JP2015517414A - 三次元構造を印刷する方法、プリントヘッドを制御する方法、及び印刷製品 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の工程で、三次元構造の形状を定義する構造パラメータを得るステップと、第２の工程で、構造パラメータを二次元パターンに配列され、少なくとも異なる光強度からなる多数の画素を有する着色光強度イメージに変換するステップと、第３の工程で、三次元構造を印刷するためにプリントヘッドを着色光強度イメージに基づき制御するステップとからなり、ある画素を処理するとき、プリントヘッドをある位置に移動して印字材料の少なくとも１つのドロップレットを沈着させ、プリントヘッドにより当該ある位置に沈着させるドロップレットの数及び／又は印字材料の量が、対応する画素の光強度に基づき選択される、三次元構造を印刷する方法に関する。

Description

本発明は、三次元構造用の方法に関する。

このような印刷方法は、周知である。
例えば、国際特許出願公開第ＷＯ２０１０／０９１８８８Ａ１号公報には、例えば、インクジェットプリンタによって基材上に並置状に上下に印刷された実質的に透明な材料の複数のドロップレットから光指向構造を築成するようにした、基材上に光指向構造を印刷する方法が開示されている。

プリントヘッドは、そのような構造を印刷するためのコンピュータプログラムによって制御しなければならない。
周知のコンピュータプログラム及びプリンタコントローラは、二次元像を印刷することだけに重点が置かれている。

したがって、本発明の目的は、印刷する三次元構造の形状が、比較的簡単で効率的な方法で処理することができ、かつ比較的簡単で効率的な方法でプリントヘッドを制御するために使用することができるデータパケットによって定義される、三次元構造を印刷する方法を提供することにある。
さらに、データパケットは、処理された全データ量を低減するようできるだけ小さくするべきである。

本発明の上記目的は、第１の工程で、三次元構造の形状を定義する構造パラメータを得るステップと、第２の工程で、構造パラメータを二次元パターンに配列され、少なくとも異なる光強度からなる多数の画素を有する着色光強度イメージに変換するステップと、第３の工程で、三次元構造を印刷する際にプリントヘッドを着色光強度イメージに基づき制御するステップとからなり、ある画素を処理するとき、プリントヘッドをある位置に移動して印字材料の少なくとも１つのドロップレットを沈着させ、プリントヘッドにより当該ある位置に沈着させるドロップレットの数及び／又は印字材料の量が、対応する画素の光強度に基づき選択される、三次元構造を印刷する方法により達成される。

この方法によれば、着色光強度イメージを使用することによって、二次元データで印刷されなければならない三次元構造の形状を表現することが可能である。
この方法の特長は、着色光強度イメージを比較的簡単かつ効率的に処理することができるということである。
さらに、データ量が、例えば、ＣＡＤデータと比較して低減され、その結果、プリントヘッドとの通信を最適化することができ、かなりの程度加速することができる。
これは、全印刷時間の低減に結びつき、その結果、三次元構造を印刷するための製造コストが低減される。
印字材料は、好ましくは、印刷インク、例えば、レンズ（凸レンズ、凹レンズ、またはフレネルレンズ）、プリズム、あるいは導光体のような光指向構造を持つ物品に印刷するための透明または半透明の印刷インク、あるいは、ほとんどすべての固形品に印刷するための着色印刷インク、からなる。
好ましくは、印刷インクは、硬化時にポリマーになる紫外線硬化性液体モノマーからなる。
好ましくは、ドロップレットは、基材上に印刷される。
基材は、印刷製品の部分、あるいは、印刷プロセス時にのみ沈着ドロップレットを支持するための支持板であってもよい。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の工程で、構造パラメータが異なる色からなる多数の画素を有する着色光強度イメージに変換され、第３の工程で、三次元構造を印刷するために、プリントヘッドが着色光強度イメージに基づき制御され、プリントヘッドによりある位置で沈着させる印字材料の種類が対応する画素の色に基づき選択される。
この方法によれば、各ピクセル毎の印字材料に関する情報を着色光強度イメージに含めることが可能になる。
したがって、異なる印字材料でできた三次元構造を築成することが可能であり、プリントヘッドと比較的効率的に通信することが可能である。
プリントヘッドは、好ましくは、各々何らかの印字材料を充填したいくつかの印刷インク容器を備える。

