(57)【要約】本発明によれば、物体を３Ｄ印刷するためのプリンタが提供される。３Ｄ物体には、積層物体が含まれる。本発明に係る装置は、造形プラットフォームを有する造形モジュールと、塗布ヘッドを有する印刷モジュールを備える。塗布ヘッドは、物体層を形成し、印刷モジュールは、造形物体における層に色を適用するために少なくとも１個の印刷ヘッドを有する。更に、本発明によれば、複数の層を含む３Ｄ物体を造形するための方法も提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を３Ｄ印刷するための３Ｄプリンタ（500）であって、
・造形プラットフォーム（501）を有する造形モジュール（505）と、
・印刷モジュールと、を備え、
前記印刷モジュールが、媒体（540）から物体層（560）を形成するための塗布ヘッド（530）、及び前記塗布ヘッドに直列配置されると共に、前記物体層（560）に色を適用するよう構成されるカラー印刷ヘッド（510）を有し、
前記物体層（560）が、光学的に透明であり、前記印刷ヘッドが、前記物体層（560）における１つの表面に色を適用し、これにより所要の色仕上げを有する層を形成するよう構成されている、３Ｄプリンタ。
【請求項２】
請求項１に記載の３Ｄプリンタであって、塗布ヘッド（530）を交換可能に収容するよう構成されている３Ｄプリンタ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３Ｄプリンタであって、前記塗布ヘッドが、前記造形プラットフォーム上における造形物体（Ｏ）に媒体（540）を直接的に接合して物体層（560）を形成するよう作動可能である、３Ｄプリンタ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記塗布ヘッド（530）が、射出ヘッド、溶接ヘッド、又は超音波ヘッドのうちの１個を含む、３Ｄプリンタ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記印刷モジュールが、媒体（540）が通過する入力開口（502）、及び前記媒体が前記造形プラットフォーム上で造形中の前記物体に対して塗布されるよう通過する出力開口（503）を更に有する、３Ｄプリンタ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記塗布ヘッドで形成される前記物体層（560）が、光学的に透明である、３Ｄプリンタ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、物体（Ｏ）用のデジタル印刷ファイルを受け取ると共に、前記物体における前記層を形成かつ着色する前記塗布ヘッド及び前記印刷ヘッドを制御するコントローラ（570）を更に備える３Ｄプリンタ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、デジタル印刷ファイルが、前記物体における前記層の形状及び色に関する詳細情報を含む、３Ｄプリンタ。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記印刷ヘッドが、必要に応じて、デジタル印刷ファイルに従って、前記物体層（560）に適用される色を異ならせるよう構成され、前記色を、単一層におけるピクセル毎に異ならせることができる３Ｄプリンタ。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記印刷ヘッドが、前記物体層における１つの表面に色を適用するよう構成されている、３Ｄプリンタ。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記媒体が前記物体に直接的に塗布される積層モデリングにより、３Ｄ物体を造形するよう構成されている３Ｄプリンタ。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記印刷ヘッドが、カラー印刷ヘッドである、３Ｄプリンタ。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、ビーズ又は媒体が、プラスチック又はポリマー材料より成る３Ｄプリンタ。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、ビーズ又は媒体が、プラスチックビーズ又はワイヤを含む３Ｄプリンタ。