KR20120100966A - 입체 조형물의 조형 방법 및 조형 장치 - Google Patents

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Abstract

액체로 입체 조형물을 조형한다. 액체를 토출하는 액체 토출부의 노즐로부터 액적을 대상물에 토출하여 입체 조형물을 조형하는 입체 조형물의 조형 방법에 있어서, 액체에, 적어도 물과, 물에 용해 또는 분산하는 착색제를 함유시키고, 액체가 단독의 액적으로서 비상했을 때의 체적으로부터, 이상적인 진구로서 근사했을 때의 비표면적이, 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하이며, 이 비표면적을 갖는 액적을 대상물 위에 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 토출한다.

Description

입체 조형물의 조형 방법 및 조형 장치{METHOD FOR FORMATION OF THREE-DIMENSIONAL SHAPED ARTICLE AND DEVICE FOR FORMATION THEREOF}
본 발명은 물과 착색제를 함유하는 액체를 이용하여, 입체 조형물을 조형하는 조형 방법 및 조형 장치에 관한 것이다.
잉크젯 기록 방식은, 잉크 액적을 형성하고, 그들 일부 또는 전부를 피기록재에 부착시켜서 기록을 행한다. 최근 들어, 잉크젯 기록 방식은, 폭넓은 분야에서 사용되며, 두께를 갖는 구조체나 삼차원 형상물의 조형에도 이용되고 있다. 그 중에서도, 직접, 조형 재료를 토출하여 삼차원 형상물을 조형하는 다이렉트 조형 방법은, 조형에 기여하지 않는 여분의 재료를 잉크로부터 없애거나, 적게 하는 것이 가능하다.
이러한 다이렉트 조형 방법으로는, 예를 들면 특허문헌 1 내지 4에 개시되어 있는 방법이 있다. 특허문헌 1에서는, 절연체인 기판의 표면에 부착된 동박 등의 도전체의 표면에, 잉크젯 헤드로부터 레지스트 잉크를 토출하고, 전극 배선 패턴에 대응하는 레지스트 패턴을 묘화함으로써, 배선 기판의 제작을 생략하는 방법이 제안되고 있다.
특허문헌 2에서는, 발포재와 열가소성 수지를 함유하는 잉크를 이용하여, 입체 이미지를 형성하는 것이 제안되고 있다.
특허문헌 3이나 특허문헌 4에서는, 잉크젯 헤드를 이용하여 광경화성 수지를 분출하여 조형하는 방법이 제안되고 있다.
특허문헌 1 내지 특허문헌 3에 기재되어 있는 삼차원 형상물은, 수용성, 비수용성에 의하지 않고, 물에 용해 또는 재분산하지 않는 것이다. 이는, 잉크젯 방식이 액체를 토출하기 위한 기술이기 때문에, 고체의 조형물을 얻기 위해, 경화 처리를 실시할 필요가 있는데 기인하는 것이다.
특허문헌 1 내지 특허문헌 3에 기재되어 있는 다이렉트 조형 방법으로 지금까지 이용되어 온 경화 처리는, 물에 용해 또는 분산하지 않은 처리이다. 이 때문에, 경화 처리 후의 조형물은, 물에 용해 또는 분산하지 않기 때문에, 조형물을 원래의 상태로 되돌릴 수 없어, 대부분의 경우 불가역적이다.
그런데, 일반적인 잉크젯 기록 방식에서의 문제점 중 하나로서, 폐잉크 흡수체에 석순/종유석(stalagmites/stalactites) 형상의 잉크 퇴적이 발생하는 경우가 알려져 있다. 이들 퇴적물을 회피하는 방법에 대하여 특허문헌 5 및 특허문헌 6에서는, 폐기 잉크 탱크나 흡수체에 대한 개량이 제안되고 있다. 잉크 퇴적이 발생하는 원인으로서, 특허문헌 5에는 응집하기 쉬운 색재나 잉크 조성의 경우에, 퇴적물이 생기기 쉬운 것이 기재되어 있다. 특허문헌 6에는, 서로 다른 2종류의 잉크가 혼합함으로써 퇴적물이 생기는 것이 기재되어 있다.
또한, 비특허문헌 1에서는, 정전력을 이용한 잉크젯 기록 기술의 일례로서, 1㎑에서 동일 위치에 액적을 계속 토출함으로써 잉크 방울 착탄 위치에 색재의 기둥이 성장하는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 5, 특허문헌 6, 비특허문헌 1의 기재로부터, 특정한 요건을 충족시키면, 강도적으로 충분한 강도를 갖는 색재로 이루어지는 구조물을 얻을 수 있다고 할 수 있다.
색재로 이루어지는 구조물을 얻는 것은, 폐액으로서 농축되거나, 또는 정전력을 이용한 잉크젯 헤드에서 보이는 노즐 선단에서, 토출되기 전에 잉크가 농축 됨으로써, 현저하게 색재의 농도가 높아진 경우에 한정된다.
그러나, 일반적으로, 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 이러한 색재 농도가 높은 잉크를 이용하면, 잉크의 점도가 너무 높기 때문에 잉크를 토출할 수 없다.
특허문헌 7에서는, 토출 시에 잉크를 농축시키지 않고, 토출된 후, 기재 위에서 겔화시키고, 이를 적층함으로써 기둥 형상의 구조물을 얻는 조형 방법이 제안되고 있다. 이 조형 방법은, 잉크에 겔화제를 첨가함으로써, 증점에 의한 토출 불량을 피하면서, UV 경화 등의 경화 방법을 이용하지 않는 입체 조형 방법이다.
상술한 특허문헌 및 비특허문헌은, 상술한 잉크젯 방식을 이용하여 삼차원의 입체 구조물을 형성하는 것인데, 각각 이하에 설명하는 문제점을 갖는다. 즉, 특허문헌 1 내지 4에 개시되어 있는 방법으로는, 모두 얻어지는 입체 구조물은 물에 용해할 수 없다. 또한, 특허문헌 1 내지 4에 개시되어 있는 방법으로는, 열 또는 광에 의해 경화시키는 공정이 들어가므로, 조형에 시간이 걸리는 데다가, 장치도 대형화하지 않을 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 이와 같이 종래 알려져 있는 잉크젯 방식을 이용하는 입체 구조물의 조형 방법으로는, 상업적으로 이용 가능한 안정성을 갖는 잉크젯 방식에 의한 입체 구조물의 형성은 곤란하였다. 특히, 물에 용해 가능한 입체 구조물을 얻는 것은 불가능하였다.
비특허문헌 1에서는, 농축시킨 잉크 방울을 연속적으로 착탄시킴으로써, 색재의 기둥을 형성할 수 있는 것이 기재되어 있다. 그러나, 비특허문헌 1에는, 잉크 방울의 토출을 제어하는 제어 방법에 대해서는 전혀 기재되어 있지 않으며, 얻어진 구조물도 변형된 원기둥밖에 없다. 즉, 이 비특허문헌 1에 기재되어 있는 방법으로는, 단순히 기재에 대해 수직인 색재의 기둥을 형성할 수 있는 것을 나타낸 것에 지나지 않는다.
특허문헌 7에서는, 적층시키는 액적에 겔화제가 첨가되어 있다. 특허문헌 7에 기재된 조형 방법으로는, 토출 중이나 착탄 후에 액적을 건조시키고, 겔화를 일으키게 하기 위해서, 액적에 겔화제를 첨가할 필요가 있다. 또한, 특허문헌 7에서는, 겔화제나 수지를 첨가함으로써 점성을 주는 것이 기재되어 있지만, 토출되는 액적의 비표면적이나 토출 주파수에 대하여 전혀 기재되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 7에서는 토출되는 액 조성물은 액적의 상태가 아니고, 기둥 형상으로 토출되는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 8에서는, 일반적인 잉크젯 기술에 의한 액적의 토출 방법에 대하여 착탄물의 비표면적을 0.6 이상으로 하고 있지만, 단위가 기재되어 있지 않다. 가령 단위가 ㎥/g라 하여도, 액적이 매우 작고, 착탄 위치를 정확하게 맞추는 것이 곤란하여, 입체 구조를 조형하는 것은 곤란하다.
