JP2013043338A - 立体物造形装置及び立体物造形方法 - Google Patents

立体物造形装置及び立体物造形方法 Download PDF

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Abstract

【課題】立体物の外側に露出していない部分や窪んだ部分にも高精細に印刷することができる立体物造形装置及び立体物造形方法の提供。
【解決手段】造形材料を順次積み重ねることによって立体物を造形する立体物造形装置において、造形対象物の3次元の形状情報と色情報とを含むデータを入力するデータ入力部と、前記データに基づいて、前記造形材料を順次積層して造形を行う造形材料積層部と、前記データに基づいて、前記造形材料とは異なる印刷材料を前記造形材料の少なくとも一部に塗布して印刷を行う印刷部と、前記印刷部による前記造形材料の少なくとも一部への印刷を、前記造形材料積層部による1層又は複数層の前記造形材料の積層が完了する毎に実行させる装置制御部と、を少なくとも備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、立体物造形装置及び立体物造形方法に関し、特に、造形と印刷を同時に行う立体物造形装置及び立体物造形方法に関する。
3次元の立体物を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピイング(RP:Rapid Prototyping)と呼ばれる技術が知られている。この技術は、ひとつの3次元形状の表面を3角形の集まりとして記述したデータ(STL(Standard Triangulated Language)フォーマットのデータ)により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して立体物を造形する技術である。また、立体物を造形する手法としては、溶融物堆積法(FDM:Fused Deposition Molding)、インクジェット法、インクジェットバインダ法、光造形法(SL:Stereo Lithography)、粉末焼結法(SLS:Selective Laser Sintering)などが知られている。
また、このような手法を用いて造形した立体物に模様や色を付けることも可能であり、例えば、下記特許文献1には、造形済み立体物の3次元データから得た表面の傾斜情報に基づいて、インクの吐出を制御して高画質印刷を提供する立体物印刷装置が開示されている。また、下記特許文献2には、造形完了後に同じ装置内で、造形品の表面に印刷済みフィルムをかぶせて熱溶着して加飾する立体造形物の製造方法が開示されている。また、色の異なる複数の造形材料を使用し、造形部位毎に造形材料を切り替えて造形することで、造形物表面及び内面に模様や文字を表現できるようにする装置や、造形材料である粉末を固めるためのバインダーにインクを混ぜながら積層して立体物を造形することで、微小部位毎の色を変えることができるようにする装置が販売されている。
特開2001−260329号公報 特開2009−190223号公報
上述したように、造形物表面に印刷する方法としては、完成した造形物に対して後工程でその表面にインクを塗布する方法があるが、この方法では、外側に露出していない部分(例えば、円筒の内面)や窪んだ部分(例えば、凹凸の凹部)には、印刷できない。また、後工程で印刷する方法では、造形物の位置決めが難しく、位置ずれが生じやすい。更に、この方法では、造形用の装置と印刷用の装置とを別々に用意しなければならないため、コストがかかる。
また、従来の3Dプリンタにおいて、異なる色の造形材料を部位毎に切り替えて造形する方法や、造形材料であるパウダーを固めるためのバインダーにYMC色のインクを染み込ませて(すなわち、バインダーを着色して)造形する方法もあるが、これらの方法では、印刷の解像度が造形ピッチに制限されるため、高精細な印刷が実現できない。また、再現される色が造形材料の影響を受けるため、彩度や明度を正確かつ均一に再現するのが難しい。更に、これらの方法では視認できない部分(内部)も着色するため、着色材料を無駄に消費してしまう。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、立体物の外側に露出していない部分や窪んだ部分にも高精細に印刷することができる立体物造形装置及び立体物造形方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、造形材料を順次積み重ねることによって立体物を造形する立体物造形装置において、造形対象物の3次元の形状情報と色情報とを含むデータを入力するデータ入力部と、前記データに基づいて、前記造形材料を順次積層して造形を行う造形材料積層部と、前記データに基づいて、前記造形材料とは異なる印刷材料を前記造形材料の少なくとも一部に塗布して印刷を行う印刷部と、前記印刷部による前記造形材料の少なくとも一部への印刷を、前記造形材料積層部による1層又は複数層の前記造形材料の積層が完了する毎に実行させる装置制御部と、を少なくとも備えるものである。
また、本発明は、造形材料を順次積み重ねることによって立体物を造形する立体物造形装置を用いた立体物造形方法であって、造形対象物の3次元の形状情報と色情報とを含むデータを入力した後、前記データに基づいて、1層又は複数層の前記造形材料を積層する造形材料積層ステップと、前記データに基づいて、前記造形材料とは異なる印刷材料を、新たに積層した1層又は複数層の前記造形材料、若しくは、その直前に積層した1層又は複数層の前記造形材料、若しくは、新たに積層した1層又は複数層の前記造形材料及びその直前に積層した1層又は複数層の前記造形材料、の少なくとも一部に塗布する印刷ステップと、を繰り返し実行するものである。
本発明の立体物造形装置及び立体物造形方法によれば、立体物の外側に露出していない部分や窪んだ部分にも高精細に印刷することができる。その理由は、造形材料を順次積み重ねて立体物を造形する立体物造形装置において、1層又は複数層の造形材料を積層する毎に、その造形材料の表面に造形材料とは異なる材料を用いて印刷を行うからである。
