KR20100003251A - 입체 조형 방법, 입체 조형 장치, 시트재 가공 방법 및 시트재 가공 장치 - Google Patents

Abstract

수용지로 이루어지는 시트재를 적층 재료로서 이용하여, 시트 적층법에 의해 입체 모델을 작성한다. 각 층의 시트재에 액적 토출 헤드의 노즐을 이용하여 물을 토출함으로써, 입체 모델의 윤곽선을 따라 각 층의 시트재를 절단 가능하게 한다. 또한, 각 층의 적층시에 액적 토출 헤드에 의해 착색용 용액을 토출하여 시트재를 착색한다. 적층체의 완성 후에, 시트재의 불필요 부분을 박리하여 입체 모델을 완성시킨다. 혹은, 각 층의 시트재에 액적 토출 헤드의 노즐을 이용하여 경화형 수용액을 토출함으로써, 각 층의 시트재에 있어서의 입체 모델의 단면 영역을 불용화함과 함께, 착색 부위에는 경화형 착색용 용액을 토출하여 착색하여 경화한다. 적층체의 완성 후에, 적층체를 물에 담궈 불용화되어 있지 않은 시트재를 제거하여, 입체 모델을 완성시킨다.

Description

입체 조형 방법, 입체 조형 장치, 시트재 가공 방법 및 시트재 가공 장치{THREE-DIMENSIONAL SHAPING METHOD, THREE-DIMENSIONAL SHAPING DEVICE, SHEET MATERIAL PROCESSING METHOD, AND SHEET MATERIAL PROCESSING DEVICE}

본 발명은, 시트재를 적층하여 3차원 형상의 입체 모델을 작성하는 입체 조형 방법 및 입체 조형 장치, 및, 입체 모델 등의 각종 형상으로 시트재를 가공하기 위한 시트재의 가공 방법 및 시트재 가공 장치에 관한 것이다.

3차원 형상의 입체 모델을 작성하는 입체 조형 방법으로서, UV(자외선) 경화 수지를 입체 모델의 단면 형상마다 레이저로 경화시켜 적층 모델의 각 층을 형성하는 광 조형법, 분말 재료를 레이저로 용착하여 고화시켜 적층 모델의 각 층을 형성하는 분말 소결법, 열가소성 재료를 가열하여 노즐로부터 밀어내어 퇴적시킴으로써 적층 모델의 각 층을 형성하는 용융물 퇴적법, 종이 등의 시트재를 모델의 단면 형상으로 절단하여 적층함으로써 적층 모델을 형성하는 시트 적층법 등이 제안되어 있다.

상기 방법 중, 광 조형법, 분말 소결법, 용융물 퇴적법은, 레이저 조사 장치나 수지조, 성형품의 표면을 세정하는 설비, 혹은 용융 수지 공급 설비 등을 구비한 대형이고 고가의 장치가 필요했다. 또한, 특수한 재료를 이용하기 위해 시설 내의 환기가 필요했다. 또한, 장치 하중이나 동작시의 진동 등에 대응하기 위해 상(床)의 보강이 필요해지는 경우도 있었다. 따라서, 일반적인 회사에 상기 방법에 이용하는 장치나 설비를 설치하는 것은 곤란했다. 또한, 이들 방법은, 수지 재료 등을 경화시키기 위해 긴 시간을 필요로 하므로, 조형에 긴 시간이 걸려버리고 있었다. 이에 대하여, 시트 적층법은 일반적인 재료인 종이 등을 재료로서 이용하므로, 상기 각 방법보다 간이하고 소형의 장치로 입체 모델을 작성할 수 있다.

시트 적층법에 의해 입체 조형을 행하는 장치의 예로서는, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 것이 있다. 특허 문헌 1의 시트 적층 조형 장치는, 롤로부터 끌어 낸 접착제 도포가 완료된 연속 시트재를 테이블 위의 소정 위치에 반송하여 재단하고, 재단 후의 시트재를 가압 가열판에 의해 테이블측으로 가압하여 가열하여 아래층과 접착한다. 그 후, XY 플로터에 의해 커터를 소망하는 윤곽 형상을 따라 움직여, 접착이 완료된 시트를 입체 모델의 단면 형상으로 오려 냄과 아울러, 단면 형상의 윤곽보다 바깥쪽에 있는 시트재의 불필요 부분을 격자 형상으로 절단한다. 특허 문헌 1의 시트 적층 조형 장치는, 이러한 동작을 시트 적층수만큼 반복하고, 최후에 블록 형상으로 절단된 시트재의 불필요 부분을 제거함으로써, 시트 적층체를 소망하는 입체 형상으로 성형한다.

(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 제 2001-301060 호 공보

그러나, 특허 문헌 1에 기재된 시트 적층법에 의한 입체 조형 장치는, 시트 적층체의 각 층을 입체 모델의 단면 형상의 윤곽을 따라 오려 내기 위해 커터칼을 이용하고 있어, 장치의 취급에 주의를 요한다. 또한, 커터칼의 방향을 바꾸면서 주사할 필요가 있어, 정밀한 커팅을 행하기 위해서는 시간이 걸린다. 또한, 각 층의 시트재를 접착하기 위해, 접착제 도포가 완료된 시트재를 준비해 놓을 필요가 있다. 또한, 시트재의 불필요 부분까지 접착하고 있으므로, 쓸데없는 접착제의 소비량이 많아지고 있다.

또한, 특허 문헌 1의 입체 조형 장치에서는, 컬러의 입체 조형을 행하기 위해서는 미리 시트재에 착색해 놓든지, 조형 후에 착색 공정을 행할 필요가 있다. 따라서, 그것을 위한 기재 등이 별도로 필요하게 되어, 별도 기재에서 행하는 공정이 늘어나므로 컬러 입체 모델의 완성까지 시간이 걸린다. 또한, 조형 후에 착색을 행하는 방법에서는, 컬러 입체 모델의 내부로의 착색이 곤란하다.

본 발명의 주요 목적은, 안전하고 간소한 구성의 장치에 의해, 단시간에 정밀한 형상의 입체 모델을 작성하는 것이 가능한 입체 조형 방법 및 입체 조형 장치를 제안하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 입체 모델의 내부로의 착색이나 정밀한 착색이 행해진 컬러 입체 모델을 단시간에 완성시키는 것이 가능한 입체 조형 방법 및 입체 조형 장치를 제안하는 것에 있다.

상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 시트재를 적층하여 입체 모델을 형성하는 입체 조형 방법으로서, 상기 시트재를 적층하고, 상기 입체 모델의 윤곽선을 따라 액적 토출 헤드를 이용하여 시트재 용해액을 토출하여, 상기 시트재를 절단 가능 또는 분리 가능하게 하는 공정을 포함한다.

본 발명에서는, 시트재를 적층하고, 액적 토출 헤드로부터 토출한 시트재 용해액을 입체 모델의 단면 형상의 윤곽선을 따라 시트재에 침투시킴으로써, 입체 모델의 윤곽선을 따라 시트재를 절단 가능 또는 분리 가능하게 하고 있다. 이에 따라, 커터칼 등의 날붙이를 이용하는 일 없이, 안전하고 빠르게 커팅 작업을 행할 수 있다. 따라서, 단시간에 정밀한 입체 모델을 작성할 수 있다.

여기서, 본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 시트재를 적층하고, 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역의 적어도 일부에 액적 토출 헤드를 이용하여 상기 시트재 용해액 또는 접착제를 토출하여, 그 토출 위치에 적층되는 다음 층의 시트재와 접착 가능하게 하는 공정, 또는, 상기 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역의 적어도 일부를 가열하면서 가압하여, 아래층의 시트재와 접착하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 시트재에 미리 접착제 등을 도포해 둘 필요가 없다. 또한, 입체 조형에 이용하는 기재를 삭감할 수 있어, 소형이면서 간소한 구성의 장치로 입체 조형을 행할 수 있다. 또한, 각 층의 시트재를 그 상하의 층의 시트재와 전면 접착하지 않고, 필요한 부분만 접착할 수 있으므로, 접착제를 절약할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 착색 대상의 시트재를 적층한 후, 상기 시트재 용해액의 토출에 이용하는 액적 토출 헤드 또는 별도의 액적 토출 헤드를 이용하여 착색용 용액을 토출하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 시트재를 적층하면서, 착색을 행할 수 있으므로, 별도의 착색 공정을 행할 필요가 없다. 따라서, 단시간에, 착색이 완료된 입체 모델을 작성할 수 있다. 또한, 이 방법에 의하면, 적층 후의 착색이 곤란한 입체 모델의 외부 표면 이외의 부분(내부층의 부분)의 착색도 용이해진다. 또한, 액적 토출 헤드를 이용함으로써, 풀컬러의 착색 및 미세한 패턴의 착색을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 커팅과 착색, 접착을 모두 하나 또는 복수의 액적 토출 헤드만으로 행할 수 있으므로, 필요한 기재를 삭감할 수 있어, 장치의 간소화 및 소형화가 가능해진다.

또한, 본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 상기 윤곽선을 따라 토출되는 상 기 시트재 용해액 또는 상기 착색용 용액의 토출량을, 상기 시트재를 관통하는 깊이까지 상기 착색용 용액을 침투시키는 양으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 윤곽선을 따라 시트재의 단부면(end face) 부분 전체에 용액이 침투하는 양으로 끝나므로, 용액을 헛되게 하지 않는다.

본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 선행하여, 상기 윤곽선을 따라 액적 토출 헤드를 이용하여 전처리액을 토출하는 공정을 포함하고, 상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 있어서, 상기 시트재에 있어서의 상기 전처리액이 침투한 영역과 침투하지 않고 있는 영역의 경계 근방에 상기 시트재 용해액을 토출하더라도 좋다. 이와 같이, 윤곽선을 따라 먼저 시트재 용해액을 침투시키지 않는 성질이나 시트재 용해액과 혼합되지 않는 성질을 갖는 전처리액을 침투시켜 놓음으로써, 그 침투 부분에 시트재 용해액을 확산시키지 않도록 하여 시트재를 용해할 수 있다. 따라서, 윤곽선을 따라 예리한 절단 가공을 행할 수 있어, 보다 정밀한 입체 조형을 행할 수 있다.

본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 모든 층을 적층한 후에, 상기 시트재의 불필요 부분을 제거하는 공정을 포함하고 있더라도 좋다. 이와 같이, 시트재의 윤곽선을 따른 부분은 시트재 용해액에 의해 용해되어 있어, 분리 가능하게 되어 있으므로, 최후에 일괄하여 불필요 부분을 제거하면, 입체 조형에 요하는 시간을 단축할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 시트재를 필요 부분만 접착하고 있고 불필요 부분까지는 접착하지 않고 있으므로, 최후에 일괄하여 시트재의 불필요 부분을 분단시켜 박리하는 작업이 용이하다.

본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 상기 시트재로서 수용성 바인더 및 제지용 섬유재를 함유하고 있는 것을 이용하고, 상기 시트재 용해액으로서 물 또는 수용성 용액을 이용할 수 있다. 이 구성에 의하면, 화학 약품 등을 이용하지 않고서, 취급이 용이하고 안전한 물에 의해 시트재를 용해시킬 수 있다. 또한, 착색한 수용성 용액을 토출하는 인쇄용 액적 토출 헤드를 이용하면, 시트재 용해액의 물의 토출과 착색한 수용성 용액의 토출에 겸용할 수 있다. 수용성 용액에 의한 착색과 물에 의한 절단 가공을 동일한 액적 토출 헤드로 행할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 입체 조형 장치는, 액적 토출 헤드와, 그 액적 토출 헤드에 대향하고 있는 토출 위치에 시트재를 반송하여 적층시키는 시트재 반송 기구와, 입체 모델의 형상 데이터에 근거하여 제어하는 제어부를 갖고, 상기 제어부는, 상기 형상 데이터에 근거하여 상기 액적 토출 헤드 및 상기 시트재 반송 기구를 제어함으로써, 상기 입체 조형 방법에 의해 상기 입체 모델을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 의하면, 제어부에 의해 입체 모델의 형상 데이터에 근거하여 자동 제어로 액적 토출 헤드를 움직일 수 있어, 적층한 시트재에 대하여, 입체 모델의 윤곽선의 형상대로 시트재 용해 액체를 토출하여, 시트재를 윤곽선을 따라 절단 가능하게 할 수 있다. 따라서, 정밀한 입체 모델을 단시간에 안전하게 작성할 수 있다.

여기서, 본 발명의 입체 조형 장치에 있어서, 착색용 용액을 토출하는 액적 토출 헤드를 갖고, 상기 착색용 용액을 토출하는 액적 토출 헤드는, 시트재 용해액 을 토출하는 액적 토출 헤드와 동일 혹은 별도의 액적 토출 헤드이며, 상기 제어부는, 상기 입체 모델의 착색 데이터에 근거하여 상기 착색용 용액을 토출하는 액적 토출 헤드를 제어함으로써, 착색 대상의 층의 시트재의 착색 부위에, 상기 착색용 용액을 토출하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 제어부에 의해 착색 데이터에 근거하여 자동 제어로 액적 토출 헤드를 움직일 수 있어, 시트재를 적층하면서, 착색을 행할 수 있다. 따라서, 단시간에 착색된 입체 모델을 작성할 수 있다. 또한, 작성 후의 착색이 곤란한 입체 모델의 외부 표면 이외의 부분(내부층의 부분)의 착색도 용이해진다. 또한, 액적 토출 헤드를 이용함으로써, 풀컬러의 착색 및 미세한 패턴의 착색을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 커팅과 착색, 접착을 모두 하나 또는 복수의 액적 토출 헤드만으로 행할 수 있으므로, 필요한 기재를 삭감할 수 있어, 장치의 간소화 및 소형화가 가능해진다.

다음으로, 상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 시트재를 적층하여 입체 모델을 형성하는 입체 조형 방법으로서, 상기 시트재를 적층하고, 상기 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역에 액적 토출 헤드를 이용하여 시트재 불용화액을 토출하는 공정과, 모든 층의 상기 시트재를 적층한 후에, 상기 시트재에 있어서의 상기 시트재 불용화액에 의해 불용화되어 있지 않은 부분을 시트재 용해액에 의해 용해시키는 공정을 포함한다.

본 발명에서는, 시트재 불용화액을 액적 토출 헤드로부터 토출함으로써, 각 층의 시트재에 있어서의 입체 모델의 단면 영역의 부분을 시트재 용융액에 대하여 불용화하고 있다. 그리고, 적층체 완성 후에, 불용화되어 있지 않은 시트재의 불필요 부분을 용해시켜 제거한다. 이러한 방법에서는, 각 층을 입체 모델의 단면 형상으로 커팅할 필요가 없으므로, 단시간에 입체 모델을 작성할 수 있다. 또한, 커터칼 등의 날붙이에 의한 커팅 수단이 불필요해지므로, 안전하고 간소한 구성의 장치로 입체 조형을 행할 수 있다. 또한, 액적 토출 헤드를 이용함으로써 단시간에 정밀한 패턴으로 시트재 불용화액을 토출할 수 있으므로, 정밀한 입체 모델을 단시간에 작성할 수 있다. 또한, 시트재 불용화액에 의해 내수성이 있는 입체 모델을 작성할 수 있다.