특허문헌 1 : 특허 제3353928호 특허문헌 2 : 특허 제3385854호 특허문헌 3 : 특허 제2697136호 특허문헌 4 : 특허 제2738017호 특허문헌 5 : 일본 특허 공개 제2009-12457호 공보 특허문헌 6 : 특허 제4121705호 특허문헌 7 : 일본 특허 공개 제2004-324755 공보 특허문헌 8 : 일본 특허 공개 제2005-59301호 공보
비특허문헌 1 : 일본 화상 학회지, Vol.40.N0.1(2001).pp.40-47 무라카미 외 : 「정전력을 이용한 초고정밀 잉크젯 기록 기술의 개발」
따라서, 본 발명은 액체를 액적의 상태에서 대상물에 토출함으로써, 대상물 위에 입체 조형물을 안정적이며 고속으로 조형할 수 있는 입체 조형물의 조형 방법 및 이 조형 방법에 이용되는 조형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 입체 조형물의 조형 방법은, 액체를 토출하는 액체 토출부의 노즐로부터 액적을 대상물에 토출하여 입체 조형물을 조형하는 입체 조형물의 조형 방법으로서, 액체는, 물과, 상기 물에 용해 또는 분산하는 착색제를 함유하고, 상기 액체가 단독의 액적으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 당해 액적의 질량당 비표면적이 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하인 액적을, 대상물 위에 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 토출하고, 액적을 적층함으로써, 액적의 토출축과 동일 방향으로 신장되는 입체 조형물을 조형한다.
상술한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 조형 장치는, 액체의 액적을 토출하는 노즐을 갖는 액체 토출부와, 액적이 착탄하는 대상물이 적재되는 조형 스테이지와, 액체 토출부 및/또는 조형 스테이지를 액적의 토출축과 동일 방향인 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동부를 갖고, 액체 토출부는, 물과, 물에 용해 또는 분산하는 착색제를 함유한 액체가 단독의 액적으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 당해 액적의 질량당 비표면적이, 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하인 액적을 대상물 위에 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 토출하고, 액적을 적층하면서, Z축 이동부에서 액체 토출부 및/또는 조형 스테이지를 Z축 방향으로 이동시킴으로써, Z축 방향으로 신장되는 입체 조형물을 조형하는 장치이다.
본 발명에서는, 액체에 적어도 물과, 물에 용해 또는 분산하는 착색제를 함유시킨다. 본 발명에서는, 액체가 단독의 액적으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 당해 액적의 질량당 비표면적이 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하가 되도록 하여, 이 액적을 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 토출함으로써, 액체의 토출축 방향으로 액적이 적층하여, 입체 구조를 조형할 수 있다.
도 1은 본 발명을 적용한 입체 조형물의 조형 방법에 이용되는 조형 장치의 사시도이다.
도 2의 (A)는 동일 액체 토출 장치의 액체 토출 헤드의 평면도이며, 도 2의 (B)는 도 2의 (A) 중 선분 A-A에 있어서의 단면도이다.
도 3의 (A)는 액적을 토출하여, 입체 조형물을 조형하고 있는 부분의 개략도이며, 도 3의 (B)는 입체 조형물의 개략도이다.
도 4의 (A)는 조형 개시로부터 0.5초 후의 입체 조형물, 도 4의 (B)는 조형 개시로부터 1초 후의 입체 조형물, 도 4의 (C)는 조형 개시로부터 5초 후의 입체 조형물의 개략도이다.
도 5의 (A)는 액적의 비표면적이 0.2㎥/g인 입체 조형물, 도 4의 (B)는 액적의 비표면적이 0.5㎥/g인 입체 조형물의 개략도이다.
도 6의 (A)는 Z축 방향으로 신장되는 대략 원기둥 형상의 입체 조형물, 도 6의 (B)는 경사 방향으로 성장시킨 입체 조형물의 개략도이다.
도 7의 (A)는 Z축 방향으로 신장되는 기둥을 형성한 상태를 나타내고, 도 7의 (B)는 1개의 기둥을 경사 방향으로 성장시킨 상태를 나타내고, 도 7의 (C)는 인접하는 기둥을 경사 방향으로 성장시킨 상태를 나타내고, 도 7의 (D)는 인접하는 기둥끼리를 가교한 상태를 나타내고, 도 7의 (E)는 모든 기둥을 가교한 상태를 도시하는 개략도이다.
이하, 본 발명을 적용한 입체 조형물의 제조 방법 및 입체 조형물을 조형하는 조형 장치에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 설명은, 이하의 순서로 행한다.
1.입체 조형물을 조형하는 조형 장치
(1) 액체 토출부
(2) 조형 스테이지
(3) Z축 이동부
(4) X축 이동부
(5) Y축 이동부
2. 입체 조형물의 조형 방법
(1) 액체
(2) 조형 방법
1. 입체 조형물을 조형하는 조형 장치
조형 장치(1)를 도 1 및 도 2에 도시한다. 조형 장치(1)는 지지대(2)와, 액체(3)를 토출하는 액체 토출부(4)와, 이 액체 토출부(4)의 액체(3)가 토출되는 면(4a)과 대향하여 설치되고, 액체 토출부(4)로부터 토출된 액적(3a)이 착탄하는 대상물(5)이 적재되는 조형 스테이지(6)를 갖는다. 또한, 조형 장치(1)에는 액체 토출부(4)로부터 대상물(5)을 향하여 액적(3a)이 토출되는 방향의 액적(3a)의 토출축 방향, 여기에서는 Z축 방향으로 액체 토출부(4)를 이동시키는 Z축 이동부(7)를 갖는다. 또한, 조형 장치(1)는, 조형 스테이지(6)를 Z축 방향과 대략 직교하는 면 내의 X축 방향으로 이동시키는 X축 이동부(8)와, Y축 방향으로 이동시키는 Y축 이동부(9)를 갖는다. 또한, 이 조형 장치(1)는 액체(3)가 수용된 액체 탱크(10)를 장착 가능하게 구비하고, 액체 탱크(10)로부터 액체 공급부(11)를 통하여 액체 토출 헤드(4)로 액체(3)가 공급 가능하게 되어 있다. 이 조형 장치(1)는 액체 토출부(4)가 액적(3a)을 토출하여, 도 3에 도시한 바와 같은 액적(3a)의 토출축 방향인 Z축 방향으로 신장되는 기둥 형상의 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다.
(1) 액체 토출부
액체 토출부(4)는 후술하는 액체(3)를 보통지나 광택용지, 기판 등의 대상물(5)에 대하여 액적(3a)의 상태로 하여 토출하는 액체 토출 헤드(4)이다. 액체 토출 헤드(4)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 대략 긴 형상으로 형성되고, 긴 변의 일단부가 Z축 이동부(7)에 착탈 가능하게 장착되고, 조형 스테이지(6)와 대략 평행해지도록 설치되어 있다.
액체 토출 헤드(4)는 액체(3)를 압력 발생 소자로 가압하여, 액체(3)를 토출시킨다. 구체적으로, 액체 토출 헤드(4)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액체 탱크(10)로부터 공급된 액체(3)를 토출하는 헤드 칩(21)을 갖는다. 헤드 칩(21)은 압력 발생 소자로서 예를 들면 발열 저항체의 히터(22a)와 액체(3)를 예비 가열하는 가온용 히터(22b)가 설치된 회로 기판(22)과, 액체(3)를 토출하는 토출구인 노즐(23a)이 설치된 노즐 시트(23)를 갖는다. 히터(22a)는 액체 탱크(10)로부터 공급된 액체(3)가 충전되는 액체 가압실(24)에 설치되어 있다. 이 액체 가압실(24)은, 히터(22a)가 설치된 회로 기판(22)에서 상면이 형성되고, 노즐 시트(23) 및 이 노즐 시트(23)와 일체로 형성된 벽부에서 하단면 및 주위 3측면이 형성되고 있다. 액체 가압실(24)은 다른 일측면이 실내에 액체(3)를 공급하기 위한 유로(25)측에 개방한 구성을 갖고 있다.
히터(22a)는 노즐(23a)과 대향하는 위치에 설치되고, 예를 들면 20㎛각으로 형성된 발열 저항체이다. 이 히터(22a)는, 주위의 액체(3)를 가열함으로써, 기포를 발생하고, 이 기포가 팽창하면서 액체(3)를 가압함으로써, 밀려내어진 액체(3)가 액적(3a)의 상태에서 노즐(23a)로부터 토출시킨다.
