JP2017526556A - スクリーン印刷装置および方法 - Google Patents

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Abstract

本書で開示されるのは、3次元基材の表面にスクリーン印刷する装置であり、この装置は、外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、外縁が、外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、この表面積の少なくとも一部を横切って延在し、枠に取り付けられている、スクリーンとを備え、スクリーンは、第1の部分であって、液体印刷媒質がこの第1の部分を通って、近接する3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、エマルションでコーティングされた第2の部分であって、液体印刷媒質がスクリーンの第2の部分を通過するのを、このエマルションが実質的に防ぐ、第2の部分とを含み、スクリーンが約20N/cm未満の固定のテンションを有していることを特徴とする。3次元基材の表面にスクリーン印刷する方法およびシステムが、さらに本書で開示される。

Description

関連出願の説明
本出願は、その内容が引用され、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、2014年8月1日に出願された米国仮特許出願第62/032156号の優先権の利益を米国特許法第119条の下で主張するものである。
本開示は、一般に、3次元基材上にパターンを印刷する方法および装置に関し、より具体的には、1以上の湾曲面を有する基材上に印刷する、スクリーン印刷方法および装置に関する。
3次元(3D)スクリーン印刷は、例えばボトルおよび缶などの丸みを帯びた容器上に印刷する場合など、種々の産業において広く使用されている。これまでの3Dスクリーン印刷は、一般に、より小さい曲率半径(例えば約500mm未満)および/または単一の湾曲軸を有する基材に限定されている。大半の3D印刷は、半円形または放物線状の基材、および円形または長円形断面を有する円柱状基材の、外側表面または凸状表面上への印刷にさらに限定されている。これらの基材は、典型的には、ガラス(例えば、ボトル、マグカップ、ガラス等)、プラスチック(例えば、容器等)、および/または金属(例えば、缶、鋳物等)を含み得る。
より大型、より大半径、および/または多半径の、3次元基材上にスクリーン印刷する能力は、自動車産業などの種々の産業にますます関わりの深いものになっている。より大型の3D基材では従来、基材が未だ平坦である間に印刷し、次いで例えばガラスまたはプラスチックの基材を高温で軟化させるなどにより、基材を成形して3D形状を得ることができる。しかしながら印刷媒質が、印刷後の基材の成形に必要な条件に熱的に適合しないことがあるため、大型の3D基材の湾曲面上に印刷する必要性が増大している。これは、成形プロセス中に比較的高温の成形または軟化温度へと加熱され得る、ガラス基材の場合に特に当てはまる。
3D基材の表面を装飾する現在の方法としては、表面の一部をマスキングし、さらにこの基材にスプレーコーティングして画像を生み出すものが挙げられるが、この方法はコストおよび/または時間の掛かるものになり得るし、また一般に適切な画像解像度が実現されない。大型の湾曲面上でスクリーン印刷およびインクジェット印刷が試みられてきたが、種々の欠点、複雑さ、および/または制限を伴うものであった。例えば3D印刷機器は、基材とスクリーンメッシュとの間で「オフコンタクト」距離または間隙を維持するために、典型的には2D印刷機器に比べて1以上の追加の可動部品を備えている。2Dの平坦なスクリーン印刷プロセスでは、一般に、印刷用途に応じて約1から約10mmの範囲の一定のオフコンタクト距離が維持される。3D印刷機器では従来、オフコンタクトの変動を、基材をスクリーンの下に関連付けることによって、あるいはスクリーンを固定された基材の上または周りに関連付けることによって補償する。
枠およびメッシュが印刷の際に、湾曲した基材の輪郭にいくらか従うことができるよう、柔軟な面を有するスクリーン枠を使用することもできる。所定の基材の湾曲に一致するよう事前に成形された、スクリーン枠を使用することもできる。スクリーンメッシュを引っ張ったり緩めたりするために使用される機器を、スクリーン枠に取り付けて、印刷プロセスの際にメッシュを形状に合わせること、または曲げることができるようにしてもよい。しかしながら、印刷機械および/またはその個々の構成要素を夫々の所望の特徴を得るために頻繁に特注しなければならないことから、スクリーン枠および/または印刷機械のこういったさらなる構成要素および/または特徴は、3D印刷プロセスの複雑さおよび/または費用を付加し得る。さらに、このような3Dスクリーン印刷方法は、凸状表面の印刷のみまたは凹状表面の印刷のみに使用することができ、これらの両方を印刷することはできず、また単一の曲率半径を有する基材のみに使用できる。
従って、より少ない可動部品を備え、より低コストで、および/または複雑さが低減した状態で動作することができる、3D基材にスクリーン印刷する方法および装置を提供すると有利であろう。凹状および/または凸状の基材、および/または例えば複数の半径の周囲となる湾曲などの複雑な湾曲を有する基材など、様々な形状の基材に印刷する方法および装置を提供するとさらに有利であろう。さらに、印刷機器および/またはその構成要素を特注で作る製造コストおよび/または必要性を減少させるために、少なくとも部分的に、従来の(例えば2D)基材に印刷するための既存の構成要素と併せて機能し得る、装置を提供すると有利になり得る。
本開示は種々の実施形態において、3次元基材の表面上にスクリーン印刷する装置に関し、この装置は、外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、外縁が、外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、この表面積の少なくとも一部を横切って延在し、枠に取り付けられている、スクリーンとを備え、スクリーンは、第1の部分であって、液体印刷媒質がこの第1の部分を通って、近接する3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、エマルションでコーティングされた第2の部分であって、液体印刷媒質がスクリーンの第2の部分を通過するのを、このエマルションが実質的に防ぐ、第2の部分とを含み、スクリーンは約20N/cm未満の固定のテンションを有している。本開示はさらに、3次元基材の表面にスクリーン印刷するシステムに関し、このシステムは、本書で開示されるような枠付きスクリーン装置と、液体印刷媒質を3次元基材に塗布するための塗布器とを備えている。