여기서, 본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 착색한 상기 시트재 불용화액에 의해, 착색 대상의 층의 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면의 부분을 착색할 수도 있다. 이와 같이, 시트재 불용화액으로서 소망하는 색으로 착색한 것을 이용함으로써, 불용화 공정과 착색 공정을 동일 공정에서 행할 수 있다. 따라서, 단시간에 컬러 입체 모델을 작성할 수 있다. 또한, 액적 토출 헤드를 이용함으로써, 미세한 패턴의 착색을 행할 수 있어, 풀컬러의 착색도 가능하다. 또한, 적층하면서 착색을 행하므로, 적층체 완성 후의 착색이 곤란한 내부층의 부분의 착색도 가능하다.

또한, 본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 상기 시트재로서 수용성 바인더 및 제지용 섬유재를 함유하고 있는 것을 이용하고, 상기 시트재 용해액으로서 물을 이용할 수 있다. 또한, 상기 시트재 불용화액으로서, 열이나 자외선 등에 의해 경화하는 경화형 용액을 이용할 수 있다. 이 구성에 의하면, 시트재의 불필요 부분 을 용해시키는 처리를 화학 약품 등을 이용하지 않고서, 물에 의한 세정 혹은 물로의 침지 등에 의해 행할 수 있으므로, 불필요 부분의 제거 작업을 용이하고 안전하게 행할 수 있다.

본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 상기 입체 모델을 외부로 연통하는 중공부(中空部)를 갖는 형상으로 하고, 그 중공부를, 내부에 잔류되는 불필요 부분을, 그대로의 형상으로는 인출 불능한 형상으로 형성하는 것도 가능하다. 본 발명에서는, 인출 불능한 불필요 부분의 시트재도 용해시켜 제거하므로, 이러한 형상의 중공부를 갖는 입체 모델이더라도, 최후에 일괄하여 시트재의 불필요 부분을 제거할 수 있다. 따라서, 복잡한 형상 입체 모델을 단시간에 용이하게 작성할 수 있다.

본 발명의 입체 조형 방법에 있어서, 시트재를 적층하고, 각 층의 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역의 적어도 일부에 액적 토출 헤드를 이용하여 상기 시트재 용해액 또는 접착제를 토출하여, 그 토출 위치의 위에 적층되는 상층의 시트재와 접착 가능하게 하는 공정, 또는, 각 층의 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역의 적어도 일부를 위로부터 가열하면서 가압하여, 하층의 시트재와 접착하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 시트재에 미리 접착제 등을 도포해 둘 필요가 없다. 또한, 감열 헤드 등의 열압착 수단을 필요로 하지 않으므로, 입체 조형에 이용하는 기재를 삭감할 수 있어, 소형이면서 간소한 구성의 장치로 입체 조형을 행할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 입체 조형 장치는, 액적 토출 헤드와, 상기 액적 토출 헤드에 대향하고 있는 토출 위치에 시트재를 반송하여 적층시키는 시트재 반송 기구와, 시트재 용해액을 공급 혹은 저류하는 시트재 용해부와, 입체 모델의 형상 데이터에 근거하여 제어하는 제어부를 갖고, 상기 제어부는, 상기 형상 데이터에 근거하여 상기 액적 토출 헤드 및 상기 시트재 반송 기구를 제어함으로써, 상기 입체 조형 방법에 의해 상기 입체 모델을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 의하면, 제어부에 의해 입체 모델의 형상 데이터에 근거하여 자동 제어로 액적 토출 헤드를 움직일 수 있어, 적층한 시트재에 대하여, 입체 모델의 단면 형상대로 시트재 불용화액을 토출할 수 있다. 그리고, 적층체 완성 후에, 시트재 불용화액이 토출되지 않고 불용화되어 있지 않은 시트재의 불필요 부분을 시트재 용해액에 의해 용해시켜 제거할 수 있다. 따라서, 정밀한 입체 모델을 단시간에 안전하게 작성할 수 있다.

다음으로, 상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 시트재의 가공 방법은, 액적 토출 헤드를 이용하여, 가공 대상의 시트재를 용해 혹은 무르게 하는 시트재 용해액을 상기 시트재의 절단선 또는 접음선을 따라 토출하고, 그 토출한 시트재 용해액의 침투에 의해, 상기 절단선 또는 상기 접음선을 따라 상기 시트재를 절단 가능 혹은 접음 가능하게 한다.

본 발명에서는, 시트재 용해액을 액적 토출 헤드에 의해 토출함으로써, 토출 부분을 용해 혹은 무르게 하여 시트재를 절단 가능 혹은 접음 가능하게 하고 있다. 따라서, 커터 등의 날붙이를 이용하는 일 없이, 안전하고 빠르게 시트재의 절단 가공을 행할 수 있다. 또한, 시트재를 부분적으로 용해시키도록 시트재 용해액을 토 출함으로써, 종래의 커팅 장치로는 실현할 수 없었던 접음선 가공을 행하는 것도 가능하다. 또한, 커터 등의 날붙이를 시트재에 대하여 XY 방향으로 주사하는 기구를 마련할 필요가 없고, 인쇄 장치 등에 이용되는 액적 토출 헤드를 이용하여 절단이나 접음선 가공을 행할 수 있으므로, 가공 장치를 종래보다 간소한 구성으로 할 수 있다.

여기서, 본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 액적 토출 헤드를 이용하여, 상기 시트재 용해액을 상기 시트재의 동일 위치의 부분에 소정의 시간 간격으로 소정의 토출량씩 소정 횟수 토출하고, 상기 시간 간격, 상기 토출량, 및 토출 횟수를, 상기 시트재의 면 방향과 두께 방향 중 어느 한쪽 또는 양쪽으로의 상기 시트재 용해액의 침투 범위가 미리 설정한 범위로 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 시트재 용해액을 한 번에 동일 위치에 다량으로 토출하면, 그 침투 범위가 시트재의 면 방향으로 넓어지기 쉬워, 두께 방향으로 침투시켜 예리한 절단선이나 접음선을 형성할 수 없다. 그러나, 시트재 용해액을 미량씩 나눠 소정의 시간 간격으로 복수회 토출함으로써, 시트재 용해액의 면 방향으로의 확산을 억제하여, 두께 방향으로 침투시킬 수 있다. 그리고, 시트재 용해액의 토출량이나 시간 간격, 토출 횟수 등을 적절히 제어함으로써, 시트재 용해액을 소망하는 상태로 침투시킬 수 있다. 따라서, 예리한 절단선이나 접음선을 만들 수 있어, 정밀한 절단 가공이나 접음선 가공을 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 선행하여, 상기 절단선 또는 상기 접음선을 따라 액적 토출 헤드를 이 용하여 전처리액을 토출하는 공정을 포함하고, 상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 있어서, 상기 시트재에 있어서의 상기 전처리액이 침투한 영역과 침투하지 않고 있는 영역의 경계 근방에 상기 시트재 용해액을 토출하더라도 좋다. 이 구성에 의하면, 절단선 혹은 접음선을 따라 먼저 시트재 용해액을 침투시키지 않는 성질이나 시트재 용해액과 혼합되지 않는 성질을 갖는 전처리액을 침투시켜 놓음으로써, 그 침투 부분에 시트재 용해액이 확산하지 않도록 하여 시트재를 용해할 수 있다. 따라서, 전처리액이 침투한 부분과 침투하지 않고 있는 부분의 경계를 따라 시트재 용해액을 토출함으로써, 보다 예리한 절단선이나 접음선을 실현할 수 있어, 보다 정밀한 절단 가공이나 접음선 가공을 행할 수 있다. 또한, 전처리액을 토출하기 위한 액적 토출 헤드를 시트재 용해액용 액적 토출 헤드와 겸용 가능하면, 간소한 구성의 장치로 상기와 같은 시트재의 가공 방법을 실현할 수 있다.

혹은, 본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 전처리액을 상기 절단선 또는 상기 접음선의 양측에 토출하여, 상기 절단선 또는 상기 접음선의 선폭의 간격만큼 떨어진 평행한 2개의 선 형상의 전처리액 침투 영역을 형성하고, 상기 2개의 선 형상의 전처리액 침투 영역 사이에 끼워져 있는 상기 전처리액이 침투하지 않고 있는 영역에 상기 시트재 용해액을 토출하더라도 좋다. 이 구성에 의하면, 시트재 용해액의 면 방향의 확산 범위를 전처리액을 먼저 침투시킨 2개의 침투 영역의 사이의 폭이 가는 영역으로 한정할 수 있으므로, 보다 예리한 절단선이나 접음선을 실현할 수 있어, 보다 정밀한 절단 가공이나 접음선 가공을 행할 수 있다.

여기서, 본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 전처리액으로서 경화 성 잉크를 이용하고, 상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 선행하여, 상기 시트재에 있어서의 상기 경화성 잉크가 침투하고 있는 부분을 경화 처리하여 상기 경화성 잉크를 고착시키는 공정을 포함하더라도 좋다. 이 구성에 의하면, 경화성 용액에 의해 시트재 용해액의 침투 부분과의 경계 부분을 고화시킬 수 있으므로, 절단 후의 시트재의 단변 부분이 예리한 형상으로 유지되어, 이 단변 부분이 풀리기 어려워진다. 특히, 2개의 선 형상으로 경화성 용액을 침투시켜 이들 침투 부분을 경화하여 고화시키면, 시트재 용해액에 의해 용해되지 않는 시트재 중의 펄프 섬유 등을 절단시에 짧게 잡아 찢을 수 있으므로, 절단 후의 시트재의 단부면으로부터 펄프 섬유 등이 길게 돌출하지 않아, 보풀이 인 상태가 되지 않는다. 따라서, 더 예리한 절단부를 실현할 수 있어, 더 정밀한 절단 가공을 행할 수 있다.

혹은, 본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 시트재로서 수용성 바인더 및 섬유재를 함유하고 있는 알칼리성인 것을 이용하고, 상기 시트재 용해액으로서 물을 이용하고, 상기 전처리액으로서, 상기 알칼리성의 수용지를 불용화시키기 위한 산성 수용액을 이용할 수 있다. 시트재 용해액으로서 물을 이용할 수 있으면, 수용성 잉크를 토출하는 인쇄용 액적 토출 헤드를 물의 토출용으로 겸용할 수 있으므로, 수용성 잉크에 의한 인쇄와 물의 토출에 의한 절단 가공 혹은 접음선 가공을 하나의 액적 토출 헤드로 행할 수 있다. 또한, 산성 수용액에 의해 전처리 부분을 불용화시킬 수 있으면, 전처리 부분의 용해를 확실히 방지할 수 있다. 따라서, 정밀한 가공이 가능해진다.

또한, 본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 시트재를 반전시킴으로 써, 상기 절단선을 따라 상기 시트재의 표면측과 이면측에 각각 상기 시트재 용해액을 토출할 수도 있다. 이 구성에 의하면, 두꺼운 시트재의 정밀한 절단이 가능해진다.

본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 절단선을 따라 상기 시트재를 관통하지 않는 깊이로 상기 시트재 용해액을 침투시켜 연속한 선 형상의 침투 영역을 형성한 후에, 그 선 형상의 침투 영역의 위에 상기 시트재 용해액을 더 토출하여 그 토출 위치의 시트재를 관통하는 깊이까지 침투시킨 침투 영역을, 상기 절단선을 따라 일정한 피치로 형성할 수도 있다. 이 구성에 의하면, 절단선을 절취선 형상으로 형성할 수 있다.

본 발명의 시트재의 가공 방법에 있어서, 상기 시트재 용해액을 토출하는 상기 액적 토출 헤드 또는 별도의 액적 토출 헤드를 이용하여 상기 시트재로의 인쇄를 행하는 공정을 포함하고, 이 인쇄 공정을, 상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 선행하여, 혹은, 상기 시트재 용해액을 토출하는 공정과 동시에 행할 수도 있다. 이 구성에 의하면, 인쇄와 절단 가공 혹은 접음선 가공을 연속하여 혹은 동시에 행할 수 있으므로, 시트재를 다시 세팅하거나 다시 위치 조정하는 등의 공정이나, 그를 위한 크롭 마크 판독 등의 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 단시간에 인쇄와 절단 가공 혹은 접음선 가공을 완료시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명의 시트재 가공 장치는, 액적 토출 헤드와, 상기 액적 토출 헤드에 대향하고 있는 토출 위치에 상기 시트재를 반송 가능한 시트재 반송 기구와, 상기 시트재의 절단선 또는 접음선을 포함하는 가공 데이터에 근거하여 제어 하는 제어부를 갖고, 상기 제어부는, 상기 가공 데이터에 근거하여 상기 액적 토출 헤드 및 상기 시트재 반송 기구를 제어함으로써, 상기 시트재의 가공 방법에 의해 상기 시트재를 절단 가능 혹은 접음 가능하게 하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 의하면, 제어부에 의해 절단선 또는 접음선을 포함하는 가공 데이터에 근거하여 자동 제어로 액적 토출 헤드를 움직일 수 있어, 가공 데이터대로의 형상으로 시트재 용해 액체를 토출하여, 가공 데이터대로의 형상으로 시트재를 절단 가능 혹은 접음 가능하게 할 수 있다. 따라서, 단시간에 안전하게 정밀한 가공을 행할 수 있다.

여기서, 본 발명의 시트재 가공 장치에 있어서, 인쇄용 잉크를 토출하는 액적 토출 헤드를 갖고, 상기 인쇄용 잉크를 토출하는 액적 토출 헤드는, 상기 시트재 용해액을 토출하는 액적 토출 헤드와 동일 혹은 별도의 액적 토출 헤드이며, 상기 제어부는 인쇄 데이터에 근거하여 제어하는 것이며, 상기 제어부는, 상기 인쇄 데이터에 근거하여 상기 인쇄용 잉크를 토출하는 액적 토출 헤드를 제어함으로써, 상기 인쇄 데이터에 근거한 상기 시트재로의 인쇄를, 상기 시트재 용해액의 토출에 선행하여 혹은 동시에 행하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 인쇄와 절단 혹은 접음선 가공을 동일 장치로 행할 수 있어, 사용하는 기구를 공통화할 수 있다. 따라서, 적은 기재로 인쇄 및 절단 가공 혹은 접음선 가공을 행할 수 있다. 또한, 시트재를 다시 세팅하거나 다시 위치 조정하는 등의 공정이나, 그를 위한 크롭 마크 판독 등의 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 단시간에 인쇄 및 절단 가공 혹은 접음선 가공을 완료시킬 수 있다.