가온용 히터(22b)는 유로(25)에 설치되어 있다. 이 가온용 히터(22b)는 임의로, 토출하는 액체(3)의 온도를 제어한다. 가온용 히터(22b)는, 예를 들면 액체(3)가 노즐(23a)로부터 토출된 후, 비상 중 및 대상물(5)에 착탄한 후에 적절하게 건조하기 쉽게 하기 위해, 히터(22a)로 가열하기 전에, 액체(3)를 가열하는 것이다.
노즐 시트(23)는 수지로 형성되어 있다. 노즐 시트(23)에는, 예를 들면 약 17㎛의 직경을 갖는 원 형상이며, 토출면(4a) 측을 향하여 좁아진 테이퍼 형상의 노즐(23a)이 복수 병설되어 있다. 노즐 시트(23)에는, 노즐 직경이 서로 다른 복수의 노즐(23a)이 형성되어 있거나, 타원형 등의 다른 형상의 노즐(23a)이 형성되어 있어도 된다.
또한, 액체 토출 헤드(4)에는, 노즐(23a)과 대상물(5) 사이의 공간의 온도나 습도를 측정하는 온습도 센서(26)가 설치되어 있다.
또한, 액체 토출 헤드(4)에는, 대상물(5) 위에 조형된 조형물을 관찰하는 관찰용 카메라(27)도 설치되어 있다.
이상과 같은 구성으로 이루어지는 액체 토출 헤드(4)는, 전기 제어 장치의 컨트롤러로부터 입력된 입체 조형물(12)의 데이터에 기초한 토출 제어 신호에 의해, 액체(3)를 토출시키는 헤드 칩(21)의 회로 기판(22)의 제어 회로를 제어한다. 그리고, 액체 토출 헤드(4)는 선택된 히터(22a)에 펄스 전류를 공급하고, 히터(22a)를 가열한다. 액체 토출 헤드(4)에서는 히터(22a)를 가열함으로써, 기포를 발생시키고, 이 기포에 의해 주위의 액체(3)를 가압하고, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 액체(3)를 액적(3a)의 상태에서 노즐(23a)로부터 토출한다. 이 액체 토출 헤드(4)는, 도 1에 도시하는, 후술하는 X축 이동부(8), Y축 이동부(9), Z축 이동부(7)에 의해, X, Y, Z축 방향으로 이동 가능하다.
(2) 조형 스테이지
조형 스테이지(6)는 액체 토출 헤드(4)로부터 액체(3)의 액적(3a)이 토출되는 보통지나 광택용지, 기판 등의 대상물(5)이 적재되고, 대상물(5)을 액체 토출 헤드(4)의 토출면(4a)에 대하여 대략 평행하게 지지하는 것이다. 이 조형 스테이지(6)는, 후술하는 X축 이동부(8), Y축 이동부(9), Z축 이동부(7)에 의해, X, Y, Z축 방향으로 이동 가능하다.
(3) Z축 이동부
도 1에 있어서, Z축 이동부(7)는 액체 토출 헤드(4)를 조형 스테이지(6)에 대하여 근접 이격하는 방향으로 이동시키는 수단이다. Z축 이동부(7)는 Z축 가이드 부재(33)를 따라 액체 토출 헤드(4)를 이동시킨다. Z축 이동부(7)는 액체(3)가 토출되는 토출축과 동일 방향인 Z축 방향으로 이동 가능하게 Z축 가이드 부재(33)에 장착된 Z축 스테이지(31)와, 이 Z축 스테이지(31)를 Z축 가이드 부재(33)를 따라 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 모터(32)로 구성되어 있다. Z축 이동부(7)는, 예를 들면 Z축 모터(32)의 회전축을 통해 구동력이 Z축 스테이지(31)로 전달되고, Z축 스테이지(31)를 Z축 방향으로 이동시킨다. Z축 이동부(7)는 Z축 스테이지(31)를 Z축 방향으로 이동시킴으로써 액체 토출 헤드(4)를 Z축 방향으로 이동시킨다.
또한, Z축 이동부(7)를 조형 스테이지(6)측에 설치하고, 조형 스테이지(6)가 액체 토출 헤드(4)에 대하여 근접 이격하도록, 조형 스테이지(6)를 Z축 방향으로 이동시키는 구성으로 해도 된다. 또한, Z축 이동부(7)를 액체 토출 헤드(4) 및 조형 스테이지(6)에 함께 설치하고, 액체 토출 헤드(4) 및 조형 스테이지(6)를 함께 Z축 방향으로 이동시키고, 서로 근접 이격하도록, 액체 토출 헤드(4) 및 조형 스테이지(6)를 Z축 방향으로 이동시키는 구성으로 해도 된다.
(4) X축 이동부
도 1에 있어서, X축 이동부(8)는 조형 스테이지(6)를 X축 방향으로 이동시킨다. X축 이동부(8)는 Y축 이동부(9) 위에 설치되어 있다. 이 X축 이동부(8)는 조형 스테이지(6)가 설치된 X축 스테이지(41)와, 이 X축 스테이지(41)를 X축 방향으로 이동시키는 X축 모터(42)로 구성되어 있다. X축 이동부(8)는 X축 모터(42)의 회전축(42a)을 통해 구동력이 X축 스테이지(41)로 전달되고, X축 스테이지(41)를 X축 방향으로 이동시킨다. X축 이동부(8)는 X축 스테이지(41)를 X축 방향으로 이동시킴으로써 조형 스테이지(6)를 X축 방향으로 이동시킨다.
또한, X축 이동부(8)를 액체 토출 헤드(4), 또는 액체 토출 헤드(4) 및 조형 스테이지(6)에 함께 설치하고, 액체 토출 헤드(4), 또는 액체 토출 헤드(4) 및 조형 스테이지(6)를 함께 X축 방향으로 이동시키는 구성으로 해도 된다.
(5) Y축 이동부
도 1에 있어서, Y축 이동부(9)는, 지지대(2)와 X축 스테이지(41) 사이에 설치되어 있다. Y축 이동부(9)는 조형 스테이지(6)를 Y축 방향으로 이동시킨다. Y축 이동부(9)는 조형 스테이지(6) 및 X축 스테이지(41)가 설치된 Y축 스테이지(51)와, 이 Y축 스테이지(51)를 Y축 방향으로 이동시키는 Y축 모터(52)로 구성되어 있다. Y축 이동부(9)는 Y축 모터(52)의 회전축(52a)을 통해 구동력이 Y축 스테이지(51)로 전달되고, Y축 스테이지(51)를 Y축 방향으로 이동시킨다. Y축 이동부(9)는 Y축 스테이지(51)를 Y축 방향으로 이동시킴으로써 조형 스테이지(6)를 Y축 방향으로 이동시킨다.
또한, Y축 이동부(9)를 액체 토출 헤드(4), 또는 액체 토출 헤드(4) 및 조형 스테이지(6)에 함께 설치하고, 액체 토출 헤드(4), 또는 액체 토출 헤드(4) 및 조형 스테이지(6)를 함께 Y축 방향으로 이동시키는 구성으로 해도 된다.
또한, 조형 장치(1)에는 대상물(5)에 대하여 안정된 조형을 행할 수 있는 온도나 습도의 환경을 갖추고, 그 환경을 일정하게 하기 위해서, 제어부(28)를 설치해도 된다. 제어부(28)는 온습도 센서(26)에 의해 온도나 습도를 측정한 결과에 기초하여, 노즐(23a)과 대상물(5) 사이의 공간의 환경이 일정해지도록, 송풍기, 열교환기, 가습기, 에어 필터 등을 수납한 공조기로 이루어진다.
2.조형 방법
(1) 액체
액체(3)는 적어도 물과, 물에 용해 또는 분산하는 착색제를 함유한다. 착색제로는, 수용성 잉크에 사용되고, 응집하기 쉬운 것이 선택된다. 구체적으로는, 스위스의 일포드이미징사에서 시판되고 있는 옐로우 염료 Y1189 등을 들 수 있다. 또한, 이 옐로우 염료 Y1189에 한정되는 것은 아니며, 다른 염료여도 본 발명이 성립되지 않는 것은 아니고, 적시에, 다른 착색제를 선택할 수 있다. 안료를 분산한 수성의 액체(3)도 사용할 수 있다. 안료를 분산한 수성의 액체(3)로는, 물에 용이하게는 재분산되지 않으므로, 조형된 입체 조형물(12)은 수용성은 아니게 된다.
