JP5088695B2 - 立体造形方法および立体造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、シート材を積層して３次元形状の立体モデルを作成する立体造形方法および立体造形装置に関する。

従来、３次元形状の立体モデルを作成する立体造形方法としては、ＵＶ硬化樹脂を立体モデルの断面形状にレーザで硬化させて積層モデルの各層を形成する光造形法、粉末材料をレーザで溶着し固化させて積層モデルの各層を形成する粉末焼結法、熱可塑性材料を加熱しノズルから押し出して堆積させることにより積層モデルの各層を形成する溶融物堆積法、紙などのシート材をモデルの断面形状にカットして積層し接着することにより積層モデルを形成するシート積層法、などが提案されている。

上記の方法のうち、光造形法、粉末焼結法、溶融物堆積法の各方法は、レーザ照射装置や樹脂槽、成形品の表面を洗浄する設備、あるいは溶融樹脂供給設備などを備えた大型で高価な装置が必要であった。また、特殊な材料を用いるために施設内の換気が必要であり、装置荷重や動作時の振動などに対応するために床の補強が必要になる場合もあった。従って、一般的なオフィスに設置するのは困難であった。また、樹脂材料等を硬化させるための時間が長く、造形に時間がかかってしまっていた。これに対し、シート積層法は一般的な材料である紙などを材料とすることができるため、上記各方法よりも簡易かつ小型な装置で実現できる。

シート積層法により立体造形を行う装置の例としては、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１のシート積層造形装置では、シートロールから引き出した接着剤塗布済みの連続シートをテーブル上の所定位置に搬送して裁断し、裁断後のカットシートを加圧加熱板によってテーブル側に押圧し加熱して下の層と接着する。その後、ＸＹプロッタによって切断用カッターを所望の輪郭形状に沿って動かし、接着済みのカットシートからモデルの断面形状を切り抜くと共に、モデルの輪郭よりも外側にあるシート材の不要部分を格子状に切断する。特許文献１のシート積層造形装置は、このような動作をシート積層数だけ繰り返し、最後にブロック状にカットされたシート材の不要部分を除去することにより、シート積層体を所望の立体形状に成形することができる。
特開２００１−３０１０６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のシート積層法による立体造形装置は、カッティング手段としてカッター刃を用いており、取り扱いに注意を要する。また、カッター刃の向きを変えながら走査する必要があり、精密なカッティングを行うには時間がかかる。また、各層を接着するために予め接着剤を塗布したシート材を準備する必要があり、シート材の不要部分まで接着しているために接着剤の消費量が多いという問題点があった。

また、特許文献１の立体造形装置では、カラー立体造形を行うためには予めシート材に着色しておくか、造形後に着色工程を行う必要がある。よって、そのための機材等が別途必要になり、カラー立体モデルの作成に時間がかかる。また、造形後に着色を行う方法では、カラー立体モデルの内部への着色が困難であるという問題点があった。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、安全かつ簡素な構成の装置により、短時間で精密な立体モデルを作成することが可能な立体造形方法および立体造形装置を提案することにある。

また、本発明の他の課題は、シート積層法による立体モデルの造形と着色を同一装置内で同時進行で行うことにより、カラー立体モデルを短時間で完成させることができ、且つ、カラー立体モデルの内部への着色や精密な着色が可能な立体造形方法および立体造形装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の立体造形方法は、
シート材を積層して立体モデルを形成する立体造形方法であって、
各層のシート材を積層するときに、
各層のシート材における前記立体モデルの断面の少なくとも一部をその上下の層のシート材と接着すると共に、
各層における前記立体モデルの輪郭線に沿って液滴吐出ヘッドを用いてシート材溶解液を滴下して、前記輪郭線に沿って前記シート材を切断可能にすることを特徴としている。

本発明では、このように、各層のシート材を積層するときに、シート材溶解液を液滴吐出ヘッドから滴下することにより、立体モデルの輪郭線に沿ってシート材を切断可能にしている。これにより、カッター刃などの刃物を用いることなく、安全かつ速やかにカッティング作業を行うことができ、短時間で精密な立体モデルを作成することができる。また、各層のシート材をその上下の層のシート材と全面接着せず、必要な部分だけ接着することができるので、接着剤を節約することができる。

本発明において、各層のシート材をその上下の層のシート材と接着するときには、下層側のシート材の上の少なくとも一部に前記シート材溶解液または接着剤を滴下して溶着または接着するか、あるいは、上層側のシート材の少なくとも一部に上から加熱押圧して熱圧着させるとよい。このような接着方法によれば、必要な部分だけを容易に接着することができる。また、シート材溶解液または接着剤を滴下する場合には、シート材に予め接着剤などを塗布しておく必要がない。また、サーマルヘッドなどの熱圧着手段を必要としないので、立体造形に用いる機材を削減でき、小型かつ簡素な構成の装置で立体造形を行うことができる。

