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JP6725361B2 - 立体物の造形方法および造形装置 - Google Patents

立体物の造形方法および造形装置 Download PDF

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Description

本発明は、立体物の造形方法および造形装置、並びに立体物の造形装置用プログラムに関する。
三次元の立体物を造形する手法としては、特許文献1にあるようなシート積層法のほか、溶融物堆積法(FDM:Fused Deposition Molding)、インクジェット法、インクジェットバインダ法、光造形法(SL:Stereo Lithography)、粉末焼結法(SLS:Selective Laser Sintering)などが知られている。
中でも、インクジェット法として、3Dプリンターによって紫外線硬化性樹脂を噴射しパターンを積層する方法が多用されている。この方法は、最終製品の外観内観のデザイン・機構等を三次元CADによってデータ化した後、コンピュータによって該データをスライスして薄板を重ね合わせるような多層型のパターンデータを作成し、紫外線硬化性樹脂をパターンデータに則してヘッドより噴射して形成した造形層を積層することにより立体物を製造する。
また、このような手法を用いて造形した立体物に対して、加飾(模様や色)を施すことも知られている。
特開2003−71530号公報
ここで、インクジェット法による立体物の造形を、複数のインク層を積層する積層造形法で行う場合、立体物を造形方向で複数に区画したインク層が、順番に形成されることになる。
この場合、各インク層は、立体物の外形に対応する中央領域と、中央領域の外周を囲む着色領域と、着色領域を囲む支持領域(サポート領域)と、から構成されており、これら中央領域と、着色領域と、支持領域は、それぞれ中央領域用のインクと、加飾用のインク(例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラック等の着色インク)と、支持領域用のインクとを、対応するヘッドから吐出することで形成するようになっている。
ここで、支持領域は、上側に積層される他のインク層を支持するために設けられており、立体物の造形後に除去されるようになっている。
しかし、インクジェット法による立体物の造形を、積層造形法で行ったのち、支持領域を除去すると、得られた立体物(造形物)の色品質が低下することがあり、最終的に得られる立体物の色品質を向上させることが求められている。
本発明は、インクジェットヘッドから、インク滴を吐出して、立体的な造形物を造形する立体物造形方法において、
前記造形物の内部造形領域を形成する内部造形領域形成工程と、
前記内部造形領域の外側に、前記造形物を着色する着色領域を形成する着色領域形成工程と、
前記着色領域の外側に、前記造形物を形成する際に支持する支持領域を形成する支持領域形成工程と、
前記内部造形領域と前記着色領域との中間に中間領域を形成する中間領域形成工程と、を有しており、
前記内部造形領域は、少なくとも表面側が白色のインク組成物で形成されており、
前記着色領域は、色成分を含むインク組成物と、透明なインク組成物とから形成されており、
前記中間領域は、前記白色のインク組成物と、前記透明なインク組成物とから、形成されている立体物の造形方法とした。
本願発明者は、支持領域を除去した後の着色領域の表面粗さが粗くなると、造形された立体物の色品質の低下をもたらすという点に気付き、この着色領域の表面粗さが粗くなる原因を鋭意検討した結果、インク層を形成する際に、着色領域を形成するインク組成物と、支持領域を形成するインク組成物とが、互いの界面で混ざり合う程度が大きくなるほど、支持領域を除去した後の着色領域の表面粗さが粗くなることを見いだした。
そこで、造形領域と着色領域との間に中間領域を介して、着色領域と造形領域との間の親和性を、着色領域と支持領域との間の親和性よりも高めることにより、着色領域と支持領域との界面でのインクの混ざり合いを抑制することで、支持層を除去した後の着色領域の表面粗さを向上させて、最終的に得られる立体物の色品質を向上させるに至った。
造形装置で作成される立体物の一例を示す斜視図である。 造形装置で作成される立体物の断面図である。 造形装置の構成を説明する図である。 造形装置で作成される立体物の3次元データである。 造形装置で作成される立体物のスライスデータから形成したインク層を示す模式図である。 造形装置での立体物の造形を説明するフローチャートである。 立体物を造形する途中のインク層でのインク組成物の分布とインク層の表面状態を説明する図である。 比較例にかかる立体物を造形する途中のインク層でのインク組成物の分布とインク層の表面状態を説明する図である。
以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、造形装置10で作成される立体物Tの一例を説明する斜視図である。
図2は、図1の立体物Tを面Aで切断した断面図であり、造形装置10で立体物Tを造形した際に、立体物Tと共に造形されるサポート領域53を仮想線で示した図である。
図3は、造形装置10の構成を説明する図であり、(a)は、造形装置10の概略構成図であり、(b)は、造形装置10のヘッド部20を造形台11側の下方から見た平面図である。
[立体物T]
はじめに、造形装置10で作成される立体物Tについて説明する。
図1および図2に示すように、実施の形態にかかる立体物Tは、ホワイト(W)のインク組成物から形成した内部造形領域50の表面を、ホワイト(W)のインク組成物と透明(CL)なインク組成物とを含む中間領域51と、着色成分(Color)を含むインク組成物と透明(CL)なインク組成物とを含む着色領域52とが、この順番で覆うことで形成される。
立体物Tは、互いに平行な平坦面である上端T1および下端T2から離れるにつれて外径が大きくなる円柱形状を有しており、高さ方向の略中央部が、最も大きな外径を有している。
この立体物Tを、造形装置10で造形する際には、図2に示すように、立体物Tの下側の略半分がサポート領域53で覆われた立体物T’を造形したのち、サポート領域53を除去することで、立体物Tが得られるようになっている。
内部造形領域50は、立体物Tの中心領域であり、光反射性を有するホワイト(W)のインク組成物の硬化により、立体物Tの形状に対応した外形で形成されている。
実施の形態では、この内部造形領域50は、ホワイト(W)のインク組成物が内部に密に充填された中実に形成されているが、この内部造形領域50は、中空に形成されていても良い。