그 외, 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a) 내에서 액체(3)가 건조하지 않도록, 보습제를 함유시켜도 된다. 보습제의 함유량은, 착색제의 농도 이하의 양이다. 보습제로서는, 트리메틸올프로판 등을 들 수 있다. 입체 조형물의 강도를 약화시키지 않는다는 점에서, 상온 상압의 통상 환경 하에서 고체의 보습제를 선택하는 쪽이 보다 강도가 강한 구조체가 얻어진다.
또한, 액체(3)로서는 물과 착색제를 함유하는 것에 한정되지 않고, 착색제 대신에, 수용성의 염으로, 분자량이 적절하게 큰, 예를 들면 수백 내지 수천의 분자량의 것을 이용하여, 용매가 건조함으로써, 점성을 발생하는 것이면 이용할 수 있다.
(2) 조형 방법
상술한 조형 장치(1)에서는, 조형 스테이지(6) 위에 보통지나 기판 등의 대상물(5)을 적재하고, 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a)과 대상물(5)이 대향하도록, 대상물(5)을 배치한다. 조형 장치(1)에서는, 액체 탱크(10)로부터 액체(3)가 유로(25)를 통해 액체 토출 헤드(4)의 액체 가압실(24)에 공급된다. 그리고, 조형 장치(1)에서는, 액체 가압실(24)에 공급된 액체(3)를 히터(22a)를 발열시켜 가압하고, 노즐(23a)로부터 액적(3a)을 대상물(5)에 토출한다. 액체(3)를 토출할 때는 액체(3)가 단독의 액적(3a)으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 액적(3a)의 질량당 비표면적이, 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하이다. 또한, 이 비표면적을 갖는 액적(3a)을 대상물(5) 위에 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 예를 들면 동일 위치에 토출한다. 조형 장치(1)는 액적(3a)의 비표면적 및 액적(3a)의 토출 주파수를 제어함으로써, 액적(3a)의 비상 중 및 대상물(5)에 착탄 후의 건조, 착색제의 응집을 제어하고, 도 3에 도시한 바와 같은 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다.
여기서, 액체(3)가 단독의 액적(3a)으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 액적(3a)의 질량당 비표면적은, 다음과 같이 구할 수 있다. 우선, 1방울의 체적을 구한다. 주된 액적 크기는 토출되는 액적(3a)을 스트로보 촬영함으로써 측정할 수 있다. 다른 방법으로서, 새틀라이트가 충분히 적은 경우에는 토출 발수에 대하여 사용된 액체(3)의 양을 구함으로써, 1방울당의 액량을 근사적으로 구할 수 있다. 이와 같이 하여 구해진 액적(3a)(1방울)의 체적으로부터 이상적인 구형으로서, 그 반경 r(㎛)을 구한다. 구해진 반경 r(㎛)을 바탕으로, 이상적인 구형에 근사하면, 표면적은 4πr2, 체적은 (4/3)πr3으로 구해진다. 액체(3)의 밀도를 ρ(g/c㎥)(ρ는 거의 1임)로 하면, 비표면적(Sm)은 Sm=3/(r·ρ)(㎥/g)으로 구할 수 있다.
이와 같이 구해진 비표면적이 0.2㎥/g를 하회하는 경우에는, 1방울의 액량이 많기 때문에, 노즐(23a)로부터 토출된 액체(3)가 충분히 건조하기 전에 조형 스테이지(6) 위의 대상물(5)에 착탄해 버려, 적층에 의한 입체 조형에 적합하지 못하다. 반대로 비표면적이 0.5㎥/g를 상회하는 경우에는, 1방울의 액량이 적기 때문에, 건조는 충분하지만, 보다 공기 저항의 영향을 받기 쉬워, 착탄 위치를 정확하게 맞추는 것이 곤란해져, 역시 적층에 의한 입체 조형에 적합하지 못하다.
또한, 액적(3a)은 토출 직후부터 착탄까지 형상을 변화시키면서 비상하므로, 그 형상을 특정할 수는 없다는 것이 알려져 있다. 그러나, 기본적으로는, 구형으로부터 진동하면서 방추형이나 눈물형을 취하므로, 일정 조건에서의 건조·응집에의 영향을 고려할 때, 이상적인 구형에서의 비표면적으로서 다룸으로써 충분한 제어가 가능해진다. 본 발명에서는, 액체(3)가 단독의 액적(3a)으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 액적(3a)의 질량당 비표면적을 다루고 있다.
또한, 조형 장치(1)에서는, 액적(3a)을 1㎐ 이상 100㎐ 이하의 토출 주파수로 토출한다. 1초사이에 1발에서 100발의 액적(3a)을 겹쳐서 착탄시킴으로써 대상물(5)에 착탄하기까지의 수10μ초에서 수100μ초라고 하는 단시간에, 액적(3a)의 표면으로부터 용매가 증발하고, 동시에 착색제의 응집이 시작된다. 액적(3a)의 표면이 얇게 응집한 상태에서, 대상물(5)에 착탄하면 액적(3a)은 대상물(5) 위에서 더욱 고화가 진행되고, 대상물(5) 위에 반구 형상에 의해 착탄한다. 또한, 다음 액적(3a)을 겹칠 때까지, 10m초에서 1000m초 간격을 둠으로써, 대상물(5) 위에서 건조와 응집이 더 진행되어, 어느새 다음 액적(3a)이 겹치더라도 큰 도트가 되는 일은 없고, 액적(3a)의 토출축 방향(Z축 방향)으로 적층을 계속하게 된다. 액적(3a)의 토출 주파수는, 액적(3a)의 비상 중 및 대상물(5) 위에 착탄한 후에 건조하여, 액적(3a)이 적층할 수 있도록, 조형 장치(1)의 주위의 온도나 습도 등의 환경에 맞추어 결정한다. 예를 들면, 건조하기 어려운 환경의 경우에는, 액적(3a)의 토출 간격을 크게 하고, 건조하기 쉬운 환경의 경우에는 액적(3a)의 토출 간격을 좁게 한다.
이 조형 방법에서는, 도 3의 (A)에 도시한 바와 같이, 1초사이에 1발에서 100발의 액적(3a)을 성장점(13)에 겹쳐서 착탄시킨다. 이에 의해, 조형 방법은, 마치 석순이나 종유석이 성장하는 것처럼, 1초사이에 수㎛에서 수십㎛의 속도로 응집한 착색제에 의한 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)이 도 3의 (B)에 도시한 바와 같이 형성된다. 또한, 도 3의 (B)에 도시하는 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)은 액적(3a)의 비표면적이 0.3㎥/g 이상이고, 액적(3a)의 토출 주파수가 10㎐인 조건으로 조형한 것이며, 직경이 24㎛이다. 또한, 입체 조형물(12)의 형상은, 대략 원기둥 형상에 한하지 않고, 노즐(23a)의 형상에 따라 바꿀 수 있다.
조형 장치(1)에서는, 1방울째의 액적(3a)이 토출되고, 대상물(5)에 착탄하고, 착탄한 1방울째의 액적(3a)이 성장점(13)이 되고, 이 성장점(13) 위에 2방울째의 액적(3a)이 적층된다. 그리고, 3방울째는 착탄한 2방울째의 액적(3a)이 성장점(13)이 되고, 이 성장점(13) 위에 적층되고, 4방울째 이후도 마찬가지로 전에 착탄한 액적(3a) 위에 적층된다.