상기한 본 발명에 따르면, 안전하고 간소한 구성의 장치에 의해, 단시간에 정밀한 형상의 입체 모델을 작성하는 것이 가능한 입체 조형 방법 및 입체 조형 장치를 제공할 수 있다. 또한, 입체 모델의 내부로의 착색이나 정밀한 착색이 행해진 컬러 입체 모델을 단시간에 완성시키는 것이 가능한 입체 조형 방법 및 입체 조형 장치를 제공할 수 있다.

(제 1 실시 형태)

이하에, 도 1~도 11을 참조하여, 본 발명을 적용한 제 1 실시 형태의 입체 조형 장치 및 입체 조형 방법을 설명한다.

(시트재)

제 1 실시 형태의 입체 조형 장치는 시트 적층법에 의해 입체 모델을 성형하기 위한 장치이다. 적층 재료가 되는 시트재 S는, 목재 펄프 섬유 등의 제지용 섬유재에 수용성 바인더를 가하여 초지 등의 제지 방법에 의해 시트 형상으로 성형한 특수지이다. 이 시트재 S는, 성형 후에 알칼리에 의해 처리하는 등의 방법에 의해, 물에 의해 용해되기 쉬워지는 성질이 부여된 수용지이며, 시트 적층법에 의한 입체 형성에 적합한 두께 및 강도를 갖고 있다.

보다 자세히 설명하면, 시트재 S는, 물이 침투한 부분의 수용성 바인더가 용 해되어 펄프 섬유 사이의 수소 결합이 해소됨으로써, 물이 침투한 부분은 뿔뿔이 흩어진 펄프 섬유만이 남아, 무르게 된 상태가 된다. 따라서, 시트재 S의 위에 선 형상으로 물을 적하(토출)함으로써 선 형상의 물의 침투 부분을 형성하고, 그 침투 부분을 시트재 S의 뒤쪽까지 관통시킴으로써, 이 침투 부분을 절단선으로 하여 시트재를 절단 가능하게 된다.

또, 시트재 S로서, 수용성 전분이나 젤라틴, PVA(polyvinyl alcohol) 등의 수용성 수지를 필름 형상으로 성형한 것을 이용하더라도 좋다. 또한, 용해 온도를 적절히 설정 가능한 수용성 수지를 이용하더라도 좋다. 이 경우, 용해 온도로 제어한 물을 적하함으로써, 시트재의 물이 적하된 부분을 절단 가능한 상태로 할 수 있다.

(입체 조형 장치)

도 1은, 제 1 실시 형태의 입체 조형 장치의 개략 구성도이다. 입체 조형 장치(1)는, 장치 프레임(1a) 내에 마련된 승강 가능한 적층대(2)와, 롤지 형상으로 감긴 일정 폭의 테이프 형상의 시트재 S를 전동 가능하게 보지(保持)하고 있는 급지부(3)와, 급지부(3)로부터 풀려지는 시트재 S를 시트재 반송 경로(4)를 따라 내보내어, 적층대(2) 위의 적층 위치까지 반송하는 반송 기구(5)와, 반송 기구(5)에 의해 적층대(2) 위에 위치 조정된 시트재 S를 소정 길이로 절단하는 절단 기구(6)와, 적층대(2) 위에 노즐면을 향해서 배치된 액적 토출 헤드(7)와, 액적 토출 헤드(7)를 탑재하는 헤드 캐리지(8)와, 헤드 캐리지(8)의 구동 기구(9)와, 이들 각 기구를 제어하는 제어부(10) 등을 구비하고 있다.

또한, 입체 조형 장치(1)는, 각종 용액이나 물, 혹은 접착제 등을 봉입한 복수의 액체 팩을 수용한 카트리지(11)를 장착하기 위한 카트리지 장착부(12)를 구비하고 있다. 카트리지(11)를 카트리지 장착부(12)에 장착하면, 카트리지 장착부(12)측에 마련된 공급침이 카트리지(11) 내의 액체 팩의 공급구에 찔려 들어가 접속된다. 공급침은 액적 토출 헤드(7)로부터 연장되는 가요성 공급 유로에 접속되어 있으므로, 액적 토출 헤드(7)의 노즐에 액체 팩 내의 각 액체가 공급된다.

적층대(2)는, 수평의 적층면(2a)을 구비하고 있고, 도시하지 않는 승강 기구에 의해 적층면(2a)을 상하 이동시켜, 적층면(2a)의 높이를 조정 가능하게 구성되어 있다. 승강 기구는, 모터에 의해 구동되는 랙 앤드 피니언(rack and pinion)으로 구성되고, 로터리 인코더나 위치 검출 센서 등으로 적층대(2)의 높이를 조정하여 승강시키는 것이 바람직하다. 적층면(2a)은, 작성하는 입체 모델의 평면 형상에 맞춰 절단되는 직사각형 등의 시트재 S를 겹쳐 적층 가능한 크기로 형성되어 있고, 이 적층면(2a) 위에 시트재 S의 적층 위치가 설정되어 있다.

반송 기구(5)는, 급지부(3)로부터 보내지는 시트재 S를 시트재 반송 경로(4)상의 소정 위치에서 파지하는 종이 전송 롤러쌍(5a)을 구비하고 있고, 이 종이 전송 롤러쌍(5a)을 종이 전송 모터에 의해 동기하여 정역 방향으로 회전 구동시킴으로써, 시트재 반송 경로(4)를 따라 전진 방향 혹은 후퇴 방향으로 시트재 S를 반송한다.

절단 기구(6)는, 가동날 및 고정날을 구비한 가위식이다. 절단 기구(6)는, 반송 기구(5)에 의해 적층면(2a)상의 적층 위치에 위치 조정된 시트재 S를 향하여 가동날을 움직여, 그 시트재 S를, 그 앞단으로부터 소정 길이의 위치에서 폭 방향으로 절단한다. 또, 절단 기구(6)는 가위식에 한정되지 않고, 다른 기구를 이용하더라도 좋다. 예컨대, 액적 토출 헤드(7)를 후술하는 구동 기구(9)에 의해 절단 기구(6)에 의한 절단 위치까지 이동 가능하게 구성하여, 절단 위치에서 물을 적하하여 시트재 S를 절단하더라도 좋다.

구동 기구(9)는, 액적 토출 헤드(7)를 탑재한 헤드 캐리지(8)를 수평면 내에서 자유롭게 이동시키는 것이 가능한 XY 플로터 기구를 구비하고 있다. 이에 따라, 적층대(2) 위에서 임의의 경로를 따라 액적 토출 헤드(7)를 움직여, 액적 토출 헤드(7)의 노즐로부터 적층대(2)상의 임의의 위치에 잉크나 수용액, 물 등의 각종 액체를 적하할 수 있다.

입체 조형 장치(1)의 제어부(10)에는, 호스트 컴퓨터 등의 외부 장치(13)로부터, 작성하는 입체 모델 M의 형상 데이터나, 그 착색 부위 및 착색 패턴을 나타내는 착색 데이터가 입력된다. 또한, 시트재 S의 두께나 치수, 재질 등의 데이터가 입력된다. 또, 시트재 S의 두께나 치수는, 입체 조형 장치(1) 내의 센서로 검출함으로써 취득하더라도 좋다. 제어부(10)는, 이들의 형상 데이터나 착색 데이터 등에 근거하여 헤드 드라이버를 통해서 액적 토출 헤드(7)를 구동 제어함으로써, 형상 데이터나 착색 데이터에 있어서 지시된 종류의 액체를 액적 토출 헤드(7)의 노즐로부터 적하할 수 있다.

제어부(10)는, 모터 드라이버를 통해서, 구동 기구(9)의 X축 모터 및 Y축 모터, 반송 기구(5)의 종이 전송 모터, 혹은 절단 기구(6)의 절단 모터 등을 구동 제 어한다. 또한, 제어부(10)는, 시트재 반송 경로(4)를 따라, 혹은 적층대(2)에 마련된 센서 등의 출력에 의해, 반송 중인 시트재 S의 앞단 위치 등을 파악 가능하게 구성되어 있다. 이에 따라, 시트재 S를 적층면(2a)상의 적층 위치에 정확히 위치 조정하여 적층할 수 있다. 또한, 형상 데이터에 따라 지시된 치수로 절단 기구(6)로 시트재 S를 절단하여, 적층할 수 있다. 또한, 각 층의 시트재 S상의 지정된 위치에, 액적 토출 헤드(7)의 노즐을 위치 조정할 수 있다.

또한, 제어부(10)는, 적층대(2)의 승강 기구의 구동원인 모터를 모터 드라이버를 통해서 구동 제어함으로써, 적층대(2)에 시트재 S가 적층될 때마다, 적층된 시트재 S의 두께에 따라 적층면(2a)을 하강시킨다. 혹은, 시트재 S의 적층체의 최상면의 위치를 센서 등으로 검출하여, 최상면의 위치를 소정의 높이로 위치 조정하도록 적층면(2a)을 하강시키더라도 좋다. 이에 따라, 최상층의 시트재 S와 액적 토출 헤드(7)의 노즐의 거리를 일정하게 유지할 수 있어, 최상층에 적층된 시트재 S에, 액적 토출 헤드(7)에 의한 잉크 등의 적하를 정확히 행할 수 있다.

이와 같이, 입체 조형 장치(1)의 제어부(10)는, 적층대(2) 위에서 가공 공정을 행할 때는, 시트재 S의 적층체의 각 층을 가공 내용에 따른 높이에 위치 조정하도록 적층대(2)를 상하 이동시킬 수 있다. 또, 후술하는 바와 같이 시트 사이의 접착을 열압착에 의해 행하므로, 시트재 S의 소망하는 부분을 가열 가능한 감열 헤드(14)(도 8(b), 도 9(b), 도 10(b) 참조)를 추가한 구성으로 하더라도 좋다.

(입체 조형 방법)

다음으로, 상기 구성의 입체 조형 장치(1)에 의한 입체 조형 방법에 대하여 설명한다. 도 2(a)는 시트재의 적층체에 있어서의 각 층의 평면도, 도 2(b)는 시트재의 적층체의 단면도, 도 3(a)~도 3(f)는 시트재의 적층 공정의 설명도이다. 또, 도 2(b)에서는, 시트재 S의 적층체 S0의 적층수를 간략화하여 3층으로 하고 있다. 또한, 도 2(b)에 나타내는 윤곽선 L1~L3은, 적층체 S0의 각 층의 높이에 있어서의 입체 모델 M의 윤곽선이다.

우선, 외부 장치(13)에 있어서, CAD 프로그램 등을 이용하여 입체 모델 M의 3차원 형상 데이터를 작성하여, 입체 조형 장치(1)에 출력한다. 또한, 외부 장치(13)로부터, 조형 재료인 시트재 S의 두께 t나 종이폭 등의 각종 정보를 입체 조형 장치(1)에 출력한다. 입체 조형 장치(1)의 제어부(10)는, 외부 장치(13)로부터 입력된 3차원 형상 데이터로부터 입체 모델 M의 3차원 형상을 해석한 후, 이 3차원 형상을, 시트재 S의 두께 t를 1층의 높이로 하여 높이 방향으로 잘라내어 각 단면으로서 분할한다. 그리고, 잘라낸 각 층마다, 이 3차원 형상의 윤곽선, 즉, 입체 모델 M의 윤곽선 L의 형상을 화상 데이터로 전개하여, 버퍼에 저장한다. 또, 외부 장치(13)측에서 입체 모델 M을 두께 t로 잘라낸 각 층에 있어서의 윤곽선 L의 형상 데이터를 작성하여, 입체 조형 장치(1)에 출력하더라도 좋다.

다음으로, 제어부(10)는, 적층대(2)의 적층면(2a) 위에 1층째(최하층)의 시트재를 적층한다. 제어부(10)는, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 반송 기구(5)를 제어하여 급지부(3)로부터 풀어낸 시트재 S를 적층면(2a)상까지 반송하여 적층 위치에 위치 조정한 후, 절단 기구(6)에 의해 소정의 치수로 절단하여 직사각형의 절단 시트를 형성하여, 적층면(2a) 위에 탑재한 상태로 한다. 또, 급지부(3)에 미리 정형으로 절단된 절단 시트 형상의 시트재 S를 세팅하여 두는 경우에는, 절단 공정 및 절단 기구(6)를 생략할 수 있다.

도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 1층째의 시트재 S1에 있어서의 입체 모델의 윤곽선 L1의 형상에 따라 적층대(2)상에서 액적 토출 헤드(7)를 수평 방향으로 움직여, 액적 토출 헤드(7)의 물 적하용 노즐로부터, 윤곽선 L1을 따라 1층째의 시트재 S1 위에, 시트재 용해액으로서 물을 적하한다. 이에 따라, 윤곽선 L1을 따라 물의 침투 부분 B1을 형성한다. 이때, 물의 침투 부분 B1이 시트재 S를 관통하도록 각 위치에 있어서의 물의 적하량을 제어한다.

계속해서, 제어부(10)는, 도 3(c)에 나타내는 바와 같이, 윤곽선 L1에 둘러싸인 입체 모델 M의 단면 영역 M1 위의 소정 위치에, 액적 토출 헤드의 접착제 적하용 노즐로부터 시트재 접착용 접착제를 적하한다. 혹은, 접착제 대신에, 극히 미량의 물을 적하하여, 적하 위치에 있어서의 시트재 S의 표면을 약간 용해시킨다.

1층째의 적층 작업이 완료된 후에, 제어부(10)는, 적층대(2)의 승강 기구를 제어하여, 적층면(2a)을 시트재 S의 두께 t만큼 하강시킨다. 다음으로, 제어부(10)는, 1층째의 시트재 S1 위에, 2층째의 시트재 S2를 적층한다. 즉, 도 3(d)에 나타내는 바와 같이, 1층째와 마찬가지로 반송 기구(5)를 제어하여 시트재 S를 1층째의 시트재 S1 위에 위치 조정한 후, 절단 기구(6)에 의해 1층째와 동일 위치에서 시트재 S를 절단한다. 이에 따라, 1층째와 동일 형상의 절단 시트가 1층째의 위에 적층된 상태가 된다. 2층째의 시트재 S2는, 1층째의 시트재 S1의 소정 위치에 적하된 접착제에 의해, 1층째와 부분적으로 접착된다. 혹은, 시트재 S1의 물에 의한 용해 부분과의 용착에 의해, 1층째와 부분적으로 접착된다.