これにより、造形してから印刷する従来の方法では印刷できなかった外側に露出していない部分や窪んだ部分への印刷が可能となる。また、造形材料を着色する従来の方法のように印刷精度が造形ピッチの制約を受けることがないため、高精細な印刷が可能となる。
また、造形してから印刷する従来の方法では、印刷の際に造形物を正確に位置決めする必要があったが、本発明では、造形と印刷とを同時進行で行うため、位置ずれが問題になることがなく、正確に印刷することができ、作業性を改善することができる。また、造形と印刷とを別々に行う従来の方法では、造形用の装置と印刷用の装置とを別々に用意しなければならないが、本発明では、1つの装置で造形と印刷を行うことができるため、コストを削減することができる。
また、造形材料自体を着色する従来の方法では、再現される色が造形材料の影響を受けるため、彩度や明度の再現が難しいが、本発明では、造形材料の表面に印刷するため、彩度や明度を正確かつ均一に再現することができる。また、従来の方法では、視認できない部分(内部)も着色するため、着色材料を無駄に消費してしまうが、本発明では、造形材料の表面に印刷するため、材料の消費を削減することができる。
本発明の一実施例に係る立体物造形装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例に係る造形と印刷を同時に行う方法を説明する図である。 本発明の一実施例に係る立体物の造形手順(1層毎印刷)を示すフローチャート図である。 1層毎に印刷を行う方法を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る立体物の造形手順(2層毎印刷)を示すフローチャート図である。 2層毎に印刷を行う方法を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る立体物造形方法の効果を説明する図である。 本発明の一実施例に係る立体物の造形手順(紫外線照射量に基づいて印刷可否を判断する場合の手順)を示すフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る立体物の造形手順(造形後の経過時間に基づいて印刷可否を判断する場合の手順)を示すフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る立体物の造形手順(造形材料の表面温度に基づいて印刷可否を判断する場合の手順)を示すフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る立体物の造形手順(造形材料の色変化に基づいて印刷可否を判断する場合の手順)を示すフローチャート図である。 従来の立体物造形方法と本発明の一実施例に係る立体物造形方法の精細度の違いを説明する図である。 本発明の一実施例に係る立体物の造形手順(UV硬化方式を採用する場合の手順)を示すフローチャート図である。 UV硬化方式を用いて印刷を行う方法を模式的に示す図である。 立体物の造形する従来の方法(溶融物堆積法)を模式的に示す図である。 立体物の造形する従来の方法(インクジェット法)を模式的に示す図である。 立体物の造形する従来の方法(インクジェットバインダ法)を模式的に示す図である。 立体物の造形する従来の方法(光造形法)を模式的に示す図である。 立体物の造形する従来の方法(粉末焼結法)を模式的に示す図である。
背景技術で示したように、3次元の立体物を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピイングと呼ばれる技術が知られており、立体物を造形する手法として、溶融物堆積法(FDM)、インクジェット法、インクジェットバインダ法、光造形法(SL)、粉末焼結法(SLS)などが知られている。
溶融物堆積法(FDM)では、図15に示すように、ヘッドは、その高さの層の中で、一筆書きのように動きながら、造形材料を重ねてゆく。例えば、熱可塑性の材料を加熱して流動状にし、一方のノズルから押し出しながら断面形状を描く。また、必要に応じて、熱可塑性のサポート材料を加熱溶融し、もう一方のノズルから押し出す。そして、供給された材料が冷めると薄い硬化層ができる。この処理を繰り返した後、サポートを溶解することにより、立体物を造形する。
また、インクジェット法では、図16に示すように、一般の紙用のインクジェットプリンタの様に、X方向に往復運動を繰り返しながら、Y方向に移動させる。例えば、熱可塑性の材料(ビルド材料)を加熱溶融し、一方のインクジェットノズルから、断面形状に基づいて滴下する。また、必要に応じて、熱可塑性のサポート材料を加熱溶融し、もう一方のインクジェットノズルからモデルの外周や内周に滴下する。そして、滴下した材料が冷めると薄い硬化層ができ、一層積み上げる度に層の上を切削する。この処理を繰り返すことにより、立体物を造形し、後でサポートを溶解する。
また、インクジェットバインダ法では、図17に示すように、粉末を敷き詰めた上からインクジェットノズルで断面形状に基づいてバインダーを滴下し、粉末同士を接着させて薄い固化層を作る。そして、できた固化層の上に粉末を薄く敷き詰め、この処理を繰り返すことにより、立体物を造形する。
また、光造形法では、図18に示すように、レーザービームで樹脂液面を断面形状通りに走査することにより、表層の硬化と下層との接合を行う。そして、一層の厚さ分だけ、テーブルを降下し、この処理を繰り返すことにより、立体物を造形する。
また、粉末焼結法では、図19に示すように、粉末を敷き詰めた上から赤外線レーザービームで断面形状通りに走査することにより、粉末同士を焼結させ、薄い固化層を作る。このとき、焼結により下層との接合も行う。そして、できた固化層の上に粉末を薄く敷き詰め、この処理を繰り返すことにより、立体物を造形する。
