JP2020015199A - 熱膨張性シート、熱膨張性シートの製造方法及び造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】使用後に熱膨張層を除去可能な熱膨張性シート、熱膨張性シートの製造方法及び造形物を提供する。【解決手段】熱膨張性シート１０は、基材１１の一方の面上に設けられた中間層１２と、中間層１２の上に設けられ、熱膨張性材料を含む熱膨張層１３とを備える。中間層１２は、基材１１に剥離可能に接着されている。熱膨張性シート１０では、熱変換層を用いて熱膨張層１３を膨張させ、造形物を製造する。また造形物の使用後は、中間層１２を基材１１から剥離させることで中間層１２と熱膨張層１３とを基材１１から除去することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、吸収した熱量に応じて発泡して膨張する熱膨張性材料を含む熱膨張層を利用した熱膨張性シート、熱膨張性シートの製造方法及び造形物に関する。

従来、基材シートの一方の面上に、吸収した熱量に応じて発泡し膨張する熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成した熱膨張性シートが知られている。この熱膨張性シート上に光を熱に変換する光熱変換層を形成し、光熱変換層に光を照射することで、熱膨張層を部分的又は全体的に膨張させることができる。また、光熱変換層の形状を変化させることで、熱膨張性シート上に立体的な凹凸を有する造形物を形成する方法も知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開昭６４−２８６６０号公報 特開２００１−１５０８１２号公報

このような熱膨張性シートでは、光熱変換層の形状を変化させることで、容易に熱膨張性シート上に凹凸を形成することが可能である。

しかし、使用済みの熱膨張性シートを処分する場合、基材に熱膨張層が形成された状態では、基材をリサイクルすることは困難である。このため、熱膨張性シート全体を廃棄せざるを得ないという問題がある。これは、例えば熱膨張性シートを使用して試作品を製造し、使用済みの熱膨張性シートを処分する際に問題となる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、使用後に熱膨張層を除去可能な熱膨張性シート、熱膨張性シートの製造方法及び造形物を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る熱膨張性シートは、
基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層が設けられた熱膨張性シートであって、
前記基材と前記熱膨張層との間に設けられた中間層を更に備え、
前記中間層と前記基材との間の剥離強度は、前記熱膨張層と前記中間層との間の剥離強度より低くされ、前記中間層と前記熱膨張層とは前記基材から剥離可能である、
ことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る熱膨張性シートは、
基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層が設けられた熱膨張性シートであって、
前記熱膨張層の破断強度は、前記熱膨張層の前記基材からの剥離強度と比較して高くされ、前記熱膨張層は前記基材から剥離可能である、
ことを特徴とする。

本発明の第３の観点に係る造形物は、
上記第１の観点又は第２の観点に係る熱膨張性シートを備え、
電磁波を熱に変換する熱変換材料を含み、前記熱膨張性シートの一方の面と他方の面との少なくともいずれか一方の面上に設けられた熱変換層を更に備え、
前記熱変換層が設けられた領域近傍の前記熱膨張層が膨張されている、
ことを特徴とする。

本発明の第４の観点に係る熱膨張性シートの製造方法は、
基材の一方の面上に中間層を形成する工程と、
前記中間層上に熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成する工程と、を備え、
前記中間層と前記基材との間の剥離強度を、前記熱膨張層と前記中間層との間の剥離強度より低くすることで、前記中間層と前記熱膨張層とを前記基材から剥離可能とする、
ことを特徴とする。

本発明の第５の観点に係る熱膨張性シートの製造方法は、
基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成する工程を備え、
前記熱膨張層の破断強度を、前記熱膨張層の前記基材からの剥離強度と比較して高くすることで、前記熱膨張層を前記基材から剥離可能とする、
ことを特徴とする。

本発明によれば、使用後に熱膨張層を除去可能な熱膨張性シート、熱膨張性シートの製造方法及び造形物を提供することができる。

実施形態１に係る熱膨張性シートの概要を示す断面図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態１に係る熱膨張性シートの製造方法を示す断面図である。 図３（ａ）は、実施形態１に係る造形物を示す図であり、図３（ｂ）は造形物において、中間層及び熱膨張層を基材から剥離させた状態を示す図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態１に係る造形物の製造方法で用いる造形システムの構成を示す図である。 実施形態１に係る造形物の製造方法を示すフローチャートである。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は、実施形態１に係る造形物の製造方法を模式的に示す断面図である。 実施形態２に係る熱膨張性シートの概要を示す断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態２に係る樹脂成形シートの製造方法を示す断面図である。 図９（ａ）は、実施形態２に係る造形物を示す図であり、図９（ｂ）は造形物において、熱膨張層を基材から剥離させた状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る熱膨張性シート、熱膨張性シートの製造方法及び造形物について、図面を用いて詳細に説明する。

本明細書において、「造形物」は、凸部（凸）、凹部（凹）等の単純な形状、幾何学形状、文字、模様、装飾等の形状が、所定の面に造型（形成）されている熱膨張性シートを指す。ここで、「装飾」とは、視覚及び／又は触覚を通じて美感を想起させるものである。「造形（又は造型）」は、形のあるものを作り出すことを意味し、装飾を加える加飾、装飾を形成する造飾のような概念をも含む。また、本実施形態の造形物は、所定の面に、凹凸、幾何学形状、装飾等を有する立体物であるが、いわゆる３Ｄプリンタにより製造された立体物と区別するため、本実施形態の造形物を２．５次元（２．５Ｄ）オブジェクト又は疑似三次元（Ｐｓｅｕｄｏ−３Ｄ）オブジェクトとも呼ぶ。本実施形態の造形物を製造する技術は、２．５Ｄ印刷技術又はＰｓｅｕｄｏ−３Ｄ印刷技術とも呼べる。

