JP2021079631A

JP2021079631A - 造形方法及び造形装置

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Publication number: JP2021079631A
Application number: JP2019209223A
Authority: JP
Inventors: 将勝大川; Masakatsu Okawa
Original assignee: Mimaki Engineering Co Ltd
Current assignee: Mimaki Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-27

Abstract

【課題】粉体材料を用いて形成される造形物に対して発色の良い着色を行える、造形方法及び造形装置を提供する。【解決手段】３Ｄプリンタ１０による造形処理は、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２へ所定波長の光を照射し、粉体材料２２を結合させることにより造形物２４を積層形成する造形方法であって、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２に所定温度以上で発色する色材を塗布する塗布工程と、色材が塗布された粉体材料２２に所定波長の光を照射する照射工程と、を有し、照射工程は、造形物２４の造形データに基づいて粉体材料２２を照射することによって照射領域を所定温度以上に昇温させ、粉体材料２２を結着させると共に色材を発色させる。【選択図】図１

Description

本発明は、造形方法及び造形装置に関する。

立体の造形物を形成する造形方法として、例えば、石膏粉末を無色又は有色の接着剤（バインダーインク）で固める造形法（粉末固着式積層法）がある。この造形法は、フルカラーで立体物を造形することができるが、形成される造形物は重くなる。そこで、ポリエステル粉末やナイロン粉末等の樹脂粉末を焼結させて固めることで、造形物を形成する粉末焼結積層造形（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）法がある。このＳＬＳ法によれば、材料が樹脂であるため材料が石膏粉末等である造形法に比べて重量を軽くできる。

ＳＬＳ法による造形物の着色方法として、例えば特許文献１には、材料粉末の粒子を相互に融着させた薄層にインクジェットヘッドを使用して染料を噴射して着色しながら積層していく方法や、材料粉末の状態で着色する方法が開示されている。

特開２００１−２３９５９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、染料の発色性が良くなく、新たな着色方法の開発が望まれている。

そこで本発明は、粉体材料を用いて形成される造形物に対して発色の良い着色を行える造形方法及び造形装置を提供することを目的とする。

本発明の造形方法は、造形領域に敷き詰められた粉体材料へ所定波長の光を照射し、前記粉体材料を結合させることにより造形物を積層形成する造形方法であって、前記造形領域に敷き詰められた前記粉体材料に所定温度以上で発色する色材を塗布する塗布工程と、前記色材が塗布された前記粉体材料に前記所定波長の光を照射する照射工程と、を有し、前記照射工程は、前記造形物の造形データに基づいて前記粉体材料を照射することによって照射領域を前記所定温度以上に昇温させ、前記粉体材料を結着させると共に前記色材を発色させる。

本構成によれば、粉体材料に所定波長の光が照射すると粉体材料が結着によって固まると共に結着時の熱によって色材が発色して定着するので、粉体材料を用いて形成される造形物に対して発色の良い着色を行える。

本発明の造形方法によれば、前記粉体材料としてポリエステル樹脂、ＰＬＡ樹脂、及びＰＰＳ樹脂の何れかを用いる場合、前記色材として昇華染料を用いてもよい。本構成によれば、造形物に各樹脂の特性を与えると共に発色の良い着色を行える。

本発明の印刷方法によれば、前記粉体材料としてナイロン樹脂を用いる場合、前記色材として酸性染料を用いてもよい。本構成によれば、造形物にナイロン樹脂の特性を与えると共に発色の良い着色を行える。

本発明の印刷方法によれば、前記塗布工程及び前記照射工程は、前記造形データに基づいて行われてもよい。本構成によれば、同一の造形データを用いて２つの異なる工程を行うので、粉体材料を用いて形成される造形物に対して発色の良い着色を簡易に行える。

本発明の印刷方法によれば、前記照射工程は、所定波長のレーザ光を前記粉体材料に対して照射してもよい。本構成によれば、発色の良い造形物の形状を簡易に高精度に形成することができる。

本発明の造形装置は、造形領域に敷き詰められた粉体材料へ所定波長の光を照射し、前記粉体材料を結合させることにより造形物を積層形成する造形装置であって、前記造形領域に敷き詰められた前記粉体材料に所定温度以上で発色する色材を塗布する塗布手段と、前記色材が塗布された前記粉体材料に前記所定波長の光を照射する照射手段と、を備え、前記照射手段は、前記造形物の造形データに基づいて前記粉体材料を照射することによって照射領域を前記所定温度以上に昇温させ、前記粉体材料を結着させると共に前記色材を発色させる。本構成によれば、粉体材料を用いて形成される造形物に対して発色の良い着色を行える。