本発明において、着色対象の層のシート材を積層した後、次の層のシート材が積層される前に、前記着色対象の層のシート材の着色部位に前記液滴吐出ヘッドまたは別体の液滴吐出ヘッドを用いて着色用溶液を滴下して、前記着色部位を着色するとよい。このようにすれば、積層体の任意の層への着色を積層時に行うことができるので、別途着色工程を行う必要がない。よって、短時間で、着色済みの立体モデルを作成することができる。また、この方法によれば、積層後の着色が困難な立体モデルの外部表面以外の部分（内部層の部分）の着色も可能になる。また、液滴吐出ヘッドを用いることにより、フルカラーの着色および微細なパターンの着色を行うことが可能になる。更に、カッティングと着色、接着をいずれも液滴吐出ヘッドにより行うことができるので、必要な機材を削減でき、装置の簡素化および小型化が可能となる。

本発明において、前記輪郭線に沿って滴下される着色用溶液の浸透部分が前記シート材を貫通して形成されるように前記着色用溶液の滴下量を決定するとよい。このようにすると、輪郭線に沿って切断されたシート材の端面部分全体に溶液が浸透するので、立体モデルの表面に、シート材の端面部分が部分的に未着色の状態で現れることがない。

本発明において、前記シート材溶解液の滴下に先行して、前記輪郭線に沿って前記液滴吐出ヘッドまたは別体の液滴吐出ヘッドを用いて前処理液を滴下して浸透させ、前記前処理液が浸透した部分と浸透していない部分との境界部分に前記シート材溶解液を滴下するとよい。輪郭線に沿って先に前処理液を浸透させることにより、当該浸透部分にシート材溶解液が拡散しないようにすることができる。よって、輪郭線に沿ってシャープな切断加工を行うことができ、より精密な立体造形を行うことができる。

本発明において、全ての層を積層した後に、前記輪郭線に沿って各層のシート材を切断して、前記シート材の不要部分を除去するとよい。このように、最後に一括して不要部分を除去するようにすれば、立体造形に要する時間を短縮することができる。また、本発明ではシート材を必要部分のみ接着しており不要部分までは接着していないので、最後に一括してシート材の不要部分を分断させて引き剥がす作業が容易である。

ここで、本発明における前記シート材は水溶性バインダーおよび製紙用繊維材を含有している水溶紙であり、前記シート材溶解液は水である。このように、水溶紙を用いれば、化学薬品などを用いずに、取り扱いが容易で安全な水によってシート材を溶解させることができる。また、水溶性溶液を吐出する印刷用の液滴吐出ヘッドを水の滴下用に兼用することができるので、水溶性溶液による着色と水の滴下による切断加工を同一の液滴吐出ヘッドで行うことができる。

次に、本発明の立体造形装置は、
シート材溶解液を滴下する液滴吐出ヘッドと、
当該液滴吐出ヘッドに対向している滴下位置にシート材を搬送して積層させるシート材搬送機構と、
前記立体モデルの形状データが入力される制御部と、を有し、
当該制御部は、前記形状データに基づいて前記液滴吐出ヘッドおよび前記シート材搬送機構を制御することにより、上述の本発明による立体造形方法によって前記立体モデルを形成することを特徴としている。

本発明の立体造形装置において、着色用溶液を滴下する液滴吐出ヘッドを有し、当該液滴吐出ヘッドは、前記シート材溶解液を滴下する液滴吐出ヘッドと同一あるいは別体の液滴吐出ヘッドであり、前記制御部には前記立体モデルの着色データが入力され、前記制御部は、当該着色データに基づき、着色対象の層のシート材への着色を、次の層のシート材が積層される前に行うように構成するとよい。このような装置構成により、着色された立体モデルを短時間で作成することができ、積層後の着色が困難な立体モデルの表層以外の部分（内部層の部分）の着色も可能となる。また、液滴吐出ヘッドを用いることにより、微細なパターンの着色を行うことが可能になる。また、カッティングと着色、接着をいずれも液滴吐出ヘッドにより行うことができるので、必要な機材を削減でき、装置の簡素化および小型化が可能となる。

本発明によれば、カッターなどの刃物を用いることなく、安全かつ速やかにシート材のカッティング作業を行うことができ、短時間で精密な立体モデルを作成することができる。また、各層のシート材をその上下の層のシート材と全面接着せず、必要な部分だけ接着しているので、接着剤を節約することができる。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態に係る立体造形装置および立体造形方法について説明する。