このような手法を用いることにより、造形対象物と同じ形状の立体物を造形することができ、また、このような手法を用いて造形した立体物に模様や色を付けることもできる。しかしながら、完成した造形物に対して後工程でその表面にインクを塗布する方法では、外側に露出していない部分や窪んだ部分に印刷することができないという問題や、造形物の位置決めが難しく位置ずれが生じやすいという問題、造形用の装置と印刷用の装置とを別々に用意しなければならないためにコストがかかるという問題などがある。また、異なる色の造形材料を部位毎に切り替えて造形する方法や、造形材料を固めるためのバインダーに色インクを染み込ませて造形する方法では、印刷の解像度が造形ピッチに制限されるため、高精細に印刷することができないという問題や、造形材料の影響を受けて彩度や明度を正確かつ均一に再現するのが難しいという問題、視認できない部分にも着色するために着色材料を無駄に消費してしまうという問題などがある。
そこで、本発明の一実施の形態では、立体物造形装置に、造形材料を積層する手段に加えて造形材料の表面に印刷する手段を設け、積層造形中の1又は複数の層単位で印刷を行うようにする。その際、積層直後は、造形材料は液体状、ゲル状、パウダー状など、印刷に耐えうる状態ではないため、冷却、乾燥、UV照射等によって造形材料を硬化し、印刷可能な状態になったことを確認した後に印刷を行うようにする。
このように、造形中に印刷を行うことで、外側に露出していない部分や窪んだ部分への印刷が可能となる。また、印刷精度は造形ピッチの制約を受けないため、高精細な印刷が可能となる。また、造形と印刷が一度にできるため、造形と印刷を別々に行う方法に比べて、作業性を改善することができると共に、立体物の作製にかかるコストを削減することができる。
また、造形した部位が印刷可能であることを確認のうえで印刷を行うことによって、にじみや濃度むら、濃度低下などのない高精細な印刷が可能となる。また、印刷塗料が造形材料に染み込まないため、造形材料の膨張などの精度劣化も回避することができる。また、半硬化状態の積層物上に印刷した後に完全に硬化させる方法を採用することによって、造形物に対して強固に印刷することができる。更に、造形材料としてUV硬化樹脂、印刷塗料としてUV硬化インクを使用する方法を採用することによって、1回のUVランプ照射で造形材料及び印刷塗料の双方を硬化させることができるため、工程の削減、UVエネルギーの有効活用、UVランプの寿命向上などを図ることができる。
上記した本発明の一実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る立体物造形装置及び立体物造形方法について、図1乃至図14を参照して説明する。図1は、本実施例の立体物造形装置の構成を示すブロック図であり、図2は、本実施例の造形と印刷を同時に行う方法を説明する図である。また、図3及び図4は、1層毎に印刷を行う方法を説明する図であり、図5及び図6は、2層毎に印刷を行う方法を説明する図、図7は、本実施例の立体物造形方法の効果を説明する図である。また、図8乃至図11は、本実施例の立体物造形方法における印刷可否を判断する手順を示すフローチャート図であり、図12は、従来の立体物造形方法と本実施例の立体物造形方法の精細度の違いを説明する図、図13及び図14は、UV硬化方式を採用した立体物造形方法を説明する図である。
なお、以下の実施例において、造形の対象となる物品を造形対象物と呼び、造形対象物を模して立体物造形装置で作製される物品を造形物と呼ぶ。また、造形物を作製する際に利用する材料を造形材料と呼び、造形物に着色する際に利用する材料を印刷材料若しくは印刷塗料と呼ぶ。
図1は、本実施例の立体物造形装置の構成を示すブロック図である。この立体物造形装置は、溶融物堆積法(FDM)、インクジェット法、インクジェットバインダ法、光造形法(SL)、粉末焼結法(SLS)などを用いて立体物を造形する装置であり、制御ブロック10とヘッド移動機構ブロック20と造形材料取り扱いブロッ30などで構成される。また、必要に応じて、層積層完了判断データ提供部40、UVランプ50、ヒータ35などを付加することもできる。以下、各構成要素について説明する。
[制御ブロック]
制御ブロック10は、3Dデータ入力部11と装置制御部12などで構成される。
3Dデータ入力部11は、造形対象物の3Dデータ(CADデータやデザインデータなど)をコンピュータ装置などから取得し、装置制御部12に転送する。なお、3Dデータを取得する方法は特に限定されず、有線通信や無線通信、Bluetooth(登録商標)などの短距離無線通信を利用して取得してもよいし、USB(Universal Serial Bus)メモリなどの記録媒体を利用して取得してもよい。また、この3Dデータは、造形対象物を設計するコンピュータから直接取得してもよいし、3Dデータを管理/保存するサーバなどから取得してもよい。
装置制御部12は、CPU(Central Processing Unit)などの演算手段を有しており、入力された3Dデータに基づいて、造形材料及び表面画像を3次元で造形するための層毎のデータ(以下、スライスデータと呼ぶ。)を再構築する。また、装置制御部12は、造形動作中、装置全体の動作を制御する。例えば、ヘッド移動機構ブロック20に、造形材料及び印刷塗料を所望の場所に吐出又は塗布するための機構制御情報を送信すると共に、造形材料取り扱いブロック30にスライスデータを送信する。すなわち、装置制御部12は、造形材料取り扱いブロック30とヘッド移動機構ブロック20とを同期させて制御する。
なお、上記3Dデータ入力部11及び装置制御部12は、ハードウェアとして構成してもよいし、3Dデータ入力部11及び装置制御部12として機能させる制御プログラムとして構成し、当該制御プログラムを立体物造形装置又は当該立体物造形装置を制御する装置で動作させる構成としてもよい。
[ヘッド移動機構ブロック]
ヘッド移動機構ブロック20は、ヘッド移動ブロック21とステージ移動ブロック22などで構成される。ヘッド移動ブロック21は、X方向移動部21aとY方向移動部21bなどで構成される。また、ステージ移動ブロック22は、Z方向移動部22aなどで構成される。
ヘッド移動ブロック21(X方向移動部21a及びY方向移動部21b)は、制御ブロック10から取得した機構制御情報に従って、図示しないモータ及び駆動機構を駆動し、造形材料や印刷塗料を吐出又は塗布するためのヘッドをX方向(横方向)やY方向(横方向)に自在に移動させる。