本発明は、粉体材料を用いて形成される造形物に対して発色の良い着色を行える。

本実施形態の印刷システムの概略構成図である。本実施形態の３Ｄプリンタが備える制御装置の機能ブロック図である。本実施形態の３Ｄプリンタの造形処理の流れを示したフローチャートである。他の実施形態の３Ｄプリンタの概略構成図である。他の実施形態の３Ｄプリンタの概略構成図である。

以下、本発明の実施形態の造形方法及び造形装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の印刷システム１の概略構成図である。印刷システム１は、３Ｄプリンタ１０、ユーザＰＣ１２、及び制御ＰＣ１４を備える。

３Ｄプリンタ１０は、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２へ所定波長の光を照射し、粉体材料２２を結合させることにより造形物２４を積層形成する造形装置である。この３Ｄプリンタ１０は、材料敷設部３０、色材塗布部３２、走査駆動部３４、レーザ光照射部３６、及び制御装置３８を備える。

材料敷設部３０は、外周（四方）を囲む壁３０Ａと、壁３０Ａに対してｚ方向へ昇降可能とされた造形台３０Ｂとを備える。造形台３０Ｂは、造形領域２０に相当する上面に粉体材料２２が敷き詰められる。なお、詳細を後述するように、一層分の造形処理が終了する毎に、造形台３０Ｂは所定距離だけ下方へ移動し、移動後に新たな粉体材料２２が材料貯蔵部（不図示）から材料敷設部３０へ供給される。これにより、一層分の造形処理が終了した粉体材料２２の上方に新たな粉体材料２２が敷き詰められ、新たな粉体材料２２に対して造形処理が行われる。

本実施形態の粉体材料２２は、所定波長の光により結着する熱可塑性樹脂であり、例えば、ポリエステル樹脂、ＰＬＡ（polylactic acid：ポリ乳酸）樹脂、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide：ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ビニロン樹脂、アセテート樹脂（ジアセテート、トリアセテート）等である。なお、結着とは、粉体材料２２の表面のみが溶融して付着する溶着と、所定温度としての融点以上に昇温して粒子全体が溶融して付着する融着とを含む。なお、溶着の場合は粉体材料２２同士の間に空隙が存在する一方、融着の場合は粉体材料２２同士の間は全て埋まることとなる。

色材塗布部３２は、材料敷設部３０（造形領域２０）の上方に設置され、粉体材料２２に対して色材を塗布する。本実施形態の色材塗布部３２は、一例として、複数色の色材をインク滴として吐出することで、造形物２４をフルカラーで着色する。

本実施形態の色材は、所定温度以上で発色する昇華染料である。昇華染料は、分散染料の一種であり、昇華し易いように分子量が低い染料である。色材の色は、例えば、発色後にイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の何れかとなるものが適宜選択され、色材は発色後の色毎に異なるカートリッジに貯留されている。

なお、粉体材料２２としてポリエステル樹脂、ＰＬＡ樹脂、及びＰＰＳ樹脂の何れかを用いる場合、色材として昇華染料を用いる。また、粉体材料２２としてナイロン樹脂（ポリアミド）を用いる場合には、色材として酸性染料を用いる。

これらの樹脂と色材との組み合わせにより、後述する本実施形態の造形処理によって造形物２４を形成することで、造形物２４に各樹脂の特性を与えると共に発色の良い着色を行える。

走査駆動部３４は、造形領域２０に対して色材塗布部３２を移動（以下「走査動作」という。）させるための駆動手段である。走査駆動部３４は、走査動作として、主走査動作（ｙ走査）、副走査動作（ｘ走査）を色材塗布部３２に行わせる。ここで、主走査動作とは、色材塗布部３２が予め設定された主走査方向（図中のｙ方向）へ移動しつつ粉体材料２２へインク滴を吐出する動作である。なお、副走査動作の場合、色材塗布部３２は、インク滴の吐出を行わない。

走査駆動部３４は、キャリッジ３４Ａ及びガイドレール３４Ｂを有する。キャリッジ３４Ａは、色材塗布部３２を造形領域２０と対向させて保持する保持部である。ガイドレール３４Ｂは、キャリッジ３４Ａの移動をガイドするレール状部材である。すなわち、キャリッジ３４Ａは、インク滴の吐出方向が造形領域２０へ向かう方向になるように色材塗布部３２を保持し、主走査動作時において色材塗布部３２を保持した状態でガイドレール３４Ｂに沿って移動する。