계속해서, 도 3(e)에 나타내는 바와 같이, 2층째의 시트재 S2에 있어서의 입체 모델 M의 윤곽선 L2의 형상에 따라 액적 토출 헤드(7)를 이동시키고, 윤곽선 L2를 따라 물을 적하하여, 2층째의 시트재 S2에 윤곽선 L2를 따라 물의 침투 부분 B2를 형성한다. 침투 부분 B2는, 침투 부분 B1과 마찬가지로 시트재 S2를 관통하도록 형성한다. 그 후, 도 3(f)에 나타내는 바와 같이, 윤곽선 L2에 둘러싸인 2층째의 입체 모델 M의 단면 영역 M2 위의 소정 위치에 접착제 혹은 미량의 물을 적하한다.

3층째의 시트재 S3은, 2층째의 경우와 완전히 같게 적층되어 2층째 위에 접착된 후, 그 위에, 3층째의 시트재 S3에 있어서의 입체 모델 M의 윤곽선 L3을 따라 물을 적하하여, 물의 침투 부분 B3을 형성한다. 3층째가 시트재 S3의 적층체의 최상층인 경우에는, 이것으로 적층체의 형성을 종료하지만, 더 다수의 층을 적층하는 경우에는, 접착제 혹은 물을 적하하는 공정, 시트재 S의 적층과 절단을 행하는 공정, 윤곽선 L을 따라 물을 적하하는 공정의 세 공정을, 적층수만큼 반복한다.

이상의 공정에 의해, 각 층에 있어서의 시트재 S가 각각 윤곽선 L의 위치에서 절단 가능하게 되고, 또한, 각 층의 시트재 S가 상하의 층의 시트재와 접착되어 일체화되어 있는 시트재 S의 적층체 S0이 형성된다. 그래서, 이 적층체 S0을 입체 조형 장치(1)로부터 집어낸 후, 불필요 부분의 시트재 S를 일괄하여 박리하는 등 하여 제거함으로써, 적층체 S0으로부터 입체 모델 M의 부분만을 도려내어, 입체 모델 M을 완성시킬 수 있다. 이때, 각 층의 시트재 S의 불필요 부분끼리는 접착되어 있지 않으므로, 용이하게 제거할 수 있다. 따라서, 요철이 있는 윤곽 형상의 입체 모델을 용이하게 완성시킬 수 있다. 또, 불필요 부분이 뿔뿔이 흩어져 제거 작업에 시간을 요하는 경우, 불필요 부분 사이를 접착하여 어느 정도의 덩어리로 하여 제거할 수 있도록 하더라도 좋다. 또한, 물의 적하시에 시트재 S의 불필요 부분에 적절히 물을 적하해 두도록 하면, 불필요 부분의 시트재 S를 분할할 수 있어, 제거 작업이 용이해진다.

윤곽선 L의 위치에서 절단한 시트재 S의 단부는 예리한 절단면이 아니고, 물로는 용해되지 않는 펄프 섬유 등이 길게 돌출한 부분이 보풀이 인 상태가 되는 경우도 있다. 그래서, 불필요 부분의 시트재 S를 제거한 후의 입체 모델 M의 표면에 사포 등에 의해 연마 처리를 실시하여 매끄럽게 하고, 그 위에 코팅제를 칠하여 표면 보강을 행하는 등의 표면 마무리를 행하더라도 좋다. 이와 같이 하면, 입체 모델 M의 열화를 억제할 수 있어, 내수성을 갖는 입체 모델 M을 작성할 수 있다.

이와 같이, 제 1 실시 형태에서는, 액적 토출 헤드(7)로부터 물을 적하함으로써, 각 층의 높이에 있어서의 입체 모델 M의 윤곽선 L을 따라 시트재 S를 절단 가능하게 하고 있다. 따라서, 안전하고 빠르게 각 층의 시트재 S의 커팅 작업을 행할 수 있어, 단시간에 정밀한 입체 모델 M을 작성할 수 있다. 또한, 각 층의 시트재 S를 그 상하의 층의 시트재 S와 전면 접착하지 않고, 필요한 부분만 접착하고 있으므로, 접착제를 절약할 수 있다. 또한, 감열 헤드 등의 열압착 수단을 필요로 하지 않으므로, 입체 조형에 이용하는 기재를 삭감할 수 있어, 장치의 구성을 간소화하여 소형화할 수 있다.

(정밀 가공 방법)

상기 입체 조형 방법에서는, 입체 모델 M의 각 층의 시트재 S를 각 층의 높이의 윤곽선 L을 따라 커팅하는 방법으로서, 물의 적하에 의해 시트재를 절단 가능하게 하는 커팅 방법을 이용하고 있다. 이 커팅 방법에서는, 물이 윤곽선 L의 선폭으로부터 밀려나온 형상으로 확산하여 침투하여버리면, 절단 후의 시트재 S의 테두리 부분은 물이 침투한 부분이 없는 형상이 되어버린다. 따라서, 각 층의 시트재 S를 윤곽선 L의 위치에서 정밀하게 절단하기 위해서는, 윤곽선 L에 둘러싸인 입체 모델 M의 단면 부분의 안쪽으로 물의 침투 부분이 밀려나오지 않도록 할 필요가 있다. 이하, 도 4~도 9를 참조하여, 각 층의 시트재 S를 윤곽선 L 등의 절단선을 따라 정밀하게 커팅하기 위한 정밀 가공 방법에 대하여 설명한다.

(1) 물의 적하 제어에 의한 정밀 가공 방법

침투 부분 B의 형상은, 제어부(10)에 의한 물의 적하 위치와 적하 타이밍, 및 적하량의 제어에 의해 컨트롤 가능하다. 구체적으로는, 윤곽선 L상의 각 위치에 한 번에 적하하는 물의 양을 극히 미량으로 하여, 미량의 적하를 소정 시간 이상의 시간 간격으로 복수회 행하도록 입체 조형 장치(1)의 각 부를 제어한다. 도 4(a)~도 4(d)는 물의 적하 제어에 의한 시트재의 정밀 가공 방법의 설명도이다. 우선, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이 미량의 물을 적하하면, 최초에 적하된 물은, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 시트재 S의 면 방향으로는 그다지 퍼지지 않는다. 그리고, 최초의 물의 적하로부터 소정 시간 경과하여 최초의 물이 침투한 후에, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 다음의 미량의 물을 적하한다. 이 물은, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이, 시트재 S의 면 방향이 아닌 두께 방향으로 침투하여 간다.

이와 같이, 소정 시간 간격으로 극히 미량씩 복수회로 나눠 물을 적하하면, 최초에 적하한 물이 침투한 부분은, 물이 적하되어 있지 않은 다른 부분과 비교하여 물이 침투하기 쉬운 상태가 되어 있다. 따라서, 이 부분에 적하된 물은, 면 방향으로는 퍼지지 않고, 바닥 부분을 향하여 시트재 S의 두께 방향으로 침투하여 간다. 따라서, 이러한 적하 방법을 윤곽선 L의 전부분에 대하여 행하면, 윤곽선 L의 선폭으로부터 밀려나오지 않는 가는 침투 부분 B를 형성할 수 있다. 이에 따라, 절단 후의 시트재 S의 단변 부분을 예리한 형상으로 할 수 있어, 정밀한 절단 가공이 가능해진다. 또, 도 4(a)~도 4(d)에서는 적하 횟수를 2회로 나누고 있지만, 두꺼운 시트재의 경우에는 더 적하 횟수를 증가시키면 좋다. 또한, 1회에 적하하는 액적량을 더 미량으로 하면, 침투 부분 B를 더 가늘게 할 수 있다. 이와 같이, 1회에 적하하는 액적량과 적하 횟수, 및 시간 간격을, 시트재 S의 재질, 두께 등에 따라 적절히 설정함으로써, 침투 부분 B의 형상을 적절히 컨트롤하여 정밀한 커팅을 행할 수 있다.

(2) 전처리에 의한 정밀 가공 방법

다음으로, 물의 침투 영역을 한정하는 정밀 가공 방법에 대하여 설명한다. 물의 적하 위치의 근방에 이미 잉크 등의 다른 액체가 침투하고 있으면, 적하한 물은 다른 액체가 침투하고 있는 부분으로는 확산되기 어렵다. 이것을 이용하여, 윤곽선 L을 따라 미리 다른 액체(전처리액)를 적하하여 침투시켜 놓는 전처리를 행하고, 그 후에 윤곽선 L상에 물을 적하하면, 물의 침투 범위를 한정할 수 있다.

도 5(a)~도 5(c)는 전처리에 의한 정밀 가공 방법의 설명도이다. 이 방법에서는, 액적 토출 헤드(7)의 노즐의 하나에, 전처리액으로서 이용하는 착색용 잉크를 공급할 수 있도록 하여 둔다. 그리고, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 우선, 윤곽선 L을 따라 착색용 잉크를 선 형상으로 적하하여, 착색용 잉크를 시트재 S의 뒤쪽까지 침투시킨다. 이때, 착색용 잉크의 적하 위치를, 윤곽선 L의 바로 위보다, 약간 입체 모델 M의 단면 영역 M1쪽으로 설정하여, 착색용 잉크의 침투 부분 C의 측단이, 윤곽선 L의 바로 위가 되도록 착색용 잉크의 적하 위치 및 적하량을 조정한다.

다음으로, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 액적 토출 헤드(7)의 다른 노즐로부터, 윤곽선 L의 바로 위가 되는 영역, 즉, 착색용 잉크가 침투한 영역(침투 부분 C)과 침투하지 않고 있는 영역의 경계 부분을 따라 물을 적하한다. 이에 따라, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 착색용 잉크의 침투 부분 C에는 물이 확산되지 않고, 입체 모델 M의 단면 영역 M1의 바깥쪽으로 넓어지는 가는 영역에만 물이 침투한다. 이와 같이, 미리 다른 용액을 적하해 둠으로써, 적하하지 않는 경우와 비교하여 물의 침투 부분 B의 폭을 가늘게 할 수 있다. 또한, 동시에 착색용 잉크에 의한 단면 영역 M1의 윤곽 부분의 착색을 행할 수 있다.

도 6(a)는 전처리액을 적하한 후에 물을 적하한 시트재의 적층체의 각 층의 평면도, 도 6(b)는 적층체의 단면도이다. 상기 전처리에 의한 정밀 가공 방법을 이용하여 입체 모델 M의 각 층의 시트재 S를 절단하는 경우에는, 각 층의 시트재 S를 적층할 때에, 윤곽선 L을 따라 물을 적하하기 전에 윤곽선 L을 따라 시트재 S에 착색용 잉크를 적하하여, 시트재 S의 뒤쪽까지 침투시킨다. 그리고, 착색용 잉크의 침투 후에, 착색용 잉크가 침투한 영역(침투 부분 C)과 침투하지 않고 있는 영역의 경계 부분을 따라 물을 적하한다. 이에 따라, 윤곽선 L의 바깥쪽으로 넓어지는 가는 영역에만 물을 침투시켜, 정밀한 커팅을 행할 수 있다. 또한, 동시에 착색용 잉크에 의해 입체 모델 M의 표면의 착색을 행할 수 있다.

물의 침투 부분을 한정하기 위한 전처리용 용액으로서 무색 투명 용액 혹은 발수성 용액 등을 사용한 경우에는, 입체 모델 M의 색을 시트재 S의 바탕색대로 하여 둘 수 있다. 혹은, 다른 잉크에 의한 착색에 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 또한, 발수성 용액을 이용하면, 발수성 용액의 침투 부분으로의 물의 확산을 보다 확실히 방지할 수 있다.

여기서, 도 7(a)~도 7(c)에 근거하여, 전처리에 의해 더 예리한 절단부를 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 우선, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 윤곽선 L 등의 절단선을 중심으로 하는 가는 영역만을 남기고, 그 양측에 각각 착색용 잉크 등의 전처리액을 적하하여, 윤곽선 L의 선폭의 간격만큼 떨어진 2개의 근접한 선 형상의 침투 부분 C1, C2를 형성한다. 이때, 적하하는 용액으로서, 상기한 바와 같이 무색 투명 용액 혹은 발수성 용액 등을 사용할 수 있다. 침투 부분 C1, C2는 시트재 S의 뒤쪽까지 관통하지 않고 있더라도 좋고, 용액의 침투는 표면 부분만이더라도 좋다.

다음으로, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이 침투 부분 C1, C2의 사이에 물을 적하하면, 침투 부분 C1, C2가 형성되어 있으므로 물은 면 방향으로 확산되지 않 고, 시트재 S의 두께 방향으로 침투하여 간다. 이에 따라, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, 윤곽선 L의 선폭의 굵기의 물의 침투 부분 B가 시트재 S를 관통하여 형성된다. 이와 같이, 윤곽선 L의 양측에 용액을 적하함으로써, 물의 침투 부분 B의 폭을 더 가늘게 한정할 수 있다.

(3) 열경화형 용액에 의한 정밀 가공 방법

다음으로, 절단 후의 시트재 S의 단변 부분이 보풀이 일지 않도록 하여, 보다 예리한 절단 가공을 행하는 정밀 가공 방법에 대하여 설명한다. 이 방법과 상기 (2)에서 설명한 전처리에 의한 정밀 가공 방법의 상위점은, 본 방법에서는, 전처리용 용액으로서 열경화형 용액을 이용함과 함께, 이 열경화형 용액의 적하 후에, 그 침투 영역을 감열 헤드 등에 의해 가열하여 열경화형 용액을 시트재 S에 고착시키는 공정을 삽입한 것이다.

도 8(a)~도 8(d) 및 도 9(a)~도 9(d)는 열경화형 용액을 이용한 정밀 가공 방법의 설명도이다. 도 8(a) 및 도 9(a)는 열경화형 용액의 적하 공정이며, 도 8(b) 및 도 9(b)는 감열 헤드(14)에 의한 열경화형 용액의 침투 부분 D, D1, D2의 고화 공정이다. 또한, 도 8(c) 및 도 9(c)는 물의 적하 공정이다. 또, 도 9(a)~도 9(d)에 나타내는 절단선 Lc의 양측에 열경화형 용액을 적하하는 방법에서는, 열경화형 용액을 시트재에 관통하도록 침투시키고 있다.

이와 같이, 열경화형 용액을 침투시켜 시트재 S에 있어서의 물의 침투 부분 B와의 경계 부분을 고화시키면, 절단 후의 입체 모델 M의 단면 영역 M1의 단변 부분이 열경화형 용액에 의해 코팅되어 예리한 형상으로 유지되어, 풀리기 어려워진 다. 특히, 2개의 라인 형상으로 열경화형 용액을 침투시켜 이들 침투 부분 D1, D2를 가열하여 고화시키면, 물로는 용해되지 않는 시트재 S 중의 펄프 섬유를, 윤곽선 L 등의 절단선을 따라 시트재 S를 분단할 때에 짧게 잡아 찢을 수 있다. 따라서, 단면 영역 M1의 단부면으로부터 펄프 섬유 등이 길게 돌출하지 않아, 입체 모델 M의 단면 영역 M1의 단부면이 보풀이 인 상태가 되지 않는다. 따라서, 더 예리한 절단부를 실현할 수 있어, 더 정밀한 절단 가공을 행할 수 있다.

