JP6407858B2 - カラー３次元印刷 - Google Patents

Description

本発明は、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）のための積層オブジェクト製造（ＬＯＭ：Layered Object Manufacture）システムに関し、特に、ＬＯＭシステムでカラー３次元（３Ｄ）オブジェクトを形成するために３Ｄオブジェクト媒体層を印刷する印刷モジュールおよび方法に関する。また、本発明は、このようなＬＯＭシステムで使用するためのインクも提供する。

ラピッドプロトタイピングは、材料の除去すなわち削減に頼る従来の機械加工方法とは対照的に材料の追加によってオブジェクトが製作され得るという点で、コンピュータ制御される加法的な製作と定義される。「ラピッド」という語は相対的な用語であるが、３次元物品の作成は、使われる手法、サイズ、およびモデルの複雑さに依存して完成まで数時間から数日かかるものであり、当該技術分野において特定の意味を持つことが理解される。ラピッドプロトタイピングの分野において一般的に使用される多くの既知の方法がある。そして、積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）は、連続した層状の粘着コート紙、プラスチックまたは金属ラミネートが連続的に接着されて、ナイフまたはレーザーカッターで形に切断されるラピッドプロトタイピング（ＲＰ）の１つの形態である。

ＬＯＭは、従来、他のラピッドプロトタイピング技術と同様に、作られるオブジェクトまたはパーツの３次元（３Ｄ）コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）の使用を含み、そこからＣＡＤパッケージの範囲内でステレオリソグラフィー（ＳＴＬ）または他の適切なフォーマットファイルを生成する。ＳＴＬファイルは処理されて、実質的に、使われる基板材料の厚さに合う厚みでＺ軸方向にスライスされる。このことにより一連の部分断面図がつくられ、いかなる特定の高さであっても、それぞれの断面図は単純な二次元（２Ｄ）輪郭（profile）を有する。（２Ｄ）輪郭をトレースして、原材料の薄いシートを切断して形作るために、輪郭加工装置、または切断装置が使用され得る。ＬＯＭにおいて、個々の薄いシートは、完成した３Ｄオブジェクトを製造するために、他のシートの上に積層されて、接着され得る。輪郭加工、積層、接着プロセスの順番は入れ替え可能である。

カラー３Ｄ印刷は、３Ｄ印刷物の製作において使われる層の各々にデジタル的にカラーを塗布することを必要とする。カラーは、以下のように、最終的な３Ｄ印刷物の各々の表面で必要な色強度であることが要求される。
前部表面−印刷媒体の最上面
後部表面−印刷媒体の裏面
輪郭エッジ−３Ｄ物品の層のデジタル式輪郭に応じて切断された媒体の端

インクは、各々のオブジェクト層がその容積のすみずみまでカラーを必要とするときに、例えば紙である媒体層にその厚み全体を通じて吸収されること（裏抜け、またはプリントスルーと呼ばれる）が望ましい。しかし、従来のカラー３Ｄ印刷において、インクは、媒体の開いた孔を通じて浸透する傾向があり、イメージがインクと媒体との最初の接触域を超えて広がる原因となる。このことは、特にカラー３Ｄ印刷が単独で媒体の片面から実行されるときに問題となる。

例えば、図１ａに示されるように、従来の３Ｄカラープリンタで用いる粉体層１２０のような媒体の上のインクジェット印刷用カラー８０ａは、片面からの印刷だけに頼る。図１ｂに示されるように、インク８０ａは、インクの吸収過程の間に層１２０の厚さ方向に広がって、最初の接触域より広い範囲に広がり続ける。そのうえ、図１ｂに図示されるように、対象とする層１２０の真下にある先に印刷された層１３０に広がり続けるインクを防ぐ物理的なバリアはなく、印刷された層を混色させ得る。混色領域は、参照番号８０ｃによって示される。

インクの広がりと層の相互の混色は、イメージの明瞭度の劣化、つまり、イメージのぼやけと広がったカラーを生じさせる。図１ｃは、拡散した表面およびカラーが混ざった領域８０ｃを含む完成したオブジェクトを例示する。３Ｄ環境においてカラーを提供するのに、このような解決方法は最適ではないと認められる。これに加え、図１ｄを参照すると、媒体層の片面からだけ印刷することによって媒体層の領域が特に下層側の表面で印刷されないままとなることを確実に回避するために、隣接したドットが互いに十分近接して印刷されることが必要である。インクのドットを近接させると、その後に生じるＸおよびＹ面内でのドットのにじみによって、それらのドットが一点に向かって集中し、一般的に茶色または黒色として現れる混ざったカラーを生じる。混ざったカラーを避けるために、印刷密度はインクの混在を回避する程度に低下させなければならず、図１ｅに図示されるように、このことによって最適なインク滴の密度よりも低い密度の表面が生じる結果となる。