内部造形領域50は、立体物Tの表面から入射した光を反射して、内部造形領域50の外側に位置する着色領域52の視認性を向上させるために設けられている。
そのため、内部造形領域50は、少なくとも表面側の所定の厚みの範囲のみが光反射性を有するホワイト(W)のインク組成物から形成されていれば良い。
中間領域51は、ホワイト(W)のインク組成物と、透明(CL)なインク組成物とを含む領域であり、これらインク組成物の硬化により形成される。
中間領域51は、内部造形領域50の表面を全面に亘って覆うと共に、所定の厚みで設けられている。
この中間領域51は、当該中間領域51の表面を覆う着色領域52と、内部造形領域50との親和性を高めるために設けられている。
着色領域52は、Y(イエロー)、M(マゼンタ)、C(シアン)、K(ブラック)などを着色成分として含むインク組成物と、透明(CL)なインク組成物との混合領域であり、これらインク組成物の硬化により形成される。
着色領域52は、中間領域51の表面を全面に亘って覆っており、この着色領域52には、Y(イエロー)、M(マゼンタ)、C(シアン)、K(ブラック)などを着色成分として含むインク組成物が、実現したい色に応じて決まる所定の割合で着弾しており、立体物Tの表面には、この着色領域52が呈する色が現れている。
なお、着色領域52に存在するインク組成物は、上記したY(イエロー)、M(マゼンタ)、C(シアン)、K(ブラック)などのインク組成物に限定されるものではなく、透明(CL)なインク組成物の他に、ホワイト(W)のインク組成物が含まれていても良い。
また、着色領域52には、Y(イエロー)、M(マゼンタ)、C(シアン)を、任意の組み合わせで混合して得られる中間色を呈するインク組成物が含まれていても良い。
サポート領域53は、インク組成物(サポート材組成物)の硬化により形成される領域であり、後記するインク層Lを高さ方向に重ねて立体物Tを造形する際に、インク層のうち、造形台11側の下方に、当該インク層を支持する他のインク層が存在しない領域の下面を支持するために設けられている(図4の(a)参照)。
[造形装置10]
図3の(a)に示すように、造形装置10は、立体物Tの造形台11と、造形台11の上方で主走査方向Yに移動可能に配置されたヘッド部20と、造形装置10を制御する制御装置30と、を有している。
さらに、制御装置30からの指示に従ってヘッド部20を主走査方向Yに移動させる主走査駆動部40と、制御装置30からの指示に従ってヘッド部20を副走査方向Xに移動させる副走査駆動部45と、を有している。
造形台11は、鉛直線VLに直交して略水平に配置された板状部材であり、上面視において略矩形形状を成す造形台11は、造形される立体物Tを載置可能な所定面積で形成されている。
この造形台11の上面11aは、造形される立体物Tの載置面であり、鉛直線VLに直交する平坦面となっている。
造形台11の一側には、鉛直線VL方向に延びる連結アーム12が接続されており、この連結アーム12の上部に設けた連結部13は、鉛直線VLに沿って配置されたガイドレール14に連結されている。
この状態において、連結部13は、ガイドレール14の長手方向に沿って移動可能に設けられており、連結部13の内部に設けた駆動機構(図示せず)が、制御装置30からの指令に基づいて動作すると、連結部13に連結アーム12を介して接続された造形台11が、鉛直線VLに沿う上下方向に、移動するようになっている。
造形台11の上方には、主走査方向Yに沿って配置されたガイドレール15が設けられており、このガイドレール15では、インク組成物を吐出する複数のインクヘッド21(21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CL)と、吐出されたインク組成物の層の高さを揃えて平坦化するローラユニット24と、平坦化されたインク組成物の層に紫外線を照射して、インク組成物に含まれる紫外線硬化型の樹脂を硬化させる紫外線照射ユニット25(硬化手段)と、を有するヘッド部20が、主走査方向Yに移動可能に設けられている。
ヘッド部20は、ガイドレール15との連結部16に図示しない駆動機構を有しており、主走査駆動部40が、制御装置30からの指令に基づいて駆動機構を駆動することで、ヘッド部20が、ガイドレール15に沿って、主走査方向Yに移動するようになっている。
ガイドレール15の長手方向の一端側と他端側は、副走査方向Xに沿って互いに平行に配置されたガイドレール17、17で支持されており、これらガイドレール17、17においてガイドレール15は、主走査方向Yに直交する副走査方向Xに移動可能に設けられている。
実施の形態では、副走査駆動部45が、制御装置30からの指令に基づいて図示しない駆動機構を駆動することで、ガイドレール15とヘッド部20とが、副走査方向Xに移動するようになっている。
図3の(a)に示すように、造形台11に対向するヘッド部20の下面20aには、主走査方向Y方向の両側部に、紫外線照射ユニット25、25が設けられており、紫外線照射ユニット25、25の間には、インク組成物を吐出する複数のインクヘッド21(21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CL)と、ローラユニット24とが主走査方向Yに所定間隔で並んでいる。
インクヘッド21は、サポート材用ヘッド21Sと、白インク用ヘッド21Wと、複数の有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)と、クリアインク用ヘッド21CL、から構成される。
有色インク用ヘッド21では、イエローインク(Y:Yellow)を吐出するイエローインク用のインクヘッド21Yと、マゼンタインク(M:Magenta)を吐出するマゼンタインク用のインクヘッド21Mと、シアンインク(C:Cyan)を吐出するシアンインク用のインクヘッド21Cと、ブラックインク(K:Black)を吐出するブラックインク用のインクヘッド21Kとが、ヘッド部20の長手方向(図3の(b)の左右方向)における一方側から他方側に、この順番で設けられている。
これらサポート材用ヘッド21Sと、白インク用ヘッド21Wと、有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)と、クリアインク用ヘッド21CLとは、インクジェット方式で、紫外線硬化型のインクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドであり、これらインクヘッドは、副走査方向(X方向)における位置を揃えた状態で、主走査方向(Y方向)に所定間隔で並んでいる。