本開示はさらに、3次元基材の表面にスクリーン印刷する方法に関し、この方法は、本書で開示されるような枠付きスクリーン装置に近接して、3次元基材を位置付けるステップと、液体印刷媒質をスクリーンに塗布するステップと、液体印刷媒質をスクリーンの少なくとも一部に通して押し込むようにスクリーンに圧力を加えるステップとを含み、塗布するステップおよび圧力を加えるステップの際に、枠と3次元基材との間の距離が実質的に一定に保持されることを特徴とする。
本開示のさらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは以下の詳細な説明、請求項、並びに添付の図面を含め、本書で説明された方法を実施することにより認識されるであろう。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本開示の種々の実施形態を示したものであること、また請求項の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供するよう意図されたものであることを理解されたい。添付の図面は本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は本開示の種々の実施形態を示し、そしてその説明とともに、本開示の原理および動作の説明に役立つ。
以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読むと最も良く理解できる。これらの図面では、同様の構造を同じ参照番号で示す。
本開示の一実施の形態による例示的なスクリーン印刷装置を示した上面図 本開示の別の実施形態による例示的なスクリーン印刷装置を示した上面図 本開示の一実施の形態による例示的なスクリーン印刷システムを示した側面図
装置
本書で開示されるのは、3次元基材の表面にスクリーン印刷する装置であり、この装置は、外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、外縁が、外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、この表面積の少なくとも一部を横切って延在し、枠に取り付けられている、スクリーンとを備え、スクリーンは、第1の部分であって、液体印刷媒質がこの第1の部分を通って、近接する3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、エマルションでコーティングされた第2の部分であって、液体印刷媒質がスクリーンの第2の部分を通過するのを、このエマルションが実質的に防ぐ、第2の部分とを含み、スクリーンは約20N/cm未満の固定のテンションを有している。
本書では「3次元基材」という用語およびその変形は、例えば任意の所定の湾曲を有する表面など、サイズ、形状、および/または向きが変化し得る少なくとも1つの非平面および/または非水平の表面を有する、基材を示すよう意図されている。2次元基材は対照的に、平坦なシートまたはブロックなど、平坦、平面的、水平な表面を含む。
図1を参照すると、枠110およびスクリーン120を備えた、本開示による例示的なスクリーン印刷装置100の一実施の形態が示されている。スクリーン120は、パターンまたは画像を形成するエマルション130で部分的にコーティングされている。図示の実施形態において、パターンは車両の天井またはサンルーフに相当し得るが、種々の他の形状および用途が想定される。
本書では「枠」という用語は、スクリーンの周りの実質的に剛性の外縁を形成する部品を示すよう意図されている。「スクリーン」、「メッシュスクリーン」という用語とその変形は、枠を横切って延在し、かつ枠によって画成される表面積を少なくとも部分的にカバーする、材料を示すよう意図されている。本書では、「装置」、「枠付きスクリーン装置」、「枠付きスクリーン」という用語およびその変形は、枠に固定されたスクリーンなど、枠とスクリーンとを組み合わせた、随意的にはエマルションが付加された部品を示すよう意図されている。
枠110は、特定の用途に対してスクリーン印刷のスクリーンを支持するのに適した、任意の形状およびサイズを有し得る。例えば枠は、いくつか例を挙げれば、正方形、長方形、菱形、円形、長円形、楕円、三角形、五角形、六角形、および他の多角形、から選択される形状を有する、外縁を画成し得る。種々の実施形態によれば枠は、例えば正方形、長方形、または菱形の外縁を画成する、四辺を持つものである。枠は平面的または実質的に平面的なものでもよく、また実質的に剛性のもの、または柔軟性のないものでもよい。言い換えれば、枠は印刷前に3次元基材の湾曲の形状に従うように成形されておらず(実質的に平面的)、かつ印刷の際に3次元基材の湾曲に従うように構成されたものではない(実質的に剛性)。
枠110の、例えば長さ、幅、直径、または高さなど、形状に応じた寸法は、許容できる印刷解像度を提供するためにスクリーンを適切に引き伸ばすのに適した、任意のサイズのものでもよい。枠のサイズは、例えばスクリーン材料、メッシュ数、メッシュタイプ、所望のスクリーンテンション、および/または3次元基材のサイズに基づいて変化し得る。特定の実施形態において枠は、3次元基材の最大寸法に略等しい、あるいは例えば基材の最大寸法の少なくとも約1.5倍または基材の最大寸法の少なくとも約2倍など3次元基材の最大寸法よりも大きい、少なくとも1つの寸法を有し得る。
非限定的な例として、例示的な四辺枠の断面寸法は、例えば印刷機器のサイズ次第で、約25mm×25mmから約200mm×200mm以上までの範囲とすることができる。例えば例示的な四辺枠の寸法は、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、さらに正方形および長方形の両方の変形を含めて、約50mm×50mmから約100mm×100mmまで、または約60mm×60mmから約80mm×80mmまでなど、約35mm×35mmから約150mm×150mmまでの範囲としてもよい。少なくとも1つの非限定的な実施形態によれば、枠は、その高さの2倍に略等しい幅を有する長方形でもよい。例えば枠は、幅×高さの寸法がおよそ50mm×25mm、60mm×30mm、76mm×38mm、100mm×50mm、150mm×75mm、または200mm×100mmの長方形でもよい。いくつかの実施形態において枠は、2メートルまたは3メートル以上など、例えば数メートル以上の、1メートルを超える少なくとも1つの寸法を有し得る。