（シート材）
本実施形態の立体造形装置はシート積層法により立体モデルを成形するための装置である。そこで、まず、積層材料となるシート材Ｓについて説明する。シート材Ｓは、木材パルプ繊維などの製紙用繊維材に水溶性バインダーを加えて抄紙などの製紙方法によりシート状に成形した特殊紙である。このシート材Ｓは、水（シート材溶解液）により溶解する水溶紙であり、シート積層法による立体形成に適した厚さおよび強度を有している。

より詳しく説明すると、シート材Ｓは、水が浸透した部分の水溶性バインダーが溶解してパルプ繊維間の水素結合が解消することにより、水が浸透した部分はばらばらになったパルプ繊維だけが残り、脆弱化した状態になる。従って、シート材Ｓの上から線状に水を滴下することにより線状の水の浸透部分を形成し、当該浸透部分をシート材Ｓの裏側まで貫通させることにより、この浸透部分を切断線としてシート材を切断可能になる。

なお、シート材Ｓとして、水溶性のでんぷんやゼラチン、ＰＶＡなどの水溶性樹脂をフィルム状に成形したものを用いても良い。また、溶解温度を適宜設定可能なＰＶＯＨなどの水溶性樹脂を用いてもよい。この場合、溶解温度に温度制御した水を滴下することにより、シート材を切断可能にすることができる。

（立体造形装置）
次に、立体造形装置について説明する。図１は、立体造形装置の概略構成図である。立体造形装置１は、装置フレーム内に設けられた昇降可能な積層台２と、ロール紙状に巻かれたシート材Ｓを転動可能に保持している給紙部３と、給紙部３から繰り出される一定幅の連続紙状のシート材Ｓをシート材搬送経路４に沿って送り出し、積層台２の上の積層位置まで搬送する搬送機構５と、搬送機構５によって積層台２の上に位置合わせされたシート材Ｓを所定長さに切断する切断機構６と、積層台２の上にノズル面を向けて配置された液滴吐出ヘッド７と、液滴吐出ヘッド７を搭載するヘッドキャリッジ８およびその駆動機構９と、これらの各機構を制御する制御部１０などを備えている。

また、立体造形装置１は、各種溶液や水、あるいは接着剤などを封入した複数個の液体パックを収容したカートリッジ１１を装着するためのカートリッジ装着部１２を備えている。カートリッジ１１をカートリッジ装着部１２に装着すると、カートリッジ装着部１２側に設けられた供給針がカートリッジ１１内の液体パックの供給口に差込接続される。供給針は液滴吐出ヘッド７から延びる可撓性の供給流路に接続されているので、液滴吐出ヘッド７のノズルに液体パック内の各液体が供給される。

積層台２は、水平な積層面２ａを備えており、図示しない昇降機構によって積層面２ａを上下動させ、積層面２ａの高さを調整可能に構成されている。積層面２ａは、作成する立体モデルの平面形状に合わせて切断される矩形等のシート材Ｓを重ねて積層可能な大きさに形成されており、この積層面２ａの上にシート材Ｓの積層位置が設定されている。

搬送機構５は、給紙部３から送り出されるシート材Ｓをシート材搬送経路４上の所定位置で把持する紙送りローラ対を備えており、この紙送りローラ対を紙送りモータによって同期して正逆方向に回転駆動させることにより、シート材搬送経路４に沿って前進方向あるいは後退方向にシート材Ｓを搬送する。

切断機構６は、可動刃および固定刃を備えた鋏式のものである。切断機構６は、搬送機構５により積層面２ａ上の積層位置に位置合わせされたシート材Ｓに向かって可動刃を動かし、当該シート材Ｓを、その先端から所定長さの位置で幅方向に切断する。なお、切断機構６は鋏式のものに限定されず、他の機構を用いても良い。例えば、液滴吐出ヘッド７を後述する駆動機構９により切断機構６による切断位置まで移動可能に構成して、切断位置で水を滴下してシート材Ｓを切断してもよい。

駆動機構９は、液滴吐出ヘッド７を搭載したヘッドキャリッジ８を水平面内で自由に移動させることが可能なＸＹプロッタ機構を備えている。これにより、積層台２の上で任意の経路に沿って液滴吐出ヘッド７を動かし、液滴吐出ヘッド７のノズルから積層台２上の任意の位置にインクや水溶液、水などの各種液体を滴下することができる。

立体造形装置１の制御部１０には、ホストコンピュータなどの外部装置１３から、作成する立体モデルＭの形状データや、その着色部位および着色パターンを示す着色データが入力される。また、シート材Ｓの厚さや寸法、材質などのデータが入力される。なお、シート材Ｓの厚さや寸法は、立体造形装置１内のセンサで検出することにより取得してもよい。制御部１０は、これらの形状データや着色データ等に基づいてヘッドドライバを介して液滴吐出ヘッド７を駆動制御することにより、形状データや着色データにおいて指示された種類の液体を液滴吐出ヘッド７のノズルから滴下することができる。