なお、サポート材用ヘッド21Sと、白インク用ヘッド21Wと、有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)と、クリアインク用ヘッド21CLとしては、公知のインクジェットヘッドを好適に用いることができる。
また、これらのインクジェットヘッドは、造形台11と対向する面に、複数のノズルが副走査方向へ並ぶノズル列を有しており、各インクジェットヘッドは、インクジェットヘッドが有するノズル列から、造形台11に向けてインク滴を吐出するように構成されている。
また、複数のノズルが並ぶノズル方向は、主走査方向と直交する方向になる。また、インクジェットヘッドの構成の変形例においては、主走査方向とノズル列方向とが直交以外の角度で交差する構成を用いること等も考えられる。
また、サポート材用ヘッド21Sと、白インク用ヘッド21Wと、有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)と、クリアインク用ヘッド21CLの並び方については、図示した構成に限らず、様々に変更してもよい。例えば、一部のインクジェットヘッドについて、他のインクジェットヘッドと副走査方向における位置をずらして配設してもよい。また、ヘッド部20は、例えば、各色の淡色や、R(赤)G(緑)B(青)やオレンジ等の色用のインクジェットヘッド等を更に有してもよい。
有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)は、互いに異なる色の有色のインクのインク滴をそれぞれ吐出するインクジェットヘッドである。
これら有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)から吐出されるインク(インク組成物)は何れも、図2に示す着色領域52を形成するために用いる着色インク(着色成分を含むインク組成物)であり、この着色インクは、着色顔料などの着色成分と、紫外線硬化型の樹脂などのバインダ成分と、バインダ成分と着色成分とを分散させた状態で保持する溶媒成分と、各種の添加剤と、を含む着色成分を含むインク組成物である。
白インク用ヘッド21Wは、ホワイト(W)のインクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドである。
このホワイト(W)のインク組成物は、図2に示す内部造形領域50と、白色インク(W)と透明インク(CL)との中間領域51を、形成する際に主に用いられるインクであり、白色顔料などの着色成分と、紫外線硬化型の樹脂などのバインダ成分と、バインダ成分と着色成分とを分散させた状態で保持する溶媒成分と、各種の添加剤と、を含むホワイト(W)のインク組成物である。
クリアインク用ヘッド21CLは、クリアインクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドである。この場合、クリアインクとは、透明色(CL)であるクリア色のインクである。
この透明(CL)なインク組成物は、ホワイト(W)のインク組成物と透明(CL)なインク組成物とを含む中間領域51と、着色領域52を形成するために用いられるインクであり、紫外線硬化型の樹脂などのバインダ成分と、バインダ成分を分散させた状態で保持する溶媒成分と、各種の添加剤と、を含む透明(CL)なインク組成物である。
透明なインク組成物とは、単位厚さ当たりの光透過率が50%以上である透明層を形成することができるインクであれば良い。透明層の単位厚さ当たりの光透過率が50%を下回ると、光の透過が不都合に阻止されて、造形物が減法混色による所望の色調を呈することができないため望ましくない。また、好ましくは、透明層の単位厚さ当たりの光透過率が80%以上となるインクを用い、透明層の単位厚さ当たりの光透過率が90%以上となるインクを用いることがより好ましい。
サポート材用ヘッド21Sは、サポート層の材料を含むインク滴を吐出するインクジェットヘッドである。
このサポートインク(S)は、立体物Tの外周を囲んで支持するサポート領域53を造形するために用いるインクであり、紫外線硬化型の樹脂であって、硬化後に水に溶解可能な樹脂からなるバインダ成分と、バインダ成分を分散させた状態で保持する溶媒成分と、各種の添加剤と、を含むインク組成物である。
複数の紫外線光源25は、紫外線照射部の一例であり、紫外線硬化型インクを硬化させる紫外線を発生する。紫外線光源25としては、例えば、UVLED(紫外LED)等を好適に用いることができる。また、紫外線光源25として、メタルハライドランプや水銀ランプ等を用いることも考えられる。
ローラユニット24は、立体物Tの造形中に形成される紫外線硬化型インクの層を平坦化するための構成である。
本例において、ローラユニット24は、有色インク用ヘッド21Y、21M、21C、21K、白インク用ヘッド21W、クリアインク用ヘッド21CL、及びサポート材用ヘッド21Sの並びと、他方側の紫外線光源25(UV2)との間に配設される。
これにより、ローラユニット24は、有色インク用ヘッド21Y、21M、21C、21K、白インク用ヘッド21W、クリアインク用ヘッド21CL、及びサポート材用ヘッド21Sの並びに対し、副走査方向の位置を揃えて、主走査方向へ並べて配設される。
また、本例において、ローラユニット24は、ローラ241、ブレード242、及びインク回収部246を有する。
ローラ241は、インクジェットヘッドにより形成されるインクの層を平坦化する平坦化手段の一例であり、例えば主走査動作時において、インクの層の表面と接触することでインクの層を平坦化する。
ブレード242は、ローラ241が掻き取ったインクをローラ241から引き剥がすブレード部材である。インク回収部246は、ブレード242がローラ241から引き剥がしたインクを回収する回収部である。
以下、造形装置10による立体物Tの造形を説明する。
図4は、造形装置10で立体物Tを造形する際に用いられる3次元データであって、図2に示した立体物Tの断面に対応するデータである。
図5は、立体物Tを高さ方向でN個のインク層Lに区画した場合におけるa番目のインク層Laのスライスデータから造形したインク層Laを説明する模式図である。
造形装置10では、立体物Tを、高さ方向に所定間隔でスライス(区画)して、N個のインク層L(L1〜Ln:nは任意の整数)を設定し、造形台11側(下側)に位置するインク層L1からインク層Lnまで順番に形成することで、立体物Tを造形するようになっている。
各インク層Lは、ヘッド部20から、紫外線硬化型の樹脂を含むインク組成物を吐出して、硬化前のインク組成物からなるインク層(未硬化インク層)を形成したのち、形成した未硬化インク層に紫外線を照射して硬化させることで形成される。