ステージ移動ブロック22(Z方向移動部22a)は、制御ブロック10から取得した機構制御情報に従って、図示しないモータ及び駆動機構を駆動し、造形ステージをZ方向(下方向)に移動させたり、ヘッド移動ブロック21をZ方向(上方向)に移動させたりして、ヘッドと造形物との間隔を調整する。
[造形材料取り扱いブロック]
造形材料取り扱いブロック30は、造形材料供給部31と造形材料吐出部32と印刷塗料供給部33と印刷塗料塗布部34などで構成される。
造形材料供給部31は、図示しないカートリッジタンクに蓄えられた造形材料を、供給ポンプにより、造形材料チューブを通して造形材料吐出部32(ヘッド)に供給する。また、造形材料吐出部32は、制御ブロック10から取得したスライスデータに従って、ヘッド移動機構によって定められた位置に所望のタイミングで造形材料を造形ステージ上に吐出する。この造形材料吐出部32にはヒータ35が併設されることもある。これは、造形材料に熱を加え、造形材料の粘度を低下させ、造形材料吐出部32からの吐出を容易にするためである。この場合、吐出直後の造形材料は高温で低粘度の状態になっており、自然冷却やUV照射により硬化させる必要がある。なお、造形材料供給部31及び造形材料吐出部32は、立体物造形装置に各々一つ搭載してもよいし、各々複数搭載してもよい。
印刷塗料供給部33は、図示しないカートリッジタンクに蓄えられたインクを、供給ポンプにより、インクチューブを通して印刷塗料塗布部34(ヘッド)に供給する。また、印刷塗料塗布部34は、造形材料吐出部32と一体又は別体で構成され、造形材料吐出部32と同様に、制御ブロック10から取得したスライスデータに従って、ヘッド移動機構によって定められた位置に所望のタイミングで印刷塗料を造形ステージ上の造形材料に塗布して印刷画像を形成する。なお、印刷塗料供給部33及び印刷塗料塗布部34も、立体物造形装置に各々一つ搭載してもよいし、多色印刷を実現するために各々複数搭載してもよい。
また、必須ではないが、造形材料の他にサポート材料を用いる場合は、図示しないサポート材料提供部とサポート材料射出部を設けてもよい。サポート材料の役割は、上方向に造形してゆく際、オーバーハングしている部位などを造形する場合に、造形材料を支えるための柱のような役割を担う。一般的に、サポート材は造形完了後、水や熱や剥離によって除去される。
また、層積層完了判断データ提供部40は、造形材料の冷却硬化時間やUVランプ50の照射時間などをカウントするタイマーや、造形材料の冷却硬化を検出する温度センサ、硬化に伴う造形材料の色変化を検出する色センサ、UVランプ50の紫外線照射量を測定する線量計などで構成され、新たに積層された造形材料の層が印刷可能な状態になったか否かの判断を装置制御部12が行うための情報を収集して、装置制御部12に提供する。
また、UVランプ50は、造形材料としてUV硬化樹脂を使用する場合や印刷塗料としてUV硬化インクを使用する場合に、これらの材料を硬化させるために用いる。
なお、図1では、ヘッド移動機構ブロック20と造形材料取り扱いブロッ30とに分類したが、造形材料を積層する機能と印刷塗料を塗布する機能とに分類することもできる。この場合は、造形材料供給部31及び造形材料吐出部32とヘッド移動機構ブロック20を合わせて造形材料積層部、印刷塗料供給部33及び印刷塗料塗布部34とヘッド移動機構ブロック20を合わせて印刷部と呼ぶことができる。
図2(a)は、造形のみを行う一般的な立体物造形装置(3Dプリンタ)の模式図である。ノズルは、XY(横縦)方向に移動しながら造形材料を吐出する。噴射(吐出)は高さ方向の”層”毎に行われ、1層の積層が完了したら、ノズルが上昇するか、または造形ステージが下降し、次の層の造形が行われる。そして、層単位の積層を繰り返すことで自由な形状の立体物を造形する。
図2(b)は、本実施例の立体物造形装置(3Dプリンタ)の模式図であり、従来の3Dプリンタの造形材料ノズルに加え、印刷塗料用のノズルを備えている。本実施例の3Dプリンタでは、造形材料の積層と積層済みの造形材料の表面へのインク塗布を順次行いながら造形することで、造形完了と同時に造形物表面への印刷(造形後の右側面の「ABCD」の文字の印刷)も同時に完了させることができる。
なお、図2(b)では、造形材料を積層した後、その造形材料の表面に印刷塗料を塗布しているが、新たに造形材料を積層した後、その直前に積層した造形材料の表面(新たに積層した造形材料から露出する部分)、若しくは、直前に積層した造形材料の表面及び新たに積層した造形材料の側面、若しくは、直前に積層した造形材料の表面と側面及び新たに積層した造形材料の側面に印刷塗料を塗布することもできる。この構成では、造形材料の表面及び側面に印刷塗料を塗布することによって、より正確に模様や色(図では「ABCD」の文字)を再現できることから、以下の実施例ではこの構成を前提にして説明するが、造形材料を積層した後、その造形材料の表面に印刷塗料を塗布する構成を採用しても同様の効果を得ることができる。
以下、上記構成の立体物造形装置を用いて立体物を造形する方法について説明する。まず、1層毎に造形と印刷を行う場合の手順について、図3のフローチャート図及び図4の模式図を参照して説明する。
始めに、コンピュータ装置を用いて、造形対象物のCADデータやデザインデータなどの3Dデータを作成する。このCADデータやデザインデータには、造形物の形状情報と色情報とが含まれている。コンピュータ装置で作成された3Dデータは、立体物造形装置の制御ブロック10(3Dデータ入力部11)によって取り込まれて装置制御部12に転送され、装置制御部12では、3Dデータを解析して、各層の形状及び色を規定するスライスデータを生成する。そして、装置制御部12は、スライスデータに従って、ヘッド移動機構ブロック20(及びUVランプ50)に機構制御情報を送信すると共に、造形材料取り扱いブロック30に造形のためのデータ及び印刷のためのデータを送信し、造形及び印刷を開始する。
具体的には、装置制御部12は、図4(a)に示すように最下層の1層目の造形を実施し(S101)、1層目の造形完了を確認する(S102)。1層目の造形が完了したら、装置制御部12は、図4(b)に示すように2層目の造形を実施し(S103)、2層目の造形完了を確認する(S104)。ここで、造形完了とは、乾燥や放熱、UV硬化などにより、造形材料の表面が硬化または半硬化し、印刷可能な状態になったことを意味する。