制御部１０は、モータドライバを介して、駆動機構９のＸ軸モータおよびＹ軸モータ、搬送機構５の紙送りモータ、あるいは切断機構６のカットモータなどを駆動制御する。また、制御部１０は、シート材搬送経路４に沿って、あるいは積層台２に設けられた検出センサ等の出力により、搬送中のシート材Ｓの先端位置などを把握可能に構成されている。これにより、シート材Ｓを積層面２ａ上の積層位置に正確に位置合わせして積層することができる。また、形状データによって指示された寸法に切断機構６でシート材Ｓを切断し、積層することができる。また、各層のシート材Ｓ上の指定された位置に、液滴吐出ヘッド７のノズルを位置合わせすることができる。

また、制御部１０は、積層台２の昇降機構の駆動源であるモータをモータドライバを介して駆動制御することにより、積層台２にシート材Ｓが積層される毎に、積層されたシート材Ｓの厚さに応じて積層面２ａを下降させる。あるいは、シート材Ｓの積層体の最上面の位置をセンサ等で検出して、最上面の位置を所定の高さに位置合わせするように積層面２ａを下降させてもよい。これにより、最上層のシート材Ｓと液滴吐出ヘッド７のノズルとの距離を一定に保つことができ、最上層に積層されたシート材Ｓに、液滴吐出ヘッド７によるインク等の滴下を正確に行うことができる。

このように、立体造形装置１の制御部１０は、積層台２の上で加工工程を行うときは、シート材Ｓの積層体の各層を加工内容に応じた高さに位置合わせするように積層台２を上下動させることができる。なお、後述するようにシート間の接着を熱圧着により行うために、シート材Ｓの所望の部分を加熱可能なサーマルヘッド１４（図５参照）を追加した構成にしてもよい。

（立体造形方法）
次に、上記構成の立体造形装置１による立体造形方法について説明する。図２（ａ）はシート材の積層体における各層の平面図、図２（ｂ）はシート材の積層体の断面図、図３（ａ）〜（ｆ）はシート材の積層工程の説明図である。なお、図２（ｂ）では、シート材Ｓの積層体Ｓ０の積層数を簡略化して３層にしている。また、図２（ｂ）に示す輪郭線Ｌ１〜Ｌ３は、積層体Ｓ０の各層の高さにおける立体モデルＭの輪郭線である。

まず、外部装置１３において、ＣＡＤプログラム等を用いて立体モデルＭの３次元形状データを作成し、立体造形装置１に出力する。また、外部装置１３から、造形材料であるシート材Ｓの厚さｔや紙幅などの各種情報を立体造形装置１に出力する。立体造形装置１の制御部１０は、外部装置１３から入力された３次元形状データから立体モデルＭの３次元形状を解析した後、この３次元形状を、シート材Ｓの厚さｔを１層の高さとして高さ方向にスライスして分割する。そして、スライスした各層ごとに、この３次元形状の輪郭線すなわち立体モデルＭの輪郭線Ｌの形状をイメージデータに展開し、バッファに格納する。なお、外部装置１３側で立体モデルＭを厚さｔでスライスした各層における輪郭線Ｌの形状データを作成して、立体造形装置１に出力してもよい。

次に、制御部１０は、積層台２の積層面２ａの上に１層目（最下層）のシート材を積層する。制御部１０は、図３（ａ）に示すように、搬送機構５を制御して給紙部３から繰り出したシート材Ｓを積層面２ａ上まで搬送して積層位置に位置合わせした後、切断機構６によって所定の寸法に切断して矩形のカットシートを形成し、積層面２ａの上に載置した状態にする。なお、給紙部３に予め定型にカットされたカットシート状のシート材Ｓをセットしておく場合には、切断工程および切断機構６を省略できる。

図３（ｂ）に示すように、１層目のシート材Ｓ１における立体モデルの輪郭線Ｌ１の形状に応じて積層台２上で液滴吐出ヘッド７を水平方向に動かし、液滴吐出ヘッド７の水滴下用のノズルから、輪郭線Ｌ１に沿って１層目のシート材Ｓ１の上に水を滴下する。これにより、輪郭線Ｌ１に沿って水の浸透部分Ｂ１を形成する。このとき、水の浸透部分Ｂ１がシート材Ｓを貫通するように各位置における水の滴下量を制御する。

続いて、制御部１０は、図３（ｃ）に示すように、輪郭線Ｌ１に囲まれたシート材Ｓの必要部分Ｓ１ａ（立体モデルＭの断面形状の部分）の上の所定位置に、液滴吐出ヘッドの接着剤滴下用のノズルからシート材接着用の接着剤を滴下する。あるいは、接着剤の代わりにごく微量の水を滴下して、滴下位置におけるシート材Ｓ１ａの表面をわずかに溶解させる。