ここで、未硬化インク層は、立体物Tの3次元データ(3Dデータ)から、各インク層L(L1〜Ln)を規定するスライスデータを生成し、生成したスライスデータに基づいて、インクヘッド21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CLからのインク組成物の吐出を制御することで形成される。
例えば、立体物Tにおける各領域(内部造形領域50、中間領域51、着色領域52、サポート領域53)の分布を示す3次元データ(立体物Tの3次元データ)が、図4に示すような内容を示している場合、この3次元データを立体物Tの造形方向(高さ方向)でN個に区画して、各インク層のスライスデータを作成すると、例えばa個目のインク層Laのスライスデータは、図5に示すインク層Laを形成するための内容となる。
この図5に示すインク層Laを形成するためのスライスデータは、立体物Tの断面(インク層La)における各領域(内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520)の分布と、着色領域部520の外周を囲むサポート領域部530の分布を示す2次元データであり、この2次元データにより、各インク組成物を吐出する平面上の位置と、吐出量とが特定できるようになっている。
造形装置10では、制御装置30が、各インク層Lを造形する際に、ヘッド部20を主走査方向Yに移動させながら、スライスデータに基づいて、ヘッド部20の各インクヘッド21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CLからのインク組成物の吐出を制御することで、各領域(内部造形領域50、中間領域51、着色領域52、サポート領域53)の一部(内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520、サポート領域部530)が、スライスデータで規定された分布で存在するインク層Laが形成されるようになっている(図5参照)。
具体的には、ガイドレール15における一方側(図3の(a)における左側)から他方側(図3の(a)における右側)に、ヘッド部20を移動させながらインク組成物を吐出するパス動作と、ガイドレール15における他方側から一方側にヘッド部20を移動させながらインク組成物を吐出するパス動作を交互に繰り返す主走査動作と、ヘッド部20を副走査方向Xに移動させる副走査動作と、を順番に行いながら、インク層Lを形成するようになっている。
そして、主走査動作における最後のパス動作において、ローラ261による硬化前のインク層L(未硬化造形層)の平坦化と、紫外線照射ユニット25から照射された紫外線による未硬化造形層の硬化により、インク層Lを作成するようになっている。
これにより、複数のインク層LがZ方向(高さ方向)に積層されて、立体物Tが造形されるようになっており、各インク層の内部造形領域部500から、立体物Tの外形に対応する立体形状の内部造形領域50が造形され、各インク層の中間領域部510から、内部造形領域50の表面を覆う中間領域51が造形され、各インク層の着色領域部520から、中間領域51の表面を覆う着色領域52が造形される。
そして、各インク層のサポート領域部530から、立体物Tの下側を支持するサポート領域53が形成される。
また、内部造形領域50、中間領域51、そして着色領域52の順番で配置して、立体物Tを造形することで、最終的に得られる立体物Tでは、当該立体物Tの表面をX、Y、Zのあらゆる方向から見ても、内部造形領域50、中間領域51、着色領域52の順となるので、減法混色により表現された色調を認識することができるようになっている。
以下、図6のフローチャートを参照して、立体物Tの造形過程を説明する。
図6は、造形装置10での立体物Tの造形過程を説明するフローチャートである。
制御装置30では、立体物Tの3次元(3D)データが入力されたのちに(ステップS101、Yes)、立体物Tのスライス数N(インク層Lの数)と、各インク層Lの作成時に実施される主走査動作の回数(パス数M)が設定されると(ステップS102、Yes)、ステップS103において制御装置30が、立体物Tの新たな作成を開始するために、造形カウンタCT1の値をリセットする。
ここで、造形カウンタCT1は、造形したインク層の数をカウントするカウンタであり、例えば、造形カウンタCT1の値が「3」である場合には、3つ目のインク層の作成が完了していることを意味している。
続く、ステップS104において制御装置30は、3Dデータをスライス数Nに応じて区画したスライスデータを作成する。これにより、1つの3Dデータから、N個のスライスデータが作成されることになる。
ステップS105において制御装置30は、ヘッド部20を、主走査方向Yと副走査方向Xに移動させながら、インクヘッド21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CLからインク組成物を吐出してインク層を形成する。
具体的には、インク層を形成するに際して制御装置30は、これから形成するインク層Lのスライスデータの読み込みを実施する。
実施の形態では、造形カウンタCT1の値を参照することで、これから形成するインク層Lが、n個のインク層Lnのうちのどのインク層であるのかを特定できるようになっている。そのため、制御装置30は、特定したインク層に対応するスライスデータを、前記したステップS104で作成された複数のスライスデータの中から取得することになる。
例えば、造形カウンタCT1の値が「0(=ゼロ)」である場合には、一つ目のインク層Lの作成が完了していないことになるので、一番下に位置する一つ目のインク層L1のスライスデータが取得されることになる。
そして、制御装置30は、ヘッド部20を、主走査方向Yにおける一方側(他方側)から他方側(一方側)に移動させながら、ヘッド部20のサポート材用ヘッド21Sと、白インク用ヘッド21Wと、有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)と、クリアインク用ヘッド21CLからのインクの吐出を行うパス動作を実施する。
ここで、スライスデータでは、造形台11上の造形領域(X−Y平面領域)上の所定面積の位置(ピクセル)毎に、ヘッド部20のサポート材用ヘッド21Sと、白インク用ヘッド21Wと、有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)と、クリアインク用ヘッド21CLからのインクの吐出の有無と、インクを吐出する場合のインクの吐出量とが規定されている。