2層目の造形が完了したら、装置制御部12は、図4(c)に示すように1層目の造形材料の表面(又は表面及び側面)への印刷を実施し(S105)、続いて、図4(d)に示すように3層目の造形を実施する(S106)。3層目の造形完了を確認したら(S107のY)、図4(e)に示すように2層目の造形材料の表面(又は表面及び側面)への印刷を実施し(S108)、続いて4層目の造形を実施する(S109)。そして、この動作を最上層まで繰り返し(S110、S111)、造形と印刷の一連の動作が終了する。
次に、2層毎に造形と印刷を行う場合の手順について、図5のフローチャート図及び図6の模式図を参照して説明する。この例は、2層の造形完了毎に2層の印刷を行うものであり、1層造形毎に1層印刷する方法に対して、印刷動作の挿入が半分になるため、トータルの造形時間を短縮できるメリットがある。一方、2層毎の積層後に印刷を行うためには、印刷ヘッドと下側の層までの距離が離れてしまうため、インク吐出の着弾精度が低下し、印刷の画質が低下してしまう恐れがある。従って、1層積層毎に印刷を行うか、複数層毎に印刷するかは、造形速度と印刷精度を勘案して決定することが好ましい。なお、ここでは、2層の造形毎に2層の印刷を行う場合について説明するが、3層の造形毎に3層の印刷を行う場合や4層の造形毎に4層の印刷を行う場合に対しても同様に適用することができる。
上記と同様に、コンピュータ装置で作成された、造形対象物のCADデータやデザインデータなどの3Dデータは、立体物造形装置の制御ブロック10(3Dデータ入力部11)によって取り込まれて装置制御部12に転送され、装置制御部12では、3Dデータを解析して、各層の形状及び色を規定するスライスデータを生成する。そして、装置制御部12は、スライスデータに従って、ヘッド移動機構ブロック20(及びUVランプ50)に機構制御情報を送信すると共に、造形材料取り扱いブロック30に造形のためのデータ及び印刷のためのデータを送信し、造形及び印刷を開始する。
具体的には、装置制御部12は、図6(a)に示すように最下層の1層目の造形を実施し(S201)、1層目の造形完了を確認する(S202)。1層目の造形が完了したら、図6(b)に示すように2層目の造形を実施し(S203)、2層目の造形完了を確認する(S204)。2層目の造形が完了したら、図6(c)に示すように3層目の造形を実施し(S205)、3層目の造形完了を確認する(S206)。ここで、造形完了とは、1層毎の造形で説明した通りである。
3層目の造形が完了したら、図6(d)に示すように1層目と2層目の造形材料の表面(又は表面及び側面)への印刷を一度に実施し(S207)、続いて、図6(e)、(f)に示すように4層目、5層目と、順番に造形実施と造形完了の確認を行う(S208〜S211)。5層目の造形が完了したら、図6(g)に示すように3層目と4層目の造形材料の表面(又は表面及び側面)への印刷を一度に実施する(S212)。そして、この動作を最上層まで繰り返し(S213、S214)、造形と印刷の一連の動作が終了する。
このような方法で造形と印刷を同時に行うことにより、造形対象物の形状のみならず、色や模様なども正確に再現することができる。
すなわち、立体物の表面に印刷を施す方法としては、造形後に塗装や印刷を行うことが一般的であるが、造形後に印刷する従来の工程では、図7(a)に示すような円筒形状の内側は、造形後の立体物の構造が障害物になり、印刷するための用具や手段(ペンや筆やエアブラシ、インクジェットヘッドなど)が挿入できないため、造形物に正確に模様や色を印刷することは困難であった。しかしながら、本実施例の方法では、造形物の障害物となりうる部位が造形される前に印刷できるため、造形後の印刷ではできなかった部位、例えば、図7(b)に示すような円筒形状の内側面(内部の下面側)にも印刷が可能となる。
以上、本実施例の立体物造形装置の基本的な動作について説明したが、本実施例では、造形材料の積層と印刷塗料の塗布を繰り返し行うため、印刷塗料を塗布する前に、塗布対象となる造形材料が印刷可能な状態になっていないと、印刷塗料が造形材料表面に適切に塗設されない状態になって(すなわち、印刷塗料が造形材料に染み込んだり滲んだり溶けたりして)、印刷の精度が低下する恐れがある。また、造形材料側も印刷塗料が滲み込むことで、造形材料が膨張したり変質したりするため、高精度の造形ができなくなる恐れがある。
本実施例では、このような問題を回避するために、新たに積層した層が印刷可能な状態にあるか否かを、層積層完了判断データ提供部40から通知された情報(例えば、造形後の時間経過、造形材料の温度、造形材料の色、UVランプの発光有無(紫外線照射量)など)に基づいて装置制御部12が判断し、液体またはゲル状またはパウダー状であった造形材料の形状が確定、及び/又は、印刷塗料が造形材料と混ざらない(滲まない、染み込まない、溶けない)状態に変化したことを確認するようにする。
すなわち、造形材料吐出部32(造形材料ヘッド)から吐出された直後は、UV硬化方式の造形装置であれば、樹脂は液体の状態であり、熱溶融方式の造形装置であれば、熱せられた樹脂が柔らかくなった半硬化状態のゲル状態であり、粒子積層であれば、微粉末(パウダー)の状態である。このような状態のままでは、塗布する部位の形状が確定しておらず、その表面に印刷を施すことはできない。
そこで、流動性がなくなることを確認したり、熱収縮が収まったことを確認したり、モノマーからポリマーへの物性変化を確認したり、色の変化(アクリル樹脂は乾くと乳白色から透明に変化する)を確認したりすることによって印刷可能な状態であるか否かを判断し、印刷可能な表面状態に変化したことを確認した上で、印刷を行うようにする。
以下、UVランプ50の紫外線照射量、造形後の経過時間、造形材料表面の温度、造形材料表面の色情報に基づいて印刷可能かどうかを判断する手順について、図8乃至図11のフローチャート図を参照して説明する。
[UVランプ50の紫外線照射量に基づいて判断する場合:図8参照]