また、本明細書では、説明の便宜上、熱膨張性シートにおいて、熱膨張層が設けられている面を表側（表面）又は上面、基材側を裏側（裏面）又は下面という表現をする。ここで、「表」、「裏」、「上」又は「下」の用語は熱膨張性シートの使用方法を限定するものではなく、成形後の熱膨張性シートの利用方法によっては、熱膨張性シートの裏面を表として使用することもある。造形物についても同様である。

＜実施形態１＞
（熱膨張性シート１０）
熱膨張性シート１０は、図１に示すように、基材１１と、基材１１の第１の面（図１に示す上面）上に設けられた中間層１２と、中間層１２上に設けられた熱膨張層１３と、を備える。

基材１１は、中間層１２、熱膨張層１３を支持するシート状の部材であり、基材１１の第１の面上（図１に示す上面）に中間層１２が設けられる。基材１１は、紙又は樹脂かならなるシートである。紙としては、上質紙、合成紙等を任意に使用することができる。樹脂としては、これらに限定するものではないが、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエステル系樹脂、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）系樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド系樹脂等が挙げられる。

中間層１２は、基材１１の第１の面（図１に示す上面）上に設けられる。中間層１２は、基材１１に対して剥離可能に接着されている。また、中間層１２の上には熱膨張層１３が設けられる。本実施形態では、中間層１２を基材１１と熱膨張層１３との間に設け、更に中間層１２と基材１１との間の剥離強度を、中間層１２と熱膨張層１３との間の剥離強度より弱くすることにより、熱膨張層１３を基材１１から剥離して除去することができる。

なお、中間層１２の剥離強度としては、熱膨張層１３の膨張前に、少なくとも通常の使用範囲において熱膨張層１３が熱膨張性シート１０から剥離してしまわないことが求められる。通常の使用範囲は、例えば熱膨張性シート１０を持ち運ぶといった、ユーザによって行われる一般的な動作、熱膨張性シート１０に印刷を施す、熱膨張層１３を膨張させるといった熱膨張性シート１０において通常想定される使用態様を含む。加えて、中間層１２は、熱膨張層１３を剥離する際に内部で破断しない程度の破断強度を有することが好ましい。このような中間層１２としては、一方の面に接着層が設けられた樹脂フィルムが挙げられる。接着層としては、熱硬化系の接着剤を用いることができる。熱硬化系の接着剤としては、例えば塩化ビニル・酢酸ビニル共重合樹脂を用いた接着剤が好適である。接着剤の溶媒としては、水系、溶剤系のいずれでもよい。また、接着層としては、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤等の微粘着力の粘着剤を用いてもよい。樹脂フィルムは、例えば、ポリエステル、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、又はこれらの共重合体から選択される樹脂からなる。また、樹脂フィルムの接着層が設けられた面を基材１１に対向させ、接着層によって中間層１２を基材１１に剥離可能に接着する。中間層１２としては、エチレン−ビニルアルコール共重合体からなるフィルムを使用することができる。例えば、中間層１２のフィルムは、１２〜１５μｍの厚みとし、接着層は２μｍの厚みとする。また、接着層の剥離強度としては、１８０°剥離強度試験で測定した場合、０．０６Ｎ／２０ｍｍ以上であれば、ユーザによる一般的な動作によって中間層１２が基材１１から剥離することを実質的に防ぐことができる。また、中間層１２を基材１１から良好に剥離させるため、接着層の剥離強度は、１８０°剥離強度試験で測定した場合、０．５Ｎ／２０ｍｍ以下、更には０．４Ｎ／２０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、中間層１２は、接着層とフィルムとを有する構成に限られない。中間層は、中間層１２と基材１１との間の剥離強度が、中間層１２と熱膨張層１３との間の剥離強度より弱ければよく、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂等から選択される樹脂を用いて形成することができる。このような樹脂として、例えば、高松油脂社製ＮＳ６２５が挙げられる。

熱膨張層１３は、中間層１２上に設けられる。熱膨張層１３は、加熱の程度（例えば、加熱温度、加熱時間）に応じた大きさに膨張する層であって、バインダ中に熱膨張性材料（熱膨張性マイクロカプセル、マイクロパウダー）が分散配置されている。なお、熱膨張層１３は、１つの層を有する場合に限らず、複数の層を有してもよい。熱膨張層１３のバインダとしては、エチレン酢酸ビニル系ポリマー、アクリル系ポリマー等の任意の熱可塑性樹脂を用いる。

また、熱膨張性マイクロカプセルは、プロパン、ブタン、その他の低沸点気化性物質を、熱可塑性樹脂の殻内に含むものである。殻は、例えば、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリロニトリル、ポリブタジエン、あるいは、それらの共重合体等の熱可塑性樹脂から形成される。例えば、熱膨張性マイクロカプセルの平均粒径は、約５〜５０μｍである。このマイクロカプセルを熱膨張開始温度以上に加熱すると、樹脂からなる殻が軟化し、内包されている低沸点気化性物質が気化し、その圧力によって殻がバルーン状に膨張する。用いるマイクロカプセルの特性にもよるが、マイクロカプセルの粒径は膨張前の粒径の５倍程度に膨張する。なお、マイクロカプセルの粒径には、ばらつきがあり、全てのマイクロカプセルが同じ粒径を有するものではない。