本発明の好ましい実施形態によれば、構造パラメータは、第１のステップでＣＡＤデータとして提供され、そのために、本発明による方法は、共通のＣＡＤソフトウェアとの互換性がある。
本発明の方法をＣＡＤソフトウェアとプリントヘッドとの間のインタフェースとして使用する場合、プリントヘッドは、そのようなソフトウェアに直接接続することができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、構造パラメータは、第２の工程で、各画素が三次元構造の直角投影である位置を表わすように着色光強度イメージに変換され、各画素の色は、その位置における三次元構造の光学特性及び／又は視覚特性を表わし、各画素の光強度は、三次元構造の高さを表わす。
この実施形態においては、色データは、三次元構造の光学特性及び／又は視覚特性に関する情報を含む。
この方法では、三次元構造を光指向構造の形で築成することが可能になる。
印刷インクは、例えば、透明または半透明のモノマーまたはポリマーからなり、三次元構造は、例えば、レンズ（凸レンズ、凹レンズ、あるいはフレネルレンズ）、プリズム）、導光体などをなす。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の工程で、構造パラメータは、画素のある色が、対応する位置に沈着させたドロップレットを硬化させるために使われる紫外線を表わすように、着色光強度イメージに変換され、第３の工程で、プリントヘッドがある位置に印字材料のドロップレットを沈着させ、光源は、対応する画素が光源が放射した紫外線を表わす色からなるとき、沈着したドロップレットを硬化させる。
この方法によれば、プリントヘッドの硬化デバイス、例えば、紫外ＬＥＤ）（発光ダイオード）用の硬化情報を着色光強度イメージに組み込むことが可能である。
好ましくは、色は、紫外線のある波長スペクトルを表わし、光源は、対応する画素がある波長スペクトルを表わす色からなるとき、その波長スペクトルの光で沈着したドロップレットを硬化させる。
また、対応する画素の色に基づき各ドロップレットの硬化時間を選択することは考えられる。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の工程で、構造パラメータは、画素の別のある色が仕上げ材を表わすように着色光強度イメージに変換され、かつ、この実施形態の方法は、対応する画素が仕上げ層を表わす色からなるとき、プリントヘッドが第３の工程で印刷された三次元構造上のある位置に仕上げ材のドロップレットを沈着させる第４の工程を含む。
この方法によれば、好都合なことに、後処理ステップの情報を着色光強度イメージに組み入れて、プリントヘッドを着色光強度イメージによって後処理ステップのために制御することもできるようにすることが可能である。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の工程で、構造パラメータは、画素のある色が三次元構造中のオーバーハング部を設けるための支持材を表わすように着色光強度イメージに変換され、第３の工程で、プリントヘッドは、対応する画素が支持材層を表わす色からなるとき、ある位置に支持材のドロップレットを沈着させ、かつ、この実施形態の方法は、沈着した支持材を取り除いてオーバーハング部を作り出す第５の工程を含む。
好ましくは、支持材は、第５の工程で水性溶解により溶解させる。
この方法によれば、好都合なことに、オーバーハング構造を作り出すことが可能であり、その結果、着色光強度イメージに基づいて複雑な三次元構造を印刷することもできよう。

本発明のもう一つの主題は、本発明による三次元構造を印刷する方法を実施するために、プリントヘッド、特に、インクジェットプリンタのプリントヘッドを制御する方法にある。

本発明のもう一つの主題は、本発明による三次元構造を印刷する方法によって印刷された三次元構造からなる印刷製品にある。

上記及びその他の本発明の特徴、特長及び長所は、一例として本発明の原理を図解した添付図面と共に解釈するとき、以下の発明を実施するための形態の記載から明らかとなろう。
本願明細書は、もっぱら例示説明のために記載されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
以下に記載する符号は、添付図面に示す符号である。