従来のインクジェット印刷の別の形態において、媒体はサイズ剤またはフィルターで処理されて、インクが流れる経路を見つけるのに利用される孔の数を減らすことで、媒体の印刷の前部表面から後部表面まで物理的なインクの移動しやすさを減らす。表面のサイズ剤（媒体表面に塗布される）は加工デンプン、ヒドロコロイド（例えばゼラチン）またはアルキルケテンダイマー（alkyl ketene dimers）である場合がある。そして、サイズ剤はセルロース繊維に面する親水性端と、インク側に面する疎水性端を有し、ある程度の水撥水性とインクの流れと浸透に抵抗を生じる両親媒性分子である。インクジェット印刷において使われるインクの例では、主な溶媒として水を使う。

カラー３Ｄ印刷において、紙が三次元でカラーであるように、完全にインクが媒体に浸透することが望ましい。従来のＬＯＭシステムでの使用に適している媒体タイプ（例えば紙）では限界がある。紙は、繊維がランダムに絡み合う層から成っているため、孔を有する程度が様々な構造をとり得る。紙は非常に多孔性の材料であり、７０％もの空気を含む。シートの孔は、紙の吸湿能力または紙のインクまたは水を吸い取る特定の能力の指標である。ＬＯＭのための特定のタイプの紙を選択するとき、媒体の孔を考慮することは重要である。

一般に、紙の上へのデスクトップインクジェット印刷において使われるインクは、水性であり、結合剤を有し、カラーを与える染料または顔料である。

複数の媒体オブジェクト層が形成されたあと、輪郭加工と層接着プロセスが実行される。複数の層は合わせて接着され、輪郭加工、または３Ｄ印刷オブジェクトをあらわにするために印刷された媒体のスタック（stack）から不必要な支持材を取り除くことを含む除去プロセスが実行される。従来の除去プロセスにおいて、作業を実行する作業者は、除去プロセスの間に不必要な層を取り除きながら、コンピュータスクリーン上で３次元モデルオブジェクトを観察しなければならない。

したがって、ラピッドプロトタイピングのためのＬＯＭシステムで使用するカラー３Ｄ印刷プロセスで、取り組むべきいくつかの問題がある。

本開示によって提供されるカラー３Ｄ印刷プロセスを実行するように構成される積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）システムによって、これらおよび他の問題は対処される。

したがって、本開示は、請求項１で詳述されるようなＬＯＭシステムを提供する。また、請求項１１に従う印刷モジュールも提供される。また、請求項３７および４２によると、カラー３Ｄ印刷用のインクおよび媒体もそれぞれ提供される。そして、請求項４３によると、さらに別のＬＯＭシステムが提供される。従属する請求項において、有利な特徴が提供される。