또, 열경화형 용액 대신에, 상온 경화형(속건성) 용액, 자외선(UV) 경화형 용액, 전자선(EB) 경화형 용액 등을, 마찬가지로 적용하는 것이 가능하다. 이들 용액을 이용하는 경우에는, 각 용액을 토출한 후, 특성에 맞는 경화 처리를 실시하여 고착시키면 좋다.

(착색 공정을 포함하는 입체 조형 방법)

여기서, 제 1 실시 형태의 입체 조형 방법에 의해 작성되는 입체 모델 M의 착색 공정을, 시트재 S를 적층하여 접착하여 커팅하는 조형 공정과 동시 진행으로, 하나의 장치로 행하는 방법에 대하여 설명한다. 이 경우에는, 입체 조형 장치(1)의 카트리지(11)에, 커팅용 시트재 용해액으로서의 물을 봉입한 잉크 팩에 더하여, 착색용 잉크를 봉입한 잉크 팩을 세팅해 둔다. 이에 따라, 액적 토출 헤드(7)의 일부의 노즐에 착색용 잉크를 공급하여, 액적 토출 헤드(7)에 의해 각 층의 시트재 S의 소망하는 부분을 착색하는 것이 가능해진다.

또한, 제 1 실시 형태에서는, 액적 토출 헤드(7)로부터의 접착제 혹은 물의 적하에 의해 각 층의 시트재 S를 그 상하의 층의 시트재와 접착했었지만, 시트재 S 의 한 면에 미리 열에 의해 녹는 접착제를 도포하여 두고, 각 층의 시트재 S를 적층했을 때에, 윤곽선 L을 따라 물을 적하하기 전에 감열 헤드(14)를 따라 각 층의 시트재 S의 소망하는 부분을 가열하여, 소망하는 부분만 접착하는 방법을 이용할 수도 있다. 이하, 착색 공정 및 열압착에 의한 시트재 S의 접착 공정을 포함하는 입체 조형 방법에 대하여 설명한다.

우선, 외부 장치(13)에 있어서, 입체 모델 M의 3차원 형상 정보(형상 데이터) 및 3차원 형상의 각 위치에 있어서의 착색 정보(착색 데이터)를 포함하는 컬러 3차원 형상 데이터를 작성하여, 입체 조형 장치(1)에 출력한다. 제어부(10)는, 외부 장치(13)로부터 입력된 컬러 3차원 형상 데이터를 시트재 S의 두께 t를 1층의 높이로 하여 높이 방향으로 단면으로서 잘라내어, 각 층마다, 입체 모델 M의 윤곽선 L의 형상 및 착색 패턴을 화상 데이터로 전개하여, 버퍼에 저장한다. 그리고, 착색 패턴에 근거한 각 층의 시트재 S로의 착색 공정을, 각 층에 있어서의 물의 적하 공정에 이어서 행한다.

도 10(a)~도 10(d)는 착색 공정을 포함하는 각 층의 시트재의 적층 공정의 설명도이다. 우선, 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 시트재 S의 접착제가 도포된 면을 아래쪽을 향하게 하여 적층 위치에 위치 조정하고, 절단 위치에서 절단함으로써 n층째의 시트재 Sn을 적층한다. 다음으로, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 감열 헤드(14)에 의해 접착 부분(예컨대, 윤곽선 Ln을 따른 부분)만을 부분적으로 가열하여, 시트재 Sn을 그 아래의 층의 시트재와 부분적으로 접착한다. 계속해서, 도 10(c)에 나타내는 바와 같이, 윤곽선 Ln을 따라 액적 토출 헤드(7)의 물 토출용 노즐로부터 물을 적하하여 침투시킨다. 그 후, 도 10(d)에 나타내는 바와 같이, 액적 토출 헤드(7)의 착색용 잉크 토출용 노즐로부터 착색용 잉크를 적하하여, 시트재 Sn의 임의의 부분에 착색용 잉크가 침투한 침투 부분 C를 형성한다.

시트 적층법에서는, 각 층의 시트재 S의 단부면에 의해 완성품의 입체 모델 M의 측면이 구성된다. 따라서, 도 10(d)에 나타내는 바와 같이 입체 모델 M의 측면부의 표면이 되는 부분을 착색하는 경우에는, 착색용 잉크를 각 층의 시트재 S의 윤곽선 L을 따라 적하하고, 적하한 잉크가 시트재 S의 뒤쪽까지 침투하도록 적하량을 제어하면 좋다. 이와 같이 하면, 시트재 S의 단부면에 미착색 부위가 생기지 않도록 할 수 있다.

도 10(d)의 착색 공정은, 도 10(c)의 물의 적하 공정과 동시 진행으로 행하더라도 좋고, 혹은 물의 적하 공정에 선행하여 행하더라도 좋다. 도 10(a)~도 10(d)와 같이 각 층을 적층할 때에 시트재 S를 착색함으로써, 입체 모델 M의 표면뿐만 아니라, 내부까지 착색할 수 있다. 도 11(a)는 내부까지 착색한 적층체에 있어서의 각 층의 평면도이며, 도 11(b)는 내부까지 착색한 적층체의 단면도이다. 내부까지 착색하는 경우에는, 착색용 잉크가 마르고 나서 다음 층을 적층하면 좋다.

이상의 방법에 의하면, 액적 토출 헤드(7)를 이용하여, 시트재 S의 정밀한 커팅과 정밀한 착색을 각 층의 시트재 S의 적층시에 동시 진행으로 행할 수 있다. 따라서, 1대의 장치로, 착색이 완료된 정밀한 입체 모델 M을 단시간에 작성할 수 있다. 특히, 착색 수단으로서 액적 토출 헤드(7)를 이용함으로써, 풀컬러의 착색 및 미세한 패턴의 착색을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 이 방법에 의하면, 적층 후의 착색이 곤란한 입체 모델 M의 외부 표면 이외의 부분(내부층의 부분)의 착색도 가능해진다. 또한, 커팅과 착색, 접착을 모두 액적 토출 헤드에 의해 행할 수 있으므로, 필요한 기재를 삭감할 수 있어, 장치의 간소화 및 소형화가 가능해진다.

또, 이상 설명한 제 1 실시 형태의 각 방법에서는, 액적 토출 헤드(7)를 물의 적하용과 접착제의 적하용으로 겸용하거나, 물의 적하용과 착색용 잉크의 적하용으로 겸용했었지만, 사용하는 시트재 S의 재질에 따라 적정한 착색용 잉크나 접착제, 혹은 전처리액 등을 선택하여 이용할 수 있어, 적하하는 액체에 따라 액적 토출 헤드를 분리하더라도 좋다.

(응용)

제 1 실시 형태의 입체 조형 장치 및 입체 조형 방법은, 이와 같이, 적층 조형 가공과 그 착색을 1대의 장치로 한 번에 행할 수 있으므로, 컬러 입체 제품의 시작품이나 페이퍼크래프트 등의 작성에 편리하다. 또한, 재료가 되는 수용지에 광촉매 기능이나 유해 물질 흡착 기능 등을 갖게 하거나, 소취제, 방향제 등을 첨가함으로써, 공기 청정 기능이나 소취, 방향 기능을 갖는 페이퍼크래프트나 입체지 제품을 작성할 수 있다.

또한, 제 1 실시 형태의 입체 조형 장치 및 입체 조형 방법에 의하면, 전분이나 젤라틴 등의 물에 녹는 식용 재료를 시트재로서 이용하고, 이 시트재를 식용 용액 등을 이용하여 착색하여 물로 절단함으로써, 종래에는 작성할 수 없던 정밀한 입체 식품 장식을, 인체에 무해하고 폐기도 용이한 재료로 작성할 수 있다. 또한, 수용지를 이용함으로써, 파종용 물에 녹는 자루나 물에 녹는 식기 등을, 인체에 무해하고 폐기도 용이한 재료로 작성할 수 있다.

(제 2 실시 형태)

다음으로, 도 12~도 15를 참조하여, 본 발명을 적용한 제 2 실시 형태의 입체 조형 장치 및 입체 조형 방법의 실시 형태를 설명한다.

(시트재)

제 2 실시 형태의 입체 조형 장치는, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 시트 적층법에 의해 입체 모델을 성형하기 위한 장치이다. 적층 재료가 되는 시트재 S는, 목재 펄프 섬유 등의 제지용 섬유재에 수용성 바인더를 가하여 초지 등의 제지 방법에 의해 시트 형상으로 성형한 특수지이다. 이 시트재 S는, 제 1 실시 형태에서 이용한 시트재와 같이 물에 의해 용해되는 수용지이며, 시트 적층법에 의한 입체 형성에 적합한 두께 및 강도를 갖고 있다. 또한, 시트재 S를 물의 적하에 의해 절단하거나, 시트재 S의 불필요 부분을 물의 적하에 의해 용해시켜 제거하는 것이 가능하다.

시트재 S는, 수지 용액 등의 경화형 용액을 함침시키는 것이 가능한 재질이며, 함침부분에 대하여 소정의 경화 처리를 실시함으로써, 함침 부분에 경화형 용액을 고착시켜 불용화할 수 있다. 경화형 용액으로서는, 예컨대, 상온 경화형(속건성) 용액, 열경화형 용액, 자외선(UV) 경화형 용액, 전자선(EB) 경화형 용액을 이용하는 것이 가능하다. 이들 각 용액을 이용하는 경우에는, 각 용액의 특성에 맞는 경화 처리를 실시하면 좋다. 혹은, 시트재 S는, pH2~3 정도의 산성 수용액(시트재 불용화액)을 함침시키면 함침 부분의 수용성이 없어져, 물에 용해되기 어려워진다고 하는 성질을 구비하고 있다. 따라서, 경화형 용액 대신에 산성 수용액을 이용하여 불용화하는 것도 가능하다.

그래서, 이러한 경화형 용액이나 산성 수용액을 함침시키면서 시트재 S를 적층하여, 입체 모델 부분만을 불용화한 시트재 S의 적층체를 형성할 수 있다. 그리고, 이 적층체를 물에 담그거나 적층체에 물을 부어 세정하는 등의 처리를 행함으로써, 불용화되어 있지 않은 시트재 S의 부분을 용해시켜 제거하여, 입체 모델 부분만을 남기는 것이 가능하다.

(입체 조형 장치)

도 12는, 제 2 실시 형태의 입체 조형 장치의 개략 구성도이다. 이하, 제 2 실시 형태의 입체 조형 장치(21)에 대하여, 제 1 실시 형태의 입체 조형 장치(1)와 같은 구성의 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

입체 조형 장치(21)는, 장치 프레임(21a) 내에 마련된 승강 가능한 적층대(2)와, 롤지 형상으로 감긴 시트재 S를 전동 가능하게 보지하고 있는 급지부(3)와, 급지부(3)로부터 풀리는 일정 폭의 연속지 형상의 시트재 S를 시트재 반송 경로(4)를 따라 내보내, 적층대(2) 위의 적층 위치까지 반송하는 반송 기구(5)와, 반송 기구(5)에 의해 적층대(2) 위에 위치 조정된 시트재 S를 소정 길이로 절단하는 절단 기구(6)와, 적층대(2) 위에 노즐면을 향해서 배치된 액적 토출 헤드(7)와, 액적 토출 헤드(7)를 탑재하는 헤드 캐리지(8) 및 그 구동 기구(9)와, 적층대(2) 위 에 적층된 시트재 S의 소정 부위를 가열하여 열압착시키기 위한 감열 헤드(14)와, 이들 각 기구를 제어하는 제어부(10) 등을 구비하고 있다. 또한, 입체 조형 장치(21)는, 각종 수용액이나 잉크, 물 혹은 접착제 등의 액체를 봉입한 복수의 액체 팩을 수용한 카트리지(11)를 장착 가능한 카트리지 장착부(12)를 구비하고 있고, 카트리지(11)를 카트리지 장착부(12)에 장착함으로써, 액적 토출 헤드(7)의 노즐에 액체 팩 내의 각 액체를 공급할 수 있다.

적층대(2)는 수평의 적층면(2a)을 구비하고 있고, 이 적층면(2a) 위에 시트재 S의 적층 위치가 설정되어 있다. 제어부(10)에는, 호스트 컴퓨터 등의 외부 장치(13)로부터, 작성하는 입체 모델 M의 형상 데이터나, 그 착색 부위 및 착색 패턴을 나타내는 착색 데이터 등이 입력된다. 제어부(10)는, 이들 데이터나 입체 조형 장치(21)의 각 부에 마련된 센서로부터의 출력 등에 근거하여, 입체 조형 장치(21)의 각 부를 제어한다. 반송 기구(5), 절단 기구(6) 등에 의한 적층면(2a)상으로의 시트재 S의 적층 동작, 및, 구동 기구(9), 액적 토출 헤드(7) 등에 의한 잉크나 수용액, 물 등의 적하 동작에 대해서는, 제 1 실시 형태의 입체 조형 장치(1)와 마찬가지로 행해진다.

입체 조형 장치(21)에는, 적층대(2) 위에 형성되는 시트재 S의 적층체 S0을 장치 밖으로 배출하기 위한 도시하지 않는 배출 기구가 마련되어 있다. 배출 기구에 의해 장치 밖으로 배출된 적층체 S0은, 후술하는 불필요 부분의 시트재 S를 제거하는 제거 공정을 행하기 위한 수조(15)(시트재 용해 수단) 안으로 옮겨져, 물 속에 침지된다. 또, 적층대(2) 위의 적층체 S0을 수조(15)에 반송하기 위한 반송 기구를 마련하더라도 좋다. 또한, 수조(15) 내에 샤워 노즐을 마련하고, 샤워 노즐로부터 적층체 S0에 물을 끼얹어 빠르게 시트재 S의 불필요 부분을 녹이도록 구성하더라도 좋다.

(입체 조형 방법)

다음으로, 입체 조형 장치(21)에 의한 제 2 실시 형태의 입체 조형 방법에 대하여 설명한다. 도 13(a)는 시트재의 적층체에 있어서의 각 층의 평면도, 도 13(b)는 시트재의 적층체의 단면도이다. 도 13(a), 도 13(b)에 나타내는 부호 M1은 적층체 S0의 각 층의 시트재 S의 높이에 있어서의 입체 모델 M의 단면 영역이며, 불용화되어 입체 모델 M의 일부가 되는 부분이다. 또한, 각 층에 있어서의 단면 영역 M1의 바깥쪽의 부분은, 적층체 S0의 완성 후에 제거되는 불필요 부분이다. 또한, 도 14(a)~도 14(e)는 입체 조형 방법의 각 공정의 설명도이다.