本発明の実施例による三次元構造を印刷する方法のいくつかの工程を概略図解した説明図である。 それぞれ本発明の実施例による三次元構造及び印刷製品を印刷する方法を図解した説明図である。 本発明の実施例による三次元構造を印刷する方法により印刷された三次元構造及び印刷製品を図解した説明図である。 本発明の実施例による三次元構造を印刷する方法で使用される強度イメージを図解した説明図である。

本発明は、特定の実施形態につきいくつかの図面を参照しつつ説明するが、本発明は、それらの説明及び図面に限定されるものではなく、請求項の記載によってのみ限定される。
記載の図面は、単なる模式図であり、限定的な意味を持つものではない。
図面において、一部の要素は、図解のため、拡大してあり、必ずしも、実寸に基づいて描かれてはいない。

単数名詞に言及するのに不定冠詞または定冠詞、例えば「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」を使用する場合、別途明記しない限り、その名詞の複数の意味も含まれるものとする。

さらに、明細書及び請求項において、第１、第２、第３などの用語は、同様の要素同士を区別するために使用し、必ずしも連続した順序あるいは経時的順序を示すためのものではない。
ここで理解しておかなければならないのは、これらの用語は、このように使用されている場合、適切な状況にあっては互換性であり、本願記載の発明の実施形態は、本願に記載あるいは図解した以外の順序で実施可能であるということである。

図１には、本発明の実施例による三次元構造１を印刷する方法のいくつかの工程が概略図解されている。
第１の工程１０では、印刷する三次元構造１の構造パラメータ２が与えられる。
例えば、バーチャルな三次元構造Ｖは、コンピューターで実行されるＣＡＤソフトウェアを用いてユーザにより設計される。
設計が仕上がると、その設計用のＣＡＤデータが構造パラメータ２として与えられる。

次の第２の工程２０では、構造パラメータ２が、着色光強度イメージ３に変換される。
着色光強度イメージ３は、異なる色光強度の二次元パターン４からなる（図３Ｂ参照）。
二次元パターン４は、いろいろな画素５で構成され、それらの各画素５は、それぞれバーチャル三次元構造１’中のある位置を表わす。
特に、各画素５は、平らな基底面１００上の二次元射影１”の三次元構造Ｖのある位置を表わす。
一方では、着色光強度イメージ３における光強度の分布は、各画素５における光強度は対応する位置の三次元構造１の高さに関する値であるので、バーチャル三次元構造１’の形状を表わす。
他方、ある位置における後の印刷されたリアル三次元構造１の高さは、印刷インクのドロップレット６の数、従ってその位置に沈着した印字材料の量に依存する（図２参照）。
インクジェットプリンタのプリントヘッド７が、着色光強度イメージ３に基づいて印刷インクを沈着させる場合、三次元構造１は、ソフトウェアベースのバーチャル設計の形状を持って印刷される。
その結果、着色光強度イメージ３の画素５の色光強度は、印刷されるバーチャル三次元構造１’の形状を表現する簡単で効率的な方法を提供し、また、設計によるバーチャル三次元構造Ｖに対応するリアル三次元構造１を築成するためにどのように印字材料を沈着させるかについての明確な情報をプリンタに与える。

既に説明したように、生成された着色光強度イメージ３は、プリンタ、好ましくは紫外線硬化性液体モノマーのような印字材料を基材８上に沈着させるインクジェットプリンタに転送され、その場合、モノマーは硬化することによりポリマーになる。
第３の工程３０では、プリンタのプリントヘッド７は、プリントヘッド７が着色光強度イメージ３中の画素に対応する位置に移動し、それらの個々の位置にある量の印字材料を沈着させるように着色光強度イメージ３を処理する。
これによって、プリントヘッド７は、少なくとも印刷プロセスの終わりにおいては各位置に沈着させた印字材料の量が画素中の色光強度に相当するように、着色光強度イメージ３中の光強度に基づき多くのドロップレット６、従って、ある量の印字材料を噴射ノズル９により沈着させる。
この条件が満たされると、プリンタによって印刷されたリアル三次元構造１の形状は、例えば、ＣＡＤソフトウェアで設計されたバーチャル三次元構造１’の形状と実質的に等しくなる。