本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の図面を参照して、一層よく理解される。

本発明は、添付された以下の図面を参照して記述される。

従来のプロセスにより石膏層上にインクジェット印刷されるカラーを例示する断面図である。 従来のプロセスにおける、先の層に影響する、現在印刷された層からのインクを例示する図である。 従来のプロセスを使用して得られる、拡散表面およびカラーが混ざった領域を示す完成したオブジェクトを例示する図である。 媒体層の片面だけに印刷する従来のプロセスを例示する図である。 媒体層の片面だけにカラーのドットを印刷する従来のプロセスを例示する図である。 本発明の実施例の積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）システムのブロック図である。 本発明の別の実施例の積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）システムのブロック図である。 本発明の実施例の積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）システムのブロック図である。 本発明の実施例における、３Ｄオブジェクト媒体層の前側イメージを印刷している印刷モジュールを例示する図である。 前部のイメージの鏡像である後側イメージを印刷するプロセスを例示する図である。 プリントヘッドキャリッジの組を用いる水平および垂直の同時両面印刷を例示する図である。 ページ幅のアレイプリントヘッドを用いる水平および垂直の同時両面印刷を例示する図である。 前部のイメージと後部のイメージとを整合させるのに用いられる整合装置の写真イメージである。 前部−後部のイメージ整合装置を例示する図である。 媒体層の両面に文字「Ｍ」の形が印刷された際における、整合されていない整合装置を例示する図である。 媒体層の両面に文字「Ｍ」の形が印刷された際における、完全に整合された整合装置を例示する図である。 本発明の実施例における、媒体層の前側から媒体層上に置かれたインクを例示する図である。 本発明の実施例における、媒体層のおよそ半分を透過するように十分なインクを置く方法を例示する図である。 本発明の実施例における、媒体層の後側から前側イメージに一致する場所で媒体層上に置かれたインクを例示する図である。 前側イメージと後側イメージとが結合されるようにインクが吸収される方法を例示する図である。 本発明の実施例における、接着プロセス後の２つのプレ印刷層を例示する図である。 不必要な媒体を取り除いて示される、接着および除去の後の、結合された層のエッジおよびカラー輪郭を例示する図である。 除去の後で形成される３Ｄオブジェクトを例示する平面図および横断面図である。 印刷後かつ除去の前の３Ｄオブジェクトを例示する平面図および横断面図である。 色を付したハッチングで示された部分的に取り除かれるオブジェクトを例示する図である。 除去プロセスの間のカラー３Ｄオブジェクトの写真イメージである。 除去の後のカラー３Ｄオブジェクトの写真イメージである。

本発明の利点の理解を助けるために、本開示により提供される積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）システムの例示的な構成が以下に記述される。このような構成は提供され得るシステムの種類の例示であり、本開示に限定することを意図するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、本開示に特定の変更を加えて修正できることが理解されるであろう。

本発明の一形態では、カラーの３次元（３Ｄ）オブジェクトを形成する複数の個々の媒体層を集めるように構成される積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）システムが提供される。本開示の文脈においては、個々の媒体層は個別の物理的な要素または実在物と考えることができる。そして、層は個々に選択されて配置されるか、さもなければシステムの範囲内で運ばれることができる。

システムは、複数の媒体層の各々の第１表面の少なくとも一部、および前記第１表面の反対側にある第２表面の対応する一部にカラー印刷し、前記第２表面に印刷する際にプリントスルー領域を設けることが可能なように構成されるプリンタと、３Ｄオブジェクトを形成するために、複数の媒体層の各々を集めるように構成されたコレーター（collator）を備えることができる。個々の媒体層の各々は、個別に、または独立して印刷されることができる。

さらに、３Ｄオブジェクトを形成するために、３Ｄオブジェクト媒体層を印刷するための印刷モジュールが提供される。本開示においても、完成した３Ｄオブジェクトを形成するために、印刷モジュールと、個々の３Ｄオブジェクト媒体層を切断し、個々の層を合わせて接着するための輪郭加工および層接着モジュールと、を備えるＬＯＭシステムが提供される。また、カラー３Ｄ印刷用のインクも提供される。また、本開示は、追加情報を各々の層に印刷するためのカラー３Ｄオフセット印刷プロセスを提供する。この情報は、エラー訂正と、カラー印刷された層のスタックを輪郭で切断する輪郭加工および層接着モジュールへの製作指示と、を提供する。

印刷モジュールは、従来例のＬＯＭ構成の一部を形成し得るコレーターから物理的に分離された処理モジュールであり得る。そのような例は、本出願人による出願であるＰＣＴ／ＥＰ２００８／６６４７３に記載されている。一実施態様において、印刷モジュールは、裏面に印刷する場合に自動的に媒体を反転させるのに、両面印刷モジュールを有するインクジェットプリンタを備えることができる。プリンタは、コレーション（collation）の前にカラーを塗布するように構成されることができる。また、カラーはコレーションのプロセスの間に塗布され得る。カラーは、異なるインクを用いて塗布される。コレーターは、複数の媒体層の各々を接着させるように構成された接着モジュールを備えることができる。接着モジュールは水性接着剤を使うように構成され得る。プリンタは、媒体層の第１表面および第２表面に印刷するように構成され得る。第１表面および第２表面の印刷は、オブジェクトの表面の角度によらずに、画像のにじみを減らし、色の正確さを維持することを実施可能にする。プリンタは、複数の媒体層のうちの１つ以上の各々について、１つ以上の表面に複数のカラーを塗布するように構成され得る。コレーターは、３Ｄオブジェクトの範囲内で望ましい３Ｄ形状を生じるために、複数の媒体層の各々の輪郭が描画されるように構成される輪郭加工モジュールを備えることができる。輪郭加工モジュールと接着モジュールとは、１つの輪郭加工および層接着モジュールに集積され得る。