1방울째를 토출할 때는, 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a)(토출면(4a))과 대상물(5)과의 거리가 소정의 거리가 되도록, Z축 이동부(7)에서 액체 토출 헤드(4)를 Z축 방향, 즉 대상물(5)에 대하여 근접 이격하는 방향으로 이동시키고, 액체 토출 헤드(4)의 위치를 조정한다. 계속해서, 2방울째 이후를 토출할 때는, 대상물(5)에 착탄한 액적(3a) 중 가장 위에 위치하는 액적(3a)(성장점(13))과 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a)(토출면(4a))의 거리를 조정한다. 이 조정은, 1방울째를 토출할 때 조정한 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a)(토출면(4a))과 대상물(5)의 소정의 거리와 대략 동일해지도록, 액체 토출 헤드(4)를 Z축 방향, 즉 대상물(5)로부터 이격되는 방향으로 상승시킨다. 또한, 액체 토출 헤드(4)와 대상물(5) 사이의 습도 및 온도가 거의 일정해지도록, 온습도 센서(26)에 의해 액체 토출 헤드(4)와 대상물(5) 사이의 습도 및 온도를 측정하고, 습도 및 온도를 조정한다. 액체 토출 헤드(4)와 대상물(5) 사이의 습도 및 온도를 거의 일정하게 함으로써, 토출한 액적(3a)의 건조를 일정하게 할 수 있어, 안정되게 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다.
조형 장치(1)에서는, 이상과 같은 조건에서 액체(3)를 토출함으로써, 토출된 액적(3a)은 비상하고 있는 동안 및 대상물(5)에 착탄 후에 건조하고, 착색제가 응집하고, 적절하게 고화하고, 착탄한 액적(3a)이 대상물(5)의 면 방향으로 넓어지지 않게, 대상물(5) 위에 반구 형상으로 착탄한다. 이에 의해, 조형 장치(1)에서는, 액적(3a)을 동일 위치에 토출한 경우, 도 3의 (B)에 도시한 바와 같이, 액적(3a)의 토출축 방향(Z축 방향)으로 신장되는 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)을 액체(3)로 조형할 수 있다. 여기서, 액적(3a)의 토출축이란, 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a)로부터 대상물(5)에 대하여 액적(3a)이 토출되는 방향과 대략 평행한 축을 나타낸다.
예를 들면, 토출한 액적(3a)의 비표면적이 0.3㎥/g, 토출 주파수 10㎐로 액적(3a)을 동일 위치에 토출한 경우, 도 4에 도시한 바와 같이, 액적(3a)이 적층되고, 액체(3)의 토출축과 동일 방향(Z축 방향)으로 신장되는 직경 24㎛인 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)이 조형된다. 도 4의 (A)는 조형 개시로부터 0.5초 후의 입체 조형물(12)이며, 대상물(5) 위에 액적(3a)이 적층되고, 반구 형상으로 액적(3a)이 착탄하고 있다. 도 4의 (B)는 조형 개시로부터 1초 후의 입체 조형물(12)이다. 이 입체 조형물(12)은 액적(3a)이 토출축과 동일 방향(Z축 방향)으로 적층됨으로써, 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)의 성장점(13)이 토출축과 동일 방향(Z축 방향)을 향하여 성장하여 조형된다. 또한, 액적(3a)의 토출을 계속하면, 입체 조형물(12)이 토출축과 동일 방향(Z축 방향)을 향하여 더 성장하고, 조형 개시로부터 5초 후에는, 도 4의 (C)에 도시한 바와 같은 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다.
또한, 토출한 액적(3a)의 비표면적이 0.2㎥/g, 토출 주파수가 1㎐인 경우에는, 도 5의 (A)에 도시한 바와 같은, 직경이 40㎛인 입체 조형물(12)이 얻어진다. 토출한 액적(3a)의 비표면적이 0.5㎥/g, 토출 주파수가 10㎐인 경우에는, 도 5의 (B)에 도시한 바와 같은, 직경이 14㎛인 입체 조형물(12)이 얻어진다.
이러한 조형 방법에서는, 토출축 방향(Z축 방향)의 원기둥 형상의 입체 조형물(12)뿐만 아니라, 도 6에 도시한 바와 같이, 액적(3a)의 토출축 방향(Z축 방향)에 대하여 90도 이하의 각도로 기울거나 또는 바로 옆으로 신장되는 입체 조형물(12)을 조형할 수도 있다. 90도 이하의 각도로 기울거나 또는 바로 옆으로 신장되는 입체 조형물(12)을 조형하기 위해서는, 2방울째 이후에 있어서, 액적(3a)을 토출할 때 직전에 토출한 액적(3a)이 착탄한 위치와 동일 위치가 아니고, 먼저 대상물(5)에 착탄한 액적(3a)의 직경 이하의 양의 범위에서 착탄 위치를 어긋나게 하여 액적(3a)을 적층한다.
도 6의 (A)는 토출축 방향(Z축 방향)으로 신장되는 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)을 나타내고 있다. 도 6의 (A)에서는, 1방울째의 액적(3a)(A1)이 토출되어 대상물(5) 위에 착탄하고, 계속해서 2방울째의 액적(3a)(B1)이 토출되고, 대상물(5) 위에 착탄한 액적(3a)(A1) 위에 적층된다. 마찬가지로, 3방울째의 액적(3a)(C1)이 액적(3a)(B1) 위에 적층되고, 액적(3a)(C1) 위에 액적(3a)(D1)이 적층되고, 액적(3a)(D1) 위에 액적(3a)(E1)이 적층된다. 즉, 액적(3a)(A1) ~ 액적(3a)(E1)을 대략 동일 위치에 착탄시킴으로써, 대략 원기둥 형상의 입체 조형물(12)의 선단이 성장점(13)으로 되어, Z축 방향으로 성장하고, 입체 조형물(12)이 형성된다. 여기서, 액적(3a)(A1 ~ E1)을 토출할 때 입체 조형물(12)의 성장점(13)과 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a)(토출면(4a))과의 거리가 일정해지도록, 액체 토출 헤드(4)를 Z축 방향으로 이동시킨다.
도 6의 (B)는 액적(3a)의 착탄 위치를, 먼저 대상물(5)에 착탄한 액적(3a)의 직경 이하의 양의 범위에서 X축 방향으로 어긋나게 함으로써, 토출축 방향(Z축 방향)에 대하여 90도 이하의 각도로 비스듬하게 성장한 입체 조형물(12)을 나타내고 있다. 먼저 대상물(5)에 착탄한 액적(3a)의 직경 이하의 양의 범위에서 액적(3a)의 착탄 위치를 어긋나게 한다는 것은, 후술하는 바와 같이, 먼저 토출한 액적(3a)에 의해 형성된 토출축 방향(Z축 방향)의 원기둥 형상의 입체 조형물(12)의 선단, 즉 액적(3a)이 착탄하여 입체 조형물(12)이 성장하는 성장점(13)의 직경 이하의 양의 범위에서 액적(3a)의 착탄 위치를 어긋나게 한다는 것이다.
도 6의 (B)에서는, 1방울째의 액적(3a)(F1)이 토출되어 대상물(5) 위에 착탄하고, 계속해서 2방울째의 액적(3a)(G1)이 토출되어, 대상물(5) 위에 착탄한 액적(3a)(F1)의 직경 이하의 양의 범위 내에서 착탄 위치를 어긋나게 하여, 액적(3a)(F1) 위에 액적(3a)(G1)을 적층한다. 즉, 대상물(5) 위에 착탄한 액적(3a)(F1)이 입체 조형물(12)의 성장점(13)이 되고, 이 성장점(13)의 직경 이하의 양의 범위 내에서 착탄 위치를 어긋나게 하여, 액적(3a)(G1)을 성장점(13)에 착탄시킨다. 마찬가지로, 3방울째의 액적(3a)(H1)은 액적(3a)(G1)이 착탄하여 생긴 성장점(13)에 대하여 이 성장점(13)의 직경 이하의 양의 범위 내에서 착탄 위치를 어긋나게 하여 토출하여, 성장점(13)에 착탄시킨다. 4방울째 이후의 액적(3a)(I1)(J1)에 대해서도, 성장점(13)의 직경 이하의 양의 범위 내에서 착탄 위치를 어긋나게 하여 성장점(13)에 적층한다. 여기서, 액적(3a)(F1 ~ J1)을 토출할 때 성장점(13)과 액체 토출 헤드(4)의 노즐(23a)(토출면(4a))과의 거리가 일정해지도록, 액체 토출 헤드(4)를 Z축 방향으로 이동시킨다.