そのため、制御装置30は、ヘッド部20のパス動作を行う際に、ヘッド部20のサポート材用ヘッド21Sと、白インク用ヘッド21Wと、有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)と、クリアインク用ヘッド21CLとが、それぞれスライスデータで規定された所定位置を通過する際に、インクを吐出させて、造形材11の上面11a、または既に形成されているインク層の上に新たなインク層を形成するようになっている。
ここで、図4におけるインク層Laを形成する場合であって、ヘッド部20が図中左側の所定位置から右側の所定位置に向かうパス動作を行う場合を例に挙げて説明する。
インク層Laでは、図中左側から順番にサポート領域53、着色領域52、中間領域51、内部造形領域50、中間領域51、着色領域52、サポート領域53となっている。
そのため、制御装置30は、サポート領域53の上方をサポート材用ヘッド21Sが通過する際に、サポート材用ヘッド21Sからインク(サポート材組成物)を吐出させ、内部造形領域50の上方を白インク用ヘッド21Wが通過する際に、白インク用ヘッド21Wからインク(ホワイト(W)のインク組成物)を吐出させる。
また、制御装置30は、中間領域51の上方をクリアインク用ヘッド21CLと白インク用ヘッド21Wが通過する際に、これらインクヘッドからインク(透明(CL)なインク組成物、ホワイト(W)のインク組成物)を吐出させる。
さらに、制御装置30は、着色領域52の上方を、白インク用ヘッド21W、有色インク用ヘッド21(21Y、21M、21C、21K)、そしてクリアインク用ヘッド21CLが通過する際に、当該着色領域52で実現する色味に応じて、対応するヘッドからインク組成物を吐出させる。
制御装置30は、このようなヘッド部20を移動させながらインク組成物を吐出するパス動作を、前記したステップS102で設定したパス回数実施することで、新たなインク層を形成し、最後のパス動作の際に、それまでに吐出されて積層されたホワイト(W)のインク組成物からなる未硬化インク層の平坦化と、紫外線照射による硬化を行うようになっている。
ここで、着色領域部520を形成する際に、着色成分(Color)を含むインク組成物に加えて、透明(CL)なインク組成物を吐出するのは、着色成分(Color)を含むインク組成物の充填密度(インク充填密度)を補足する補充インクとして、透明(CL)なインク組成物を用いているからである。
着色成分(Color)を含むインク組成物のみで着色領域部520を形成した場合、最終的に発現させたい色(色濃度)の濃い部分はインク組成物の量が多く、薄い部分はインク組成物の量が少なくなる。そうすると、着色領域部520では、色成分(Color)を含むインク組成物の充填密度が場所によって異なることになり、充填密度が低い領域は、充填密度が高い領域よりも厚みが薄くなる結果、着色領域部520の表面に凹凸や隙間が生じてしまう。
着色領域部520での凹凸や隙間は、最終的に得られる立体物Tの表面から入射した光の着色領域52での乱反射や屈折を引き起こす原因となり、立体物Tの表面が呈する色味の低下や、立体物Tの形状崩れを引き起こす可能性がある。
これに対して、実施の形態では、透明(CL)なインク組成物を、インク組成物の充填密度を均一にするための補充インクとして用いている。そのため、着色領域部520の表面に凹凸や隙間が生じることが防止されて、最終的に得られる立体物Tの表面が呈する色味の低下や、立体物Tの形状崩れが防止されるようになっている。
なお、ステップS104において新たなインク層を形成する際に、インクヘッド21の副走査方向の幅が、形成するインク層の幅よりも広い場合には、その時点で形成が完了しているインク層の一部(内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520、サポート領域部530)に隣接して、新たにインク層の一部(内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520、サポート領域部530)を形成する必要がある。
よって、この場合には、制御部30は、ヘッド部20を副走査方向Xに所定量移動させたのち、前記した所定回数のパス動作を実施して、スライスデータで規定されたインク層Laの全体を形成することになる。
そして、ステップS105のインク層の形成処理が終了すると、ステップS106において制御装置30が、造形カウンタCT1の値を「1」インクリメントする。ひとつのインク層Lの形成が完了したことになるからである。
そして、ステップS107において制御装置30が、造形カウンタCT1の値が、ステップS102で設定したスライス数Nに達したか否かを確認し、造形カウンタCT1の値とスライス数Nとが同じでない場合には(ステップS107、No)、ステップS105の処理に移行することになる。
これにより、移行後のステップS105において制御装置30は、新たなインク層の形成処理を実施することになる。
例えば、現時点における造形カウンタCT1の値が「1」である場合には、現時点が、一つ目のインク層L1の作成が完了した時点ということになるので、一番下から二つ目のインク層L2が形成されることになる。
これにより、造形カウンタCT1の値が、ステップS102で設定されたスライス数Nになるまでの間、ステップS105からステップS108までの処理が繰り返し実行されて、インク層Lが順番に形成されて積層されることになる。
そして、造形カウンタCT1の値が、ステップS102で設定されたスライス数Nに達した時点で、ステップS107の判定が肯定されて(ステップS107、Yes)、制御装置30は、立体物Tの造形処理を終了することになる。
これにより、最終的に、積層されたインク層Lからなる立体物Tが形成されることになり、例えば、ステップS102で設定されたスライス数Nが「50」である場合には、インク層Lが50層積み重ねられた立体物Tが作成されることになる。
以下、かかる過程を経て、インク層Lの内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520、サポート領域部530を作成した場合の作用を説明する。
図7は、実施の形態にかかる立体物Tを造形する途中のインク層Lxでのインク組成物の分布とインク層Lxの表面状態を説明する図である。
なお、図7の(a)は、インク層Lxの断面図であって、図5におけるA−A断面を模式的に示した図であり、(b)は、(a)に示したインク層Lxを、A−A矢視方向から見た図であって、インク層Lxでのインク組成物の分布を説明する図である。