枠110は、メッシュスクリーンを取り付けることが可能な任意の適切な材料から選択することができる、実質的に剛性の材料から構成され得る。例示的な材料としては、限定するものではないが、木材と、例えばアルミニウム、押出しまたは中空アルミニウム、ステンレス鋼、中空ステンレス鋼などの、金属が挙げられる。非限定的な一実施形態によれば、枠は、例えば押出しアルミニウム、中空アルミニウム、または曲がったアルミニウム片などの、アルミニウムから構成され得る。枠の厚さは、特定の用途で所望される構造的完全性次第で変わり得る。種々の実施形態において枠の厚さは、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約3mmから約4mmなど、約2mmから約5mmの範囲とすることができる。
スクリーン120は、スクリーン印刷の用途に適した、例えばいくつか例を挙げれば、ポリエステル、ナイロン、PET、ポリアミド、ポリエステルコア/シースの組合せ、複合ポリエステル材料、および被覆ポリエステルなどの、1以上の多孔質の柔軟なメッシュ材料を含み得る。特定の実施形態によれば、スクリーンは非金属のメッシュ材料から選択される。スクリーン材料は、随意的には、モノフィラメント材料から選択され得る。スクリーンは、限定するものではないが、プレーン、ツイル、ダブルツイル、クラッシュ、およびフラットの、織りパターンなど、任意の適切な織り方のメッシュ材料を含み得る。
スクリーンのメッシュ数は、例えば枠のサイズ、メッシュタイプ、糸の直径、および/または所望のスクリーンテンション次第で変化し得る。非限定的な例としてメッシュ数は、その間の全ての範囲および部分範囲を含めて、約230本/インチ(90本/cm)から約305本/インチ(120本/cm)など、約120本/インチ(47本/cm)から約380本/インチ(150本/cm)の範囲でもよい。種々の実施形態において、メッシュ数はスクリーンに亘って変動してもよい。例えばメッシュ数を、3次元基材の曲率、印刷される所望の特徴、その基材上の位置、および/または所望の解像度次第で、スクリーンに亘って変化させてもよい。例示的な実施形態によれば、3次元基材の曲率半径に沿って印刷される、目標とされる特徴の位置に位置合わせされるスクリーンの部分で、より細かいメッシュ数が使用され得る。
スクリーン120は、スクリーンが適切な柔軟性と印刷解像度を維持する限りにおいて、任意のメッシュ数に対して使用可能な任意の適切な糸径を有する材料を含み得る。種々の非限定的な実施形態においてスクリーンの糸径は、その間の全ての範囲および部分範囲を含めて、約40μmから約70μm、または約50μmから約60μmなど、約30μmから約80μmの範囲とすることができる。
スクリーンおよび枠の前述の性質は、特定の用途に望ましい属性を備えた枠付きスクリーン装置を得るために、独立してまたは組み合わせて、当業者によって要望通りに選択され得ることを理解されたい。例えばこれらの性質は、本書でより詳細に論じるように、スクリーンの適切な柔軟性またはテンションを得るように選択され得る。この選択は当業者の能力の範囲内であり、また本開示の範囲内になると意図されている。
スクリーン120は、スクリーン印刷技術において既知の任意の手段を用いて枠110に取り付けることができ、例えばスクリーンは接着剤を用いて枠に接着され得る。種々の実施形態によれば、枠に取り付ける前にスクリーンを枠に対して付勢してもよいし、あるいは付勢しなくてもよい。接着剤としては、例えば、エチレン酢酸ビニル(EVA)、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、ポリエステル(PET)、アクリル(例えば、アクリル系感圧接着テープ)、ポリビニル・ブチラール(PVB)、セントリグラス(登録商標)アイオノマーなどのアイオノマー、感圧接着剤、両面テープ、または任意の他の適切な接着剤を挙げることができる。あるいはスクリーンを、例えばクリップ、クランプなどを使用して、摩擦力などの他の方法を用いて枠に取り付けてもよい。
本書で開示されるスクリーン120は柔軟なメッシュでもよく、これはスクリーンが枠110に取り付けられる前および/または後に、固定の低テンションを有することを意味し得る。種々の実施形態によれば、スクリーンは枠に取り付けられた後に約20N/cm未満の固定のテンションを有し得る。例えばメッシュに亘って織物の縦糸および横糸の両方向において均一に分散されるメッシュの固定のテンションは、その間の全ての範囲および部分範囲を含めて、約18N/cm未満、約15N/cm未満、約10N/cm未満、または約5N/cm未満など、約20N/cm未満でもよい。種々の実施形態によれば、メッシュの固定の均一なテンションは、その間の全ての範囲および部分範囲を含めて、約11N/cmから約19N/cm、約12N/cmから約18N/cm、約13N/cmから約17N/cm、または約14N/cmから約16N/cmなど、約10N/cmから約20N/cmの範囲でもよい。他の実施形態では、ある範囲の固定の低テンションが織物の縦糸および横糸の両方向に加えられ得、これは約18N/cm未満、約15N/cm未満、または約10N/cm未満など、約20N/cm未満とすることができる。さらなる実施形態によれば、メッシュの固定の変動するテンションは、その間の全ての範囲および部分範囲を含めて、約11N/cmから約19N/cm、約12N/cmから約18N/cm、約13N/cmから約17N/cm、または約14N/cmから約16N/cmなど、約10N/cmから約20N/cmの範囲でもよい。
本書では「固定の」テンションという用語は、例えば印刷プロセスの際にスクリーンメッシュを引っ張ったり緩めたりするために使用される機器などによって変化しない所定のテンションを、スクリーンがメッシュエリアに亘って、均一のものであろうと、または変動しているものであろうと有することを示すよう意図されている。理論に拘束されることを望むものではないが、スクリーン材料が比較的低いテンションである(例えば2D枠付きスクリーンは、製造された状態でのテンションが最大で約40N/cmなど、20N/cmを超えるスクリーンを利用する)ことで、高解像度の印刷能力をもたらし得る、スクリーンを引き伸ばすことによる印刷時の高テンションを可能にすることができ、同時に必要に応じてスクリーンが伸びて、3次元基材の種々の部分に接触することも可能にすると考えられる。