또한, 도 6의 (B)에서는, 착탄 전의 액적(3a)(F1 ~ J1)의 궤도가 겹쳐 있는 상태를 나타내고 있지만, 이와 같이 어긋나게 하여 차례차례 액적(3a)(F1 ~ J1)을 토출함으로써, 착탄하여도 액적(3a)(F1 ~ J1)은 상술한 바와 같이 성장점(13)에서 겹쳐진다. 또한, 본 발명에서는, 적어도 착탄한 액적(3a)이 성장점(13)에서 겹쳐져 있으면 된다.
여기서, 액적(3a)은 대상물(5) 위에 착탄, 및 먼저 토출된 액적(3a) 위에 착탄하면, 환경이나 토출 주파수에 따라, 착탄 전의 액적(3a)의 직경보다도 약간 커진다. 이에 대해서, 발명자들이 확인한 바, 비표면적이 0.2㎥/g인 액적(3a)을 토출 주파수 10㎐로 토출한 경우에는 액적(3a)의 직경은 30㎛인데, 착탄하면 직경이 40㎛가 된다. 비표면적이 0.3㎥/g인 액적(3a)을 토출 주파수 10㎐로 토출한 경우에는, 액적(3a)의 직경은 20㎛인데, 착탄하면 24㎛가 된다. 비표면적이 0.5㎥/g인 액적(3a)을 토출 주파수 10㎐로 토출한 경우에는 액적(3a)의 직경은 12㎛인데, 착탄하면 14㎛가 된다.
조형 장치(1)에서는, 액적(3a)의 착탄 위치를 어긋나게 하려면, 대상물(5)이 적재된 조형 스테이지(6)를 X축 이동부(8)에서 X축 방향으로 이동 또는 Y축 이동부(9)에서 Y축 방향으로, 즉 입체 조형물(12)을 성장시키는 방향과는 반대 방향으로, 입체 조형물(12)의 성장점(13)의 직경 이하인 양의 범위에서 이동시킨다.
이에 의해, 조형 장치(1)에서는, 조형 스테이지(6)를 X축 방향 또는 Y축 방향으로 이동시킴으로써 액체(3)의 착탄 위치가 어긋나기 때문에, 토출축 방향(Z축 방향)에 대하여 90도 이하의 각도로 비스듬하게 입체 조형물(12)이 성장한다. 그 결과, 도 6의 (B)에 도시한 바와 같은 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다. 이 조형 장치(1)에서는, 토출축 방향(Z축 방향)과 직교하는 방향, 즉 바로 옆으로 신장되는 기둥 형상의 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다. 또한, 조형 장치(1)에서는, 액체 토출 헤드(4)를 입체 조형물(12)의 성장 방향으로 이동시킴으로써, 도 6의 (B)에 도시한 바와 같은 입체 조형물(12)을 조형하도록 해도 된다.
예를 들면, 도 7에 도시한 바와 같이, 토출축 방향(Z축 방향)으로 신장되는 인접하는 원기둥 형상의 입체 조형물을 접속하도록, 가교 구조를 조형할 수 있다. 이러한 가교 구조는, 도 7의 (A)에 도시한 바와 같이, 토출축 방향(Z축 방향)으로 신장되는 원기둥 형상의 입체 조형물을 조형한다. 또한, 도 7의 설명에 있어서, 토출축 방향(Z축 방향)으로 신장되는 원기둥 형상의 입체 조형물을 기둥(12a ~ 12d)이라 한다. 다음으로, 도 7의 (B)에 도시한 바와 같이, 기둥(12a)에 인접하는 다른 기둥(12b)의 방향을 향하여, 90도 이하의 각도로 비스듬하게 기둥(12a)을 성장시킨다. 기둥(12a)을 성장시키기 위해서는, 기둥(12a)의 성장점(13)에 액적(3a)을 토출할 때 조형 스테이지(6)를 성장시키는 방향과는 반대 방향, 예를 들면 X축 방향으로, 성장점(13)의 직경 이하의 양의 범위에서 이동시킴으로써, 기둥(12a)과 인접하는 다른 기둥(12b)의 방향을 향하여, 90도 이하의 각도로 비스듬하게 성장한다. 마찬가지로 하여, 조형 스테이지(6)를 기둥(12c)의 방향으로 이동시키고, 이 기둥(12a)에 인접하는 다른 기둥(12b)의 성장점(13)에 액적(3a)을 토출한다. 이에 의해, 도 7의 (C)에 도시한 바와 같이, 기둥(12a)의 방향을 향하여, 90도 이하의 각도로 비스듬하게 기둥(12b)이 성장한다. 그리고, 도 7의 (D)에 도시한 바와 같이, 어느 한쪽 또는 양쪽의 기둥(12a, 12b)을 더 성장시킴으로써, 인접하는 기둥(12a)과 기둥(12b)이 접속되어, 가교 구조가 형성된다. 마찬가지로 하여, 도 7의 (E)에 도시한 바와 같이, 인접하는 기둥(12c, 12d)이 가교 구조를 더 형성함으로써, 복수의 기둥(12a ~ 12d)을 접속한 가교 구조를 조형할 수 있다.
이 도 7에 도시하는 가교 구조는, 토출한 액적(3a)의 비표면적이 0.5㎥/g, 토출 주파수 10㎐로 액적(3a)을 토출하여 조형하였다. 토출축 방향(Z축 방향)으로 신장되는 기둥(12a ~ 12d)은 원기둥 형상이며, 직경이 24㎛, 기둥(12a ~ 12d)의 간격이 100㎛이다. 또한, 도 7에 도시하는 가교 구조를 조형할 때 조형 스테이지(6)를 X축 방향으로 이동시켜 조형했지만, 기둥(12a ~ 12d)의 위치나 성장시킬 방향에 따라, Y축 이동부(9)에서, 조형 스테이지(6)를 Y축 방향으로 이동시켜, 기둥(12a ~ 12d)을 90도 이하의 각도로 비스듬하게 성장시켜도 된다. 가교 구조를 조형함에 있어, 상기 비표면적, 토출 주파수는 일례이며, 다른 조건에서 조형해도, 가교 구조를 얻을 수 있다.
또한, 도 7의 가교 구조에서는, 기둥(12a ~ 12d)을 90도 이하의 각도로 비스듬하게 성장시켰지만, 토출축 방향(Z축 방향)에 대하여 직교 방향으로 바로 옆으로 성장시켜도 된다. 또한, 도 7에 도시하는 가교 구조는, 마찬가지의 구조의 것을 토출축 방향(Z축 방향)으로 더 적층하여, 그물과 같이 조형하거나 Y축 방향으로 기둥을 더 형성하여 입방체 등의 삼차원 조형물을 조형해도 된다.
이상과 같이, 조형 장치(1)에서는, 액체(3)가 단독의 액적(3a)으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 당해 액적의 질량당 비표면적이, 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하이고, 이 액적(3a)을 대상물(5) 위에 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 토출한다. 이러한 조건에서 토출함으로써, 액적(3a)은 비상 중 또는 대상물(5)에 착탄한 후, 건조하고, 착색제가 응집함으로써, 고화하여, 대상물(5) 위에 퍼지지 않고, 반구 형상이 된다. 이에 의해, 이 조형 장치(1)에 의한 조형 방법에서는, 연속하여 액적(3a)을 동일 위치에 토출함으로써, 토출축 방향(Z축 방향)으로 신장되는 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다. 또한, 이 조형 방법에서는, 착탄 위치를 약간 어긋나게 하여 액적(3a)을 착탄시킴으로써, 액적(3a)의 토출 방향에 대하여 기울거나 거의 바로 옆으로까지 신장시킬 수 있다.
또한, 이 조형 방법으로는, 1초사이에 1발에서 100발의 액적(3a)을 겹쳐서 착탄시키기 때문에, 1초사이에 수㎛에서 수십㎛의 속도로, 미세한 기둥 형상의 입체 조형물(12)을 조형할 수 있다. 또한, 조형된 입체 조형물(12)은 물과 착색제를 포함하는 액체(3)를 토출하고, 건조시킴으로써 착색제가 응집하여 생긴 것이므로, 다시 물에 용해시키는 것이 가능하다. 또한, 조형 후에 후처리를 행하거나, 액체(3)에 경화제를 첨가함으로써, 입체 조형물(12)을 물에 녹을 수 없게 할 수 있어, 입체 조형물(12)의 용도가 한정되지 않고, 범용성이 많다. 또한, 이 조형 방법으로는, 입체 조형물(12)을 조형한 후에, 열이나 광에 의한 경화 공정이 필요없기 때문에, 조형시간이 짧고, 장치의 대형화도 방지할 수 있어, 소형의 조형 장치(1)로 조형할 수 있다. 조형하여 얻어진 입체 조형물(12)은 용매가 건조해도 수축하지 않고, 왜곡이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이 조형 방법에서는, 액체(3)에 겔화제를 함유하지 않아도, 토출할 때의 액적(3a)의 비표면적과 토출 주파수를 제어함으로써, 비상 중 및 착탄 후의 액적(3a)이 적절하게 고화하여 적층시킬 수 있다. 이에 의해, 액체(3)의 범용성이 현저하게 커진다.