レーザ光照射部３６は、造形領域２０の上方に設置され、所定波長のレーザ光Ｌとして例えば炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザ等のレーザ光Ｌを造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２に向けて照射する。なお、レーザ光照射部３６は、ポリゴンミラーや各種レンズを備え、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２の上面でレーザ光Ｌを結像させると共に、ｘ方向及びｙ方向へレーザ光Ｌを走査する。

制御装置３８は、例えば３Ｄプリンタ１０の制御を司り、造形すべき造形物２４の形状情報や、カラー画像情報等を示したスライスデータに基づいて３Ｄプリンタ１０の各部を制御することにより、造形物２４の形成動作を制御する。

なお、制御装置３８は、例えば、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムや各種データを予め記憶しているＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＣＰＵの作業領域として用いられるＲＡＭ（Random Access Memory）、及び各種情報を記憶するＨＤＤ(Hard Disk Drive)等の記憶装置を備え、制御ＰＣ１４等の他の情報処理装置との間で各種情報の送受信を行う。

ユーザＰＣ１２は、造形物２４を所定形式で示した３Ｄモデルデータを造形ジョブとして制御ＰＣ１４へ送信する。３Ｄモデルデータは、造形物２４の形状及びその表面色等を示すデータであり、例えば、３ＤＣＡＤデータや製造すべき造形物２４を撮影した外観のデータ等に基づいて作成される。なお、造形ジョブには、複数の造形物２４を示す３Ｄモデルデータが含まれてもよい。

制御ＰＣ１４は、３Ｄプリンタ１０を制御する情報処理装置であって、ユーザＰＣ１２から造形ジョブ（３Ｄモデルデータ）を受信する。制御ＰＣ１４は、ユーザＰＣ１２から受信した造形ジョブに基づいて、造形物２４の各位置の断面に対応するスライスデータ（造形データ）を生成する。そして、制御ＰＣ１４は、各位置に対応するスライスデータを３Ｄプリンタ１０へ送信する。

ここで、本実施形態の３Ｄプリンタ１０による造形処理について説明する。

本実施形態の３Ｄプリンタ１０は、一層分のスライスデータに基づいて、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２へ色材塗布部３２から色材を塗布する。その後、３Ｄプリンタ１０は、色材の塗布に用いたスライスデータと同じスライスデータに基づいて、色材が塗布された粉体材料２２へレーザ光照射部３６からレーザ光Ｌを照射する。このように３Ｄプリンタ１０による造形処理は、粉体材料２２にレーザ光Ｌを照射することによって、照射領域を所定温度以上に昇温させ、粉体材料２２を結着させると共に色材を発色させる。そして、３Ｄプリンタ１０は、スライスデータ毎に色材の塗布（以下「色材塗布」という。）とレーザ光Ｌの照射（以下「レーザ光照射」という。）を繰り返し行うことで、造形物２４を形成する。

このような本実施形態の造形処理によれば、粉体材料２２にレーザ光Ｌが照射されると、粉体材料２２が結着によって固まると共に結着時の熱によって色材が発色して定着するので、粉体材料２２を用いて形成される造形物２４に対して発色の良い着色を行える。また、着色のために染料を用いることで、粉体材料２２の樹脂としての特性を変化させることなく造形物２４を形成できる。

なお、本実施形態の色材である昇華染料は、所定温度（例えば１４０〜１９０℃）以上で昇華して粉体材料２２（樹脂）の内部に分散することで造形物２４を着色する。一方で、樹脂の溶融温度は、例えばポリエステル樹脂が２６０℃であり、昇華染料の昇華温度の方が樹脂の溶融温度よりも低い。このため、粉体材料２２の溶融温度であれば、昇華染料である色材は昇華して発色する。なお、レーザ光Ｌは粉体材料２２全体を溶融させる必要は無く、粉体材料２２全体が平均して昇華温度以上（例えば２００℃以上）となればよく、粉体材料２２の表面だけを溶融させることで粉体材料２２を結着させてもよい。

図２は、本実施形態の３Ｄプリンタ１０が備える制御装置３８の機能ブロック図である。制御装置３８は、スライスデータ受信部４０、色材塗布制御部４２、レーザ光照射制御部４４、及び粉体敷設制御部４６を備える。