우선, 외부 장치(13)에 있어서, CAD 프로그램 등을 이용하여 입체 모델 M의 3차원 형상 데이터를 작성하여, 입체 조형 장치(21)에 출력한다. 또한, 외부 장치(13)로부터, 조형 재료인 시트재 S의 두께 t나 종이폭 등의 각종 정보를 입체 조형 장치(21)에 출력한다. 입체 조형 장치(21)의 제어부(10)는, 외부 장치(13)로부터 입력된 3차원 형상 데이터로부터 입체 모델 M의 3차원 형상을 해석한 후, 이 3차원 형상을, 시트재 S의 두께 t를 1층의 높이로 하여 높이 방향으로 잘라내어 분할한다. 그리고, 잘라낸 각 층마다, 이 3차원 형상의 단면 형상, 즉, 입체 모델 M의 단면 형상을 화상 데이터로 전개하여, 버퍼에 저장한다. 또, 외부 장치(13)측에서 입체 모델 M을 두께 t로 잘라낸 각 층에 있어서의 단면 형상 데이터를 작성하 여, 입체 조형 장치(21)에 출력하더라도 좋다.

다음으로, 제어부(10)는, 각 층의 시트재 S를 적층함과 함께, 각 층의 시트재 S에 있어서의 입체 모델 M의 단면 영역 M1을 불용화하여 적층체 S0을 형성한다. 이하, 도 14(a)~도 14(e)에 근거하여, 적층체 S0의 각 층을 형성하는 공정에 대하여 설명한다.

제어부(10)는, 우선, 도 14(a)에 나타내는 바와 같이, 반송 기구(5)를 제어하여 급지부(3)로부터 풀어낸 시트재 S를 적층면(2a)상까지 반송하여 적층 위치에 위치 조정한 후, 절단 기구(6)에 의해 소정의 치수로 절단하여, 최하층의 경우는 적층면(2a) 위에, 그 위층의 경우는 이미 적층되어 있는 시트재 S 위에, 직사각형의 절단 시트를 탑재한다. 또, 급지부(3)에 미리 정형으로 절단된 절단 시트 형상의 시트재 S를 세팅해 두는 경우에는, 절단 공정 및 절단 기구(6)를 생략할 수 있다.

다음으로, 도 14(b)에 나타내는 바와 같이, 감열 헤드(14)로 단면 영역 M1 내의 소정 부분(예컨대, 단면 영역 M1의 외주를 따른 부분)을 가열하여, 시트재 S를 아래층과 부분적으로 접착한다. 이때, 단면 영역 M1 전체를 아래층과 접착하더라도 좋고, 이 층의 시트재 S 전체를 아래층과 접착하더라도 좋다. 시트재 S에는, 미리 열에 녹는 접착제를 도포해 둔다.

계속해서, 제어부(10)는, 도 14(c)에 나타내는 바와 같이, 시트재 S 위에서 단면 영역 M1의 윤곽선의 바깥쪽을 따라 액적 토출 헤드(7)를 수평 방향으로 움직여, 액적 토출 헤드(7)의 물 적하용 노즐로부터, 단면 영역 M1의 윤곽선의 형상을 따라 물을 적하한다. 이에 따라, 단면 영역 M1의 외주의 바깥쪽을 따라 가는 물의 침투 부분 B를 형성한다. 이때, 제어부(10)는, 물의 침투 부분 B가 단면 영역 M1의 안쪽으로 넓어지지 않도록 각 위치에 있어서의 물의 적하량이나 적하 타이밍을 제어한다.

물의 적하 후에, 제어부(10)는, 도 14(d)에 나타내는 바와 같이, 단면 영역 M1 위에서 액적 토출 헤드(7)를 움직여, 액적 토출 헤드(7)의 경화형 용액 적하용 노즐로부터, 단면 영역 M1의 부분에 경화형 용액을 적하한다. 이에 따라, 단면 영역 M1과 동일 형상이 되도록 경화형 용액의 침투 부분을 형성한다. 이때, 경화형 용액이 시트재 S의 뒤쪽까지 침투하도록 각 위치에 있어서의 경화형 용액의 적하량을 제어한다. 그리고, 소정의 경화 처리를 실시하여 침투 부분을 경화시킨다.

제어부(10)는, 도 14(a)~도 14(d)의 네 공정을 시트재 S의 적층수만큼 반복하여, 입체 모델 M의 형상보다 한층 큰 적층체 S0을 형성한다. 그 후, 도 14(e)에 나타내는 바와 같이, 적층대(2) 위로부터 장치 밖으로 적층체 S0을 배출하여, 수조(15) 안에서 물에 담궈, 불용화되어 있지 않은 외주측의 시트재 S를 용해시켜, 입체 모델 M의 부분만을 남기고 불필요한 시트재 S의 부분을 제거한다.

제거 후, 남은 부분을 건조시킴으로써, 입체 모델 M의 조형이 완료된다. 불용화되어 남은 시트재 S의 단부는 예리한 단부면이 아니고, 물로는 용해되지 않는 펄프 섬유 등이 길게 돌출한 부분이 보풀이 인 상태가 되어 있는 경우도 있다. 그래서, 건조시킨 입체 모델 M의 표면에 사포 등에 의해 연마 처리를 실시하여 매끄럽게 하고, 그 위에 코팅제를 칠하여 표면 보강을 행하는 등의 표면 마무리를 행하 더라도 좋다. 이와 같이 하면, 입체 모델 M의 열화를 억제할 수 있어, 매끄러운 표면의 입체 모델 M을 작성할 수 있다.

이와 같이, 제 2 실시 형태에서는, 경화형 용액을 액적 토출 헤드(7)로부터 적하함으로써, 각 층의 시트재 S에 있어서의 입체 모델 M의 단면 영역 M1을 불용화하고 있다. 그리고, 완성된 적층체 S0을 물에 담궈, 불용화되어 있지 않은 시트재 S의 부분을 용해시켜 제거한다. 이러한 방법에 의하면, 각 층을 입체 모델 M의 단면 형상으로 커팅할 필요가 없으므로, 단시간에 입체 모델 M을 작성할 수 있다. 또한, 커터칼 등의 날붙이에 의한 커팅 수단이 불필요해지므로, 안전하고 간소한 구성의 장치로 입체 조형을 행할 수 있다. 또한, 액적 토출 헤드(7)를 이용함으로써 단시간에 정밀한 패턴으로 경화형 용액을 적하할 수 있으므로, 정밀한 입체 모델 M을 단시간에 작성할 수 있다. 또한, 불용화된 시트재 S에 의해 형성된 내수성이 있는 입체 모델 M을 얻을 수 있다.

여기서, 물의 침투 부분을 정확한 형상으로 형성하기 위해서는, 제 1 실시 형태의 입체 조형 방법에 있어서 설명한 물의 적하 제어에 의한 정밀 가공 방법을 이용하면 좋다. 이 방법에 의하면, 단면 영역 M1의 윤곽선을 따라 예리한 형상의 물의 침투 부분을 형성할 수 있다. 따라서, 정확한 단면 영역 M1의 형상대로 경화형 용액을 침투시킬 수 있다. 또한, 경화형 용액의 적하 제어에 의해 경화형 용액의 침투 영역을 단면 영역 M1의 형상으로 정확히 형성하는 경우에는, 물의 적하 공정을 생략하더라도 좋다.

또한, 감열 헤드(14)에 의해 시트재 S를 상하의 층과 접착하는 접착 방법 대 신에, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 시트재 S의 접착 부위에 액적 토출 헤드(7)에 의해 접착제를 적하하고, 그 위층의 시트재 S와 접착하더라도 좋다. 또한, 시트재 S의 접착 부위에 미량의 물을 적하하여 적하 부위를 약간 녹여, 시트재 S끼리 용착시키더라도 좋다. 이와 같이 하면, 감열 헤드(14)가 불필요해지므로, 입체 조형 장치(21)를 더 소형화하여 간소화할 수 있다. 또한, 시트재 S에 미리 열에 녹는 접착제를 도포해 둘 필요가 없다.

제 2 실시 형태의 입체 조형 방법에 의하면, 불필요 부분을 적층체로부터 나중에 떼어내는 것이 곤란한 형상의 입체 모델 M이더라도 용이하게 작성할 수 있다. 도 15는 중공부를 갖는 입체 모델을 작성하기 위한 적층체의 단면도이다. 이 입체 모델의 중공부 Ma는, 입체 모델 M의 외부와 개구 Mb에 의해 연통되어 있고, 개구 Mb보다 중공부 Ma의 내부 공간이 넓게 되어 있다. 이러한 형상에서는, 중공부 Ma의 내부에 있는 시트재 S의 덩어리를 적층체 S0의 완성 후에 그대로의 형상으로 집어내는 것은 곤란하다. 그러나, 제 2 실시 형태의 입체 조형 방법에서는, 중공부 Ma 내의 시트재 S를 용해시켜 시트재 S의 덩어리를 제거하는 것이 가능하다. 이 방법에 의하면, 중공부 Ma가 굴곡 혹은 만곡하는 관 형상이 되어 있거나, 혹은, 중공부 Ma의 내면에 요철이 형성되어 있는 경우 등과 같이, 중공부 Ma 내에 충전된 시트재 S의 덩어리를 그대로의 형상으로 끌어낼 수 없는 형상이더라도, 입체 모델 M을 분할하는 일 없이 시트재 S를 제거할 수 있다. 또한, 복잡한 요철을 갖기 때문에 적층체로부터 불필요 부분을 박리하는 것이 곤란한 형상의 입체 모델 M이더라도, 용이하게 불필요 부분을 제거할 수 있다.

(착색 공정을 포함하는 입체 조형 방법)

여기서, 제 2 실시 형태의 입체 조형 방법에 있어서의 조형 공정을, 입체 모델 M의 각 부분의 착색 공정과 동시 진행으로, 동일 장치 내에서 행하는 방법에 대하여 설명한다. 이 경우에는, 입체 조형 장치(21)의 카트리지(11) 내의 액체 팩에 봉입되는 경화형 용액으로서, 착색용 용액을 포함한 것을 이용한다. 착색용 용액의 색은, 입체 모델 M의 착색 패턴에 따라 적절히 준비한다.

이 경우에는, 외부 장치(13)에 있어서, 입체 모델 M의 3차원 형상 정보(형상 데이터) 및 3차원 형상의 각 위치에 있어서의 착색 정보(착색 데이터)를 포함하는 컬러 3차원 형상 데이터를 작성하여, 입체 조형 장치(21)에 출력한다. 제어부(10)는, 외부 장치(13)로부터 입력된 컬러 3차원 형상 데이터를 시트재 S의 두께 t를 1층의 높이로 하여 높이 방향으로 잘라내어, 각 층마다, 입체 모델 M의 단면 영역 M1의 형상 및 단면 영역 M1상의 착색 패턴을 화상 데이터로 전개하여, 버퍼에 저장한다.

그리고, 착색 대상의 층의 시트재 S를 적층할 때에는, 도 14(d)의 공정에 있어서, 단면 영역 M1상의 착색 패턴에 근거하여 액적 토출 헤드(7)를 제어하여, 착색 부위에 착색용 용액을 적하한다. 이와 같이 하면, 액적 토출 헤드(7)에 의해 소망하는 층의 시트재 S의 소망하는 부분에 착색하는 것이 가능해진다. 또, 입체 모델 M의 표면에 나타나지 않는 내부층의 부분에는, 무색의 경화형 용액을 적하하여 착색하지 않도록 할 수도 있고, 내부까지 착색할 수도 있다.

이와 같이, 시트재를 불용화시키기 위한 경화형 용액으로서 소망하는 색의 착색용 용액을 포함한 것을 이용함으로써, 불용화 공정과 착색 공정을 동일 공정에서 행할 수 있다. 따라서, 단시간에 컬러 입체 모델을 작성할 수 있다. 또한, 액적 토출 헤드(7)를 이용함으로써, 미세한 패턴의 착색을 행할 수 있어, 풀컬러의 착색도 가능하다. 또한, 각 층을 적층할 때에 착색을 행하므로, 적층 후의 착색이 곤란한 중공부나 내부층의 부분의 착색도 가능해진다.

(응용)

제 2 실시 형태의 입체 조형 장치 및 입체 조형 방법은, 이와 같이, 적층 조형 가공과 그 착색을 1대의 장치로 한 번에 행할 수 있으므로, 컬러 입체 제품의 제조에 편리하다. 또한, 시트재 S를 불용화하여 그 소망하는 부위에 착색할 수 있으므로, 내수성을 부여한 종이 식기 등을 제조할 수 있다. 또한, 펄프 섬유를 함유하는 수용지를 적층, 접착한 것은 천연 목재보다 고강도이고 내수성을 구비한 소재가 되어 있다. 따라서, 목제 외장재 등의 목재 부품의 대체 부품을 제조할 수 있다. 이 경우에는, 액적 토출 헤드(7)를 이용한 착색에 의해, 임의의 목재와 흡사한 나뭇결 패턴의 착색을 행할 수 있다.

(제 3 실시 형태)

상기 각 실시 형태에서는, 액적 토출 헤드(7)를 이용하여 물이나 경화형 용액 등을 시트재 S에 적하하여 시트재 S를 가공하고 있지만, 이 시트재 S의 가공 방법은, 시트 적층 방법에 의한 입체 조형 이외의 시트재의 가공에도 이용할 수 있다. 이하에, 도 16~도 20을 참조하여, 제 3 실시 형태로서, 시트재의 절단 혹은 시트재 S로의 접음선의 형성을 행하기 위한 시트재 가공 장치 및 시트재의 가공 방법에 대하여 설명한다.

(시트재)

우선, 본 실시 형태의 시트재 가공 장치의 가공 대상이 되는 시트재 S에 대하여 설명한다. 이 시트재 S는, 제 1 실시 형태 혹은 제 2 실시 형태에서 이용한 시트재와 같이 물에 의해 용해되는 수용지이며, 시트재 S를 물의 적하에 의해 절단하거나, 시트재 S의 불필요 부분을 물의 적하에 의해 용해시켜 제거하는 것이 가능하다. 또한, 물의 적하량을 적게 하여 물을 종이의 뒤쪽까지 침투시키지 않도록 하면, 물을 적하한 라인을 따라 시트재를 외관상 얇게 할 수 있어, 그 부분에서 간단히 시트재 S를 접을 수 있게 된다. 따라서, 시트재 S에 접음선을 형성할 수 있다. 이 경우, 물러진 부분을 제거하면, 적하한 부분의 시트재 S를 얇게 할 수 있어, 보다 바람직하다.