図8は、比較例にかかる立体物Taでのインク層La’でのインク組成物の分布とインク層La’の表面状態を説明する図である。
ここで、本願発明者は、サポート領域53を除去した後の着色領域52の表面粗さが粗くなると、造形された立体物Tの色品質の低下がもたらされるという点に気付き、この着色領域52の表面粗さが粗くなる原因を鋭意検討した結果、インク層Lを形成する際に、着色領域52を形成するインク組成物と、サポート領域53を形成するインク組成物とが、互いの界面で混ざり合う程度が大きくなるほど、サポート領域53を除去した後の着色領域52の表面粗さが粗くなることを見いだした。
そして、(a)硬化前のインク層Lにおける着色領域部520とサポート領域部530との界面で、インクが混ざり合う程度に影響すること、(b)着色領域部520と内部造形領域部500との間に中間領域部510を設けて、着色領域部520と内部造形領域部500との間の親和性を、着色領域部520とサポート領域部530との間の親和性よりも高くすることで、着色領域部520とサポート領域部530との界面で、インクが混ざり合うことを抑制できること、を見いだして、インク層Lにおける各領域部(内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520、サポート領域部530)の位置関係と、中間領域部510に含まれるインク組成物の組成を決定した。
具体的には、内部造形領域部500と着色領域部520との間の中間領域部510を、透明(CL)なインク組成物と、ホワイト(W)のインク組成物との混合領域とした。
この場合におけるインク層Lにおける各領域部(内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520、サポート領域部530)の並びは、図7の(a)に示すような位置関係となる。
そして、図7の(b)に示すように、中間領域部510に含まれる透明(CL)なインク組成物は、中間領域部510の外側で隣接する着色領域部520にも含まれており、ホワイト(W)のインク組成物は、中間領域部510の内側で隣接する内部造形領域部500に含まれている。
これにより、中間領域部510と着色領域部520は、互いに共通して含まれる透明(CL)なインク組成物によって、中間領域部510と着色領域部520との間の親和性が、他の領域との間の親和性よりも高くなっている。
また、中間領域部510と内部造形領域部500は、互いに共通して含まれるホワイト(W)のインク組成物によって、中間領域部510と内部造形領域部500との間の親和性が、他の領域との間の親和性よりも高くなっている。
そうすると、中間領域部510を介した内部造形領域部500と着色領域部520との間の親和性は、着色領域部520とサポート領域部530との間の親和性よりも高くなる。
これにより、着色領域部520とサポート領域部530との界面で、インクが混ざり合うことを抑制している。
よって、サポート領域部530(サポート領域53)を除去した後の着色領域部520(着色領域52)の表面粗さを小さくすることができるので、造形された立体物Tの色品質を向上させることができる。
これに対して、本願の中間領域部510が設けられていないインク層La’(図8の(a)参照)の場合には、着色領域部520を挟んだ一方側に内部造形領域部500、他方側にサポート領域部530が、それぞれ位置している。
そして、図8の(b)に示すように、着色領域部520に含まれるインク組成物には、透明(CL)なインク組成物が含まれていないので、着色領域部520と内部造形領域部500との間の親和性と、着色領域部520とサポート領域部530との間の親和性に相対的な高低差は発生しない状態となる。
そのため、着色領域部520は、内部造形領域部500側との界面と、サポート領域部530側との界面で等しくインク組成物が混ざり合うことになる。
この場合には、サポート領域部530(サポート領域53)を除去した後の着色領域部520(着色領域52)の表面粗さをコントロールできないことになるので、造形された立体物Taの色品質を安定させることができない。
これに対して、本実施形態では、インク層における各領域部(内部造形領域部500、中間領域部510、着色領域部520、サポート領域部530)が設定されており、着色領域部520を形成するインク組成物と、サポート領域部530を形成するインク組成物とが、互いの界面で混ざり合う程度が低くなる。
これにより、サポート領域部530(サポート領域53)を除去した後の着色領域部520(着色領域52)の表面粗さを小さくすることができ、造形された立体物Tの色品質を向上させることができるようになっている。
以上の通り、実施の形態では、
(1)インクジェットヘッドから、インク滴を吐出して、立体的な造形物(立体物T)を造形する立体物造形方法において、
立体物Tの内部造形領域50を形成する造形領域形成工程と、
内部造形領域50の外側に、立体物Tを着色する着色領域52を形成する着色領域形成工程と、
着色領域52の外側に、立体物Tを形成する際に支持するサポート領域53(支持領域)を形成する支持領域形成工程と、
内部造形領域50と着色領域52との間に中間領域51を形成する中間領域形成工程と、を有し、
中間領域51は、
中間領域51と内部造形領域50との間の親和性及び、中間領域51と着色領域52との間の親和性が、着色領域52とサポート領域53との間の親和性より高くなるように形成されている構成とした。
このように構成すると、中間領域51を介した着色領域52と内部造形領域50との間の親和性が、着色領域52とサポート領域53との間の親和性より高くなるので、着色領域52とサポート領域53との界面でインクが混ざり合うことを抑制することができる。
よって、サポート領域53を除去した後の着色領域52の表面粗さを小さくすることができるので、造形された立体物Tの色品質を向上させることができる。
(2)複数のインク層L1〜Lnを高さ方向に積層して立体物Tを造形する立体物Tの造形方法であって、
立体物Tを高さ方向で複数に区画して、複数のインク層Lnを設定する第1工程と、
前記立体物Tの3次元データから、複数のインク層Lnの各々を規定するスライスデータを生成する第2工程と、
スライスデータに基づいて、各インクヘッド21(21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CL)からのインク組成物の吐出を制御してインク層Lを形成し、
当該インク層Lを順番に積層することで、立体物Tを造形する第3工程と、を有し、
立体物Tは、
立体物Tの外形に対応する形状を有すると共に、少なくとも表面側がホワイト(W)のインク組成物で形成された内部造形領域50と、