スクリーン120は、特定の実施形態において、2以上の多孔質メッシュ材料、または別の引伸ばし可能な材料と組み合わせた1以上の多孔質メッシュ材料、を備えたものでもよい。これらの実施形態を、2つの異なる材料から構成されるスクリーンを備えた例示的な枠付きスクリーン装置100を示す、非限定的な図2を参照して論じる。第1のスクリーン材料から構成された外側スクリーン領域120Aが、枠110に取り付けられ、この枠によって画成される表面積の第1の部分を横切って延在し得る。第1のスクリーン材料は、表面積の第2の部分を横切って延在する内側スクリーン領域120Bを画成する、第2のスクリーン材料に取り付けられ得る。
例えば、第1のスクリーン材料は所定の柔軟性(すなわち伸びる能力)を有し得、また第2のスクリーン材料は、第1の材料よりも高い柔軟性を有し得る。非限定的な例として、外側領域120Aは例えば多孔質ポリエステルメッシュなどから形成されたものでもよく、一方内側領域120Bは、ナイロンなど、より高伸縮性の多孔質メッシュ材料から形成され得る。あるいは、ナイロンから形成された外側領域120Aとポリエステルから形成された内側領域120Bなど、第1のスクリーン材料は所定の柔軟性を有する多孔質メッシュでもよく、また第2のスクリーン材料は、第1の材料よりも柔軟性が低い多孔質メッシュでもよい。
さらなる実施形態において、外側領域120Aを形成する第1の材料は非多孔質の柔軟な材料でもよいし、あるいは典型的にはスクリーン印刷に用いられない多孔質の伸縮可能な材料でもよく、また内側領域120Bは、いくつか例を挙げればポリエステルまたはナイロンなど、本書で説明される柔軟な多孔質メッシュ材料から形成されたものでもよく、あるいはその逆でもよい。非多孔質材料は、限定するものではないがシリコーン膜など、高解像度印刷に適した任意の適切な厚さの任意の柔軟な材料とすることができる。典型的にはスクリーン印刷に用いられない多孔質の伸縮可能な材料としては、例えば、スパンデックス(Spandex)およびライクラ(Lycra)を挙げることができる。
種々の実施形態によれば、外側領域120Aおよび内側領域120Bは連接部140で交わっていてもよく、この位置でこれらの領域は接着されているか、あるいは接着以外で、印刷の際に(例えば2つの材料が接合点で分離しないよう)2つの材料間の一体性を維持するのに適した任意のやり方で互いに取り付けられている。特定の実施形態において連接部140は、印刷プロセスを干渉しない、あるいは実質的に干渉しない、最小厚さを有している。例えばこの2つの材料を、液体接着剤を用いて接合してもよく、この液体接着剤は、例えば各面上および/または2つの材料間の、熱硬化型またはUV硬化型接着剤、両面テープ、または両方を組み合わせたものとすることができる。さらなる実施形態において連接部140は、接合点が表面のスクリーン印刷を妨げることのないよう、印刷される3次元基材のエッジに近接して位置付けられ得る。例えば連接部140の位置は、印刷プロセスの際に、フラッドストローク、またはスキージなどの印刷媒質塗布器の印刷ストロークを、干渉しないように選択され得る。
図2は、2つのスクリーン材料を備えた枠付きスクリーン装置の1つの例示的な実施形態を示しているが、本開示の他の態様によれば、本実施形態のいくつかの変形が作製可能であることを理解されたい。例えば3以上のタイプのスクリーン材料を使用してもよいし、および/または、枠および/またはスクリーンの形状および/またはサイズを変化させてもよい。さらに、図2ではエマルションがスクリーン120上に描かれていないが、エマルションは任意の適切なパターンで存在し得ることを理解されたい(例えば図1参照)。
図2においてスクリーン120は、枠110によって画成された表面積の全体を完全にカバーするものではなく、装置の角部に空所150が残っていることにも留意されたい。種々の実施形態において、スクリーン120は表面積を超えて、あるいは表面積まで至らずに、カバーするものでもよく、また図示の1以上の空所などの任意の所望の形状を、任意の量で、および/または任意の位置に有していてもよい。特定のエリアにおいてメッシュを排除することによって、多孔質または非多孔質の材料の、引伸ばしに対する抵抗を減少させることができる。
さらに、図2は枠の外縁の全ての辺をカバーしている外側領域120Aを示しているが、第1のスクリーン材料が印刷される3次元基材の形状および/または半径に応じて、枠の外縁の一部のみ、例えば図示の枠の辺の1つのみ、2つのみ、または3つのみ、あるいは1以上の辺の一部のみを、カバーするために使用され得ることが想定される。任意の空所を含む、こういった領域のサイズ、形状、および/または数は、枠および/または基材次第で変化し得る。
本書で説明されるスクリーン120は1以上の「多孔質」材料を含み得るものであり、これは液体印刷媒質が、塗布時にスクリーンの少なくとも一部を通過することができることを意味し得る。例えば印刷媒質が、印刷される基材上へとスクリーンの少なくとも一部を通過するよう、スキージなどの印刷媒質塗布器を用いてスクリーンに圧力を加えてもよい。
上記のように、スクリーン120の少なくとも一部は、スクリーン上にパターンまたは画像を形成するエマルション130でコーティングされ得る。エマルションはいくつかの実施形態において、液体メジウムがスクリーンのコーティングされた部分を通って通過するのを、遮るまたは実質的に遮ることができる。従ってエマルションによってスクリーンに形成されたパターンは、いくつかの実施形態において、基材上に印刷されるパターンとは反対になり得る。使用される多孔質メッシュスクリーン材料(メッシュ数および糸径の仕様を含めて)および液体印刷媒質に適合する、任意のエマルションは、本開示の範囲内であると意図され得る。エマルションは例えば液体でもよく、また任意の密度および/または毛細管膜特性を有し得る。エマルションはスクリーン印刷用途に適した任意の厚さでスクリーン上にコーティングされ得る。例えばエマルションを、その間の全ての範囲および部分範囲を含めて、スクリーンの引き伸ばされた状態での厚さの例えば最大で約40%、最大で約30%、最大で約20%、または最大で約10%など、枠に取り付けられたときのスクリーンの厚さの最大で約50%の厚さで、スクリーン上にコーティングしてもよい。