１層目の積層作業が完了した後に、制御部１０は、積層台２の昇降機構を制御して、積層面２ａをシート材Ｓの厚さｔだけ下降させる。次に、制御部１０は、１層目のシート材Ｓ１の上に、２層目のシート材Ｓ２を積層する。すなわち、図３（ｄ）に示すように、１層目のときと同様に搬送機構５を制御してシート材Ｓを１層目のシート材Ｓ１の上に位置合わせした後、切断機構６によって１層目と同一位置でシート材Ｓを切断する。これにより、１層目と同一形状のカットシートが１層目の上に積層された状態になる。２層目のシート材Ｓ２は、１層目のシート材Ｓ１の所定位置に滴下された接着剤により、１層目と部分的に接着される。あるいは、シート材Ｓ１の溶解部分との溶着により、１層目と部分的に接着される。

続いて、図３（ｅ）に示すように、２層目のシート材Ｓ２における立体モデルＭの輪郭線Ｌ２の形状に応じて液滴吐出ヘッド７を移動させ、輪郭線Ｌ２に沿って水を滴下して、２層目のシート材Ｓ２に輪郭線Ｌ２に沿って水の浸透部分Ｂ２を形成する。浸透部分Ｂ２は、浸透部分Ｂ１と同様にシート材Ｓ２を貫通するように形成する。その後、図３（ｆ）に示すように、輪郭線Ｌ２に囲まれたシート材Ｓ２の必要部分Ｓ２ａ上の所定位置に接着剤あるいは微量の水を滴下する。

３層目は、２層目の場合と全く同様に積層して２層目の上に接着された後、その上に３層目のシート材Ｓ３における立体モデルＭの輪郭線Ｌ３に沿って水を滴下して、水の浸透部分Ｂ３を形成する。３層目がシート材Ｓ３の積層体の最上層である場合には、これで積層体の形成を終了するが、さらに多数の層を積層する場合には、接着剤あるいは水を滴下する工程、シート材Ｓの積層と切断を行う工程、輪郭線Ｌに沿って水を滴下する工程、の３工程を、積層数だけ繰り返す。

以上の工程により、各層におけるシート材Ｓがそれぞれ輪郭線Ｌの位置で切断可能になり、且つ、各層のシート材Ｓが上下の層のシート材と接着され一体化されているシート材Ｓの積層体Ｓ０が形成される。そこで、この積層体Ｓ０を立体造形装置１から取り出した後、不要部分のシート材Ｓをまとめて引き剥がすなどして除去することにより、積層体Ｓ０から立体モデルＭの部分だけをくりぬいて、立体モデルＭを完成させることができる。このとき、各層のシート材Ｓの不要部分同士は接着されていないので、容易に除去することができる。よって、凹凸のある輪郭形状の立体モデルを容易に完成させることができる。なお、不要部分がバラバラとなり除去作業に時間を要する場合、不要部分間を接着してある程度の塊として除去できるようにしてもよい。また、水の滴下時にシート材Ｓの不要部分に適宜水を滴下しておくようにすれば、不要部分のシート材Ｓを分割でき、除去作業が容易になる。

輪郭線Ｌの位置で切断したシート材Ｓの端部は鋭利な切断面ではなく、水では溶解しないパルプ繊維などが長く飛び出した部分が毛羽立った状態になることもある。そこで、不要部分のシート材Ｓを除去した後の立体モデルＭの表面にサンドペーパーなどによって磨き処理を施して滑らかにし、その上にコーティング剤を塗って表面補強を行うなどの表面仕上げを行っても良い。このようにすると、立体モデルＭの劣化を抑制することができ、耐水性を有する立体モデルＭを作成することができる。

このように、本実施形態では、液滴吐出ヘッド７から水を滴下することにより、各層の高さにおける立体モデルＭの輪郭線Ｌに沿ってシート材Ｓを切断可能にしている。従って、安全かつ速やかに各層のシート材Ｓのカッティング作業を行うことができ、短時間で精密な立体モデルＭを作成することができる。また、各層のシート材Ｓをその上下の層のシート材Ｓと全面接着せず、必要な部分だけ接着しているので、接着剤を節約できる。また、サーマルヘッドなどの熱圧着手段を必要としないので、立体造形に用いる機材を削減でき、装置の構成を簡素化し小型化することができる。

（精密加工方法）
水の滴下によるカッティング方法では、水が輪郭線Ｌの線幅からはみ出した形状に拡散して浸透してしまうと、切断後のシート材Ｓの縁部分は水が浸透した部分が欠けた形状になってしまう。従って、各層のシート材Ｓを輪郭線Ｌの位置で精密に切断するためには、輪郭線Ｌに囲まれた立体モデルＭの断面部分の内側に水の浸透部分がはみ出さないようにする必要がある。以下、このような精密加工方法について説明する。