ホワイト(W)のインク組成物と透明(CL)なインク組成物とを含んで形成されると共に、内部造形領域50の表面を覆う中間領域51と、
着色成分(Color)を含むインク組成物と透明(CL)なインク組成物とを含んで形成される共に、中間領域51の表面を覆う着色領域52と、から構成され、
インク層Lには、
内部造形領域50となる内部造形領域部500と、中間領域51となる中間領域部510と、着色領域52となる着色領域部520とを有するインク層と、
高さ方向の上側に積層される他のインク層の下面を支持するサポート領域部530が、着色領域部520を囲んで設けられたインク層と、が含まれており、
複数のインク層Lを積層して立体物Tを造形したのち、サポート領域53を除去する第4工程をさらに有している構成とした。
このように構成すると、中間領域51は、内部造形領域部500を構成するホワイト(W)のインク組成物との親和性の高いホワイト(W)のインク組成物と、
着色領域部520を構成するインク組成物のうち、着色成分を含むインク組成物の他に含まれる透明(CL)なインク組成物との親和性が高い透明(CL)なインク組成物と、を含んでいる。
そうすると、中間領域51を介した、内部造形領域50と着色領域52との間の親和性は、着色領域52とサポート領域53との間の親和性よりも高くなる。
これにより、着色領域52とサポート領域53との界面で、インクが混ざり合うことを抑制している。(図7の(b)参照)
よって、サポート領域部530(サポート領域53)を除去した後の着色領域部520(着色領域52)の表面粗さを小さくすることができるので、造形された立体物Tの色品質を向上させることができる。
なお、本願発明は、立体物Tの造形装置10としても特定可能である。
すなわち、
(3)立体物Tの造形台11と、
造形台11の上方で主走査方向Yに移動可能に配置されたヘッド部20と、
ヘッド部20の主走査方向Yへの移動と、ヘッド部20のインクヘッド21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CLからのインク組成物の吐出を制御する制御装置30(制御手段)と、
ヘッド部20から吐出させたインク組成物を硬化させる紫外線照射ユニット25(硬化手段)と、を有し、
ヘッド部20から吐出させたインク組成物の硬化により形成したインク層Lを、高さ方向に積層して立体物Tを造形する立体物Tの造形装置10であって、
立体物Tは、
立体物Tの外形に対応する形状を有する内部造形領域50と、
内部造形領域50の表面を覆う中間領域51と、
中間領域51の表面を覆う着色領域52と、から構成されており、
中間領域51は、
中間領域51と内部造形領域50との間の親和性及び、中間領域51と着色領域52との間の親和性を高くするインク組成物を含んでいるものとした。
このようにすると、中間領域51を介した、内部造形領域50と着色領域52との間の親和性は、他の領域との間の親和性よりも高くなる。
よって、立体物T以外の領域との間における界面で、インクが混ざり合うことを抑制できるので、立体物Tの表面の粗さが小さくなり、最終的に得られた立体物Tでは、表面の色品質が向上することになる。
(4)内部造形領域50は、少なくとも表面側がホワイト(W)のインク組成物で形成されており、
着色領域52は、着色成分を含むインク組成物と、透明(CL)なインク組成物とから形成されており、
中間領域51は、ホワイト(W)のインク組成物と、前記透明(CL)なインク組成物とから、形成されているものとした。
このようにすると、中間領域51と内部造形領域50との間の親和性及び、中間領域51と着色領域52との間の親和性を高くすることができる。
そうすると、中間領域51を介して、着色領域52と内部造形領域50との間の親和性を高めることにより、着色領域52とサポート領域53との間の界面でインクが混ざり合うことを抑制することができる。
さらに、本願発明は、立体物Tの造形装置10用のプログラムとしても特定可能である。
すなわち、
(5)複数のインク層Lを高さ方向に積層して立体物Tを造形する立体物の造形装置用のプログラムであって、
造形装置10の制御装置30(制御手段)を、
立体物Tを高さ方向で複数に区画して、複数のインク層Lを設定する第1手段(図6:ステップS102)、
立体物の3次元データから、複数のインク層Lの各々を規定するスライスデータを生成する第2手段(図6:ステップS104)、
スライスデータに基づいて、各インクヘッド21S、21W、21Y、21M、21C、21K、21CLからのインク組成物の吐出を制御してインク層を形成し、
当該インク層を順番に積層することで、立体物Tを造形する第3手段(図6:ステップS105〜S108)、として機能させるプログラムであり
立体物Tは、
立体物Tの外形に対応する形状を有する内部造形領域50と、
内部造形領域50の表面を覆う中間領域51と、
中間領域51の表面を覆う着色領域52と、から構成されており、
中間領域51は、
中間領域51と内部造形領域50との間の親和性及び、中間領域51と着色領域52との間の親和性を高くするインク組成物を含んでいるものとした。
このように構成すると、最終的に得られた立体物Tの表面の色品質が向上する。
本発明は上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態および変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、実施形態および変形例にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
以下、本願発明の特徴を抽出して記載する。
(1)インクジェットヘッドから、インク滴を吐出して、立体的な造形物を造形する立体物造形方法において、
前記造形物の内部造形領域を形成する内部造形領域形成工程と、
前記内部造形領域の外側に、前記造形物を着色する着色領域を形成する着色領域形成工程と、
前記着色領域の外側に、前記造形物を形成する際に支持する支持領域を形成する支持領域形成工程と、
前記内部造形領域と前記着色領域との間に、中間領域を形成する中間領域形成工程と、を有し、
前記中間領域は、
前記中間領域と前記内部造形領域との間の親和性及び、前記中間領域と前記着色領域との間の親和性が、前記着色領域と前記支持領域との間の親和性より高くなるように形成されていることを特徴とする立体物の造形方法。
このように構成すると、着色領域と内部造形領域との親和性を高めることにより、着色領域と支持領域との界面でインクが混ざり合うことを抑制することができる。