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記印刷ヘッドが、前記層上に可変のパターンを印刷するよう構成されている、３Ｄプリンタ。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか一項に記載の３Ｄプリンタであって、前記印刷ヘッドが、前記層上に可変のカラーパターンを印刷するよう構成されている３Ｄプリンタ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の３Ｄプリンタであって、前記可変のパターンが、ピクセル毎に可変である３Ｄプリンタ。
【請求項１８】
造形物体（Ｏ）に媒体を層（560）毎に塗布することを含む、カラー３Ｄ物体を造形するための方法であって、
・前記造形物体の層を形成するために、前記造形物体に塗布するビーズ（540）又は材料を準備するステップと、
・塗布ヘッド（530）を選択するステップと、
・コントローラ（570）にデジタル印刷ファイルを供給するステップと、
・前記デジタル印刷ファイルに基づく形状を有する、積層造形物体における物体層（560）を形成するステップと、
・前記物体層（560）における１つの表面を印刷するステップとを含み、
前記物体層に適用される色は、必要に応じて、前記デジタル印刷ファイルに従って、ピクセル毎に異ならせることができる、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記ビーズが、前記層を形成する目的で前記造形物体に塗布される際に、光学的に透明に形成される透明ビーズ（540）又は材料を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に記載の方法であって、前記造形物体が、複数の物体層を有し、また、単一の連続的工程で各層を形成すると共に、各層を印刷するステップを更に含む方法。
【請求項２１】
請求項１８〜２０の何れか一項に記載の方法であって、前記物体層の最終的な特性が、前記ビーズ又は入力材料を選択すること、及び前記層を形成するための前記塗布ヘッドを選択することにより実現される、方法。
【請求項２２】
請求項１８〜２１の何れか一項に記載の方法であって、前記塗布ヘッドが、前記層の光学特性又は透明性を制御するよう構成されている、方法。
【請求項２３】
請求項１８〜２２の何れか一項に記載の方法であって、前記塗布ヘッドが、塗布又は圧力又は温度により、前記層の光学特性を制御するよう構成されている方法。
【請求項２４】
請求項１８〜２３の何れか一項に記載の方法であって、前記デジタル印刷ファイルに従って、新たに形成された前記物体層に前記塗布ヘッドで色を適用するステップを更に含む方法。
【請求項２５】
請求項１８〜２４の何れか一項に記載の方法であって、前記ビーズが、前記物体に前記層が塗布されるときに、光学的に透明な層を提供する材料より成る方法。
【請求項２６】
請求項１８〜２５の何れか一項に記載の方法であって、前記材料における１つの表面のみを印刷して、前記物体における層を着色するステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー３Ｄプリンタ及び対応する３Ｄプリント方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラピッドプロトタイピングとは、コンピュータ制御された付加製造として定義されている。これは、材料の除去に基づく従来の機械加工法とは異なり、材料の付加によって物体が造形されるからである。用語「ラピッド」とは、相対的な用語ではあるが、当該技術分野において特定の意味を有する。これは、完成した三次元物品を造形するのに、モデルに適用された方式、寸法、及び複雑さに応じて、数時間から数日を要するからである。ラピッドプロトタイピング（RP）の一般的な分野で採用されている既知の方式には、例えば、積層物体造形法（LOM）がある。この場合、接着剤が塗布された紙、プラスチック、又は金属ラミネートが連続的に積層され、互いに接着され、その後にナイフ又はレーザーカッターで所要形状に切断される。
【０００３】