まず、水の滴下制御による精密加工方法について説明する。浸透部分Ｂの形状は、制御部１０による水の滴下位置と滴下タイミング、および滴下量の制御によってコントロール可能である。具体的には、輪郭線Ｌ上の各位置に一度に滴下する水の量をごく微量にして、微量の滴下を所定時間以上の時間間隔で複数回行うように立体造形装置１の各部を制御する。このようにすると、最初に滴下された水は、シート材Ｓの面方向にはそれほど拡がらない。そして、所定時間経過後（最初の水が浸透した後）に滴下した次の微量の水は、シート材Ｓの面方向には拡がらず、厚さ方向に浸透してゆく。従って、輪郭線Ｌの線幅からはみ出さない細い浸透部分Ｂを形成することができ、切断後のシート材Ｓの端辺部分をシャープな形状にすることができる。このように、１回に滴下する液滴量と滴下回数、および時間間隔を、シート材Ｓの材質、厚さなどに応じて適宜設定することにより、浸透部分Ｂの形状を適宜コントロールして精密なカッティングを行うことができる。

次に、水の浸透領域を限定する精密加工方法について説明する。水の滴下位置の近傍にすでにインクなどの他の液体が浸透していると、滴下した水は他の液体が浸透している部分には拡散しにくい。このことを利用して、輪郭線Ｌに沿って予め他の液体（前処理液）を滴下して浸透させておく前処理を行い、その後に輪郭線Ｌ上に水を滴下することにより、水の浸透範囲を限定することができる。

図４（ａ）は前処理液および水を滴下したシート材の積層体の各層の平面図、図４（ｂ）は積層体の断面図である。この方法では、液滴吐出ヘッド７のノズルの１つに着色用インク（前処理液）を供給する。そして、各層のシート材Ｓを積層するときに、輪郭線Ｌに沿って水を滴下する前に輪郭線Ｌに沿ってシート材Ｓに着色用インクを滴下して、シート材Ｓの裏側まで浸透させる。このとき、着色用インクの滴下位置を、輪郭線Ｌの真上よりもわずかに内側寄りに設定することにより、着色用インクの浸透部分Ｃの側端が、ほぼ輪郭線Ｌの真上となるように着色用インクの滴下位置および滴下量を調整する。そして、着色用インクの浸透後に、着色用インクが浸透した領域（浸透部分Ｃ）と浸透していない領域との境界部分に沿って水を滴下する。これにより、着色用インクの浸透部分Ｃには水が拡散せず、輪郭線Ｌの外側に広がる細い領域にのみ水が浸透する。よって、水の浸透部分Ｂの幅を細くすることができ、精密なカッティングを行うことができる。また、同時に着色用インクによって立体モデルＭの表面の着色を行うことができる。

なお、輪郭線Ｌを中心とする細い領域のみを残して、その両側にそれぞれインクを滴下して２本の近接した線状の浸透部分を形成し、このインク浸透部分の間に水を滴下すれば、更に細い水の浸透部分を形成することができる。

水の浸透部分を限定するための前処理用の溶液として無色透明溶液あるいは撥水性溶液などを使用することにより、立体モデルＭの色をシート材Ｓの地色のままにしておくことができる。あるいは、他のインクによる着色に影響を与えないようにすることができる。また、撥水性溶液を用いれば、インクの浸透部分への水の拡散をより確実に防止できる。また、前処理用の溶液として熱硬化性溶液を用いると共に、熱硬化性溶液の滴下後にその浸透部分をサーマルヘッドなどにより加熱して熱硬化性溶液をシート材Ｓに固着させるようにしてもよい。このようにすれば、シート材Ｓの縁部分をコーティングして切断後も鋭利な形状に保つことができる。よって、更に精密な切断加工を行うことができる。

なお、熱硬化性溶液の他に、常温硬化型（速乾性）溶液、熱硬化型溶液、紫外線（ＵＶ）硬化型溶液、電子線（ＥＢ）硬化型溶液でも同様に適応可能である。それぞれを吐出した後、特性に合った硬化処理を施して固着すればよい。

（着色工程を含む立体造形方法）
ここで、上記説明した立体造形方法を、シート材Ｓを積層し接着してカッティングする造形工程と同時進行で、１つの装置で行う方法について説明する。立体造形装置１のカートリッジ１１に着色用インクを封入したインクパックをセットすることにより、液滴吐出ヘッド７のノズルに着色用インクを供給する。これにより、液滴吐出ヘッド７によって各層のシート材Ｓの所望の部分を着色することが可能になる。