スライスデータ受信部４０は、造形ジョブに基づいたスライスデータを制御ＰＣ１４から受信する。なお、受信したスライスデータは、制御装置３８が備えるＲＡＭに適宜記憶される。

色材塗布制御部４２は、スライスデータに基づいて色材塗布部３２を走査移動させ、色材塗布部３２から粉体材料２２に色材を塗布（吐出）させる。

レーザ光照射制御部４４は、スライスデータに基づいてレーザ光照射部３６から粉体材料２２にレーザ光Ｌを照射させる。

粉体敷設制御部４６は、一層分のスライスデータに基づいた色材塗布とレーザ光照射が終了する毎に、造形台３０Ｂを所定距離だけ下方に移動させ、材料貯蔵部（不図示）から材料敷設部３０へ粉体材料２２を敷設させる。

図３は、本実施形態の３Ｄプリンタ１０が備える制御装置３８で実行される造形処理の流れを示すフローチャートである。本造形処理は、造形物２４を示すスライスデータをスライスデータ受信部４０が受信した場合に開始する。

まず、ステップＳ１００では、粉体材料２２を材料貯蔵部から材料敷設部３０へ敷設するように粉体敷設制御部４６が制御を行う。

次のステップＳ１０２では、一層分のスライスデータに基づいて、粉体材料２２に色材を塗布するように色材塗布制御部４２が色材塗布部３２を制御する。

次のステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で用いたスライスデータと同一のスライスデータに基づいて、粉体材料２２にレーザ光Ｌを照射するようにレーザ光照射制御部４４がレーザ光照射部３６を制御する。このように、同一のスライスデータを用いて２つの異なる工程を行うので、粉体材料２２を用いて形成される造形物２４に対して発色の良い着色を簡易に行える。

次のステップＳ１０６では、造形物２４を形成するための全スライスデータに基づいた色材塗布とレーザ光照射とが終了したか否かを判定し、肯定判定の場合は本造形処理を終了する。一方、否定判定の場合はステップＳ１００へ戻り、全スライスデータに対する色材塗布とレーザ光照射とが終了するまでステップＳ１００からステップＳ１０４を繰り返す。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、色材を昇華染料とする形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の色材は、発色に至るメカニズムが異なったとしても、粉体材料２２が結着するときの熱によって色材が発色すればよく、例えば、色材は酸性染料や反応染料とされてもよい。酸性染料や反応染料は、昇華染料のように昇華して樹脂内を分散するものではなく、着色する樹脂と反応することで樹脂を着色する。より具体的には、酸性染料はイオン的に結合（イオン結合）するものであり、反応染料は科学的に反応して結合（共有結合）する。

例えば、粉体材料２２としてナイロン樹脂（ポリアミド）を用いる場合には、色材として酸性染料を用いる。これらの樹脂と色材との組み合わせにより、本実施形態の造形処理によって造形物２４を形成することで、造形物２４に各樹脂の特性を与えると共に発色の良い着色を行える。

また、上記実施形態では、粉体材料２２を結着させためにレーザ光Ｌを用いる形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。図４，５に粉体材料２２を結着させるための光の照射手段の他の形態例を示す。

図４は、３Ｄプリンタ１がレーザ光照射部３６の替わりに赤外線照射部５０を備えた形態である。赤外線照射部５０は色材塗布部３２と共にキャリッジ３４Ａに設けられ、赤外線照射部５０の配置位置はキャリッジ３４Ａの進行方向に対して色材塗布部３２よりも後方である。すなわち、図４に示される３Ｄプリンタ１０は、色材塗布部３２が主走査動作しながら色材を塗布し、赤外線照射部５０も主走査動作を行い色材が塗布された粉体材料２２に対して選択的に所定波長の赤外線ＩＲを照射することで、粉体材料２２を結着させると共に色材を発色させる。

図５は、３Ｄプリンタ１がレーザ光照射部３６の替わりに電磁波照射部６０を備えた形態である。図５に示される３Ｄプリンタ１０は、色材塗布部３２が主走査動作しながら色材を塗布し、電磁波照射部６０は色材が塗布された粉体材料２２に対して選択的に所定波長の電磁波Ｗを照射することで、粉体材料２２を結着させると共に色材を発色させる。なお、電磁波照射部６０は、図４のように、色材塗布部３２と共にキャリッジ３４Ａに設けられ、その配置位置がキャリッジ３４Ａの進行方向に対して色材塗布部３２よりも後方とされてもよい。