(2)前記内部造形領域は、少なくとも表面側が白色のインク組成物で形成されており、
前記着色領域は、前記着色成分を含むインク組成物と、透明なインク組成物とから形成されており、
前記中間領域は、前記白色のインク組成物と、前記透明なインク組成物とから、形成されていることを特徴とする(1)に記載の立体物の造形方法。
このように構成すると、中間領域を介した、内部造形領域と着色領域との間の親和性は、サポート領域と着色領域との間の親和性よりも高くなる。
これにより、着色領域とサポート領域との界面で、インクが混ざり合うことを抑制している。(図7の(b)参照)
よって、サポート領域を除去した後の着色領域の表面粗さを小さくすることができるので、造形された立体物の色品質を向上させることができる。
(3)立体物の造形台と、
前記造形台の上方で主走査方向に移動可能に配置されたヘッド部と、
前記ヘッド部の前記主走査方向への移動と、前記ヘッド部からのインク組成物の吐出を制御する制御手段と、
前記ヘッド部から吐出させた前記インク組成物を硬化させる硬化手段と、を有し、
前記ヘッド部から吐出させた前記インク組成物の硬化により形成したインク層を、高さ方向に積層して立体物を造形する立体物の造形装置であって、
前記立体物は、
前記立体物の外形に対応する形状を有する内部造形領域と、
前記内部造形領域の表面を覆う中間領域と、
前記中間領域の表面を覆う着色領域と、から構成されており、
前記中間領域は、
中間領域と内部造形領域との間の親和性及び、中間領域と着色領域との間の親和性を高くするインク組成物で形成したものあることを特徴とする立体物の造形装置。
このように構成すると、中間領域を介した、内部造形領域と着色領域との間の親和性は、他の領域との間の親和性よりも高くなる。
よって、立体物以外の造形物との間における界面で、インクが混ざり合うことを抑制できるので、立体物の表面の粗さが小さくなり、最終的に得られた立体物では、表面の色品質が向上することになる。
(4)前記内部造形領域は、少なくとも表面側が白色のインク組成物で形成されており、
前記着色領域は、色成分を含むインク組成物と、透明なインク組成物とから形成されており、
前記中間領域は、前記白色のインク組成物と、前記透明なインク組成物とから、形成されていることを特徴とする(3)に記載の立体物の造形装置。

このように構成すると、中間領域と内部造形領域との間の親和性及び、中間領域と着色領域との間の親和性を高くすることができる。
そうすると、中間領域を介して、着色領域と内部造形領域との間の親和性を高めることにより、着色領域と支持領域との間の界面でインクが混ざり合うことを抑制することができる。
(5)複数のインク層を高さ方向に積層して立体物を造形する立体物の造形装置用のプログラムであって、
前記造形装置の制御手段を、
前記立体物を前記高さ方向で複数に区画して、前記複数のインク層を設定する第1手段、
前記立体物の3次元データから、前記複数のインク層の各々を規定するスライスデータを生成する第2手段、
前記スライスデータに基づいて、各インクヘッドからのインク組成物の吐出を制御して前記インク層を形成する第3手段、
前記第3手段で形成した前記インク層を硬化させる第4手段、
前記第2手段と前記第3手段を繰り返して前記インク層を順番に積層することで、前記立体物を造形する第5手段、として機能させるプログラムであり
前記立体物は、
前記立体物の外形に対応する形状を有する内部造形領域と、
前記内部造形領域の表面を覆う中間領域と、
前記中間領域の表面を覆う着色領域と、から構成されており、
前記中間領域は、
中間領域と内部造形領域との間の親和性及び、中間領域と着色領域との間の親和性を高くするインク組成物で形成したものあることを特徴とする立体物の造形装置用のプログラム。
このように構成すると、最終的に得られた立体物の表面の色品質が向上する。
10 造形装置
11 造形台
12 連結アーム
13、16 連結部
14、15、17 ガイドレール
20 ヘッド部
21C、21M、21Y、21K、21S、21W、21CL インクヘッド
25 紫外線照射ユニット
24 ローラユニット
241 ローラ
242 ブレード
30 制御装置
40 主走査駆動部
45 副走査駆動部
50 内部造形領域
500 内部造形領域部
51 中間領域
510 中間領域部
52 着色領域
520 着色領域部
53 サポート領域
530 サポート領域部
A 面
CT1 造形カウンタ
CAD 三次元
L(L1、・・・、La、・・・Ln) インク層
T 立体物
X 副走査方向
Y 主走査方向

Claims (2)

  1. インクジェットヘッドから、インク滴を吐出して、立体的な造形物を造形する立体物造形方法において、
    前記造形物の内部造形領域を形成する内部造形領域形成工程と、
    前記内部造形領域の外側に形成され、
    前記造形物を着色する着色領域を形成する着色領域形成工程と、
    前記着色領域の外側に形成され、前記造形物を形成する際に支持する支持領域を形成する支持領域形成工程と、
    前記内部造形領域と前記着色領域との間に中間領域を形成する中間領域形成工程と、を有し、
    前記内部造形領域は、少なくとも表面側が白色のインク組成物で形成されており、
    前記着色領域は、色成分を含むインク組成物と、透明なインク組成物とから形成されており、
    前記中間領域は、前記白色のインク組成物と、前記透明なインク組成物とから、形成されていることを特徴とする立体物の造形方法。
  2. 立体物の造形台と、
    前記造形台の上方で主走査方向に移動可能に配置されたヘッド部と、
    前記ヘッド部の前記主走査方向への移動と、前記ヘッド部からのインク組成物の吐出を制御する制御手段と、
    前記ヘッド部から吐出させた前記インク組成物を硬化させる硬化手段と、を有し、
    前記ヘッド部から吐出させた前記インク組成物の硬化により形成したインク層を、高さ方向に積層して立体物を造形する立体物の造形装置であって、
    前記立体物は、
    前記立体物の外形に対応する形状を有する内部造形領域と、
    前記内部造形領域の表面を覆う中間領域と、
    前記中間領域の表面を覆う着色領域と、から構成されており、
    前記内部造形領域は、少なくとも表面側が白色のインク組成物で形成されており、
    前記着色領域は、色成分を含むインク組成物と、透明なインク組成物とから形成されており、
    前記中間領域は、前記白色のインク組成物と、前記透明なインク組成物とから、形成されていることを特徴とする立体物の造形装置。
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