また、上記実施形態では、液滴吐出ヘッド７からの接着剤あるいは水の滴下により各層のシート材Ｓをその上下の層のシート材と接着していたが、シート材Ｓの片面に予め熱によって溶ける接着剤を塗布しておき、各層のシート材Ｓを積層したときに、輪郭線Ｌに沿って水を滴下する前にサーマルヘッド１４に沿って各層のシート材Ｓの所望の部分を加熱し、所望の部分のみ接着する方法を用いることもできる。以下、着色工程および熱圧着によるシート材Ｓの接着工程を含む立体造形方法について説明する。

まず、外部装置１３において、立体モデルＭの３次元形状情報（形状データ）および３次元形状の各位置における着色情報（着色データ）を含むカラー３次元形状データを作成し、立体造形装置１に出力する。制御部１０は、外部装置１３から入力されたカラー３次元形状データをシート材Ｓの厚さｔを１層の高さとして高さ方向にスライスし、各層ごとに、立体モデルＭの輪郭線Ｌの形状および着色パターンをイメージデータに展開し、バッファに格納する。そして、着色パターンに基づく各層のシート材Ｓへの着色工程を、各層における水の滴下工程に続いて行う。

図５（ａ）〜（ｄ）は着色工程を含む各層のシート材の積層工程の説明図である。まず、図５（ａ）に示すように、シート材Ｓの接着剤が塗布された面を下向きにして積層位置に位置合わせし、切断位置でカットすることによりｎ層目のシート材Ｓｎを積層する。次に、図５（ｂ）に示すように、サーマルヘッド１４によって接着部分（例えば、輪郭線Ｌｎに沿った部分）だけを部分的に加熱して、シート材Ｓｎを下の層と部分的に接着する。続いて、図５（ｃ）に示すように、輪郭線Ｌｎに沿って液滴吐出ヘッド７の水吐出用のノズルから水を滴下して浸透させる。その後、図５（ｄ）に示すように、液滴吐出ヘッド７の着色用インク吐出用のノズルから着色用インクを滴下して、シート材Ｓｎの任意の部分に着色用インクの浸透部分Ｃを形成する。

シート積層法では、各層のシート材Ｓの端面によって完成品の立体モデルＭの側面が構成される。従って、図５（ｄ）に示すように立体モデルＭの側面部の表面になる部分を着色する場合には、着色用インクを各層のシート材Ｓの輪郭線Ｌに沿って滴下し、滴下したインクがシート材Ｓの裏側まで浸透するように滴下量を制御することにより、シート材Ｓの端面に未着色の部位ができないようにするとよい。

図５（ｄ）の着色工程は、図５（ｃ）の水の滴下工程と同時進行で行っても良く、あるいは水の滴下工程に先行して行っても良い。図５（ａ）〜（ｄ）のように各層を積層する際にシート材Ｓを着色することにより、立体モデルＭの表面だけでなく、内部まで着色することができる。図６（ａ）（ｂ）は、内部まで着色した積層体の断面図および各層の平面図である。内部まで着色する場合には、着色用インクが乾いてから次の層を積層するとよい。

以上のようにすれば、液滴吐出ヘッド７を用いてシート材Ｓの精密なカッティングと精密な着色を積層時に同時進行で行うことができるので、１台の装置で、着色済みの精密な立体モデルを短時間で作成することができる。特に、着色手段として液滴吐出ヘッド７を用いることにより、フルカラーの着色および微細なパターンの着色を行うことが可能となる。また、この方法によれば、積層後の着色が困難な立体モデルＭの外部表面以外の部分（内部層の部分）の着色も可能になる。更に、カッティングと着色、接着をいずれも液滴吐出ヘッドにより行うことができるので、必要な機材を削減でき、装置の簡素化および小型化が可能となる。

なお、上記各方法では液滴吐出ヘッド７を水の滴下用と接着剤の滴下用に兼用したり、水の滴下用と着色用インクの滴下用に兼用していたが、使用するシート材Ｓの材質に応じて適正な着色用インクや接着剤、あるいは前処理液などを用い、滴下する液体に応じて液滴吐出ヘッドを別体にしてもよい。

（本実施形態の応用）
本実施形態の立体造形装置および立体造形方法は、このように、積層造形加工とその着色を１台の装置で一度に行うことができるので、カラー立体製品の試作品やペーパークラフトなどの作成に便利である。また、材料となる水溶紙に光触媒機能や有害物質吸着機能などを持たせたり、消臭剤、芳香剤などを添加することにより、空気清浄機能や消臭、芳香機能を持つペーパークラフトや立体紙製品を作成できる。