（熱膨張性シートの製造方法）
また、本実施形態の熱膨張性シート１０は、以下に示すようにして製造される。
まず、図２（ａ）に示すように、基材１１としてシート状の材料、例えばＰＥＴからなるシートを用意する。基材１１は、ロール状であっても、予め裁断されていてもよい。

次に、入力ローラ、ヒータローラ、ローラ、及び出力ローラを備えるラミネート装置によって、基材１１の上に中間層１２を貼り付ける。中間層１２としては、基材１１に対向する面に接着層が設けられた樹脂フィルムを使用する。接着層としては、熱硬化系の接着剤を用い、例えば塩化ビニル・酢酸ビニル共重合樹脂を用いることが好適である。また、接着層としては、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤等の微粘着力の粘着剤を用いてもよい。例えば、基材１１は、巻き取られた状態で、ラミネート装置の巻き出し位置に置かれる。基材１１は、更に一対の入力ローラの間を通り、ヒータローラ及びローラに向かって搬送される。中間層１２として用いられるフィルムはヒータローラへと供給される。フィルムは、ヒータローラによって熱せられるとともに、ヒータローラとローラとの間を通過する際、圧がかけられ基材１１に対して剥離可能に接着される。フィルムの接着後、基材１１は、一対の出力ローラの間を通り、搬出され、巻き取られる。これにより、図２（ｂ）に示すように、中間層１２が基材１１上に貼り付けられる。

次に、熱可塑性樹脂等からなるバインダと熱膨張性材料（熱膨張性マイクロカプセル）とを混合させ、熱膨張層１３を形成するための塗布液を調製する。続いて、バーコータ、ローラーコータ、スプレーコータ等の公知の塗布装置を用いて、塗布液を基材１１上に塗布する。続いて、塗膜を乾燥させ、図２（ｃ）に示すように熱膨張層１３を形成する。なお、目標とする熱膨張層１３の厚みを得るため、塗布液の塗布及び乾燥を複数回行ってもよい。なお、熱膨張層１３は、塗布装置以外にスクリーン印刷装置等の印刷装置を用いて形成してもよい。また、ロール状の基材１１を用いた場合は、必要であれば裁断を行う。これにより、熱膨張性シート１０が製造される。

（造形物２０）
次に、造形物２０について、図面を用いて説明する。造形物２０は、熱膨張性シート１０の熱膨張層１３を膨張させたものである。

熱膨張層１３を膨張させて形成される造形物２０を図３（ａ）に示し、中間層１２及び熱膨張層１３を基材１１から剥離して除去した状態を図３（ｂ）に示す。造形物２０では、図３（ａ）に示すように、熱膨張性シート１０の表側の面（図３（ａ）では、熱膨張層１３上）には、電磁波を熱に変換する電磁波熱変換層（以下、熱変換層と称する）８１が設けられている。また、熱変換層８１の直下の熱膨張層１３は、膨張されて隆起しており、これにより熱膨張層１３は造形物の上面に凸部１３ａを有する。

本実施形態では、詳細に後述するように、熱膨張性シート１０の表側の面に、電磁波を熱に変換する電磁波熱変換材料を含む熱変換層８１を形成し、電磁波を照射することで、熱変換層８１を発熱させる。電磁波熱変換材料としては、セシウム酸化タングステン、六ホウ化ランタンのような赤外線吸収剤、カーボンブラック等が挙げられる。熱変換層８１は、電磁波の照射により、熱を帯びるため、帯熱層とも呼べる。熱膨張性シート１０の表側の面に設けられた熱変換層８１で生じた熱は、熱膨張層１３へと伝達されることにより、熱膨張層１３中の熱膨張性材料が発泡し、その結果、熱膨張層１３が膨張する。熱変換層８１は、熱変換層８１が設けられていない他の領域と比較し、電磁波を速やかに熱へと変換する。このため熱変換層８１の近傍の領域のみを選択的に加熱することができ、熱膨張層１３の特定の領域のみを選択的に膨張させ、隆起させることができる。

造形物２０では、熱膨張層１３の表面に形成される凹凸によって、所望の形を表現するため、基材１１の熱膨張層１３等が設けられる面とは反対側の面（図３（ａ）に示す基材１１の下面）は変形されていなくともよい。なお、基材１１の下面が変形されていないとは、基材１１の厚さ、材質等によって、熱膨張層１３の膨張する力によって基材１１に不可避的に生じ得る変形を含むものである。

また、造形物２０では、基材１１が無延伸ＰＥＴ等の熱による変形が可能な材料からなる場合は、熱膨張層１３の膨張に伴い、基材１１の熱膨張層１３等が設けられる面とは反対側の面（図３（ａ）に示す基材１１の下面）が変形していてもよい。この場合は、基材１１の熱膨張層１３等が設けられた面（図３（ａ）に示す基材１１の上面）に凸部（図示せず）が形成され、基材１１の下面に凸部に対応する形の凹部（図示せず）が形成される。