エマルション130は、スクリーン120のいずれかの面または両方の面でコーティングされ得る。さらにエマルションは、3次元基材上に適切なパターンまたは画像を形成するよう、スクリーンの任意の既定の部分を所望通りにコーティングすることができる。いくつかの実施形態においてスクリーンは、液体印刷媒質が基材上へとスクリーンを通過することができるようエマルションが意図的に除去される、「印刷」または「ステンシル」エリアの観点で画成され得る。スクリーンの残りの部分は、種々の実施形態において、エマルションでコーティングされ得る。他の実施形態では、ステンシルエリア以外のスクリーンのエリアからエマルションを除去することによって、スクリーンの柔軟性を潜在的に高めることができる。例えば、枠の外縁のすぐ内側のスクリーンエリアからステンシルエリアに極近接した距離まで、エマルションを除去してもよい。スクリーン上に存在するエマルションの量は、所望の画像および/またはスクリーンの所望の柔軟性の程度次第で変化させることができる。種々の実施形態によれば、枠の外縁の約5〜10%内のスクリーンエリアを、エマルションを含まない、あるいは実質的に含まないものとすることができる。例えば図2を参照すると、枠の外縁付近のスクリーンエリアの部分はエマルションでコーティングされていないことが分かるであろう。
特定の実施形態では、スクリーン全体をエマルションでコーティングし、エマルションの選択された部分をポジ画像フィルムでカバーし、さらにエマルションをUV放射に露出することによってパターンをスクリーン上に形成してもよい。UV露光によって、露出されたエマルションを硬化することができ、一方フィルムによってカバーされたエマルションは、フィルムがUV放射を遮断するため柔らかいままにすることができる。硬化後、フィルムによってカバーされたエマルションを、水で、またはエマルションを溶解するのに適した任意の他の溶剤で、洗い落としてもよい。こうして画像を、本開示の種々の実施形態に従ってスクリーン上に形成することができる。
本書で開示される装置は、種々の実施形態において、コストの削減、画像解像度の向上、および/または機械的複雑さの低減など、1以上の利点を有し得る。例えば開示される装置は、凸状および凹状表面、単一軸湾曲、2軸湾曲、および大型(例えば約500mm超)基材での複合湾曲を含む、3次元基材に印刷するために、2Dのプロセスパラメータおよび技術(例えば、固定のスクリーンおよび基材の位置、および/または実質的に平坦/平面的な枠)を用いて、標準的な2D印刷機器において利用することができる。さらに、この装置は標準的な印刷機器で使用することができるため、特注の設備および機械加工の必要性と、これに関連する費用を排除することができる。さらに、基材および枠の位置は互いに対して固定され得るため、例えば基材または枠のいずれかまたは両方を並進させるためのさらなる可動部品の必要性を排除することができ、それにより印刷プロセスのコストおよび複雑さを低減することができる。
さらにこの枠付きスクリーン装置は、1つのスクリーン設計を上記の任意の種々の湾曲に対して使用することができるという点で、「ユニバーサル」であるともいえる。この装置は、剛性の枠に取り付けられた非常に柔軟なスクリーンを含むため、種々のサイズの基材で使用することができる。言い換えれば、3次元基材のサイズが大きくなった場合、より大きい表面に適応するために枠付きスクリーン装置のサイズを同様に大きくする必要はないであろう。この属性によれば、より大きい枠付きスクリーンに適応するために他のやり方では必要となる、より大きくより高価な印刷機械の必要性を回避することができるため、この属性は有利になり得る。本開示による装置は、上記利点の1以上を示さないことがあるが、依然として本開示の範囲に含まれると意図されることを理解されたい。
システム
本書で開示されるのは、3次元基材の表面にスクリーン印刷するシステムであり、このシステムは、枠付きスクリーンと、液体印刷媒質を3次元基材に塗布するための塗布器とを備え、枠付きスクリーンは、外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、外縁が、外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、この表面積の少なくとも一部を横切って延在し、枠に取り付けられている、スクリーンとを備え、スクリーンは、第1の部分であって、液体印刷媒質がこの第1の部分を通って、近接する3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、エマルションでコーティングされた第2の部分であって、液体印刷媒質がスクリーンの第2の部分を通過するのを、このエマルションが実質的に防ぐ、第2の部分とを含み、スクリーンは約20N/cm未満の固定のテンションを有している。
図3は、本開示の一態様によるスクリーン印刷システムの断面側面図を示し、ここでは塗布器160が枠付きスクリーン装置100に接触している。スクリーン120は枠110に取り付けられており、またスクリーン120は少なくとも部分的にエマルション130でコーティングされている。図示の実施形態において、エマルション130はスクリーン120の「印刷」表面とも称される下方表面にコーティングされているが、エマルションはスクリーンの「塗布器」表面とも称される上方表面に、あるいは両方の表面に、コーティングされ得ることも意図されている。液体印刷媒質(図示なし)をスクリーンに塗布してもよく、さらに塗布器160を用いて矢印170で表されているようにスクリーンに圧力を加えると、液体印刷媒質の少なくとも一部は3次元基材上へとスクリーンを通過することができる。塗布器160は柔軟なものでもよいし、あるいは剛性のものでもよく、また加えられる圧力は均一なものでも、あるいは変動するものでもよい。
1つの例示的な実施形態によれば、例えば2以上の半径の周囲となる複雑な湾曲を有する基材に対して3次元基材上に印刷するために、スキージなどの柔軟な圧力制御される塗布器が使用され得る。例えば単一の曲率半径を有する基材に対して3次元基材上に印刷するためには、2Dの平坦な印刷に用いられるものなど、標準的な真っ直ぐなエッジのスキージを使用することもできる。様々な形状およびサイズの、例えば刷毛、へらなどの他の塗布器も、本開示の範囲内において意図されている。スキージまたは任意の他の塗布器を、スクリーンに沿って引き寄せて、少なくともいくらかの印刷媒質をスクリーンの少なくとも一部に通して3次元基材上へと押し込むことができる。塗布器の、保持角度、圧力、引寄せ速度、サイズ、および硬度は、例えば所望の画像解像度次第で変化させることができる。