市場においては、カラー３Ｄプリンタで印刷された物体へのニーズが存在する。１つのアプローチにおいて、３色チャンバ及び混合チャンバを備える３Ｄプリンタを使用することができる。この場合、典型的には、赤色、黄色、青色の熱可塑性原材料、溶解ワイヤ、又は粉末が加熱され、異なる比率に従って混合されることにより、様々に着色された印刷材料が形成された後、３Ｄ熱溶解積層法（FDM）が適用されることで、着色製品を得るための３Ｄ印刷が行われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、FDM（熱溶解積層法）を適用する場合、３Ｄ印刷、特にカラー印刷に関して問題がある。現在の試みにおいては、混合色を得るために様々な色の原材料、例えばビーズを組み合わせることが含まれるが、この場合の色は容易に変更することはできない。更に、ビーズが押出ヘッドに導入される前に着色された場合、押出後にピクセルカラーを制御するのが困難だという問題がある。従って、材料の溶解又は押出又は異なる色の混合に基づくシステムにおいては、混合の問題と、一定の色を供給するのが困難だという問題がある。
【０００５】
このように、カラー３Ｄ物体を印刷するために改良されたプリンタ、即ち上述した問題及び他の問題に対処可能なカラー３Ｄ物体が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、独立請求項１及び１９に係るシステム及び方法が提供される。有利な特徴は、従属請求項に記載したとおりである。
【０００７】
本発明の第１態様によれば、物体を３Ｄ印刷するためのプリンタ（500）が提供される。プリンタ（500）は、
・造形プラットフォーム（501）と、
・造形プラットフォーム上における造形物体（Ｏ）の物体層（560）を形成するための塗布ヘッド（530）と、
・塗布ヘッドに直列配置されると共に、物体層560に色を適用するよう構成されたカラー印刷ヘッド（510）とを備え、
印刷ヘッドは、層における１つの表面に色を適用し、これにより所要の色仕上げを有する層を形成するよう構成される。
【０００８】
物体（Ｏ）は、積層物体として造形される。この場合、物体（Ｏ）は、（第１層用の）ベース上に各層を連続的に形成することで造形される。
【０００９】
各層は、形成される度に印刷されるか又は色が適用される。この場合、色は、造形工程又は３Ｄ印刷工程中に直接的に適用される。請求項１に記載の構成は、形成された層への色の適用を改善かつ正確にすることにより、色仕上げが改善された物体を提供する。この場合、色は、仕上げに適用されるため、例えば混合又は押出で生じる変化又は制御上の他の問題を受けることがない。
【００１０】
１つの構成において、システムは、造形プラットフォーム（501）を有する造形モジュール（505）と、塗布ヘッド及び印刷ヘッドを有する印刷モジュールを備える。
【００１１】
１つの構成において、塗布ヘッドは、物体層を形成するよう作動可能である。１つの構成において、塗布ヘッドは、媒体（540）を造形物体（Ｏ）に直接的に接合して物体層を形成するよう作動可能である。
【００１２】
１つの構成において、印刷モジュールは、媒体（540）が通過する入力開口（502）、及び媒体が物体に対して塗布されるよう通過する出力開口（503）を有する。
【００１３】
１つの構成において、塗布ヘッドで形成された層は、光学的に透明である。
【００１４】
１つの構成において、形成された層が光学的に透明性を有するよう、媒体が選択されると共に、塗布ヘッドが作動可能である。
【００１５】
他の構成において、ビーズは、物体に層が塗布される際に、光学的に透明に形成される材料より成る。
【００１６】
他の構成において、印刷ヘッドは、材料における１つの表面のみを印刷して、物体における層を着色するよう作動可能である。
【００１７】
媒体又はビーズは、透明性を有するものとすることができる。媒体又はビーズの材料は、３Ｄ印刷工程時に透明に形成するか又は材料を処理することにより透明に形成することができる。
【００１８】
光学的に透明な層を設けると共に、その表面の１つに色を適用すれば、物体全体における色効果を実現することができる。
【００１９】
本発明により、色を層に混合する必要性がなくなる。層の透明性と、層の表面に適用される色特性の組み合わせにより、全体的な色効果が実現される。
【００２０】