なお、造形物２０では、造形物２０の表側の面にカラーインク層８２が設けられる。カラーインク層８２は、オフセット印刷、フレキソ印刷等任意の印刷装置で用いられるインクからなる層である。カラーインク層は、水性インク、油性インク、紫外線硬化型インク等のいずれから形成されてもよい。また、カラーインク層は、文字、数字、写真、模様等の任意の画像を表現する層である。特に、例えば水性インクジェットプリンタでカラーインク層を形成する場合、基材１１の裏面に、インクを受容するインク受容層（図示せず）を設け、カラーインク層を形成することが好適である。なお、印刷する画像等によっては、カラーインク層は、明確な層を構成しないこともあるが、本明細書では説明の便宜上「層」という表現を使用する。カラーインク層８２は、造形物２０で設けられることは必須ではなく設けられなくともよい。また、カラーインク層８２は、造形物２０の裏側に設けられてもよいし、造形物２０の表側、裏側の両方に設けられてもよい。

また、本実施形態の造形物２０を試作品として使用する場合、熱膨張層１３表面の凹凸、カラーインク層８２等を組み合わせて所望の造形物２０を製造し、試作品とする。触感を確認するなど試作品としての使用が済んだ後、造形物２０を廃棄する際は、図３（ｂ）に示すように、手作業又は器具を使用して中間層１２を基材１１から剥離させ、中間層１２及び熱膨張層１３を基材１１から除去する。これにより、基材１１と、中間層１２及び熱膨張層１３と、を別々に処分することができる。結果として、基材１１をリサイクルすることも可能となる。

（造形物の製造方法）
次に、図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５及び図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照して、造形システム７０を使用して熱膨張性シート１０を成形し、造形物を製造する方法の流れを説明する。以下の造形物の製造方法では、枚葉式を例に挙げて説明するが、ロール状に巻かれた熱膨張性シート１０を使用してもよい。

（造形システム）
まず、図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照して、熱膨張性シート１０に造形物を製造するための造形システム７０について説明する。図４（ａ）は、造形システム７０の正面図である。図４（ｂ）は、天板７２を閉じた状態における造形システム７０の平面図である。図４（ｃ）は、天板７２を開いた状態における造形システム７０の平面図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）において、Ｘ方向は、印刷ユニット４０と膨張ユニット５０とが並ぶ方向に相当し、Ｙ方向は、印刷ユニット４０及び膨張ユニット５０における熱膨張性シート１０の搬送方向に相当し、Ｚ方向は、鉛直方向に相当する。Ｘ方向とＹ方向とＺ方向とは、互いに直交する。

造形システム７０は、制御ユニット３０と、印刷ユニット４０と、膨張ユニット５０と、表示ユニット６０と、を備える。制御ユニット３０、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０は、それぞれ図４（ａ）に示すようにフレーム７１内に載置される。具体的に、フレーム７１は、一対の略矩形状の側面板７１ａと、側面板７１ａの間に設けられた連結ビーム７１ｂとを備え、側面板７１ａの上方に天板７２が渡されている。また、側面板７１ａの間に渡された連結ビーム７１ｂの上に印刷ユニット４０及び膨張ユニット５０がＸ方向に並んで設置され、連結ビーム７１ｂの下に制御ユニット３０が固定されている。表示ユニット６０は天板７２内に、天板７２の上面と高さが一致するように埋設されている。

（制御ユニット）
制御ユニット３０は、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０及び表示ユニット６０を制御する。また、制御ユニット３０は、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０、及び表示ユニット６０に電源を供給する。制御ユニット３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を有する制御部と、フラッシュメモリ、ハードディスク等を備える記憶部と、外部の装置と通信するためのインタフェースである通信部と、可搬型の記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出す記録媒体駆動部と、を備える（いずれも図示せず）。これら各部は、信号を伝達するためのバスによって接続されている。また、記録媒体駆動部は、印刷ユニット４０によって印刷される表面発泡データ等を、可搬型の記録媒体から読み出して取得する。表面発泡データは、熱膨張性シート１０の表面において発泡及び膨張させる部分を示すデータである。

（印刷ユニット）
印刷ユニット４０は、制御ユニット３０から画像データを取得し、取得した画像データに基づいて、熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に印刷を行う。本実施形態では印刷ユニット４０は、インクを微滴化し、被印刷媒体に対して直接に吹き付ける方式で画像を印刷するインクジェットプリンタである。印刷ユニット４０では、任意のインクを使用することができ、例えば水性インク、溶剤インク、紫外線硬化インク等を使用することができる。なお、印刷ユニット４０は、インクジェットプリンタに限らず、任意の印刷装置を用いることができる。

また、印刷ユニット４０では、インクカートリッジには、電磁波熱変換材料（熱変換材料）を含むインクが備えられる。電磁波熱変換材料（熱変換材料）は、電磁波を熱に変換可能な材料である。熱変換材料の一例としては、これに限るものではないが、カーボン分子であるカーボンブラック（グラファイト）が挙げられる。電磁波を照射することにより、グラファイトが電磁波を吸収して熱振動し、熱が発生する。なお、熱変換材料は、グラファイトに限られず、例えば、セシウム酸化タングステン、六ホウ化ランタン等の赤外線吸収材料などの無機材料も使用することができる。

図４（ｃ）に示すように、印刷ユニット４０は、熱膨張性シート１０を搬入するための搬入部４０ａと、熱膨張性シート１０を搬出するための搬出部４０ｂと、を備える。印刷ユニット４０は、搬入部４０ａから搬入された熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に指示された画像を印刷し、画像が印刷された熱膨張性シート１０を搬出部４０ｂから搬出する。

（膨張ユニット）
膨張ユニット５０は、熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に電磁波を照射し、熱膨張層の少なくとも一部を膨張させる。膨張ユニット５０は、ランプヒータと、ランプヒータから照射された電磁波を熱膨張性シート１０に向けて反射する反射板と、反射板の温度を測定する温度センサと、膨張ユニット５０の内部を冷却する冷却部と、熱膨張性シート１０を挟持して搬送ガイドに沿って搬送する搬送ローラ対と、搬送ローラ対を回転させるための搬送モータ等を備える（いずれも図示せず）。