また、本実施形態の立体造形装置および立体造形方法によれば、でんぷんやゼラチンなどの水で溶ける可食材料をシート材として用い、このシート材を可食溶液などを用いて着色して水で切断することにより、従来は作成できなかった精密な立体食品飾りを、人体に無害で、且つ、廃棄も容易な材料で作成することができる。また、水溶紙を用いることにより、播種用の水に溶ける袋や水に溶ける食器などを、人体に無害で、且つ、廃棄も容易な材料で作成することができる。

本発明の実施形態に係る立体造形装置の概略構成図である。 シート材の積層体の断面図および各層の平面図である。 シート材の積層工程の説明図である。 前処理液および水を滴下した積層体の各層の平面図および断面図である。 着色工程を含むシート材の積層工程の説明図である。 内部まで着色した積層体の断面図および各層の平面図である。

符号の説明

１…立体造形装置、２…積層台、２ａ…積層面、３…給紙部、４…シート材搬送経路、５…搬送機構、６…切断機構、７…液滴吐出ヘッド、８…ヘッドキャリッジ、９…駆動機構、１０…制御部、１１…カートリッジ、１２…カートリッジ装着部、１３…外部装置、１４…サーマルヘッド、Ｂ、Ｂ１〜Ｂ３…浸透部分、Ｃ…浸透部分、Ｌ、Ｌ１〜Ｌ３、Ｌｎ…輪郭線、Ｍ…立体モデル、Ｓ、Ｓ１〜Ｓ３、Ｓｎ…シート材、Ｓ０…積層体、Ｓ１ａ、Ｓ２ａ…必要部分、ｔ…厚さ

Claims (9)

1. シート材を積層して立体モデルを形成する立体造形方法であって、
   各層のシート材を積層するときに、
   各層のシート材における前記立体モデルの断面の少なくとも一部をその上下の層のシート材と接着すると共に、
   各層における前記立体モデルの輪郭線に沿って液滴吐出ヘッドを用いてシート材溶解液を滴下して、前記輪郭線に沿って前記シート材を切断可能にすることを特徴とする立体造形方法。
2. 請求項１に記載の立体造形方法において、
   各層のシート材をその上下の層のシート材と接着するときには、下層側のシート材の上の少なくとも一部に前記シート材溶解液または接着剤を滴下して溶着または接着するか、あるいは、上層側のシート材の少なくとも一部に上から加熱押圧して熱圧着させることを特徴とする立体造形方法。
3. 請求項１または２に記載の立体造形方法において、
   着色対象の層のシート材を積層した後、次の層のシート材が積層される前に、前記着色対象の層のシート材の着色部位に前記液滴吐出ヘッドまたは別体の液滴吐出ヘッドを用いて着色用溶液を滴下して、前記着色部位を着色することを特徴とする立体造形方法。
4. 請求項３に記載の立体造形方法において、
   前記輪郭線に沿って滴下される着色用溶液の浸透部分が前記シート材を貫通して形成されるように前記着色用溶液の滴下量を決定することを特徴とする立体造形方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかの項に記載の立体造形方法において、
   前記シート材溶解液の滴下に先行して、前記輪郭線に沿って前記液滴吐出ヘッドまたは別体の液滴吐出ヘッドを用いて前処理液を滴下して浸透させ、
   前記前処理液が浸透した部分と浸透していない部分との境界部分に前記シート材溶解液を滴下することを特徴とする立体造形方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかの項に記載の立体造形方法において、
   全ての層を積層した後に、前記輪郭線に沿って各層のシート材を切断して、前記シート材の不要部分を除去することを特徴とする立体造形方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかの項に記載の立体造形方法において、
   前記シート材は水溶性バインダーおよび製紙用繊維材を含有している水溶紙であり、
   前記シート材溶解液は水であることを特徴とする立体造形方法。
8. シート材溶解液を滴下する液滴吐出ヘッドと、
   当該液滴吐出ヘッドに対向している滴下位置にシート材を搬送して積層させるシート材搬送機構と、
   前記立体モデルの形状データが入力される制御部と、を有し、
   当該制御部は、前記形状データに基づいて前記液滴吐出ヘッドおよび前記シート材搬送機構を制御することにより、請求項１ないし７のいずれかの項に記載の立体造形方法によって前記立体モデルを形成することを特徴とする立体造形装置。
9. 請求項８に記載の立体造形装置において、
   着色用溶液を滴下する液滴吐出ヘッドを有し、
   当該液滴吐出ヘッドは、前記シート材溶解液を滴下する液滴吐出ヘッドと同一あるいは別体の液滴吐出ヘッドであり、
   前記制御部には前記立体モデルの着色データが入力され、
   前記制御部は、当該着色データに基づき、着色対象の層のシート材への着色を、次の層のシート材が積層される前に行うことを特徴とする立体造形装置。

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