이 조형 방법에서는, 1:100 이상의 압도적인 종횡비의 입체 조형물을 얻을 수 있다.
또한, 이 조형 방법에서는, 통상의 수성 잉크젯 잉크와 달리, 비상 중에 건조·응집을 충분히 행할 수 있어, 용제를 흡수하는 대상물(5)을 사용할 필요가 없다. 즉, 잉크젯 용지라 불리는 잉크 수용층을 가진 수지층을 갖지 않는 유리 표면이나 금속 표면에도, 직접, 착색제의 응집에 따라 입체 조형물(12)을 자유롭게 형성할 수 있다.
또한, 이 조형 방법에서는, 대상물(5)을 얹는 조형 스테이지(6)를 가열함으로써, 보다 액 조성물의 건조를 촉진할 수도 있다. 또한, 이 조형 방법에서는, 기재의 열전도율이나 두께에 따라, 그 성장도가 크게 바뀌는 경우가 있기 때문에, 토출시키는 액적(3a)의 온도를 일정하게 가온함으로써 액적(3a)의 건조성을 제어하여, 보다 안정된 적층 속도의 제어를 가능하게 한다.
이 조형 방법은, 얻어진 입체 조형물(12)이 상업적으로 이용 가능한 안정성을 갖고, 또한 압도적인 속도로 입체 조형물을 조형하는 것이 가능하다.
또한, 이러한 조형 방법에서는, 기재는 특히 발수 처리 등을 행할 필요는 없다. 가령 발수 처리를 행했다고 하여도, 2층째 이후는 1층째에 대한 습윤성에 의해 직경이 정해지므로, 의미가 없기 때문이다. 본 발명에 있어서, 기둥 구조물의 직경은, 토출되는 액적의 비표면적과 토출 주파수 및 온도와 습도 등의 적층 시의 환경에 의존하게 된다.
[실시예]
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시예에 대해서, 실험 결과를 바탕으로 상세하게 설명한다. 우선, 실험에 사용한 조형용 액체 조성물(이하, 잉크라고 함)의 조성에 대하여 설명한다.
(잉크 A)
이온 교환수에, 스위스의 일포드이미징사에서 시판되고 있는 옐로우 염료 Y1189의 농도가 20질량％, 계면 활성제로서 서피놀 E1010(닛신가가꾸고교(주)제)이 0.3질량％가 되도록 계량하여, 잉크 A를 제조하였다.
(잉크 B)
이온 교환수에, 스위스의 일포드이미징사에서 시판되고 있는 옐로우 염료 Y1189의 농도가 16질량％, 트리메틸올프로판이 16질량％, 계면 활성제로서 서피놀 E1010(닛신가가꾸고교(주)제)이 0.3질량％가 되도록 계량하여, 잉크 B를 제조하였다.
(잉크 C)
이온 교환수에, 스위스의 일포드이미징사에서 시판되고 있는 옐로우 염료 Y1189의 농도가 16질량％, 트리메틸올에탄이 12질량％, 계면 활성제로서 서피놀 E1010(닛신가가꾸고교(주)제)이 0.3질량％가 되도록 계량하여, 잉크를 제조하였다.
(잉크 D)
이온 교환수에, 스위스의 일포드이미징사에서 시판되고 있는 옐로우 염료 Y1189의 농도가 16질량％, 자일리톨이 8질량％, 계면 활성제로서 서피놀 E1010(닛신가가꾸고교(주)제)이 0.3질량％가 되도록 계량하여, 잉크를 제조하였다.
(잉크 E)
이온 교환수에, 스위스의 일포드이미징사에서 시판되고 있는 옐로우 염료 Y1189의 농도가 16질량％, D-만니톨이 4질량％, 계면 활성제로서 서피놀 E1010(닛신가가꾸고교(주)제)이 0.3질량％가 되도록 계량하여, 잉크를 제조하였다.
이상과 같이 하여 조정한 잉크 A ~ E를 이용하여, 실시예 1 내지 9, 비교예 1 내지 3에서 조형물을 조형하였다. 여기서, 실시예 및 비교예에서는, 노즐 시트의 두께가 10 ~ 20㎛, 노즐의 직경이 9 ~ 30㎛, 히터의 크기가 20㎛×20㎛, 액체 가압실의 높이가 8 ~ 12㎛인 크기가 서로 다른 복수의 잉크젯 헤드(액체 토출 헤드)를 사용하였다. 잉크젯 헤드는, 구동 주파수를 10㎑ 이상까지 높일 수 있지만, 입체 조형은 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 행하였다. 이때의 구동 펄스는, 1.3㎲, 구동 전압을 9.8V로 하고 있다.
[실시예 1]
액 조성물로서 잉크 A, 기재(대상물)로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드(액체 토출 헤드)와의 거리를 100㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.5㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
이때, 매초 5㎛로 기둥 형상 조형물이 성장하는 데 맞추어서, 잉크젯 헤드를 기재로부터 매초 5㎛로 멀어지게 함으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게 하였다.
60초간, 액적의 수로서 600발을 적층함으로써, 도 5의 (B)와 같이 직경 14㎛, 높이 300㎛인 원기둥 형상의 조형물이 얻어졌다.
[실시예 2]
액 조성물로서 잉크 B, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하여, 잉크젯 헤드와의 거리를 400㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 1㎐로 비표면적이 0.2㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
매초 0.2㎛로 기둥 형상 조형물이 성장하는 데 맞추어서, 잉크젯 헤드를 기재로부터 매초 0.2㎛로 멀어지게 함으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게 하였다.
1200초간, 액적의 수로서 1200발을 적층함으로써, 도 5의 (A)와 같이 직경 40㎛, 높이 약 250㎛인 원기둥 형상의 조형물이 얻어졌다.
[실시예 3]
액 조성물로서 잉크 B, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 400㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.3㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
매초 20㎛로 기둥 형상 조형물이 성장하는 데 맞추어서, 잉크젯 헤드를 기재로부터 매초 20㎛로 멀어지게 함으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게 하였다.
60초간, 액적의 수로서 600발을 적층함으로써, 도 3과 같이 직경 24㎛, 높이 약 500㎛인 원기둥 형상 조형물이 얻어졌다. 적층의 도중 경과는 도 4에 도시하였다.
[실시예 4]
액 조성물로서 잉크 A, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 100㎛로 하였다. 그 후, 또한 잉크젯 헤드의 액온을 60℃로 가온하고, 기재 위에 100㎐로 비표면적이 0.5㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
매초 50㎛로 기둥 형상 조형물이 성장하는 데 맞추어서, 잉크젯 헤드를 기재로부터 매초 50㎛로 멀어지게 함으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게 하였다.
0.5초간, 액적의 수로서 500발을 적층함으로써, 직경 15㎛, 높이 약 200㎛인 원기둥 형상 조형물이 얻어졌다.
[실시예 5]
액 조성물로서 잉크 C, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 400㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.3㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
매초 20㎛로 기둥 형상 조형물이 성장하는 데 맞추어서, 잉크젯 헤드를 기재로부터 매초 20㎛로 멀어지게 함으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게 하였다.
60초간, 액적의 수로서 600발을 적층함으로써, 직경 25㎛, 높이 약 450㎛인 원기둥 형상 조형물이 얻어졌다.
[실시예 6]
액 조성물로서 잉크 D, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 400㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.3㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
매초 20㎛로 기둥 형상 조형물이 성장하는 데 맞추어서, 잉크젯 헤드를 기재로부터 매초 20㎛로 멀어지게 함으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게 하였다.
