造装置。
2. 前記可動ステージが前記バットの上方に配置されて少なくとも一つの穴を含み、前記穴が、前記少なくとも一つの穴を介して供給される負圧を介して、生成される前記立体物の保持を支持する構成を有する、
   請求項１に記載の立体物製造装置
3. 前記可動ステージが複数の穴を含み、前記穴が、前記穴を介して供給される負圧を介して、生成される前記立体物の保持を支持する構成を持ち、
   前記制御器が、製造される前記立体物のタイプに基づいて前記穴の各々への負圧の供給を個別的に制御する構成を有する、
   請求項２に記載の立体物製造装置。
4. 複数の前記バットが装填可能であるバット装填器であって、前記バットの各々が異なるフォトポリマーを収容する、バット装填器と、
   前記バット装填器を移動させるための装填器移動装置と、
   を含み、
   前記可動ステージが前記バット装填器の上方に配置され、
   前記制御器が、前記立体物が異なる材料から製造されうるために前記複数のバットの各々が一度に一つずつ前記ステージを受容する位置に配置されるように前記装填器移動装置を駆動する構成を有する、
   請求項１に記載の立体物製造装置。
5. 複数の前記バットが装填可能であるバット装填器であって、前記バットの各々が異なる材料を収容する、バット装填器と、
   前記バット装填器を移動させるための装填器移動装置と、
   を含み、
   前記可動ステージが前記バット装填器の上方に配置され、
   前記可動ステージが前記バットの上方に配置されて穴を含み、前記穴が、前記穴を介して供給される負圧を介して、生成された前記立体物の保持を支持する構成を持ち、
   前記制御器が、前記立体物が異なる材料から製造されうるために前記複数のバットの各々が一度に一つずつ前記ステージを受容する位置に配置されるように前記装填器移動装置を駆動する構成を有する、
   請求項１に記載の立体物製造装置。
6. 前記トルク値と比較される閾値である分離閾値を設定する構成を有する設定回路、
   を含み、
   前記制御器が、前記トルク値が前記分離閾値を超えるかどうかを検査するとともに、前記トルク値が前記分離閾値より小さい場合に前記モータを制御して前記ステージを第１速度で移動させる
   構成を有する、
   請求項１に記載の立体物製造装置。
7. 前記設定回路がさらに、前記トルク値と比較される閾値である下方閾値を設定する構成を持ち、
   前記制御器が、前記トルク値が前記下方閾値と等しいか前記下方閾値より大きい場合に動作の停止とオペレータへの警告発出の少なくとも一方を実施するとともに、前記トルク値が前記下方閾値より小さい場合に前記モータを制御して前記ステージを第２速度で移動させる構成を持ち、前記第２速度が前記第１速度より速い、
   請求項６に記載の立体物製造装置。
8. 前記制御器がさらに、前記下方閾値と比較した後からの前記トルク値である現在トルク値に基づいて前記分離閾値を更新する構成を有する、
   請求項７に記載の立体物製造装置。
9. 前記制御器がさらに、前記分離閾値と前記下方閾値の少なくとも一方を設定する時に現在処理されている層である現在層の表面積値を検討する構成を有する、
   請求項８に記載の立体物製造装置。
10. 立体物製造方法であって、
    フォトポリマーをバットに充填することと、
    立体物の層を生成するようにデジタル光処理部を使用して前記バット内の前記フォトポリマーの少なくとも一部分に光を照射することと、
    モータを使用して、前記フォトポリマーを収容する前記バットに対して可動ステージを移動させることと、
    前記モータのトルク値に基づいて前記ステージの移動速度を制御することと、
    を含む立体物製造方法。

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