本発明に係る装置は、塗布ヘッドを交換可能に収容するよう構成することができる。装置は、射出ヘッド、溶接ヘッド、又は超音波ヘッドのうちの１個を備えることができる。本発明に係るシステムにより、有利には、異なる構成とした塗布ヘッドの１個を使用して、層を造形物体に形成かつ付加することができる。システムにおいては、異なる物体を形成するために塗布ヘッドの交換が可能である。
【００２１】
１つの構成において、層に色を適用するためのカラー印刷ヘッドは、塗布ヘッドの下方に配置される。
【００２２】
１つの構成において、装置は、物体Ｏを３Ｄ印刷するためのデジタル印刷ファイルを受け取るコントローラを更に備える。更に、コントローラにより、層を形成かつ着色する塗布ヘッド及び印刷ヘッドが制御される。
【００２３】
１つの構成において、印刷ヘッドは、必要に応じて、デジタル印刷ファイルに従って、印刷される色をピクセル毎に異ならせることができる。
【００２４】
本発明に係るシステムは、有利には、色の適用及び色仕上げを極めて正確に実現する。色は、ピクセルの解像度に応じて制御可能である。
【００２５】
色は、有利には、形成された層又は新たに形成された層に直接的に適用される。これにより、層の形成時に、色に関して配置の悪化或いは誤差、又は摩耗が回避され、色を層上に極めて正確に配置することが可能となる。
【００２６】
１つの構成において、印刷ヘッドは、複数の表面に色を適用する。
【００２７】
本発明の更なる態様において、造形物体に媒体を層毎に塗布することを含む、カラー３Ｄ物体を造形するための方法が提供される。この方法は、
・ビーズ又は入力材料を３Ｄプリンタに供給するステップと、
・塗布ヘッド（530）を選択するステップと、
・コントローラ（570）にデジタル印刷ファイルを供給するステップと、
・デジタル印刷ファイルに従う形状を有する物体層（560）を入力材料で形成するステップと、
・物体層（560）における１つの表面を印刷するステップ（この場合に色は、必要に応じて、デジタル印刷ファイルに従ってピクセル毎に異ならせることができる）とを含む。
【００２８】
１つの構成において、ビーズは、透明ビーズ（540）とするか、又は層を形成する目的で造形物体に塗布される際に又は造形物体が処理される際に、光学的に透明に形成されるビーズとする。
【００２９】
１つの構成において、本発明に係る方法は、単一の連続的工程で各層を形成すると共に、各層を印刷するステップを更に含む。この場合、各層は、塗布ヘッドで形成されると共に、印刷ヘッドで印刷される。塗布ヘッド及び印刷ヘッドは、直列配置される。
【００３０】
物体は、積層物体として造形される。デジタル印刷ファイルにより、物体における各層の形状を含む詳細情報、即ち、各層が如何に形成されるか、如何なる物理的形態を有するか、如何なる構成を有するかに関する詳細情報が３Ｄプリンタに供給される。同様に、デジタル印刷ファイルにより、どの色が層のどの箇所に適用されるべきかに関する詳細情報が供給される。
【００３１】
ビーズは、透明ビーズ、即ち光学的に透明な材料より成るものとすることができる。代替的に、材料は、塗布工程により又は他の処理により透明に形成してもよい。
【００３２】
１つの構成において、物体層の最終的な特性は、透明ビーズを選択すること、及び層を形成するための塗布ヘッドを選択することにより実現される。１つの構成において、塗布ヘッドは、層の光学特性を制御するよう構成される。１つの構成において、塗布ヘッドは、塗布又は圧力又は温度により、層の光学特性を制御するよう構成される。
【００３３】
他の構成において、ビーズは、物体に層が形成されるか又は塗布される際に、光学的に透明に形成される材料より成る。
【００３４】
他の構成において、印刷ヘッドは、材料における１つの表面のみを印刷して、物体における層を着色するよう作動可能である。
【００３５】
代替的な構成において、色は、層における１つ以上の表面に適用することができる。
【００３６】
有利には、光学的に透明な層と層における１つの表面への着色との相乗効果により、層における色を含む所要の光学特性が実現される。各層の色は、層の透明性と層の表面に適用される色との相互作用に基づく。露出していない表面か又は外部の表面ではない表面が着色される場合、その色は、層の透明性により視認することができる。
【００３７】
本発明の第２態様によれば、物体を３Ｄ印刷するためのプリンタが提供される。この場合のプリンタは、