ランプヒータは、例えばハロゲンランプを備えており、熱膨張性シート１０に対して、近赤外領域（波長７５０〜１４００ｎｍ）、可視光領域（波長３８０〜７５０ｎｍ）、又は、中赤外領域（波長１４００〜４０００ｎｍ）の電磁波（光）を照射する。熱変換材料を含む熱変換インク（発熱インク）による濃淡画像が印刷された熱膨張性シート１０に電磁波を照射すると、濃淡画像が印刷された部分では、濃淡画像が印刷されていない部分に比べて、より効率良く電磁波が熱に変換される。そのため、熱膨張性シート１０のうちの濃淡画像が印刷された部分が主に加熱され、膨張を開始する温度に達すると熱膨張性材料が膨張する。なお、照射部はハロゲンランプに限られず、電磁波を照射可能であれば、他の構成を採ることも可能である。また、電磁波の波長も上記の範囲に限定されるものではない。

膨張ユニット５０は、熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に電磁波を照射し、熱膨張層の少なくとも一部を膨張させる。膨張ユニット５０は、図４（ｃ）に示すように、熱膨張性シート１０を搬入するための搬入部５０ａと、熱膨張性シート１０を搬出するための搬出部５０ｂと、を備える。膨張ユニット５０は、搬入部５０ａから搬入された熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に電磁波を照射し、熱膨張層の少なくとも一部を膨張させ、熱膨張層が膨張された熱膨張性シート１０を搬出部５０ｂから搬出する。

（表示ユニット）
表示ユニット６０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の表示装置と、表示装置に画像を表示させる表示駆動回路と、を備える。表示ユニット６０は、例えば図４（ｂ）に示すように、印刷ユニット４０によって熱膨張性シート１０に印刷される画像を表示する（例えば、図４（ｂ）に示す星）。また、表示ユニット６０は、必要に応じて、印刷ユニット４０又は膨張ユニット５０の現在の状態を示す情報を表示する。造形システム７０は、ユーザによって操作されるボタン、スイッチ等の操作ユニットを備えていても良い。或いは、表示ユニット６０は、表示装置と操作装置とが重ねられたタッチパネル又はタッチスクリーンを備えていてもよい。

本実施形態の造形システム７０では、濃淡画像（表面発泡データ、裏面発泡データ）の濃淡の制御、電磁波の制御等により、熱膨張性材料の膨張量を制御し、熱膨張層１３の隆起する高さを制御し、熱膨張性シート１０の表面に所望の凸又は凹凸形状を形成することができる。ここで、電磁波の制御は、造形システム７０において熱膨張性シート１０に電磁波を照射して膨張させる際、熱膨張性シート１０を所望の高さに膨張させるために、熱膨張性シート１０が単位面積当たりに受けるエネルギー量を制御することをいう。具体的に、熱膨張性シート１０が単位面積当たりに受けるエネルギー量は、照射部の照射強度、移動速度、照射時間、照射距離、温度、湿度、冷却等のパラメータによって変化する。電磁波の制御は、このようなパラメータの少なくとも１つを制御することによって実行される。

（造形物の製造方法）
次に、図５に示すフローチャート及び図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す熱膨張性シート１０の断面図を参照して、熱膨張性シート１０の少なくとも一部を膨張させ、造形物２０を得る処理の流れを説明する。

第１に、熱膨張性シート１０を準備する。熱膨張性シート１０の表面において発泡及び膨張させる部分を示す発泡データ（熱変換層８１を形成するためのデータ）、カラー画像データ（カラーインク層８２を形成するためのデータ）等は、事前に決定しておく。熱膨張性シート１０をその表面が上に向いた状態で印刷ユニット４０へと搬送し、熱膨張性シート１０の表面に熱変換層８１を印刷する（ステップＳ１）。熱変換層８１は、電磁波熱変換材料を含むインク、例えばカーボンブラックを含む発泡インクで形成された層である。印刷ユニット４０は、指定された発泡データに従って、熱膨張性シート１０の表面に、熱変換材料を含む発泡インクを印刷する。その結果、図６（ａ）に示すように、熱膨張性シート１０の表面に熱変換層８１が形成される。なお、熱変換層８１を濃く印刷すると発熱量が増えるため、熱膨張層１３が高く膨張する。従って、基材１１の高い変形量が得られる。これを利用して熱変換層８１の濃淡の制御により、変形高さを制御することもできる。

第２に、熱変換層８１が印刷された熱膨張性シート１０を、表面が上側を向くように膨張ユニット５０へと搬送する。膨張ユニット５０では、搬送された熱膨張性シート１０へ照射部によって電磁波を照射する（ステップＳ２）。具体的に説明すると、膨張ユニット５０では、照射部によって熱膨張性シート１０の表面に電磁波を照射する。熱膨張性シート１０の表面に印刷された熱変換層８１に含まれる熱変換材料は、照射された電磁波を吸収することによって発熱する。その結果、熱変換層８１で生じた熱は熱膨張層１３に伝達し、熱膨張性材料が発泡、膨張する。その結果、図６（ｂ）に示すように、熱膨張性シート１０の熱膨張層１３のうちの熱変換層８１が印刷された領域が膨張し、盛り上がる。