好適なプリンタは、大容量の入出力トレイを備え、標準で両面印刷ユニットが同梱されているオフィスプリンタを含むことができる。また、輪郭加工プロセス、および接着プロセスに先行して直ちにカラー印刷されるように、印刷モジュール１００は輪郭加工および層接着モジュールに集積されてもよい。

本開示によれば、印刷モジュール内で利用される印刷用インクは、大部分のセルロースタイプの媒体に浸透するように最適化され得る。そのようなインクの例については後述する。ここではカラー印刷プロセスについて詳述する。

本開示によれば、望ましい最終的な幾何学的形状を形成するために集められて、輪郭加工される個々の媒体層のスタックから、完成した３Ｄオブジェクトは形成される。好ましい構成では、個々の媒体層は、印刷可能か、さもなければ組み立ての前に処理され得る構成のセルロース系の紙のシートである。したがって、複数の３Ｄオブジェクト媒体層は、例えばセルロース系の紙のように、完成したカラー３Ｄ印刷物を形成する準備段階で印刷され得る。カラー３Ｄ印刷物用の全ての層のスタックは、一連の作業とは別に（off-line）印刷モジュールで両面印刷によってプレ印刷され得る。そして、その後に、カラー３Ｄ印刷物の製作を完了するために、印刷されたスタックは、各々の印刷された層が輪郭加工されて接着される輪郭加工および層接着モジュールにロードされ得る。

図２ａは、本発明の１つの実施例によるＬＯＭシステム５００のブロック図である。図２ａを参照すると、ＬＯＭシステム５００は、３Ｄカラー印刷モジュール５１０、給紙機構５２０、および輪郭加工および層接着モジュール５３０を備えることができる。紙は、完成されたカラー３Ｄオブジェクトを製造するために、給紙機構５２０によって輪郭加工および層接着モジュール５３０に供給される前に、３Ｄカラー印刷モジュール５１０で両面印刷され得る。図２ｂにおいて、紙は、完成されたカラー３Ｄオブジェクトを製造するために、給紙機構５２０を経由して３Ｄカラー印刷モジュール５１０に供給され得る。そして、紙は、輪郭加工および層接着モジュール５３０で輪郭を描かれて、接着され得る。輪郭加工および層接着モジュール５３０は、別々の輪郭加工モジュールと層接着モジュールとをそれぞれ備えてもよい。図２ｃにおいて、紙は、給紙機構５２０を経由して、印刷、輪郭加工および接着プロセスを実行する、統合された「３Ｄカラー印刷、輪郭加工および層接着モジュール５３０」に供給され得る。そして、完成されたカラー３Ｄオブジェクトが製造される。図２ｃの実施例において、印刷は媒体の片面のみで実行される。

本発明の実施例によれば、図３は、３Ｄオブジェクト媒体層を印刷するための印刷モジュール１００を示す。印刷モジュール１００は、媒体層の両面にカラーを塗るように構成することができる。したがって、カラーが片面だけから塗布される技術とは対照的に、カラーは両側から伝えられる。媒体の両側からのカラーリングを提供するために、３Ｄオブジェクトのためのイメージ、輪郭およびカラー情報を含むデジタル印刷ファイルが生成され得る。そして、デジタル印刷ファイルは、印刷モジュール１００に送信またはロードされる。デジタル印刷ファイルは、最終的なスタックの層ごとに、一連の前側−後側イメージの組を含み得る。印刷ファイルのカラーに関する部分は、印刷されるすべての媒体層について前側および後側のデジタルカラーイメージ情報を含み得る。前部表面−後部表面−前部表面イメージシーケンスの各々は、デジタルファイルの中で互いに整合をとることができる。データセットは、前部表面−後部表面の整合の物理的な特徴を含むことができる。そして、その特徴は媒体上に印刷されることができ、前部−後部の整合が印刷進行中に維持されることを確実とするために実行され、人間と機械の両方が読み取り可能な整合確認テストを可能にする。

印刷モジュール１００は、一般的に特定の大きさの筐体を含み、印刷タスクのために十分な白紙の媒体のストックを載せることができる。上で詳述したように、媒体は紙から成ってもよい。給紙の間に媒体の位置が再現可能であることを確実とするために、媒体の後方端（または後部端）および右側端はペーパートレイの中で正確に整列され得る。図３は、本発明の実施例において、印刷モジュール１００を使用する前部表面イメージの印刷を例示する。図３を参照すると、印刷モジュール１００は、紙を印刷するように構成され、プリントヘッドキャリッジ１０、４つのカラーヘッド２０、給紙ローラーと給紙機構（図示せず）、および媒体を反転させる両面印刷ユニット３０を備えてもよい。このような構成および変形は、プリンタの技術分野における当業者によく知られている。