・造形プラットフォームを有する造形モジュールと、
・印刷モジュールとを備え、
印刷モジュールは、媒体が印刷モジュールを通過する際に、媒体上に直接的に印刷するための少なくとも１個の印刷ヘッド、及び印刷された媒体を造形物体に接合するよう作動可能な塗布ヘッドを有する。
【００３８】
１つの構成において、塗布ヘッドは、媒体を造形物体に直接的に溶接するよう作動可能な超音波ヘッドを含む。
【００３９】
１つの構成において、塗布ヘッドは、媒体を直接的かつ局所的に加熱し、媒体を造形物体に直接的に接合するよう作動可能な加熱ヘッドを含む。
【００４０】
１つの構成において、塗布ヘッドは、媒体を造形物体に直接的に溶接するよう作動可能な溶接ヘッドを含む。
【００４１】
本発明に係る装置及び方法においては、有利には、媒体の表面が直接的に印刷される。本発明に係る装置及び方法においては、有利には、印刷された媒体が造形物体に直接的に接合又は溶接される。本発明に係る構成は、媒体が予形成されてから物体に塗布される点において、従来のアプローチとは異なるものである。例えば、媒体は押出されるのではなく、接着又は溶接により造形物体に直接的に塗布される。
【００４２】
この場合、媒体は、層形状が押出で変更されないため、物体形状の要件に従って予形成される。媒体は、システムに供給されるのと同じ形状で物体に塗布又は接合される。
【００４３】
他の構成において、印刷モジュールは、媒体が通過する入力開口、及び造形プラットフォーム上で造形中の物体に対して媒体が塗布されるよう通過する出力開口を更に有する。
【００４４】
１つの構成において、媒体は、造形すべき物体の要件に従って予形成されたビーズ又はワイヤを含む。
【００４５】
本発明に係る装置及び方法においては、有利には、媒体が直接的に印刷されるのみならず、媒体が物体に直接的に塗布される。媒体の形状は、例えば押出で変化したり影響を受けたりすることはない。
【００４６】
本発明に係る装置は、有利には、造形中の物体の要件に従って、予形成かつ選択された媒体を使用して作動するよう構成される。
【００４７】
他の構成において、印刷モジュールは、予形成された媒体を受け取り、その予形成された媒体の表面上に直接的に印刷するよう構成される。
【００４８】
１つの構成において、塗布ヘッドは、予形成され、かつ印刷された媒体を、造形プラットフォーム上で造形中の媒体に直接的に接合するよう構成される。
【００４９】
他の構成において、装置は、積層法により、３Ｄ物体を造形するよう構成される。
【００５０】
１つの構成において、印刷ヘッドは、カラー印刷ヘッドとして構成される。
【００５１】
１つの構成において、媒体は、プラスチック又はポリマー材料より成る。
【００５２】
１つの構成において、媒体は、プラスチックビーズ又は樹脂ワイヤを含む。
【００５３】
１つの構成において、媒体は、造形中の物体の要件に従って選択された直径及び形状を有すると共に、予形成されたプラスチックビーズ又はワイヤを含む。
【００５４】
１つの構成において、印刷ヘッドは、媒体上に可変のパターンを印刷するよう構成される。１つの構成において、印刷ヘッドは、媒体上に可変のカラーパターンを印刷するよう構成される。
【００５５】
１つの構成において、可変のパターンは、ピクセル毎に可変である。
【００５６】
１つの構成において、装置は、媒体の表面を印刷するよう構成された第１及び第２印刷ヘッドを備える。
【００５７】
１つの構成において、少なくとも１個の印刷ヘッドは、印刷モジュール内に回転可能に取り付けられる。
【００５８】
１つの構成において、少なくとも１個の印刷ヘッドは、ビーズの表面を印刷するために、ビーズの表面に対して回転するよう取り付けられる。
【００５９】
更なる態様によれば、３Ｄ物体を印刷するための方法が提供される。この方法は、
・印刷モジュール200、造形モジュール300、及び前述のいずれかの請求項に記載されたコントローラを備える３Ｄプリンタ100を準備するステップと、
・媒体を準備するステップと、
・印刷すべき物体（色及び形状の情報を含む）を表すデジタル印刷ファイル（DPF）を準備するステップと、
・（印刷ヘッドを含む）装置を作動させて、ビーズが印刷モジュールを通過する際にビーズ上にパターンを直接的に印刷するステップと、
・印刷されたビーズを造形物体Ｏに接合又は溶接するために、塗布ヘッドを作動させるステップとを含む。