1層又は複数層の造形材料(ここでは、UV硬化材料)を積層した後(S301)、装置制御部12はUVランプ50に機構制御情報を送信してUVランプ50の照射を開始する(S302)。このUVランプ50の照射によってUV硬化材料に光重合反応が起こる。すなわち、UV硬化材料に含まれる光重合開始剤が紫外線の照射によってラジカルになり、このラジカルがプレポリマー、モノマーの重合性二重結合(不飽和基)に接近して、二重結合部分が活性化されて次々と鎖状に結合されて硬化する。
層積層完了判断データ提供部40は、UVランプ50の照射時間を計測して装置制御部12に送信する。そして、装置制御部12は、UVランプ50の照射時間に基づいてUVランプ50の照射量が一定以上に達したら(S303のY)、造形済みの層は印刷可能な状態に変化した(二重結合部分が活性化されて十分に鎖状に結合された)と判断し、UVランプ50に機構制御情報を送信してUVランプ50の照射を終了させ(S304)、造形材料の表面への印刷を実施する(S305)。その後、この処理を造形完了まで繰り返す。
このように、造形材料としてUV硬化材料を使用する場合は、UVランプ50の照射時間(すなわち、紫外線照射量)を利用することによって、造形材料が印刷可能な表面状態に変化したかどうかを確実に判断することができる。
[造形後の経過時間に基づいて判断する場合:図9参照]
1層又は複数層の造形材料(ここでは、ヒータ35によって加熱した造形材料)を積層した後(S401)、層積層完了判断データ提供部40は、カウントダウンタイマーを予め定めた時間(造形材料の表面が冷却されて硬化若しくは半硬化状態になるのに必要な時間)にセットし、カウントダウンを開始し(S402)、積層後の経過時間を計測して装置制御部12に送信する。そして、装置制御部12は、タイマーの値が0になったら(S403のY)、冷却硬化に必要な時間が経過したと判断して、造形材料の表面への印刷を実施する(S404)。その後、この処理を造形完了まで繰り返す。
このように、造形材料を加熱する場合は、積層後の経過時間(すなわち、造形材料の冷却時間)を利用することによって、造形材料が印刷可能な表面状態に変化したかどうかを確実に判断することができる。なお、時間の経過に伴って造形材料に含まれる溶媒が蒸発して硬化する場合もあることから、この方法は造形材料を加熱しない場合にも適用することができる。
[造形材料表面の温度に基づいて判断する場合:図10参照]
1層又は複数層の造形材料(ヒータ35によって加熱した造形材料)を積層した後(S501)、層積層完了判断データ提供部40は、造形済み層の表面温度を非接触温度センサ等で計測し、装置制御部12に送信する(S502)。そして、装置制御部12は、造形済み層の表面温度が所定の温度(造形材料の表面が硬化若しくは半硬化状態になったと考えられる温度)まで低下したら(S503のY)、造形済み層は印刷可能な状態に変化したと判断し、造形層表面への印刷を実施する(S504)。その後、この処理を造形完了まで繰り返す。
このように、造形材料を加熱する場合は、造形済みの造形材料の表面温度を利用することによっても、造形材料が印刷可能な表面状態に変化したかどうかを確実に判断することができる。
[造形材料表面の色情報に基づいて判断する場合:図11参照]
1層又は複数層の造形材料(ヒータ35によって加熱した造形材料)を積層した後(S601)、層積層完了判断データ提供部40は、造形済み層の表面色をCCDカメラなどの色センサで計測し、装置制御部12に色情報(色彩、濃度、透明度、光沢度などの情報)を送信する(S602)。そして、装置制御部12は、色情報に基づいて造形材料の色変化を確認し、表面が所望の色に変化(例えば、乳白色から透明に変化)したら(S603のY)、造形済み層が印刷可能な状態に変化したと判断し、造形層表面への印刷を実施する(S604)。その後、この処理を造形完了まで繰り返す。
このように、造形材料を加熱する場合は、造形済みの造形材料表面の色を利用することによっても、造形材料が印刷可能な表面状態に変化したかどうかを確実に判断することができる。なお、時間の経過に伴って造形材料に含まれる溶媒が蒸発して色が変化する場合もあることから、この方法は造形材料を加熱しない場合にも適用することができる。
以上、UVランプ50の照射時間(紫外線照射量)、造形後の経過時間、造形材料の表面温度、造形材料の色に基づいて、造形済みの造形材料が印刷可能な状態になったか否かを判断する場合について説明したが、判断の要素はこれらに限定されない。また、ここでは、1つの要素に基づいて判断したが、複数の要素を組み合わせて判断することもできる。また、この判断に代えて、若しくは、この判断と共に、印刷塗料として造形材料に対する浸透性のない(滲まない、染み込まない、溶けない)材料を選択すれば、更に高精度の造形及び印刷を実現することができる。
このように印刷塗料が造形材料に染み込まないようにすることによって、印刷精度を向上させることができるが、印刷塗料の塗布サイズを小さくすることによっても印刷精度を向上させることができる。すなわち、従来の方法では、異なる色の造形材料を切り替えて、表面色に領域変化を付けるため、解像度が造形ピッチとなるが、本実施例の手法では、造形材料と異なる物質で表面塗装を行うため、印刷精度は造形ピッチの制約を受けず、高精細の表現が可能となる。
図を参照して説明すると、従来の立体物造形装置では、図12(a)に示すように、複数の造形材料ヘッド(例えば、造形材料ヘッドA、Bの2個)を有し、それぞれのヘッドから色の異なる造形材料を吐出しながら積層する。この従来の立体物造形装置でも、材料の色差を利用して、造形材料表面上に文字や絵柄を形成することは可能である。しかしながら、この方法は、造形材料を切り替えて(ときには混合して)部位毎の色差を表現する方法であるため、印刷の精細度が造形ピッチ(造形材料の最小単位)と同じとなる。この造形ピッチの大きさは、装置設計にて制御可能であるが、造形材料は造形物の形状を生成するためのものであるため、造形ピッチを小さくすると造形時間が膨大になってしまい、実用性を考慮すると造形ピッチを小さくすることは得策ではない。そのため、従来の立体物造形装置では高精細な印刷を造形物に施すことはできなかった。