媒体スタックは、同時に、または順番に、層毎に、またはページ毎に印刷されて、各々の層の第１表面および第２表面はカラー印刷される。各々の層の第１表面および第２表面は、互いの反対側であってもよい。層の第１表面は、その層の正面側の平面であってもよい。そして、層の第２表面は背後側の平面であってもよい。媒体は、給紙ローラーによって印刷モジュールに入れられて、給紙機構によって印刷モジュール１００の後方に曲げられるか、または前方に送られることができる。それから、媒体は、前部表面イメージを印刷する一つ以上のインクカラーを置くページ幅の印刷バーを取り付けられた往復プリントヘッドキャリッジに提供されることができる。ひとたび前部表面イメージが印刷されると、給紙ローラーは反転して、媒体を反転させる両面印刷ユニット３０に媒体層を引き戻し、印刷される後部表面をカラーヘッド２０に提供できる。後部表面に印刷されるイメージは、前部表面のイメージの鏡像であり得る。図４は、前部表面をすでに印刷しておいたオブジェクト媒体層の後部表面イメージを印刷するプロセスを例示する図である。

先の例では、印刷する間、媒体層の幅方向にスキャンする一つのプリントヘッドキャリッジを用いて印刷し、媒体層の下側を印刷可能にするために媒体層を反転する両面印刷ユニットが続いて動作する、両面印刷（二つの面の印刷）について説明した。しかし、他の構成を使用することもできる。例えば、ページ幅のアレイプリントヘッドを、スキャンプリントヘッドキャリッジの代わりに使うことができる。この構成では、唯一の可動機構が媒体供給ローラーであることがわかる。別の実施例は、両面印刷ユニットを不要として、それぞれ同時に媒体層の両面を印刷する２つのスキャンキャリッジまたは２つのページ幅のアレイプリントヘッドを使用する。この方法の利点は、媒体供給機構が平面的な媒体供給経路にかなり単純化されるので、前部のイメージと後部のイメージの間の機械的な位置合わせの誤りによるエラーが取り除かれて、同じ変位エンコーダーシステムを共有することによって、２つの印字ヘッドの動きを連動させることができるということである。

図５に示されるように、印刷モジュールで媒体物層が水平面または垂直面に配置される間、印刷が実行され得る。この実施の形態では、それぞれ上側、下側のプリントヘッドキャリッジが、媒体層の第１表面、第２表面で利用される。図６は、水平または垂直の同時両面印刷のためのページ幅のアレイプリントヘッド１１０を例示する。また、印字ヘッドは、輪郭加工および層接着モジュールに集積されてもよく、給紙と、輪郭加工および層接着プロセスと、の間の一つの段階プロセスとして動作する。

テスト両面印刷が実行されて、後部のイメージの輪郭が照らされて前部表面イメージの上に重なるように、媒体の後部を照らすことによって前部と後部のイメージの整合がチェックされ得る。オペレーターが両方のイメージを確実に正しく整合するために、前部と後部のイメージの調整がどの程度実行される必要があるかを判断できる十字線のような整合装置は、オブジェクト媒体層の両面で用いられることができる。

層毎に両面印刷された媒体層のオフセットを互いに正確に整合できるようにするために、その後の媒体層のスタックの輪郭加工および接着の間に、輪郭加工および層接着モジュール５３０のセンサーは、印刷された媒体層の前部表面または後部表面の印刷された基準を読み込むことができ、基準の位置情報を使ってモジュールを移動可能にし、現在の媒体層を先に印刷された媒体層と一致させるように設置できる。図７は、前部および後部のイメージを整合させるのに用いられ得る整合装置５０の例の写真イメージである。両側のイメージが完全に一致して不整合がないとき、整合装置は十字線を形成するように調整されて設計される。図８において、右上の四分の一区画は媒体層の前部に印刷され、左下の四分の一区画は媒体層の後部に印刷される。図８を参照すると、前部のイメージは右に寄りすぎて置かれており、後部のイメージよりも上に位置している。装置５０の各々の垂直線も水平線も正しく整合されていない。図９ａに図示されるように、文字「Ｍ」は媒体層の両面に印刷されて、きちんと整合されていない。整合装置が完全に整合されるとき、図９ｂに図示されるように、前部のイメージと後部の鏡像は完全に重なる。