図２には、それぞれ本発明の実施例による三次元構造１及び印刷製品１３を印刷する方法をよりわかりやすく図解して示す。
図２からも明らかなように、三次元構造１を築成するために、プリントヘッド７によって、複数の印刷インクのドロップレット６が基材８上に沈着させられる。
三次元形状を作り出すため、破線１１で示すように、ドロップレット６を並置状に上下に沈着させる。
印刷インクは、一定の粘性を持つ紫外線硬化性の液体ポリマーあるいはモノマーからなる。
プリントヘッド７は、基材８の上方に移動し、噴射ノズル９により印刷インクのドロップレット６を噴出して、個々のドロップレット６をあるパターンで沈着させる。
ドロップレット６の沈着後、隣接状に沈着したドロップレット６同士が融合し（そのために、ドロップレット６は、破線１１で単に模式的にのみ図示してある）、続いて、プリントヘッド７のＬＥＤ（発光ダイオード）１２により放射される紫外線によって硬化される。
印刷された三次元構造１及び／又は基材８と基材８上に印刷された三次元構造１とからなるアセンブリも印刷製品１３と呼ばれる。
特に、図２は、本発明による方法の第３の工程３０を中心に示す。

好ましくは、着色光強度イメージ３は、印刷する三次元構造１に関するさらなる情報を含み、各画素５の色は、それらのさらなる情報を表わす。
例えば、プリントヘッド７が、異なる印字材料のドロップレット６を噴出することができ、その場合に、ある位置に沈着させる印字材料が着色光強度イメージ３における対応する画素５の色によって決まるようにすることが考えられる。
色「ブルー」が第１の印字材料を表わし、色「イエロー」が第２の印字材料を表わし、その場合に、例えば、「ブルー」の光強度が沈着させる第１の印字材料の量を定め、そして「イエロー」の光強度が沈着させる第２の印字材料の量を定めるようにする。
好ましくは、「グリーン」ピクセルは、第１の印字材料及び第２の印字材料の両方を沈着させ、したがって、互いに混合される三次元構造１の位置を定める。
第１と第２の印字材料の混合比は、色「ブルー」と「イエロー」の混合、「グリーン」の色調によって決まり、「グリーン」の光強度がやはり高さを定める。
あるいは、画素色が印刷された三次元構造１の対応する位置に沈着したドロップレット６を硬化させる硬化時間を定め、かつ／又は画素色が印刷された三次元構造１の対応する位置の沈着したドロップレット６を硬化させるために使用される紫外線の種類を定めることもえられる。
図３Ａ及び３Ｂには、それぞれ本発明の実施例による三次元構造１を印刷する方法により印刷された三次元構造１及び印刷製品１３、並びに三次元構造１を印刷する方法で使用される着色強度イメージ３が概略図解されている。
図からも明らかなように、印刷された三次元構造Ｖのパターンは、実質的に着色光強度イメージ３の画素パターンと一致する。
言うまでもなく、印刷された三次元構造１は、大きく簡略化して図解してある。
しかしながら、図３Ａに示す印刷された構造１と図３Ｂに示す着色光強度イメージ３とを比較するならば、印刷された三次元構造１の各位置の高さが着色光強度イメージ３の対応する画素５の色光強度に対応していることは明らかであろう。

１ ・・・三次元構造
１’ ・・・バーチャル三次元構造
１’’ ・・・射影
２ ・・・構造パラメータ
３ ・・・着色光強度イメージ
４ ・・・二次元パターン
５ ・・・画素
６ ・・・ドロップレット
７ ・・・プリントヘッド
８ ・・・基材
９ ・・・噴射ノズル
１０・・・第１の工程
１１・・・破線
１２・・・発光ダイオード
１３・・・印刷製品
２０・・・第２の工程
３０・・・第３の工程
１００・・・基底面