一方、本実施例の立体物造形装置では、図12(b)に示すように、造形材料を吐出する造形ヘッドとは別に、印刷用のインクを塗布するインクヘッドを有する。更に、インクヘッドは造形材料の大きさより小さなインクを吐出することが可能な構成となっている。このような構成では、予め造形材料ヘッドより造形材料を吐出し、積層して造形物の形状を生成してから、その表面上に、インクヘッドによるインク塗布により表面印刷を施すことができる。その際、インクは造形材のピッチには制約を受けないため、造形材料より小さくすることも可能であるため、印刷ピッチを造形ピッチ(造形材料の最小単位)よりも小さくすることができ、高精細な印刷を実現することができる。なお、印刷用インクの精度を上げる(インク滴を小さくする)とインクの吐出回数が増えるため、造形時間が若干長くなるが、インクの塗布は造形物の表面のみを覆うものであるため、造形物全体の造形時間に対して大きな影響は及ぼさない。
このように、本実施例の立体物造形装置では、造形ヘッドと別に印刷ヘッドを備えているため、造形材料の造形ピッチより細かい大きさのインク塗布を行うことによって、造形時間を大幅に増やすことなく、造形物の表面上に高精細な印刷を施すことが可能となる。
なお、図8乃至図11では、造形材料を硬化させることを目的とした制御を行ったが、造形材料が十分に硬化していない状態で印刷塗料を塗布する方が好ましい場合もある。例えば、造形材料にUV硬化樹脂又は光硬化樹脂を使用し、印刷塗料にUV硬化インク又は光硬化インクを使用する場合、完全に硬化した樹脂の上に新たな樹脂を積層するよりも、半硬化した樹脂の上に未硬化樹脂を積層し、一緒にUV硬化して固めた方が、下層との接着力を高めることができる。
そこで、本実施例では、造形材料及び印刷塗料UV又は光硬化性の部材を用いる場合は、UVランプ50による紫外線照射量を、1回目のUV照射で未硬化から半硬化へ変化し、2回目のUV照射で半硬化から硬化に変化させる量に調整し、造形材料が半硬化の状態で印刷塗料を塗布するようにする。以下、図13のフローチャート図及び図14の模式図を参照して説明する。
まず、装置制御部12は、図14(a)に示すように最下層に1層目造形材料を積層する(S701)。この時点では造形材料のUV硬化樹脂は未硬化の液状であり、この表面に印刷することはできない。そこで、1層目の造形積層に続いて、積層した造形材料を硬化させるためのUV発光を行う(S702)。このUV発光は、立体物造形装置に備え付けられたUVランプ50を一定時間発光させることで行う。本実施例では、UVランプ50による紫外線照射量を、1回目のUV照射で未硬化から半硬化へ変化し、2回目のUV照射で半硬化から硬化に変化させる量に調整してある。続いて、図14(b)に示すように2層目の造形材料の積層を行う(S703)。この時点では1層目の造形材料は半硬化の状態であるため、2層目の造形材料を積み重ねることができる。
2層目の造形積層に続いて、2回目のUV発光を行う(S704)。2回目のUV発光によって1層目の造形材料は硬化状態、2層目の造形材料は半硬化状態になる。この状態で、図14(c)に示すように硬化状態にある1層目の造形材料の表面(又は表面及び側面)にUV硬化インクにて印刷を行う(S705)。この時、2層目の側面下部の一部にもインク滴が塗布されるが、2層目も半硬化状態であるため塗装可能である。
続いて、図14(d)に示すように3層目の造形材料の積層を行う(S706)。この時点では1層目の造形材料は硬化の状態、2層目の造形材料は半硬化状態、3層目の造形材料は未硬化の状態である。3層目の造形積層に続いて、3回目のUV発光を行う(S707)。3回目のUV発光によって2層目の造形材料は硬化状態、3層目の造形材料は半硬化状態になる。また、このUV発光によって1層目に塗布したインクも未硬化状態から硬化状態(または半硬化状態)に変化し、印刷塗料が造形材料表面に固着される。この3回目(3回目以降も同様)のUV発光は、造形材料の状態を変化させるだけでなく、印刷インクの状態も変化させることができるため、1回の発光エネルギーを有効に使うことができる。
続いて、図14(e)に示すように硬化状態にある2層目の造形材料の表面(又は表面及び側面)にUV硬化インクにて印刷を行う(S708)。この時、3層目の造形材料の側面下部の一部にもインク滴が塗布されるが、3層目も半硬化状態であるため塗装可能である。続いて、図14(f)に示すように4層目の造形材料の積層を行う(S709)。そして、この動作を最上層まで繰り返し(S710、S711)、UV硬化方式による造形と印刷の一連の動作が完了する。
この一連の動作では、UVランプ50による発光エネルギーを、UV硬化樹脂である造形材料を未硬化から半硬化、半硬化から硬化へと変化させるだけでなく、UV硬化インクである印刷塗料も未硬化から半硬化、半硬化から硬化へと変化させることができる。
このように、造形材料にUV硬化樹脂を使用し、印刷塗料にUV硬化インクを使用するUV硬化方式の立体物造形装置では、紫外線照射のエネルギーを造形物の硬化とインクの硬化の双方に活用することができる。この効果により、UVランプ50の照射時間を減らすことができ、発光エネルギーの低減を図ると共に、UVランプ50の寿命を長くすることができる。なお、上記では、UV硬化樹脂とUV硬化インクを例にして説明したが、可視光によって硬化する可視光硬化樹脂や可視光硬化インクに対しても同様に適用することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、その構成や制御は適宜変更することができる。また、本発明は、溶融物堆積法(FDM)、インクジェット法、インクジェットバインダ法、光造形法(SL)、粉末焼結法(SLS)のいずれにも適用することができる。
例えば、溶融物堆積法(FDM)では、造形材料の溶融物をヘッドから吐出直後は、造形材料は高温で硬化していないため、1層の積層完了後、硬化と熱収縮が収まるまで、一定時間経過又は表面温度測定によって冷却硬化を確認してから、表面に印刷を行えばよい。また、硬化すると色が変化する造形材料を使用する場合は、1層又は複数層の積層完了後、色変化によって硬化を確認してから、表面に印刷を行えばよい。