上述の方法は、３Ｄオブジェクト媒体層の両面にプレ印刷されたカラーを含む（オフセット印刷）。このような複数の層が形成された後に、層は合わせて接着され、カラー３Ｄ印刷オブジェクトの形成を完了するために輪郭を描かれることができる。輪郭加工プロセスは、予め定められたパターンにしたがって、層を切断することを含むことができる。

本発明の特定の実施例によると、それぞれ媒体層の両側から厚みのほぼ中間まで透過する十分なインクで、媒体層の両面印刷が実行される。図１０は、媒体層１２０の前部表面９０の上に置かれたインク８０を例示する。図１１に示されるように、十分なインク８０は、媒体層１２０を通じてほぼ中間まで透過するように置かれることができる。印刷の間、インクは媒体と接触するとすぐに、３次元的に、つまり、媒体の平面（ＸおよびＹ方向）に、および媒体の厚み方向を通じて、媒体へ吸収され始める。結果として、印刷されたドットピクセルのサイズは、最初の表面への接触寸法から時間とともに増大する。片面から媒体層の全ての厚さを通して印刷したい場合、媒体の両側に印刷することによって、このドットサイズの広がりが、イメージにおいてほぼ半分の広がりに減らされると評価される。先に述べたように、両面印刷を使用する場合には同時に、または両面印刷ユニットを使用する場合には媒体層１２０が反転された後で、インク８０は、同様に媒体層１２０の後部表面９５に置かれることができる。このステップは、図１２に例示される。本発明によると、前部および後部のイメージは完全に一致して、プリントスルー領域８５をつくるように構成されることができる。図１３に示されるように、プリントスルー領域は、媒体層１２０の領域の全ての厚みがインクを含むことを意味する。

図２ｂを参照すると、そのような媒体層のスタックが印刷モジュール１００で印刷されたあと、スタックは輪郭加工および層接着モジュール５３０に送られることができる。図２ｃに示されるように、すでに集められた個々の媒体層のスタックに印刷することもできる。図示しないが、個々に媒体層を両面オフセット印刷して、すぐにそれらを輪郭加工および層接着モジュール５３０に供給することもできる。

最初の層は、輪郭加工および層接着モジュール５３０に置かれるかもしれず、その層はコンピュータ制御の刃で輪郭切断され得る。この切断は、単独でインクジェット印刷を使って得られるぎざぎざの、液体が染み込むエッジと比較して、正確なカラーのエッジを定めて提供できる。それから、次の層が先の層の上に置かれて接着され得る。そして、輪郭が切断される。輪郭加工および層接着モジュール５３０によって、すべてのプレ印刷された層が接着されて、輪郭が切断されるまで、プロセスは続けられる。図１４は、２つのプレ印刷された層１２０、１３０の接着後を例示する。そして、図１５は、接着、および輪郭加工または除去の後の２つの層１２０、１３０のエッジとカラー輪郭を例示する。輪郭加工または除去プロセスは、媒体層の不必要な部分の除去を含む。

上述のカラー３Ｄ印刷プロセスはいくつかの利点を提供する。媒体層が同時に両側から印刷されるとき、イメージの広がりがより少なくなり、そのため、より良いイメージ特性の次元制御を提供する。印刷された層間のカラー相互作用が起こらない。そして、そのことによって望ましいイメージの忠実性を保つ。オフセット印刷は、層の輪郭加工および接着が実行される場所から離れた実在物（例えば上述の印刷モジュール）によって印刷を可能にする。このことは、完全に輪郭加工および層接着モジュール５３０が輪郭加工と接着に利用されることを可能にするだけでなく、後述するように、例えば３Ｄの層を集める前のカラーのプロトタイピングおよび調節といったいくつかの利点を提供する。

また、本開示は３Ｄカラー印刷のために最適化される媒体（紙）と、媒体用のインクを提供する。本発明の実施例によると、３Ｄカラー印刷の媒体は、媒体のボディのサイズ剤の集中、および媒体の２つの表面上でのサイズ剤の集中を減少させて設計される。これに加えて、製造中または製造後に、後処理の表面スプレーとして、水に０．１％から１．０％の濃度で調合される、例えば２，４，７，９−テトラメチル−５−デシン−４，７−ジオール、エトキシ化アセチレンジオールの非イオン界面活性剤の溶液で、媒体は処理され得る。