種々の実施形態によれば、塗布器はスキージでもよく、スキージは、ゴム材料およびポリウレタンなどの任意の材料を含み得る。塗布器は単一のスキージなど単一のユニットでもよいし、あるいは2以上の隣接する、または隣接していないスキージなど、セグメント化されたユニットを備えたものでもよい。いくつかの実施形態において塗布器は、種々の実施形態で長方形の形状とすることができる単一片を備えたものでもよいし、あるいは多数の片を備えたものでもよい。スキージなどの塗布器は、スクリーンに接触する、随意的には傾斜している作業エッジと、作業エッジの反対側とされ得る、任意の適切な手段を用いて印刷機器に取り付けられ得る固定エッジとを備え得る。非限定的な例示的な実施形態において塗布器は、例えば、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、本出願人により2014年8月1日に出願された平坦な基材および湾曲した基材に印刷するためのスキージ(SQUEEGEE FOR PRINTING FLAT AND CURVED SUBSTRATES)と題される、米国仮特許出願第62/032138号明細書において開示されるようなスキージでもよい。
印刷媒質は、顔料、染料などの1以上の着色剤を含む媒質とすることができる。印刷媒質は、液体または実質的に液体の形のものでもよく、また水または任意の他の適切な溶剤など、少なくとも1つの溶剤を含み得る。本書では「液体」という用語は、スクリーン印刷に適した任意の粘度を有する、任意の自由流動媒質を称するよう意図されている。特定の実施形態において液体印刷媒質は、種々の色および色調のインクから選択され得る。他の実施形態において液体印刷媒質は、いくつか例を挙げればクリアラッカーまたは保護コーティングなどの、非着色の媒質から選択され得る。液体印刷媒質は、有色、不透明、半透明、または透明の媒質から選択することができ、機能的および/または装飾的な目的を果たし得る。
本書で開示されるシステムは、種々のさらなる構成要素をさらに備え得る。例えば、予め決定された量の印刷媒質をスクリーン上に送出するように構成され得る、印刷媒質送出部品を含んでもよい。フラッドバー(flood bar)などの分配器を随意的に採用して、印刷媒質をスクリーンに亘って、例えば実質的に均等な形で分布させることができる。さらに、塗布器を把持するおよび/または並進させる手段の他、スクリーン印刷機器に典型的に存在している種々の他の構成要素を含んでもよい。
方法
さらに本書で開示されるのは、3次元基材の表面にスクリーン印刷する方法であり、この方法は、枠付きスクリーンに近接して3次元基材を位置付けるステップであって、枠付きスクリーンは、外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、外縁が、外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、この表面積の少なくとも一部を横切って延在し、枠に取り付けられている、スクリーンとを備えたものであり、スクリーンは、第1の部分であって、液体印刷媒質がこの第1の部分を通って、近接する3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、エマルションでコーティングされた第2の部分であって、液体印刷媒質がスクリーンの第2の部分を通過するのを、このエマルションが実質的に防ぐ、第2の部分とを含んだものであり、スクリーンが約20N/cm未満の固定のテンションを有している、ステップと、液体印刷媒質の一部を、スクリーンの第1の部分に通して3次元基材上へと押し込むように、スクリーンに圧力を加えるステップとを含み、圧力を加えるステップの間、枠と3次元基材との間の距離が実質的に一定に保持されることを特徴とする。
本書で開示される方法は、3次元基材を印刷または装飾するために使用され得る。本書で開示される装飾または印刷は、任意の適切な粘度を有する任意の液体材料の、3次元基材上への機能的および/または審美的となり得るコーティングの塗布を表現するために使用され得る。3次元基材は、様々な組成、サイズ、および形状の基材から選択され得る。例えば基材は、ガラス、セラミック、ガラスセラミック、ポリマー、金属、および/またはプラスチックの材料を含み得る。例示的な基材としては、限定するものではないが、ガラスシート、成形されたプラスチック部品、金属部品、セラミック体、ガラス‐ガラス積層体、およびガラス‐ポリマー積層体を挙げることができる。
3次元基材は、任意の形状または厚さを有するものでもよく、例えば印刷機器のサイズおよび/または向き次第で、約0.1mmから約100mm以上の範囲の厚さを有し得る。例えば3次元基材の厚さは、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約0.3mmから約20mm、約0.5mmから約10mm、約0.7mmから約5mm、約1mmから約3mm、または約1.5mmから約2.5mmの範囲とすることができる。3次元基材は単一の曲率半径を有するものでもよいし、あるいは2、3、4、5、またはこれを超える半径など、多数の半径を有するものでもよい。この曲率半径は、いくつかの実施形態において、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約600mm超、約700mm超、約800mm超、約900mm超、または約1,000mm超など、約500mm超でもよい。
本書で開示される方法によれば、液体印刷媒質は、本書で説明される任意の手段を用いて、スクリーンに塗布することができ、また随意的にはスクリーンに亘って広げることができる。次いで塗布器を使用してスクリーンに圧力を加えて、液体印刷媒質の一部を、スクリーンの少なくとも一部に通して3次元基材上へと押し込むことができる。種々の実施形態によれば、塗布器はスクリーンに、3次元基材に液体印刷媒質を移動させるのに十分なものとなり得る一回の通過で接触してもよいし、あるいは数回通過してもよい。本書で説明されるいずれの塗布器も、開示される方法を実行するために使用することができる。
本書では「オフコンタクト」距離という用語は、実質的に剛性の平面的な枠と基材表面との間の距離を称するよう意図されている。オフコンタクトはさらに、印刷の直前および直後の両方で、スクリーンが基材から離れて保持されている距離を称する。言い換えればオフコンタクト距離は、スクリーンが基材に接触するために移動しなければならない距離である。本書で開示される方法によれば、枠と3次元基材との間の距離は、液体印刷媒質の塗布と圧力の印加の間、実質的に一定に保持される。枠および基材は、互いに対して固定の位置で保持され得る。圧力が、例えば塗布器を用いてスクリーンに加えられると、スクリーンは動いて基材に接触し得るが、枠は実質的に同じ位置で保持され得る。このオフコンタクト距離は、2D印刷で用いられるオフコンタクト距離(例えば約1〜10mm)よりも大きいものとすることができ、また理論上は本書で開示される方法を用いて制限されないものとすることができる。非限定的な例としてオフコンタクト距離は、その間の全ての範囲および部分範囲を含めて、約100mm超、約75mm超、約50mm超、約25mm超、または約10mm超とすることができる。