60초간, 액적의 수로서 600발을 적층함으로써, 직경 24㎛, 높이 약 420㎛인 원기둥 형상 조형물이 얻어졌다.
[실시예 7]
액 조성물로서 잉크 E, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 400㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.3㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
매초 20㎛로 기둥 형상 조형물이 성장하는 데 맞추어서, 잉크젯 헤드를 기재로부터 매초 20㎛로 멀어지게 함으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게 하였다.
60초간, 액적의 수로서 600발을 적층함으로써, 직경 24㎛, 높이 약 400㎛인 원기둥 형상 조형물이 얻어졌다.
[실시예 8]
액 조성물로서 잉크 B, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 400㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.3㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
기둥 형상 구조물이 성장함에 따라, 잉크젯 헤드를 기재의 거리를 벌림으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형을 얻도록 하였다.
기재가 얹힌 조형 스테이지를 10초에 일주하도록, 반경 40㎛의 원운동을 시킨 바, 스프링 형상의 구조물을 얻을 수 있었다.
[실시예 9]
액 조성물로서 잉크 B, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 400㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.3㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
기둥 형상 구조물이 성장함에 따라, 잉크젯 헤드를 기재의 거리를 벌림으로써 성장점으로부터 노즐까지의 거리가 일정해지도록 하여, 안정된 조형물을 얻게하였다.
그 후, 이하와 같이 조형 스테이지를 이동함으로써, 도 7과 같은 조형물을 얻었다.
높이 100㎛인 기둥 형상 조형물을 만든 후, 기재가 얹힌 스테이지를 100㎛ 피치로 X축 방향으로 이동시켰다. 마찬가지로 100㎛인 기둥 조형물을 작성하고, 조형 스테이지를 이동시키는 동작을 반복하여, 4개의 직경 24㎛, 높이 100㎛인 기둥군을 제작하였다.
계속해서, 기둥의 선단에 액적을 착탄시킨 후, 1방울마다 20㎛씩 X축 방향으로 기재를 이동시켜서 45°의 각도로 기둥을 늘였다. 또한, 옆 기둥으로부터 역방향으로 기둥을 늘이고, 결합시킴으로써, 아치 구조를 얻었다. 이 작업을 반복함으로써, 도 7과 같은 가교 구조물을 얻었다.
[비교예 1]
액 조성물로서 잉크 A, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 100㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 10㎐로 비표면적이 0.15㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
60초간, 액적의 수로서 600발을 토출한 바, 기둥 형상의 조형물은 얻어지지 않고, 반구 형상의 잉크액이 기재 위에 남았다. 이 잉크액은, 수십분 후, 충분히 건조하면 두께가 1㎛ 이하인 원형의 도트가 된다.
[비교예 2]
액 조성물로서 잉크 A, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 100㎛로 하였다. 그 후, 기재 위에 300㎐로 비표면적이 0.5㎥/g인 액적을 동일 위치에 착탄시켰다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
2초간, 액적의 수로서 600발을 토출한 바, 기둥 형상의 구조물은 얻어지지 않고, 반구 형상의 잉크액이 기재 위에 남았다.
이 잉크액은, 수십분 후, 충분히 건조하면 두께가 1㎛ 이하인 원형의 도트가 된다.
[비교예 3]
액 조성물로서 잉크 A, 기재로서 슬라이드 글래스를 이용하고, 잉크젯 헤드와의 거리를 100㎛로 하였다. 그 후, 2초 사이에 1회(0.5㎐), 토출 펄스로 비표면적이 0.5㎥/g인 액적을 토출 가능한 잉크젯 헤드로 보냈다. 이때, 잉크젯 헤드와 기재 사이는, 25℃±5℃, 상대 습도 50％±10％가 되도록 실험을 행하였다.
이 조건 하에서는, 토출 방향이 안정되지 않거나, 또는 토출되지 않아, 조형물의 작성을 할 수 없었다.
실시예 및 비교예의 실험 결과를 표 1에 나타내었다.
Figure pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 9는, 기재 위에, 1㎐ 이상 100㎐ 이하의 범위에서 비표면적이 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하인 범위의 액적을 토출하여 조형한 것으로, 기둥 형상의 조형물을 조형할 수 있었다. 한편, 이들 요건을 충족시키지 않는 비교예 1 내지 비교예 3은 조형물을 조형할 수 없었다.
또한, 기재에는, 특히 발수 처리 등을 행할 필요는 없다. 가령 발수 처리를 행했다고 하여도, 2층째(2방울째) 이후는, 1층째(착탄한 1방울째)에 대한 습윤성으로 직경이 결정되게 되므로, 의미가 없기 때문이다. 본 발명에 있어서, 기둥 구조물의 직경은, 토출되는 액적의 비표면적과 토출 주파수 및 온도와 습도 등의 적층 시의 환경에 의존한다.
1 : 조형 장치
2 : 지지대
3 : 액체
4 : 액체 토출 헤드
5 : 대상물
6 : 조형 스테이지
7 : Z축 이동부
8 : X축 이동부
9 : Y축 이동부
12 : 입체 조형물
12a : 기둥
22a : 히터
22b : 가온용 히터

Claims (7)

  1. 액체를 토출하는 액체 토출부의 노즐로부터 액적을 대상물에 토출하여 입체 조형물을 조형하는 입체 조형물의 조형 방법으로서,
    상기 액체는 물과, 상기 물에 용해 또는 분산하는 착색제를 함유하고,
    상기 액체가 단독의 액적으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 당해 액적의 질량당 비표면적이 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하인 액적을, 상기 대상물 위에 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 토출하고,
    상기 액적을 상기 대상물 위에 적층하고, 상기 액적의 토출축과 동일 방향으로 신장되는 입체 조형물을 조형하는, 입체 조형물의 조형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상물에 착탄한 상기 액적의 직경 이하의 양의 범위에서 착탄 위치를 어긋나게 하여 상기 액적을 적층함으로써, 상기 액적의 토출축에 대하여 90도 이하의 각도로 기울거나 또는 바로 옆으로 신장되는 입체 조형물을 조형하는, 입체 조형물의 조형 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액체에는 상기 착색제의 농도 이하의 양으로 보습제가 첨가되어 있는, 입체 조형물의 조형 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 토출부에 충전되어 있는 액체를 가온하는, 조형 방법.
  5. 조형 장치로서,
    액체의 액적을 토출하는 노즐을 갖는 액체 토출부와,
    상기 액적이 착탄하는 대상물이 적재되는 조형 스테이지와,
    상기 액체 토출부 및/또는 상기 조형 스테이지를 상기 액적의 토출축과 동일 방향인 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동부를 갖고,
    상기 액체 토출부는 물과, 상기 물에 용해 또는 분산하는 착색제를 함유한 액체가 단독의 액적으로서 비상했을 때, 이상적인 진구로서 근사한 당해 액적의 질량당 비표면적이 0.2㎥/g 이상 0.5㎥/g 이하인 액적을, 상기 대상물 위에 1㎐ 이상 100㎐ 이하로 연속적으로 토출하고, 상기 액적을 적층하면서, 상기 Z축 이동부에서 상기 액체 토출부 및/또는 상기 조형 스테이지를 상기 Z축 방향으로 이동시킴으로써, 상기 Z축 방향으로 신장되는 입체 조형물을 조형하는, 조형 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 액체 토출부 및/또는 조형 스테이지를 상기 Z축과 직교하는 면 내의 X축 방향으로 이동시키는 X축 이동부와, Y축 방향으로 이동시키는 Y축 이동부를 더 갖고,
    상기 X축 이동부 및/또는 상기 Y축 이동부가, 상기 액체 토출부 및/또는 상기 조형 스테이지를 상기 Z축과 대략 직교하는 면 내를 이동시키고, 상기 대상물에 착탄한 상기 액적의 직경 이하의 양의 범위에서 착탄 위치를 어긋나게 하여 상기 액적을 적층함으로써, 상기 Z축 방향에 대하여 90도 이하의 각도로 기울거나 또는 바로 옆으로 신장되는 입체 조형물을 조형하는, 조형 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 액체 토출부와 상기 조형 스테이지 사이의 온습도를 측정하는 측정부와, 습도 및 온도를 제어하는 제어부를 갖는, 조형 장치.
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