媒体が、この方法でつくられて、水性の（または水とエタノールの混合物ベースの）染料着色剤のインクジェットインクで印刷されたとき、インクの流体は媒体に素早く吸着されて、素早く媒体の厚みに浸透することができる。

カラー３Ｄ印刷において使われるインクに関して、本発明は、受け入れ可能に設計されて、媒体の厚みを通じて素早く吸着されるインクを提供する。さらにインクの表面張力を減らすことができる界面活性剤の追加によって、このことは達成されて、インクが大部分のセルロース媒体タイプに浸透することを確実にする。このことは、媒体の表面だけにカラーが浸透するように保持して、媒体のボディにはインクがないままにしておくことが実質上望ましいという、従来のデスクトップインクジェット印刷での直観に反する。インク構成は、例えば、インクの０．１％から１．０％の濃度で調合される、例えば２，４，７，９−テトラメチル−５−デシン−４，７−ジオール、エトキシ化アセチレンジオールの非イオン界面活性剤を含むかもしれない。インク構成のバランスは、水（７５％−８５％）、水溶性染料（最高で５％まで）、例えばグリセリドのような保湿剤（最高で５％まで）、抗菌物質、およびアルコール類（最高で８％まで）を含むことができる。従来の２Ｄインクジェットインクでは、３４−３８ダイン／ｃｍの表面張力がある。しかし、本開示に従えば、３Ｄ印刷ではインクの表面張力を３０ダイン／ｃｍ以下に下げることが望ましい。本発明者によって、エトキシル化アセチレンジオールの１％の追加は、インクの表面張力をおよそ２６ダイン／ｃｍの値に下げて、インクが紙に素早く吸収されることが示された。

エラー訂正と製作指示とを提供するために、３Ｄオフセットカラー印刷プロセスの間に、追加情報が各々の層の余白に印刷され得る。印刷された各々の層は、輪郭加工モジュールで読まれるシーケンスコードを含み、輪郭を描かれる層が正しい順序であることを確かめることができる。印刷された各々の層は、媒体タイプが何であるかを輪郭加工モジュールに知らせるコードをシーケンスコードに含むことができる。３Ｄ製作プロセスで使われる基板を指す媒体はセルロース紙であり得る。しかし、他のタイプの媒体も使用でき、ポリマーフィルム、金属箔、セラミック粉末を含浸させた紙シート、金属粉を含浸させたシート、ポリマー粉末を含浸させたシート、水溶紙、およびワックスでできた基板を含むことができる。コードは、特定の層が異なる輪郭加工レシピ（例えば、よりゆっくりとした切断、厚さがあるためのより深い切断、または、切断するのが難しい媒体タイプ）を必要とすることを、輪郭加工するもの（profiler）に知らせるかもしれない。コードは、例えば次の３つの層は同一の輪郭を有することを、輪郭加工するものに知らせて、複数の層の切断が実行されるかもしれない。また、媒体は、プロフィーラーテーブルと比較して各々の媒体層を整合させる方法を輪郭加工するものに知らせる媒体アラインメントマークも含むことができる。

本発明によると、印刷による３Ｄオブジェクト製作で、材料の２つのゾーンがあり得る。ａ） 接着ゾーン−このゾーンの媒体層は、合わせて強く接着され得る。完成したオブジェクトは、これらの層からつくられる。
ｂ） 仮留めゾーン−このゾーンの媒体層は、一時的な、サポート層であり得る。これらの層は、３Ｄ印刷オブジェクトをあらわにするために印刷された媒体のスタックから不必要な支持材を取り除く場合に、除去プロセスの間に簡単に分離できるように、合わせて弱く接着（仮留め）され得る。