第３に、熱膨張層１３の少なくとも一部が膨張した熱膨張性シート１０を、その表面が上に向いた状態で印刷ユニット４０へと搬送し、熱膨張性シート１０の表面にカラー画像（カラーインク層８２）を印刷する（ステップＳ３）。具体的には、印刷ユニット４０は、指定されたカラー画像データに従って、熱膨張性シート１０の表面に、シアンＣ、マゼンタＭ及びイエローＹの各インクを吐出する。その結果、図６（ｃ）に示すように、熱膨張層１３上にカラーインク層８２が形成される。
以上のような手順によって、熱膨張性シート１０の熱膨張層１３が膨張され、造形物２０が製造される。

上述した工程では、熱膨張性シート１０の表側に熱変換層８１を形成する構成を例に挙げて説明したが、これに限られず、熱変換層は熱膨張性シート１０の裏側に形成してもよい。加えて、熱膨張性シート１０の表側と裏側とに熱変換層を形成してもよい。この場合は、熱膨張層１３を膨張させる工程（上記のステップＳ２）は、熱膨張性シート１０の表側に熱変換層８１を形成した後と、熱膨張性シート１０の裏側に熱変換層を形成した後と、の両方で行ってもよい。又は、熱膨張性シート１０の両側に熱変換層を形成した後、１回の膨張工程で熱膨張層１３を膨張させてもよい。なお、ステップＳ２では、熱変換層８１が形成された面に電磁波を照射する構成を例に挙げているが、これに限られず、熱変換層８１が形成された面とは反対側の面に電磁波を照射し、熱膨張層１３を膨張させることも可能である。

また、造形物２０は、使用後は、熱膨張層１３を基材１１から剥離させて除去する。具体的には、造形物２０（熱膨張性シート１０）の端において、中間層１２の一部を基材１１から剥離させ、中間層１２とその上に設けられた熱膨張層１３とを引っ張りながら基材１１から剥離させる。剥離は手作業で行ってもよく、器具、機械などを使用してもよい。その結果、図３（ｂ）に示すように、基材１１と中間層１２及び熱膨張層１３とを別々に処分することができ、基材１１をリサイクルすることも可能となる。

＜実施形態２＞
（熱膨張性シート１５）
熱膨張性シート１５は、図７に示すように、基材１１と、基材１１の第１の面（図７に示す上面）上に設けられた熱膨張層１６と、を備える。本実施形態の熱膨張性シート１５が上述した実施形態１の熱膨張性シート１０と異なるのは、熱膨張性シート１５は中間層１２を有さず、熱膨張層１６が基材１１上に直接設けられている点にある。上述した実施形態１と重複する部分は、詳細な説明を省略する。

基材１１は、実施形態１と同様であり、熱膨張層１６を支持するシート状の部材である。本実施形態では、基材１１の第１の面上に、熱膨張層１６が設けられる。

熱膨張層１６は、基材１１の第１の面（図７では、上面）上に設けられる。熱膨張層１６は、実施形態１と同様に、加熱の程度に応じた大きさに膨張する層であって、バインダ中に熱膨張性材料が分散配置されている。本実施形態では、熱膨張層１６は、熱膨張層１６の変形後に基材１１から剥離させて除去する。このため、熱膨張層１６を剥離する際、熱膨張層１６が破断しにくいよう、熱膨張層１６は、熱可塑性エラストマーからなるバインダを含むことが好ましい。また、熱可塑性エラストマーは、これに限るものではないが、ポリ塩化ビニール、エチレンプロピレンラバー（ＥＰＲ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、又はポリエステル系熱可塑性エラストマー等から選択される。バインダとしては、スチレン系エラストマーを用いることが好適である。

特に本実施形態では、熱膨張層１６は、剥離させる際に破断しないことが求められる。加えて、熱膨張層１６を膨張させる際に熱膨張層１６が基材１１から剥離してしまうと、熱膨張層１６の表面に所望の凹凸を形成することが困難となる。このため、熱膨張層１６と基材１１との間の接着力は、熱膨張層１６の膨張時に剥離しない程度以上有する必要がある。加えて、熱膨張層１６の破断強度は、熱膨張層１６と基材１１との間の剥離強度と比較して大きく、２倍以上であることが好適である。

（熱膨張性シートの製造方法）
また、本実施形態の熱膨張性シート１５は、以下に示すようにして製造される。
まず、図８（ａ）に示すように、基材１１としてシート状の材料、例えばＰＥＴからなるシートを用意する。基材１１は、ロール状であっても、予め裁断されていてもよい。

次に、熱可塑性樹脂等からなるバインダと熱膨張性材料（熱膨張性マイクロカプセル）とを混合させ、熱膨張層１６を形成するための塗布液を調製する。本実施形態では、バインダは、熱可塑性エラストマーを含むことが好ましい。熱可塑性エラストマーは、これに限るものではないが、ポリ塩化ビニル、エチレンプロピレンラバー（ＥＰＲ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、又はポリエステル系熱可塑性エラストマー等から選択される。

本実施形態では、熱膨張層１６と基材１１との間の接着力は、熱膨張層１６の膨張時に熱膨張層１６が過度に基材１１から剥離しない程度以上有する必要がある。加えて、熱膨張層１６の破断強度は、熱膨張層１６と基材１１との間の接着力と比較して大きく、２倍以上であることが好適である。熱膨張層１６に含有されるバインダの材料及び塗布液におけるバインダの混合率等は、このような条件を満たすように決定される。また、バインダとしては、スチレン系エラストマーを使用することが好適である。