印刷媒質が3次元基材に塗布された後、例えばいくつか例を挙げれば、1以上の溶剤を除去するために、印刷されたメジウムを乾燥させるステップ、印刷されたメジウムを硬化させるステップ、印刷機械から基材を取り除くステップ、基材を真空下に置くステップ、および/または基材を洗浄するステップなど、種々の追加のステップが行われ得る。種々の実施形態によれば、パターンは、例えば、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、本出願人により2014年8月1日に出願された3次元基材をスクリーン印刷する方法および画像の歪みを予測する方法(METHODS FOR SCREEN PRINTING THREE-DIMENSIONAL SUBSTRATES AND PREDICTING IMAGE DISTORTION)と題される、米国仮特許出願第62/032125号明細書において開示された方法を用いて補正および/または調整することができる。
種々の開示される実施形態は、その特定の実施形態に関連して説明される特定の特徴、要素、またはステップを含み得ることが理解されよう。特定の特徴、要素、またはステップは、ある特定の実施形態の関連で説明されるが、代わりの実施形態と交換してまたは組み合わせて、種々の説明されていない組合せまたは置換の状態にし得ることも理解されよう。
本書では、単数形は「少なくとも1つ」を意味し、明確に反対の指示がなければ「唯一」に限定されるべきではないことも理解されたい。従って、例えばある「エマルション」への言及は、文脈が明らかに他に指示していなければ、2以上のこのエマルションを有する例を含む。同様に「複数の」は、「2以上」を示すよう意図されている。
本書では範囲を、「約」ある特定の値から、および/または「約」別の特定の値までと表現することがある。このように範囲が表現されるとき、いくつかの例が、そのある特定の値から、および/または他方の特定の値までを含む。同様に、値が先行詞「約」を用いて近似値で表現されるとき、その特定の値は別の態様を形成することを理解されたい。各範囲の端点は、他方の端点との関連で、また他方の端点とは無関係に、意味を持つものであることをさらに理解されたい。
本書では「実質的」、「実質的に」という用語およびその変形は、説明される特徴が、ある値または説明に、等しいまたは略等しいことを表示することを目的としている。例えば「実質的に平面的」な表面は、平面的または略平面的な物体を示すよう意図されている。さらに、本書で画成される「実質的に類似」は、2つの値または物体が、等しいまたは略等しいことを示すよう意図されている。
他に明確に述べられていなければ、本書に明記されるいずれの方法も、そのステップを特定の順序で実行する必要があると解釈されることを全く意図していない。従って、方法の請求項がそのステップが行われる順序を実際に説明していない場合、あるいはそれ以外に請求項または説明の中でそのステップが特定の順序に限定されるべきであると具体的に述べられていない場合には、何らかの特定の順序が推測されることは全く意図されていない。
特定の実施形態の種々の特徴、要素、またはステップは、移行句「含む」を用いて開示され得るが、移行句「から成る」または「から本質的に成る」を用いて説明され得るものを含め、代わりの実施形態が含意されることを理解されたい。従って、例えばA+B+Cを備えたシステムが意味する代わりの実施形態には、システムがA+B+Cから成る実施形態と、システムがA+B+Cから本質的に成る実施形態とが含まれる。
本開示の精神および範囲から逸脱することなく、本開示の種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。本開示の精神および本質を組み込んだ、開示された実施形態の改変、コンビネーション、サブコンビネーション、および変形が当業者には思い付き得るため、本開示は添付の請求項およびその同等物の範囲内の全てのものを含むと解釈されるべきである。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態1
3次元基材の表面に印刷するスクリーン印刷装置において、
(a)外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、前記外縁が、該外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、
(b)前記表面積の少なくとも一部を横切って延在し、前記枠に取り付けられている、スクリーンと、
を備え、前記スクリーンが、
(i)第1の部分であって、液体印刷媒質が該第1の部分を通って、近接する前記3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、
(ii)エマルションでコーティングされた第2の部分であって、前記液体印刷媒質が前記スクリーンの前記第2の部分を通過するのを、前記エマルションが実質的に防ぐ、第2の部分と、
を含み、前記スクリーンが約20N/cm未満の固定のテンションを有していることを特徴とするスクリーン印刷装置。
実施形態2
前記スクリーンが、少なくとも1つの多孔質メッシュ材料を備えていることを特徴とする実施形態1記載のスクリーン印刷装置。
実施形態3
少なくとも1つの非多孔質材料をさらに備えていることを特徴とする実施形態2記載のスクリーン印刷装置。
実施形態4
前記スクリーンが、ポリエステル、ナイロン、PET、ポリアミド、ポリエステルコア/シースの組合せ、複合ポリエステル材料、および被覆ポリエステル、から選択される、少なくとも1つの材料を含むことを特徴とする実施形態1から3いずれか1項記載のスクリーン印刷装置。
実施形態5
前記スクリーンが、
(i)プレーン、ツイル、ダブルツイル、クラッシュ、またはフラット、の織りパターン、
(ii)約120本/インチ(47本/cm)から約380本/インチ(150本/cm)の範囲のメッシュ数、または、
(iii)約30μmから約80μmの範囲の糸径、
のうちの1以上を含むことを特徴とする実施形態1から4いずれか1項記載のスクリーン印刷装置。
実施形態6
前記スクリーンが、約13N/cmから約18N/cmの範囲の固定のテンションを有していることを特徴とする実施形態1から5いずれか1項記載のスクリーン印刷装置。
実施形態7