仮留めゾーンの材料は、接着ゾーンに接近しているいくつかの層において、コード化されたカラーを付され得る。そのようなカラーコーディングは赤で陰影をつけられた領域であってもよく、このことは、カラーの陰影をつけられた領域の下に持続的に接着された層が存在するので、注意して除去を進めるように除去作業者を指導する。図１６は、除去後に形成された３Ｄオブジェクトの平面図と断面図を示す。３Ｄオブジェクトは、複数のカラー３Ｄ媒体層１２０を含むことができる。図１７は、印刷後であって除去前の３Ｄオブジェクトの平面図と断面図を示す。３Ｄオブジェクトは、複数の媒体オブジェクト層を含み、各々が接着ゾーン１２７と仮留めゾーン１２８を含む。仮留めゾーンのいくつかの層は、陰影をつけられたパターンで印刷されることができる。３Ｄ印刷プロセスの間に、仮留めゾーンは３Ｄ印刷オブジェクトと共に印刷されて、３Ｄオブジェクトの接着層より上のいくつかの仮留め層が実質的なオブジェクトがすぐ近くにあることを示す陰影をつけられたパターンで印刷されるようにできる。印刷後、３Ｄオブジェクトと仮留めに使われる不要な材料（陰影をつけられた層を含む材料）は、仮留めおよび接着された媒体層がまとまった１つのブロックで共存し得る。

除去の間、印を付されていない仮留め層ははがされ得る。カラーの陰影をつけられた領域に達したとき、除去作業者は実質的なオブジェクトに達するまで注意して作業を進めることができる。図１８は、仮留め材料が除去されるにつれて明らかにされる３Ｄ印刷されたピラミッド構造を表す。図１８において、より暗い陰の付されたゾーンによって、陰影をつけられた領域が示されている。これらの領域は慎重に除去され得る。カラーコードおよび／または他のマークは、製作オブジェクトへの近接を示すのに用いられ得る。図１９は除去プロセスの間のカラー３Ｄオブジェクトの写真イメージの例である。また、図２０は除去が実行された後の完成したカラー３Ｄオブジェクトの写真イメージである。カラーリングプロセスを通じて、端部切断領域から意図された３Ｄオブジェクトを区切ることによって、最終的な３Ｄオブジェクトが仮留め材料の除去の間に、確実にダメージを受けないようにできることは明らかである。

上述のカラー印刷プロセスが、輪郭加工および層接着モジュールとは別のモジュールで実行可能であることは、当業者によって理解される。しかし、代わりに、印刷モジュールは輪郭加工および層接着モジュールに集積することができ、カラー印刷プロセスが最初に実行されて、続いて接着および輪郭加工が実行される。この実施例において、印刷プロセスは「オフセット」ではなく、むしろ組み立てプロセスに統合される。本発明は、印刷モジュールと、それとは別の、完成した３Ｄオブジェクトを形成するために個々の３Ｄオブジェクト媒体層を切断して個々の層を合わせて接着する輪郭加工および層接着モジュールと、を備えるＬＯＭシステムをさらに提供する。このとき、カラー印刷は、接着と輪郭加工に関して「オフセット」である。また、本開示に従うインクが印刷モジュールで使用され得ることが理解されよう。

本明細書において、「含む」や「備える」との単語は、所定の特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するが、一つ以上の他の特徴、整数、ステップ、構成要素またはそのグループの存在または追加を排除するものではない。

本発明がいくつかの例示的な構成を参照して記述されたが、本発明はそのような構成に限定されることを意図して開示されたのではなく、本発明の要旨から逸脱しない範囲で修正がなされることが理解されるであろう。このように、本発明は、添付の請求項に照らして必要とみなされる範囲において制限されるだけあることが理解されるであろう。

Claims (4)

1. カラーの３次元オブジェクトを形成する複数の媒体層の個々を集めるように構成される積層オブジェクト製造システムであって、
   ａ．複数の媒体層の各々の第１表面の少なくとも一部、および第２表面の対応する一部にカラー印刷するように構成されるインクジェットプリンタと、
   ｂ．前記３次元オブジェクトを形成するために、前記複数の媒体層の個々を集めるように構成されたコレーターと、を備え、
   前記第２表面は前記第１表面の反対側にあり、
   前記プリンタは、前記第１表面に塗布されるインクと前記第２表面に塗布されるインクとの間でカラー相互作用を生じることなく、前記第１表面および前記第２表面のそれぞれから前記媒体層の厚みのほぼ中間まで透過する十分なインクであるように、前記第１表面および前記第２表面のそれぞれに塗布されるインクの量を制御する、システム。
2. 前記プリンタおよび前記コレーターは、先に印刷された層と一緒にその層がコレーションされる前に、前記プリンタが個々の媒体層の印刷をするように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コレーターは、前記複数の媒体層の個々の層を接着させるように構成された接着モジュールを備える、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記コレーターは、３次元オブジェクトの範囲内で望ましい３次元形状を生じるために、複数の媒体層の各々の輪郭が描画されるように構成される輪郭加工モジュールを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。