続いて、バーコータ、ローラーコータ、スプレーコータ等の公知の塗布装置を用いて、塗布液を基材１１上に塗布する。続いて、塗膜を乾燥させ、図８（ｂ）に示すように熱膨張層１６を形成する。なお、目標とする熱膨張層１６の厚みを得るため、塗布液の塗布及び乾燥を複数回行ってもよい。なお、熱膨張層１６は、塗布装置以外にスクリーン印刷装置等の印刷装置を用いて形成してもよい。また、ロール状の基材１１を用いた場合は、必要であれば裁断を行う。これにより、熱膨張性シート１５が製造される。

（造形物２１）
次に、造形物２１について、図面を用いて説明する。造形物２１は、熱膨張性シート１５の熱膨張層１６を膨張させたものである。

熱膨張層１６を膨張させて形成される造形物２１を図９（ａ）に示し、熱膨張層１６を基材１１から剥離して除去した状態を図９（ｂ）に示す。造形物２１では、図９（ａ）に示すように、熱膨張性シート１５の表側の面（図９（ａ）では、熱膨張層１６上）には、電磁波を熱に変換する電磁波熱変換層（以下、熱変換層と称する）８１が設けられている。また、熱変換層８１の直下の熱膨張層１６は、膨張しており、これにより熱膨張層１６は造形物の上面に凸部１６ａを有する。

また、本実施形態でも、基材１１の裏面は変形していなくともよい。また、基材１１が無延伸ＰＥＴ等の熱による変形が可能な材料からなる場合は、基材１１の裏面は熱膨張層１６の膨張に追従して変形していてもよい。また、造形物２１でも、実施形態１と同様に造形物２１の表側の面にカラーインク層８２が設けられる。カラーインク層８２は、オフセット印刷、フレキソ印刷等任意の印刷装置で用いられるインクからなる層である。カラーインク層８２は、水性インク、油性インク、紫外線硬化型インク等のいずれから形成されてもよい。カラーインク層８２は、造形物２１で設けられることは必須ではなく設けられなくともよいし、造形物２１の裏側に設けられてもよいし、造形物２１の表側、裏側の両方に設けられてもよい。

また、本実施形態の造形物２１では、廃棄時には、図９（ｂ）に示すように、熱膨張層１６を基材１１から剥離させ、基材１１から除去することができる。これにより基材１１には熱膨張層１６が付着していない状態となり、基材１１をリサイクルすることも可能となる。

本実施形態でも、実施形態１で説明した手順と同様にして、造形物２１を形成する。具体的には、図５のフローチャートに示すように、熱膨張性シート１５をその表面が上に向いた状態で印刷ユニット４０へと搬送し、熱膨張性シート１５の表面に熱変換層８１を印刷する（ステップＳ１）。第２に、膨張ユニット５０では、熱変換層８１が印刷された熱膨張性シート１５へ照射部によって電磁波を照射し（ステップＳ２）、熱膨張層１６の少なくとも一部を膨張させる。第３に、熱膨張層１６の少なくとも一部が膨張した熱膨張性シート１０を、その表面が上に向いた状態で印刷ユニット４０へと搬送し、熱膨張性シート１５の表面にカラー画像（カラーインク層８２）を印刷する（ステップＳ３）。

なお、本実施形態でも実施形態１で述べたのと同様に、熱変換層は熱膨張性シート１５の裏側に形成してもよい。加えて、熱膨張性シート１５の表側と裏側とに熱変換層を形成してもよい。この場合は、熱膨張層１６を膨張させる工程（上記のステップＳ２）は、熱膨張性シート１５の表側に熱変換層を形成した後と、熱膨張性シート１５の裏側に熱変換層を形成した後と、の両方で行ってもよい。又は、熱膨張性シート１５の両側に熱変換層を形成した後、１回の膨張工程で熱膨張層１６を膨張させてもよい。なお、ステップＳ２では、熱変換層８１が形成された面に電磁波を照射する構成を例に挙げているが、これに限られず、熱変換層８１が形成された面とは反対側の面に電磁波を照射し、熱膨張層１６を膨張させることも可能である。

また、造形物２１は、使用後は、熱膨張層１６を基材１１から剥離させ、除去する。具体的には、造形物２１（熱膨張性シート１５）の端において、熱膨張層１６の一部を基材１１から剥離させる。剥離は手作業で行ってもよく、器具、機械などを使用してもよい。その結果、図９（ｂ）に示すように、熱膨張層１６が除去され、基材１１をリサイクルすることが可能となる。

本実施形態は上述した実施形態に限られず、様々な変形及び応用が可能である。
上述した実施形態では、熱膨張性シート１０の使用方法の一例として試作品製造を例に挙げたが、熱膨張性シート１０の使用方法はこれに限られず、任意に変更可能である。

また、上述した各実施形態では、熱変換層を形成した後に、熱膨張層を膨張させ、その後にカラーインク層を形成する構成を例に挙げたが、これに限られず、各工程の順番は任意に変更可能である。例えば、熱変換層とカラーインク層とを形成後に、ステップＳ２に示す電磁波照射を行ってもよいし、カラーインク層を形成後、熱変換層を形成してからステップＳ２に示す電磁波照射を行ってもよい。

上述した実施形態では、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０等がフレーム中に納められた造形システム７０を利用する構成を例に挙げて説明したが、これに限られず、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０等は、分離して設置されていてもよい。また、印刷ユニット４０は、上述したインクジェットプリンタに限られず、オフセット印刷装置、フレキソ印刷装置、グラビア印刷装置等、任意の印刷装置を使用することが可能である。