また、インクジェット法では、インクジェットノズルから高温にて溶融された造形材料を滴下する方式であり、溶融物堆積法と同様に、造形材料の溶融物をヘッドから吐出直後は、造形材料は高温で硬化していないため、積層完了後、硬化と熱収縮が収まるまで、一定時間経過又は表面温度測定によって冷却硬化を確認してから、表面に印刷を行えばよい。また、造形材料としてUV硬化樹脂を使用すれば、造形材料を高温で溶融しておく必要はなく、UV硬化インクを併用すれば、図13及び図14で示した方法を適用することができる。
また、インクジェットバインダ法(3DP)では、バインダーを滴下し、粉末同士が接着して固化するのを待って印刷すれば、本発明の方法を利用することができる。また、バインダーをUV硬化樹脂とすれば、粉末がUVによって接着硬化するため、UV硬化インクを併用すれば、図13及び図14で示した方法を適用することができる。
また、光造形法(SL)は、光硬化性樹脂を使用する方法であるため、光硬化インクを併用すれば、図13及び図14で示した方法を適用することができる。
また、粉末焼結法(SLS)では、レーザーでの溶融直後は造形材料が高温で硬化していないため、積層完了後、硬化と熱収縮が収まるまで、一定時間経過又は表面温度測定によって冷却硬化を確認してから、表面に印刷を行えばよい。
本発明は、立体物を造形する3Dプリンタなどの立体物造形装置及び当該装置を用いた立体物造形方法に利用可能である。
10 制御ブロック
11 3Dデータ入力部
12 装置制御部
20 ヘッド移動機構ブロック
21 ヘッド移動ブロック
21a X方向移動部
21b Y方向移動部
22 ステージ移動ブロック
22a Z方向移動部
30 造形材料取り扱いブロック
31 造形材料供給部
32 造形材料吐出部
33 印刷塗料供給部
34 印刷塗料塗布部
35 ヒータ
40 層積層完了判断データ提供部
50 UVランプ

Claims (13)

  1. 造形材料を順次積み重ねることによって立体物を造形する立体物造形装置において、
    造形対象物の3次元の形状情報と色情報とを含むデータを入力するデータ入力部と、
    前記データに基づいて、前記造形材料を順次積層して造形を行う造形材料積層部と、
    前記データに基づいて、前記造形材料とは異なる印刷材料を前記造形材料の少なくとも一部に塗布して印刷を行う印刷部と、
    前記印刷部による前記造形材料の少なくとも一部への印刷を、前記造形材料積層部による1層又は複数層の前記造形材料の積層が完了する毎に実行させる装置制御部と、を少なくとも備える、ことを特徴とする立体物造形装置。
  2. 前記造形材料の少なくとも一部とは、次の層を積層した時に露出する領域である、ことを特徴とする請求項1に記載の立体物造形装置。
  3. 前記露出する領域は、前記造形材料の側面を含む、ことを特徴とする請求項2に記載の立体物造形装置。
  4. 前記装置制御部は、前記造形材料の積層後の経過時間、前記造形材料の表面温度、前記造形材料の色情報、光硬化性の前記造形材料に対する光照射量の少なくとも一つに基づいて、印刷対象となる1層又は複数層の前記造形材料が、印刷可能な状態であるかを判断し、印刷可能な状態であると判断した後に、前記印刷部に印刷を実行させる、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載の立体物造形装置。
  5. 前記印刷可能な状態とは、液体又はゲル状又はパウダー状であった前記造形材料の形状が確定した状態、及び/又は、前記造形材料が前記印刷材料と混ざらない状態である、ことを特徴とする請求項4に記載の立体物造形装置。
  6. 前記印刷部による前記印刷材料の印刷ピッチが、前記造形材料積層部による前記造形材料の造形ピッチよりも細かい、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の立体物造形装置。
  7. 造形材料を順次積み重ねることによって立体物を造形する立体物造形装置を用いた立体物造形方法であって、
    造形対象物の3次元の形状情報と色情報とを含むデータを入力した後、
    前記データに基づいて、1層又は複数層の前記造形材料を積層する造形材料積層ステップと、
    前記データに基づいて、前記造形材料とは異なる印刷材料を、新たに積層した1層又は複数層の前記造形材料、若しくは、その直前に積層した1層又は複数層の前記造形材料、若しくは、新たに積層した1層又は複数層の前記造形材料及びその直前に積層した1層又は複数層の前記造形材料、の少なくとも一部に塗布する印刷ステップと、を繰り返し実行する、ことを特徴とする立体物造形方法。
  8. 前記造形材料の少なくとも一部とは、次の層を積層した時に露出する領域である、ことを特徴とする請求項7に記載の立体物造形方法。
  9. 前記露出する領域は、前記造形材料の側面を含む、ことを特徴とする請求項8に記載の立体物造形方法。
  10. 前記造形材料積層ステップを実行した後、前記造形材料の積層後の経過時間、前記造形材料の表面温度、前記造形材料の色情報、光硬化性の前記造形材料に対する光照射量の少なくとも一つに基づいて、印刷対象となる1層又は複数層の前記造形材料が、印刷可能な状態であるかを判断する判断ステップを実行し、
    前記判断ステップで、印刷可能な状態であると判断した後に、前記印刷ステップを実行する、ことを特徴とする請求項7乃至9のいずれか一に記載の立体物造形方法。
  11. 前記印刷可能な状態とは、液体又はゲル状又はパウダー状であった前記造形材料の形状が確定した状態、及び/又は、前記造形材料が前記印刷材料と混ざらない状態である、ことを特徴とする請求項10に記載の立体物造形方法。
  12. 前記印刷ステップにおける前記印刷材料の印刷ピッチを、前記造形材料積層ステップにおける前記造形材料の造形ピッチよりも細かくする、ことを特徴とする請求項7乃至11のいずれか一に記載の立体物造形方法。
  13. 前記造形材料として、光照射によって硬化するUV硬化樹脂又は光硬化樹脂を使用し、前記印刷材料として、光照射によって硬化するUV硬化インク又は光硬化インクを使用する場合、
    前記印刷ステップを実行した後、次の前記造形材料積層ステップの前には、光照射を行わない、ことを特徴とする請求項7乃至12のいずれか一に記載の立体物造形方法。
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