또한, 시트재 S에, 제 2 실시 형태에서 설명한 바와 같이 수지 용액 등의 경화형 용액을 함침시키고, 함침 부분에 대하여 소정의 경화 처리를 실시하여, 함침 부분에 경화형 용액을 고착시켜 불용화할 수 있다. 혹은, 성형 후에 알칼리에 의해 처리함으로써 수용성이 부여된 시트재 S에 대해서는, pH2~3 정도의 산성 수용액(시트재 불용화액)을 함침시켜 함침 부분을 불용화할 수 있다.

(시트재 가공 장치)

다음으로, 시트재 가공 장치에 대하여 설명한다. 도 16은, 시트재 가공 장치의 개략 구성도이다. 이하, 시트재 가공 장치(31)에 대하여, 입체 조형 장치(1) 혹은 입체 조형 장치(21)와 같은 구성의 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

시트재 가공 장치(31)는, 장치 프레임 내의 시트재 반송 경로(32)를 따라 시트재 S를 반송하는 반송 기구(33)와, 이 반송 기구(33)에 의한 시트재 반송 경로(32)상의 적하 위치 A에 노즐면을 향해서 배치된 액적 토출 헤드(7)와, 액적 토출 헤드(7)를 탑재하고 있고, 적하 위치 A에서 시트재 반송 경로(32)를 횡단하는 방향으로 왕복 이동하는 헤드 캐리지(8) 및 그 구동 기구(9)와, 이들 각 기구를 제어하는 제어부(10) 등을 구비하고 있다.

반송 기구(33)는, 시트재 반송 경로(32)상의 적하 위치 A에 액적 토출 헤드(7)의 노즐면과 소정의 갭을 두고 대향 배치된 압반(34)과, 압반(34)의 반송 방향 상류측 및 반송 방향 하류측의 각 위치에 배치된 종이 전송 롤러쌍(35, 36)과, 종이 전송 롤러쌍(35, 36)을 구동하는 종이 전송 모터(37) 등을 구비하고 있다. 종이 전송 롤러쌍(35, 36)은, 이 종이 전송 모터(37)에 의해 동기하여 회전 구동되고, 장치 밖으로부터 공급된 시트재 S를 압반(34)상의 적하 위치 A를 통하여 시트재 반송 경로(32)상을 따라 한 방향으로 보내, 다시 장치 밖으로 배출한다.

또한, 시트재 가공 장치(31)는, 각종 용액이나 물 등을 봉입한 복수의 용액 팩이나 물 팩 등을 수용한 카트리지(11)를 장착하기 위한 카트리지 장착부(12)를 구비하고 있다. 카트리지(11)를 카트리지 장착부(12)에 장착함으로써, 액적 토출 헤드(7)의 노즐에 용액 팩이나 물 팩 내의 각 액체가 공급된다.

시트재 가공 장치(31)의 제어부(10)에는, 호스트 컴퓨터 등의 외부 장치(13) 로부터 인쇄 데이터나 가공 데이터가 입력된다. 제어부(10)는, 이들 인쇄 데이터나 가공 데이터에 근거하여 헤드 드라이버를 통해서 액적 토출 헤드(7)를 구동 제어함으로써, 인쇄 데이터나 가공 데이터에 있어서 지시된 타이밍에, 지시된 양의 용액이나 물을 액적 토출 헤드(7)의 노즐로부터 토출할 수 있다.

또한, 제어부(10)는, 모터 드라이버를 통해서 구동 기구(9)가 구비하는 캐리지 모터나 반송 기구(33)의 종이 전송 모터(37)를 구동 제어한다. 제어부(10)는, 시트재 반송 경로(32)의 소정 위치에 마련된 포토센서 등의 검출 수단으로부터의 검출 출력에 근거하여 외부로부터 공급된 시트재 S의 위치를 검출하고, 그 검출한 위치에 근거하여 종이 전송 모터(37)를 제어함으로써, 인쇄 데이터나 가공 데이터에 있어서 지시된 시트재 S상의 인쇄 위치나 가공 위치를, 액적 토출 헤드(7)에 의한 용액이나 물의 적하 위치 A에 위치 조정할 수 있다. 또한, 헤드 캐리지(8)에 탑재된 액적 토출 헤드(7)를 인쇄 데이터나 가공 데이터에 따라 시트재 S의 반송 동작에 연동시켜 이동시킴으로써, 시트재 S상의 인쇄 위치나 가공 위치에, 지시된 타이밍에 지시된 양만큼 용액이나 물을 적하 가능하게 할 수 있다.

또, 후술하는 열경화형 용액을 이용한 가공을 행하기 위해, 시트재 가공 장치(31)의 카트리지(11) 내의 용액 팩에 수지 용액 등의 열경화형 용액을 충전 가능하게 하고, 액적 토출 헤드(7)에 열경화형 용액을 토출하는 노즐을 마련함과 함께, 토출된 열경화형 용액이 침투한 시트재 S의 부분을 가열하여 고착시키는 감열 헤드를 추가한 구성으로 하더라도 좋다. 또한, 후술하는 시트재 S를 반전시켜 절단하는 가공을 행하기 위해, 반송 기구(33)에 양면 인쇄용 프린터와 같은 반전 기구를 추가하여 시트재 S를 반전 가능하게 하더라도 좋다. 또한, 물을 적하하여 물러진 시트재 S가 반송 중에 파손되는 것을 방지하기 위해, 반송 트레이 위에 시트재 S를 실어 반송 트레이째 시트재 반송 경로(32)상을 반송하도록 반송 기구(33)를 구성하더라도 좋다.

또, 열경화형 용액 외에, 상온 경화형(속건성) 용액, 자외선(UV) 경화형 용액, 전자선(EB) 경화형 용액이라도 마찬가지로 적응 가능하다. 각각을 토출한 후, 특성에 맞는 경화 처리를 실시하여 고착하면 좋다.

(시트재의 가공 방법)

다음으로, 상기 구성의 시트재 가공 장치(31)에 의한 시트재 S의 가공 방법에 대하여 설명한다. 우선, 시트재 S로부터 소정 형상의 모델 Sm을 오려 내는 절단 가공을 행하는 경우에 대하여 설명한다. 도 17(a)는 시트재 S의 평면도, 도 17(b)는 시트재 S의 단면도(도 17(a)의 X-X 단면도)이다. 도 17(a)에 나타내는 절단선 Lc는 모델 Sm의 윤곽선이다. 우선, 외부 장치(13)에 있어서 모델 Sm에 대응하는 절단선 Lc의 형상 및 배치를 포함하는 가공 데이터를 생성하여, 시트재 가공 장치(31)에 출력한다. 제어부(10)는, 외부 장치(13)로부터 입력된 가공 데이터를 해석하여 절단선 Lc의 형상 및 배치를 화상 데이터로 전개하여, 버퍼에 저장한다.

다음으로, 제어부(10)는, 시트재 S상의 절단선 Lc에 대응하는 부분을 적하 위치 A에 위치 조정한다. 그리고, 액적 토출 헤드(7)의 구동 기구(9) 및 반송 기구(33)를 구동 제어하여 절단선 Lc를 따라 액적 토출 헤드(7)의 물 토출용 노즐을 이동시키면서, 이 노즐로부터 미량의 물(시트재 용해액)의 액적을 적하한다. 이에 따라, 절단선 Lc의 위치에 선 형상으로 물이 적하되어, 도 17(b)에 나타내는 바와 같이, 절단선 Lc의 위치에 물의 침투 부분 B가 형성된다. 여기서, 절단 가공을 행하는 경우에는, 침투 부분 B가 시트재 S를 관통하는 정도의 양이 되도록, 물의 적하량을 조정한다.

절단선 Lc로의 물의 적하가 완료되면, 반송 기구(33)에 의해 시트재 S를 시트재 가공 장치(31)로부터 배출한다. 배출 후의 시트재 S는, 절단선 Lc의 부분(침투 부분 B)이 수용성 바인더만 용해되어 뿔뿔이 흩어진 펄프 섬유만으로 이어진 상태가 되어 있어, 손으로 잡아당기는 것만으로 절단선 Lc를 경계로 시트재 S를 분단 가능한 정도까지 물러져 있다. 따라서, 잡아당기는 힘 등에 의해 펄프 섬유를 분리시키는 것만으로, 절단선 Lc를 따라 모델 Sm을 오려 낼 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 시트재 용해액인 물을 액적 토출 헤드(7)에 의해 적하함으로써, 적하 부분을 용해하여 물러지게 하여 시트재 S를 절단 가능하게 하고 있다. 따라서, 커터 등의 날붙이를 이용하는 일 없이, 안전하고 빠르게 시트재 S의 절단 가공을 행할 수 있다. 또한, 가공시에 커터의 날을 방향 전환시키면서 주사할 필요가 없으므로, 가공 시간이 짧게 끝난다. 또한, 본 실시 형태의 시트재 가공 장치(31)의 액적 토출 헤드(7) 및 그 구동 기구(9)는, 종래의 커팅 기구에 비하여 간소하고 소형의 구성으로 할 수 있으므로, 장치의 간소화 및 소형화가 가능하다.

(정밀 가공 방법)

이 시트재의 가공 방법에 있어서는, 제 1 실시 형태에서 설명한 3개의 정밀 가공 방법, 즉, (1) 물의 적하 제어에 의한 정밀 가공 방법, (2) 전처리에 의한 정밀 가공 방법, (3) 열경화형 용액에 의한 정밀 가공 방법의 각 방법을 적용할 수 있다. 이들 방법은, 후술하는 절취선 형성 가공이나 접음선 형성 가공에 있어서, 정밀한 접음선을 형성할 때에도 적용 가능하다. 또한, 시트재 S를 오려 내는 가공을 행하는 경우에는, 이하의 (4)에 설명하는 바와 같이, 시트재 S를 불용화시키는 액체를 적하하는 방법도 적용 가능하다.

(4) 불용화액에 의한 정밀 가공 방법

이 방법에서는, 상기 (2)의 전처리에 의한 정밀 가공 방법에 있어서의 전처리액으로서, 수용지인 시트재 S를 불용화시키는 불용화액을 이용한다. 예컨대, 시트재 S로서, 성형 후에 알칼리로 처리함으로써 물에 녹기 쉽게 하는 가공을 행한 알칼리지를 이용하는 경우에는, 불용화액으로서, pH2~3 정도의 산성 수용액을 이용한다. 이에 따라, 산성 수용액의 침투 부분을 불용화하여, 물에 의한 용해를 확실히 방지할 수 있다. 따라서, 녹이고 싶지 않은 부분을 미리 불용화시킴으로써, 시트재 S를 정밀한 형상으로 가공할 수 있다.

(절취선 형성 가공)

다음으로, 시트재 S에 절취선 형상의 절단부를 형성하는 경우에 대하여 설명한다. 도 18(a)~도 18(d)에 절취선 형상의 절단부의 형성 공정을 나타낸다. 절취선 형상의 절단부를 형성하는 경우에는, 물의 적하를 도 18(a)~도 18(b)와, 도 18(c) 및 도 18(d)와 같은 두 공정으로 나눠 행한다. 우선, 도 18(a) 및 도 18(b)에 나타내는 제 1 공정에서는, 절취선을 형성해야할 절단선을 따라 연속한 선 형상 으로 물을 적하한다. 이때, 절단선상의 각 위치에 있어서의 물의 적하량을, 시트재 S로의 침투 부분 B의 깊이가 시트재 S의 두께의 반 정도가 되도록 제어한다. 그리고, 도 18(c) 및 도 18(d)에 나타내는 제 2 공정에서는, 절취선의 형상을 따라 소정의 간격으로 소정의 길이씩 점선 형상으로 물을 적하하여, 시트재 S를 관통하는 침투 부분 B가 소정의 간격으로 점선 형상으로 형성되도록 한다. 이에 따라, 시트재 S에 절취선 형상의 절단부가 형성된다.

(접음선 형성 가공)

다음으로, 시트재 S에 접음선을 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 절취선 가공에 있어서의 상기 제 1 공정과 같은 공정에 의해, 시트재 S에 접음선을 작성하는 것이 가능하다. 도 19(a)는 접음선 형성 가공을 행하는 시트재의 평면도, 도 19(b)는 그 단면도(도 19(a)의 Y-Y 단면도)이다. 이 시트재 S에는, 절단선 Lc를 가하여 접음선 Lf가 설정되어 있다. 이 방법에서는, 접음선 Lf를 따라 도 18(a) 및 도 18(b)에 나타낸 제 1 공정과 마찬가지로 소정 깊이의 침투 부분 B를 형성하고, 이에 따라, 접음선 Lf의 부분의 두께를 다른 부분보다 얇게 한다. 이에 따라, 접음선 Lf의 부분에서 시트재 S를 접는 것이 용이해진다.

(두꺼운 시트재의 절단 방법)

도 20은 두꺼운 시트재의 절단 방법의 설명도이다. 시트재 S가 두꺼운 경우에는, 물이 좀처럼 이면측까지 침투하지 않고, 면 방향으로 퍼져버려 정밀한 가공이 어렵다. 또한, 물을 이면측까지 침투시키는데 시간이 걸려, 가공에 손이 많이 간다. 그래서, 두꺼운 시트재 S를 절단하는 경우에는, 도 20(a) 및 도 20(b)에 나 타내는 바와 같이, 우선 시트재 S의 표면측으로부터 절단선 Lc상에 물을 적하하여, 소정의 깊이까지 침투시킨다. 계속해서, 시트재 S를 반전시켜 절단선 Lc를 다시 적하 위치 A에 위치 조정하여, 도 20(c) 및 도 20(d)에 나타내는 바와 같이, 절단선 Lc의 위치에 이면측으로부터 물을 적하한다. 이에 따라, 표면측으로부터의 물의 침투 부분 B와 이면측으로부터의 물의 침투 부분 B가 이어져, 시트재 S를 절단할 수 있다.

(인쇄 공정을 포함하는 시트재의 가공 방법)

상기 설명한 각 가공 방법은, 시트재 S로의 인쇄 공정과 연동시켜 하나의 장치로 행할 수 있다. 이 경우에는, 시트재 가공 장치(31)의 카트리지(11)에 인쇄용 잉크를 봉입한 잉크 팩을 세팅함으로써, 액적 토출 헤드(7)의 노즐에 인쇄용 잉크를 공급한다. 이에 따라, 액적 토출 헤드(7)에 의해 시트재 S에 인쇄를 행하는 것이 가능해진다.