Claims (11)

1. 下記のステップからなる三次元構造（１）を印刷する方法：
   第１の工程（１０）で、前記三次元構造（１）の形状を定義する構造パラメータ（２）を得るステップと；
   第２の工程（２０）で、前記構造パラメータ（２）を二次元パターン（４）に配列され、少なくとも異なる光強度からなる多数の画素（５）を有する着色光強度イメージ（３）に変換するステップと；
   第３の工程（３０）で、前記三次元構造（１）を印刷するために着色光強度イメージ（３）に基づきプリントヘッド（７）を制御するステップで、
   ある画素（５）を処理するとき、前記プリントヘッド（７）がある位置へ移動して、印字材料の少なくとも１つのドロップレット（６）を沈着させ、
   前記プリントヘッド（７）によってある位置に沈着させる印字材料のドロップレット（６）の数及び／又量が対応する画素（５）の光強度に基づいて選択されるステップ。
2. 前記構造パラメータ（２）が、前記第２の工程（２０）で、異なる色からなる多数の画素（５）を有する着色光強度イメージ（３）に変換され、
   前記プリントヘッド（７）が、前記第３の工程（３０）で三次元構造（１）を印刷するために着色光強度イメージ（３）に基づき制御され、
   前記プリントヘッド（７）によってある位置に沈着させる印字材料の種類が、好ましくは、対応する画素（５）の色に基づいて選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記構造パラメータ（２）が、前記第１の工程（１０）で、ＣＡＤデータとして提供される請求項１乃至２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記構造パラメータ（２）が、前記第２の工程（２０）で下記のように着色光強度イメージ（３）に変換され請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法：
   前記各画素（５）が、それぞれ三次元構造（１）の直角投影（１”）中のある位置を表わし、
   前記各画素（５）の色が、この位置における三次元構造（１）の幾何学特性、光学特性及び／又は視覚特性を表わし、
   前記各画素（５）の光強度が、この位置における三次元構造（１）の高さを表わす。
5. 前記構造パラメータは（２）が、前記第２の工程（２０）で、画素（５）のある色が対応する位置に沈着させたドロップレット（６）を硬化させるために使用されるある種類の紫外線を表わすように、前記着色光強度イメージ（３）に変換され、前記プリントヘッド（７）が、前記第３の工程（３０）で、ある位置に印字材料のドロップレット（６）を沈着させ、光源は、対応する画素（５）が光源によって放出される紫外線の種類を表わす色からなるとき、前記沈着したドロップレット（６）を硬化させる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記色が紫外線のある波長スペクトルを表わし、光源が、対応する画素（５）がこの波長スペクトルを表わす色からなるとき、その波長スペクトルの光で沈着したドロップレットを硬化させる、請求項５に記載の方法。
7. 前記構造パラメータ（２）が、第２の工程（２０）で、画素（５）の別のある色が仕上げ材を表わすように着色光強度イメージ（３）に変換され、さらに、対応する画素が仕上げ層を表わす色からなるときプリントヘッド（７）が、第３の工程（３０）で印刷された三次元構造（１）のある位置に仕上げ材のドロップレット（６）を沈着させる第４の工程を含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第２の工程（２０）で、前記構造パラメータ（２）が、画素（５）のある色が前記三次元構造（１）中のオーバーハング部を設けるための支持材を表わすように着色光強度イメージ（３）に変換され、前記第３の工程（３０）で、前記プリントヘッド（７）が、対応する画素（５）が支持材層を表わす色からなるとき、ある位置に支持材のドロップレット（６）を沈着させ、さらに、沈着した支持材を取り除いてオーバーハング部を作り出す第５の工程を含む、請求項１乃至７に記載の方法。
9. 前記第５の工程において、支持材が水性溶解で溶解される、請求項８に記載の方法。
10. 請求項１乃至９に記載の方法を実施するために、前記プリントヘッド（７）、特にインクジェットプリンタのプリントヘッド（７）を制御する方法。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法によって印刷された三次元構造（１）からなる印刷製品。
    
    

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