また、各実施形態において用いられている図は、いずれも各実施形態を説明するためのものである。従って、熱膨張性シートの各層の厚みが、図に示されているような比率で形成されると限定して解釈されることを意図するものではない。また、各実施形態において用いられている図では、熱膨張性シートの表面及び／又は裏面に設けられる熱変換層なども、説明のため強調して図示されている。このため、熱変換層などの厚みも図に示されているような比率で形成されると限定して解釈されることを意図するものではない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明は特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。

［付記］
［付記１］
基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層が設けられた熱膨張性シートであって、
前記基材と前記熱膨張層との間に設けられた中間層を更に備え、
前記中間層と前記基材との間の剥離強度は、前記熱膨張層と前記中間層との間の剥離強度より低くされ、前記中間層と前記熱膨張層とが前記基材から剥離可能である、
ことを特徴とする熱膨張性シート。

［付記２］
前記中間層は、前記基材と対向する面に接着層が設けられたフィルムであり、
前記接着層によって、前記中間層が前記基材に剥離可能に接着される、
ことを特徴とする付記１に記載の熱膨張性シート。

［付記３］
基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層が設けられた熱膨張性シートであって、
前記熱膨張層の破断強度は、前記熱膨張層の前記基材からの剥離強度と比較して高くされ、前記熱膨張層は前記基材から剥離可能である、
ことを特徴とする熱膨張性シート。

［付記４］
付記１乃至３のいずれか１つに記載の熱膨張性シートを備え、
電磁波を熱に変換する熱変換材料を含み、前記熱膨張性シートの一方の面と他方の面との少なくともいずれか一方の面上に設けられた熱変換層を更に備え、
前記熱変換層が設けられた領域近傍の前記熱膨張層が膨張されている、
ことを特徴とする造形物。

［付記５］
基材の一方の面上に中間層を形成する工程と、
前記中間層上に熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成する工程と、を備え、
前記中間層と前記基材との間の剥離強度を、前記熱膨張層と前記中間層との間の剥離強度より低くすることで、前記中間層と前記熱膨張層とを前記基材から剥離可能とする、
ことを特徴とする熱膨張性シートの製造方法。

［付記６］
前記中間層は、前記基材と対向する面に接着層が設けられたフィルムであり、
前記接着層によって、前記中間層を前記基材に剥離可能に接着する、
ことを特徴とする付記５に記載の熱膨張性シートの製造方法。

［付記７］
基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成する工程を備え、
前記熱膨張層の破断強度を、前記熱膨張層の前記基材からの剥離強度と比較して高くすることで、前記熱膨張層を前記基材から剥離可能とする、
ことを特徴とする熱膨張性シートの製造方法。

１０，１５・・・熱膨張性シート、１１・・・基材、１２・・・中間層、１３，１６・・・熱膨張層、１３ａ、１６ａ・・・凸部、２０，２１・・・造形物、３０・・・制御ユニット、４０・・・印刷ユニット、４０ａ，５０ａ・・・搬入部、４０ｂ，５０ｂ・・・搬出部、５０・・・膨張ユニット、６０・・・表示ユニット、７０・・・造形システム、７１・・・フレーム、７１ａ・・・側面板、７１ｂ・・・連結ビーム、７２・・・天板、８１・・・熱変換層、８２・・・カラーインク層

Claims (7)

1. 基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層が設けられた熱膨張性シートであって、
   前記基材と前記熱膨張層との間に設けられた中間層を更に備え、
   前記中間層と前記基材との間の剥離強度は、前記熱膨張層と前記中間層との間の剥離強度より低くされ、前記中間層と前記熱膨張層とが前記基材から剥離可能である、
   ことを特徴とする熱膨張性シート。
2. 前記中間層は、前記基材と対向する面に接着層が設けられたフィルムであり、
   前記接着層によって、前記中間層が前記基材に剥離可能に接着される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱膨張性シート。
3. 基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層が設けられた熱膨張性シートであって、
   前記熱膨張層の破断強度は、前記熱膨張層の前記基材からの剥離強度と比較して高くされ、前記熱膨張層は前記基材から剥離可能である、
   ことを特徴とする熱膨張性シート。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱膨張性シートを備え、
   電磁波を熱に変換する熱変換材料を含み、前記熱膨張性シートの一方の面と他方の面との少なくともいずれか一方の面上に設けられた熱変換層を更に備え、
   前記熱変換層が設けられた領域近傍の前記熱膨張層が膨張されている、
   ことを特徴とする造形物。
5. 基材の一方の面上に中間層を形成する工程と、
   前記中間層上に熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成する工程と、を備え、
   前記中間層と前記基材との間の剥離強度を、前記熱膨張層と前記中間層との間の剥離強度より低くすることで、前記中間層と前記熱膨張層とを前記基材から剥離可能とする、
   ことを特徴とする熱膨張性シートの製造方法。
6. 前記中間層は、前記基材と対向する面に接着層が設けられたフィルムであり、
   前記接着層によって、前記中間層を前記基材に剥離可能に接着する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の熱膨張性シートの製造方法。
7. 基材の一方の面上に熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成する工程を備え、
   前記熱膨張層の破断強度を、前記熱膨張層の前記基材からの剥離強度と比較して高くすることで、前記熱膨張層を前記基材から剥離可能とする、
   ことを特徴とする熱膨張性シートの製造方法。

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