前記エマルションが、UV放射で処理されたものであることを特徴とする実施形態1から6いずれか1項記載のスクリーン印刷装置。
実施形態8
3次元基材の表面に印刷するスクリーン印刷システムであって、
(a)実施形態1において定義されるスクリーン印刷装置、および、
(b)液体印刷媒質を前記3次元基材に塗布するための、少なくとも1つの塗布器、
を備えていることを特徴とするスクリーン印刷システム。
実施形態9
前記少なくとも1つの塗布器が、柔軟なスキージと剛性のスキージとから選択されることを特徴とする実施形態8記載のスクリーン印刷システム。
実施形態10
液体印刷媒質送出機器と液体印刷媒質分配器とのうちの、少なくとも1つをさらに備えていることを特徴とする実施形態8または9記載のスクリーン印刷システム。
実施形態11
3次元基材の表面にスクリーン印刷する方法であって、
(a)枠付きスクリーンに近接して3次元基材を位置付けるステップであって、前記枠付きスクリーンが、
(i)外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、前記外縁が、該外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、
(ii)前記表面積の少なくとも一部を横切って延在し、前記枠に取り付けられている、スクリーンと、
を備えたものであり、前記スクリーンが、
‐第1の部分であって、液体印刷媒質が該第1の部分を通って前記3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、
‐エマルションでコーティングされた第2の部分であって、前記液体印刷媒質が前記スクリーンの前記第2の部分を通過するのを、前記エマルションが実質的に防ぐ、第2の部分と、
を含んだものであり、さらに、前記スクリーンが約20N/cm未満の固定のテンションを有している、ステップ、
(b)前記液体印刷媒質を前記スクリーンに塗布するステップ、および、
(c)前記液体印刷媒質の一部を、前記スクリーンの前記第1の部分に通して前記3次元基材上へと押し込むように、前記スクリーンに圧力を加えるステップ、
を含み、前記枠と前記3次元基材との間の距離が、前記塗布するステップおよび前記圧力を加えるステップの際に、実質的に一定であることを特徴とする方法。
実施形態12
前記3次元基材が、ガラス、セラミック、ガラスセラミック、金属、プラスチック、またはポリマー材料、のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする実施形態11記載の方法。
実施形態13
前記枠と前記3次元基材との間の距離が、約10mmから約100mmの範囲であることを特徴とする実施形態11または12記載の方法。
実施形態14
前記スクリーンが、約13N/cmから約18N/cmの範囲の固定のテンションを有していることを特徴とする実施形態11から13いずれか1項記載の方法。
実施形態15
前記圧力を加えるステップが、少なくとも1つのスキージを用いて実行されることを特徴とする実施形態11から14いずれか1項記載の方法。
100 スクリーン印刷装置
110 枠
120 スクリーン
130 エマルション
160 塗布器

Claims (5)

  1. 3次元基材の表面に印刷するスクリーン印刷装置において、
    (a)外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、前記外縁が、該外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、
    (b)前記表面積の少なくとも一部を横切って延在し、前記枠に取り付けられている、スクリーンと、
    を備え、前記スクリーンが、
    (i)第1の部分であって、液体印刷媒質が該第1の部分を通って、近接する前記3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、
    (ii)エマルションでコーティングされた第2の部分であって、前記液体印刷媒質が前記スクリーンの前記第2の部分を通過するのを、前記エマルションが実質的に防ぐ、第2の部分と、
    を含み、前記スクリーンが約20N/cm未満の固定のテンションを有していることを特徴とするスクリーン印刷装置。
  2. 前記スクリーンが、少なくとも1つの多孔質メッシュ材料を備え、かつ前記スクリーンが、約13N/cmから約18N/cmの範囲の固定のテンションを有していることを特徴とする請求項1記載のスクリーン印刷装置。
  3. 3次元基材の表面に印刷するスクリーン印刷システムであって、
    (a)請求項1または2によるスクリーン印刷装置、および、
    (b)液体印刷媒質を前記3次元基材に塗布するための、少なくとも1つの塗布器、
    を備えていることを特徴とするスクリーン印刷システム。
  4. 液体印刷媒質送出機器と液体印刷媒質分配器とのうちの、少なくとも1つをさらに備えていることを特徴とする請求項3記載のスクリーン印刷システム。
  5. 3次元基材の表面にスクリーン印刷する方法であって、
    (a)枠付きスクリーンに近接して3次元基材を位置付けるステップであって、前記枠付きスクリーンが、
    (i)外縁を有する実質的に剛性の実質的に平面的な枠であって、前記外縁が、該外縁内に所定の表面積を有する領域を画成する、枠と、
    (ii)前記表面積の少なくとも一部を横切って延在し、前記枠に取り付けられている、スクリーンと、
    を備えたものであり、前記スクリーンが、
    ‐第1の部分であって、液体印刷媒質が該第1の部分を通って前記3次元基材上へと通過することができる、第1の部分と、
    ‐エマルションでコーティングされた第2の部分であって、前記液体印刷媒質が前記スクリーンの前記第2の部分を通過するのを、前記エマルションが実質的に防ぐ、第2の部分と、
    を含んだものであり、さらに、前記スクリーンが約20N/cm未満の固定のテンションを有している、ステップ、
    (b)前記液体印刷媒質を前記スクリーンに塗布するステップ、および、
    (c)前記液体印刷媒質の一部を、前記スクリーンの前記第1の部分に通して前記3次元基材上へと押し込むように、前記スクリーンに圧力を加えるステップ、
    を含み、前記枠と前記3次元基材との間の距離が、前記塗布するステップおよび前記圧力を加えるステップの際に、実質的に一定であることを特徴とする方法。
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