（実施形態の効果）
（１）本実施形態の造形処理は、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２へ所定波長の光を照射し、粉体材料２２を結合させることにより造形物２４を積層形成する造形方法であって、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２に所定温度以上で発色する色材を塗布する塗布工程と、色材が塗布された粉体材料２２に所定波長の光を照射する照射工程と、を有し、照射工程は、造形物２４の造形データに基づいて粉体材料２２を照射することによって照射領域を所定温度以上に昇温させ、粉体材料２２を結着させると共に色材を発色させる。

本実施形態によれば、粉体材料２２に所定波長の光が照射すると粉体材料２２が結着によって固まると共に結着時の熱によって色材が発色して定着するので、粉体材料２２を用いて形成される造形物２４に対して発色の良い着色を行える。

（２）本実施形態の造形処理は、粉体材料２２としてポリエステル樹脂、ＰＬＡ樹脂、及びＰＰＳ樹脂の何れかを用いる場合、色材として昇華染料を用いてもよい。本構成によれば、造形物２４に各樹脂の特性を与えると共に発色の良い着色を行える。

（３）本実施形態の造形処理は、粉体材料２２としてナイロン樹脂を用いる場合、色材として酸性染料を用いてもよい。本実施形態によれば、造形物２４にナイロン樹脂の特性を与えると共に発色の良い着色を行える。

（４）本実施形態の造形処理は、塗布工程及び照射工程が造形データに基づいて行われてもよい。本実施形態によれば、同一の造形データを用いて２つの異なる工程を行うので、粉体材料２２を用いて形成される造形物２４に対して発色の良い着色を簡易に行える。

（５）本実施形態の造形処理は、照射工程が所定波長のレーザ光Ｌを粉体材料２２に対して照射してもよい。本実施形態によれば、発色の良い造形物２４の形状を簡易に高精度に形成することができる。

（６）本実施形態の造形装置は、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２へ所定波長の光を照射し、粉体材料２２を結合させることにより造形物２４を積層形成する造形装置であって、造形領域２０に敷き詰められた粉体材料２２に所定温度以上で発色する色材を塗布する色材塗布部３２と、色材が塗布された粉体材料２２に所定波長の光を照射するレーザ光照射部３６と、を備え、照射手段は、造形データに基づいて粉体材料２２を照射することによって照射領域を所定温度以上に昇温させ、粉体材料２２を結着させると共に色材を発色させる。本実施形態によれば、粉体材料２２を用いて形成される造形物２４に対して発色の良い着色を行える。

本発明は、造形領域に敷き詰められた粉体材料を結着させることで造形物を形成する造形方法及び造形装置に関する。

１印刷システム
１０３Ｄプリンタ
２２粉体材料
３２色材塗布部（塗布手段）
３６レーザ光照射部（照射手段）
Ｌレーザ光

Claims

造形領域に敷き詰められた粉体材料へ所定波長の光を照射し、前記粉体材料を結合させることにより造形物を積層形成する造形方法であって、
前記造形領域に敷き詰められた前記粉体材料に所定温度以上で発色する色材を塗布する塗布工程と、
前記色材が塗布された前記粉体材料に前記所定波長の光を照射する照射工程と、
を有し、
前記照射工程は、前記造形物の造形データに基づいて前記粉体材料を照射することによって照射領域を前記所定温度以上に昇温させ、前記粉体材料を結着させると共に前記色材を発色させる造形方法。
前記粉体材料としてポリエステル樹脂、ＰＬＡ樹脂、及びＰＰＳ樹脂の何れかを用いる場合、前記色材として昇華染料を用いる請求項１記載の造形方法。
前記粉体材料としてナイロン樹脂を用いる場合、前記色材として酸性染料を用いる請求項１記載の造形方法。
前記塗布工程及び前記照射工程は、前記造形データに基づいて行われる請求項１から請求項３記載の造形方法。
前記照射工程は、所定波長のレーザ光を前記粉体材料に対して照射する請求項１から請求項４の何れか１項記載の造形装置。
造形領域に敷き詰められた粉体材料へ所定波長の光を照射し、前記粉体材料を結合させることにより造形物を積層形成する造形装置であって、
前記造形領域に敷き詰められた前記粉体材料に所定温度以上で発色する色材を塗布する塗布手段と、
前記色材が塗布された前記粉体材料に前記所定波長の光を照射する照射手段と、
を備え、
前記照射手段は、前記造形物の造形データに基づいて前記粉体材料を照射することによって照射領域を前記所定温度以上に昇温させ、前記粉体材料を結着させると共に前記色材を発色させる造形装置。