외부 장치(13)는, 상기 가공 데이터와 함께 인쇄 데이터를 생성하여, 시트재 가공 장치(31)에 출력한다. 제어부(10)는, 외부 장치(13)로부터 입력된 가공 데이터 및 인쇄 데이터를 해석하여 절단선 Lc의 형상 및 배치, 및, 인쇄 내용을 화상 데이터로 전개하여, 버퍼에 저장한다. 그리고, 인쇄 데이터에 근거한 시트재 S로의 인쇄 공정을, 시트재 용해액으로서의 물의 적하 공정, 혹은, 전처리액의 적하 공정에 앞서 행한다. 인쇄 완료 후, 시트재 S의 절단선 Lc를 적하 위치 A에 위치 조정하여, 전처리액이나 물 등을 적하하여 절단 가공 혹은 접음선 형성 가공을 행한다.

이와 같이 하면, 인쇄와 절단 혹은 접음선 형성 가공을 동일 장치로 행할 수 있어, 사용하는 기구를 공통화할 수 있다. 따라서, 적은 기재로 인쇄와 절단 가공 혹은 접음선 형성 가공을 행할 수 있다. 또한, 시트재 S를 다시 세팅하거나 다시 위치 조정하는 등의 공정이나, 그를 위한 크롭 마스크 판독 등의 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 단시간에 인쇄와 절단 가공 혹은 접음선 형성 가공을 완료시킬 수 있다.

또, 시트재 S로의 인쇄용 잉크와 물의 적하 혹은 전처리액의 적하를 동시 진행으로 행함으로써, 가공 시간을 더 단축시키는 것도 가능하다. 또한, 상기 각 방법에 있어서는 공통의 액적 토출 헤드(7)를 이용하여 인쇄와 가공을 행했지만, 인쇄용 액적 토출 헤드와 가공용 액적 토출 헤드를 분리하더라도 좋다. 또한, 물의 적하용과 전처리액의 적하용 액적 토출 헤드를 분리하더라도 좋다.

(응용)

제 3 실시 형태의 시트재 가공 장치(31) 및 시트재의 가공 방법은, 이와 같이, 인쇄와 절단 혹은 접음선 형성 가공을 1대의 장치로 한 번에 행할 수 있으므로, 페이퍼크래프트 작성이나 라벨, 스티커 등의 작성에 편리하다. 또한, 재료가 되는 수용지에 광촉매 기능이나 유해 물질 흡착 기능 등을 갖게 하거나, 소취제, 방향제 등을 첨가함으로써, 공기 청정 기능이나 소취, 방향 기능을 갖는 페이퍼크래프트 등의 종이 제품을 작성할 수 있다.

페이퍼크래프트 작성을 위한 가공에 있어서는, 시트재 S의 절단부의 단부면이 완성품의 페이퍼크래프트의 외부로부터 보이는 부위에 이용되는 경우가 있다. 그래서, 이러한 절단부를 따라 인쇄를 행하는 경우에는, 인쇄용 잉크를 시트재 S의 뒤쪽까지 침투시키도록 그 절단부로의 인쇄용 잉크의 적하량을 제어하면 좋다. 이에 따라, 절단부의 단부면 전면이 잉크로 착색된 상태가 되므로, 페이퍼크래프트의 완성품의 외관을 향상시킬 수 있다. 또한, 적하량을 뒤쪽까지 침투시키는데 필요한 양으로 제어하면, 인쇄용 잉크를 필요 이상으로 많이 소비하지 않도록 할 수 있다.

또한, 제 3 실시 형태의 시트재 가공 장치(31) 및 시트재의 가공 방법에 의하면, 전분이나 젤라틴 등의 물에 녹는 식용 재료를 시트재로서 이용하고, 이 시트재를 식용 용액 등을 이용하여 착색하여 물로 절단함으로써, 종래에는 작성할 수 없던 정밀한 식품 장식을, 인체에 무해하고 폐기도 용이한 재료로 작성할 수 있다.

상기 각 실시 형태에 있어서는, 수용지와 물(시트재 용해액), 산성 수용액(시트재 불용화액) 착색용 용액이나 경화형 용액 등의 전처리액, 등의 조합을 전제로 예시했지만, 시트를 용해시키는 용해액, 용해액을 침투 제한 또는 시트를 불용화/강화하는 전처리액은 그 외에도 있고 이것에 한정되지 않는다. 또한, 시트의 절단은, 본 실시 형태의 절단과 가공의 기술을 복수로 조합함으로써 실현하는 것도 가능하다.

도 1은, 본 발명을 적용한 제 1 실시 형태의 입체 조형 장치의 개략 구성도,

도 2(a)는, 시트재의 적층체에 있어서의 각 층의 평면도,

도 2(b)는, 도 2(a)의 적층체의 단면도,

도 3(a)~도 3(f)는, 시트재의 적층 공정의 설명도,

도 4(a)~도 4(d)는, 물의 토출 제어에 의한 정밀 가공 방법의 설명도,

도 5(a)~도 5(c)는, 전처리에 의한 정밀 가공 방법의 설명도,

도 6(a)는, 전처리액을 토출한 후에 물을 토출한 적층체의 각 층의 평면도,

도 6(b)는, 도 6(a)의 적층체의 단면도,

도 7(a)~도 7(c)는, 전처리에 의한 정밀 가공 방법의 설명도,

도 8(a)~도 8(d)는, 열경화형 용액에 의한 정밀 가공 방법의 설명도,

도 9(a)~도 9(d)는, 열경화형 용액에 의한 정밀 가공 방법의 설명도,

도 10(a)~도 10(d)는, 착색 공정을 포함하는 시트재의 적층 공정의 설명도,

도 11(a)는, 내부까지 착색한 적층체에 있어서의 각 층의 평면도,

도 11(b)는, 도 11(a)의 적층체의 단면도,

도 12는, 본 발명을 적용한 제 2 실시 형태의 입체 조형 장치의 개략 구성도,

도 13(a)는, 시트재의 적층체에 있어서의 각 층의 평면도,

도 13(b)는, 도 13(a)의 적층체의 단면도,

도 14(a)~도 14(e)는, 제 2 실시 형태의 입체 조형 방법의 설명도,

도 15는, 중공부를 갖는 입체 모델을 작성하기 위한 적층체의 단면도,

도 16은, 본 발명을 적용한 제 3 실시 형태의 시트재 가공 장치의 개략 구성도,

도 17(a)는, 시트재의 평면도,

도 17(b)는, 도 17(a)의 시트재의 단면도(도 17(a)의 X-X 단면도),

도 18(a)~도 18(d)는, 절취선 형상의 절단부를 형성하는 공정의 설명도,

도 19(a)는, 접음선 가공을 행하는 시트재의 평면도,

도 19(b)는, 도 19(a)의 시트재의 단면도(도 19(b)의 Y-Y 단면도),

도 20(a)~도 20(d)는, 두꺼운 시트재의 절단 방법의 설명도이다.

Claims (20)

1. 시트재(sheet material)를 적층하여 입체 모델을 형성하는 입체 조형 방법(three-dimensional shaping method)으로서,

   상기 시트재를 적층하고, 상기 입체 모델의 윤곽선을 따라 액적 토출 헤드를 이용하여 시트재 용해액을 토출하여, 상기 윤곽선을 따라 상기 시트재를 절단 가능 또는 분리 가능하게 하는 공정을 포함하는

   입체 조형 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 시트재를 적층하고, 상기 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역의 적어도 일부에 액적 토출 헤드를 이용하여 상기 시트재 용해액 또는 접착제를 토출하여, 그 토출 위치에 적층되는 다음 층의 시트재와 접착 가능하게 하는 공정, 또는, 상기 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역의 적어도 일부를 가열하여, 아래층의 시트재와 접착하는 공정을 포함하는 입체 조형 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   착색 대상의 시트재를 적층한 후, 상기 시트재 용해액의 토출에 이용하는 액 적 토출 헤드 또는 별도의 액적 토출 헤드를 이용하여 착색용 용액을 토출하는 공정을 포함하는 입체 조형 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 윤곽선을 따라 토출되는 상기 착색용 용액의 토출량을, 상기 시트재를 관통하는 깊이까지 침투시키는 양으로 설정하는 입체 조형 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 선행하여, 상기 윤곽선을 따라 액적 토출 헤드를 이용하여 전처리액을 토출하는 공정을 포함하고,

   상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 있어서, 상기 시트재에 있어서의 상기 전처리액이 침투한 영역과 침투하지 않고 있는 영역의 경계 근방에 상기 시트재 용해액을 토출하는

   입체 조형 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 시트재는 수용성 바인더를 함유하고 있는 것이고,

   상기 시트재 용해액은 물 또는 수용성 용액인

   입체 조형 방법.
7. 액적 토출 헤드와,

   시트재를 반송하여 적층시키는 시트재 반송 기구와,

   입체 모델의 형상 데이터에 근거하여 제어하는 제어부

   를 갖고,

   상기 제어부는, 상기 형상 데이터에 근거하여 상기 액적 토출 헤드 및 상기 시트재 반송 기구를 제어함으로써, 청구항 1에 기재된 입체 조형 방법에 의해 상기 입체 모델을 형성하는 것

   을 특징으로 하는 입체 조형 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   착색용 용액을 토출하는 액적 토출 헤드를 갖고,

   상기 착색용 용액을 토출하는 액적 토출 헤드는, 시트재 용해액을 토출하는 액적 토출 헤드와 동일 혹은 별도의 액적 토출 헤드이며,

   상기 제어부는, 상기 입체 모델의 착색 데이터에 근거하여 상기 착색용 용액을 토출하는 액적 토출 헤드를 제어함으로써, 착색 대상의 시트재의 착색 부위에, 상기 착색용 용액을 토출하는

   입체 조형 장치.
9. 시트재를 적층하여 입체 모델을 형성하는 입체 조형 방법으로서,

   상기 시트재를 적층하고, 상기 시트재에 있어서의 상기 입체 모델의 단면 영역에 액적 토출 헤드를 이용하여 시트재 불용화액을 토출하는 공정과,

   상기 시트재에 있어서의 불용화되어 있지 않은 부분을 시트재 용해액에 의해 용해시키는 공정

   을 포함하는 입체 조형 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 시트재 불용화액은 경화형 용액인 입체 조형 방법.
11. 액적 토출 헤드와,

    상기 액적 토출 헤드에 대향하고 있는 토출 위치에 시트재를 반송하여 적층시키는 시트재 반송 기구와,

    시트재 용해액을 공급 혹은 저류하는 시트재 용해부와,

    입체 모델의 형상 데이터가 입력되는 제어부

    를 갖고,

    상기 제어부는, 상기 형상 데이터에 근거하여 상기 액적 토출 헤드 및 상기 시트재 반송 기구를 제어함으로써, 청구항 9에 기재된 입체 조형 방법에 의해 상기 입체 모델을 형성하는 것

    을 특징으로 하는 입체 조형 장치.
12. 액적 토출 헤드를 이용하여, 가공 대상의 시트재를 용해 혹은 무르게 하는(embrittle) 시트재 용해액을 상기 시트재의 절단선 또는 접음선(folding line)을 따라 토출하고, 그 토출한 시트재 용해액의 침투에 의해, 상기 절단선 또는 상기 접음선을 따라 상기 시트재를 절단 가능 혹은 접음 가능하게 하는 시트재의 가공 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 액적 토출 헤드를 이용하여, 상기 시트재 용해액을 상기 시트재의 소정 위치의 부분에 소정의 시간 간격으로 소정의 토출량씩 소정 횟수 토출하고,

    상기 시간 간격, 상기 토출량, 및 토출 횟수를, 상기 시트재의 면 방향과 두께 방향 중 어느 한쪽 또는 양쪽으로의 상기 시트재 용해액의 침투 범위가 미리 설 정한 범위로 되도록 설정하는

    시트재의 가공 방법.
14. 제 12 항에 있어서,

    전처리액을 상기 절단선 또는 상기 접음선의 양측에 토출하여, 상기 절단선 또는 상기 접음선의 선폭의 간격만큼 떨어진 평행한 2개의 선 형상의 전처리액 침투 영역을 형성하고,

    상기 2개의 선 형상의 전처리액 침투 영역 사이에 끼워지는 상기 전처리액이 침투하지 않고 있는 영역에 상기 시트재 용해액을 토출하는

    시트재의 가공 방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 전처리액은 경화성 잉크이며,

    상기 시트재 용해액을 토출하는 공정에 선행하여, 상기 시트재에 있어서의 상기 경화성 잉크가 침투하고 있는 부분을 경화 처리하여 상기 경화성 잉크를 고착시키는 공정을 포함하는

    시트재의 가공 방법.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 시트재는 수용성 바인더를 함유하고 있는 알칼리성이며,

    상기 시트재 용해액은 물 또는 수용성 용액이며,

    상기 전처리액은, 상기 알칼리성의 시트재를 불용화시키는 산성 수용액인

    시트재의 가공 방법.
17. 제 12 항에 있어서,

    상기 시트재를 반전시킴으로써, 상기 절단선을 따라 상기 시트재의 표면측과 이면측에 각각 상기 시트재 용해액을 토출하는 시트재의 가공 방법.
18. 제 12 항에 있어서,

    상기 절단선을 따라 상기 시트재를 관통하지 않는 깊이로 상기 시트재 용해액을 침투시켜 선 형상의 침투 영역을 형성한 후에, 그 선 형상의 침투 영역의 위에 상기 시트재 용해액을 더 토출하여 그 토출 위치의 시트재를 관통하는 깊이까지 침투시킨 침투 영역을, 상기 절단선을 따라 소정의 피치로 형성하는 시트재의 가공 방법.
19. 액적 토출 헤드와,

    상기 액적 토출 헤드에 대향하고 있는 토출 위치에 시트재를 반송 가능한 시트재 반송 기구와,

    상기 시트재의 절단선 또는 접음선을 나타내는 가공 데이터가 입력되는 제어부

    를 갖고,

    상기 제어부는, 상기 가공 데이터에 근거하여 상기 액적 토출 헤드 및 상기 시트재 반송 기구를 제어함으로써, 청구항 12에 기재된 시트재의 가공 방법에 의해 상기 시트재를 절단 가능 혹은 접음 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 시트재 가공 장치.
20. 제 19 항에 있어서,

    인쇄용 잉크를 토출하는 액적 토출 헤드를 갖고,

    상기 인쇄용 잉크를 토출하는 액적 토출 헤드는, 상기 시트재 용해액을 토출하는 액적 토출 헤드와 동일 혹은 별도의 액적 토출 헤드이며,

    상기 제어부에는 인쇄 데이터가 입력되고,

    상기 제어부는, 상기 인쇄 데이터에 근거하여 상기 인쇄용 잉크를 토출하는 액적 토출 헤드를 제어함으로써, 상기 인쇄 데이터에 근거한 상기 시트재로의 인쇄 를 행하는 시트재 가공 장치.

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