【００６０】
１つの構成において、媒体は、物体に塗布するために予形成されたビーズ又はワイヤを含む。この場合、ビーズ又はワイヤは、造形すべき物体の特徴を考慮して予形成される。
【００６１】
１つの構成において、ビーズ又はワイヤは、物体に塗布するために予形成される。
【００６２】
１つの構成において、印刷ヘッドは、印刷ヘッドに供給された媒体の表面を直接的に印刷するよう構成される。
【００６３】
１つの構成において、塗布ヘッドは、印刷ヘッドに供給されて印刷された媒体を物体に直接的に接合するよう構成される。
【００６４】
他の構成において、ビーズは、物体に層が塗布される際に、光学的に透明に形成される材料より成る。
【００６５】
他の構成において、印刷ヘッドは、材料における１つの表面のみを印刷して、物体における層を着色するよう作動可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態に係るプリンタを示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る３Ｄプリンタを示す側断面図である。
【図３】本発明の更なる構成に係る３Ｄプリンタを示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、添付図面に基づいて本発明を説明する。
【００６８】
本発明は、フルカラー３Ｄ印刷を可能とする３Ｄプリンタを提供する。
【００６９】
本発明に係る装置100は、特に、積層法による３Ｄ物体の造形に関する。
【００７０】
図１は、本発明に係る３Ｄプリンタ100のブロック図を示す。図１及び図２に示すように、３Ｄプリンタ100は、印刷モジュール200と、造形モジュール300を備える。３Ｄプリンタ100は、コントローラ400を更に備える。印刷モジュール200は、媒体110を受け取るための入力開口210、及び出力開口220を有する。媒体110としては、プラスチック又はポリマー材料を使用することができる。媒体は、プラスチックビーズとすることができる。印刷モジュール200は、少なくとも１個の印刷ヘッド230を有する。印刷ヘッド230は、カラー印刷ヘッドとして構成することができる。印刷ヘッド230は、媒体110が印刷モジュールを通過する際に媒体110上に印刷するよう構成されている。造形モジュール300は、造形物体又は造形部分が造形される造形プレート310を有する。印刷モジュール及び造形モジュールは、物体の造形が可能となるよう、塗布ヘッドと造形物体との間で相対移動可能に配置されている。図１に示すように、例示的な構成における造形プレート310は、物体の造形時に、装置100内で印刷モジュールに対して上下に相対移動するよう取り付けられる。印刷モジュール200は、造形プレート310に対して相対移動するよう取り付けられ、印刷媒体110は、印刷モジュール200の出力開口220を介して、造形中の物体Ｏに塗布される。言うまでもなく、必要に応じて、構成要素間における相対移動を可能にする代替的な構成としてもよい。
【００７１】
媒体110は、プラスチック又はポリマー材料より成るビーズＢ又はワイヤＷを含むことができる。言うまでもなく、要件に従って、３Ｄ物体Ｏを造形するために適切かつ異なる材料を選択することができる。媒体の材料、形状、及び寸法は、造形すべき物体の特性を考慮して選択することができる。媒体は、物体に塗布するために予形成される。この点は、物体に塗布するためのより大径のビーズの押出が通常は行われる従来技術における構成とは対照的である。従来技術の場合、媒体は、予形成された形状で塗布されるのではなく、例えば押出又は溶融によって変形される。印刷モジュールにおける入力及び出力は、調節可能とすることにより、予形成媒体の供給及び取り扱いを様々に異ならせることができる。
【００７２】
言うまでもなく、適切かつ異なる形状のビーズＢ又はワイヤＷを使用することができる。１つの構成においては、例えば、造形すべき物体の用途を考慮して、0.1 mm程度の直径を有するビーズを選択することができる。他の構成においては、例えば、物体毎の要件に従って、0.5 mm程度の直径を有するビーズを選択することができる。言うまでもなく、本発明に係るシステムは、適切かつ異なるビーズ又はワイヤと共に使用することができる。印刷のための媒体110としては、ビーズ又はワイヤを使用することができるが、代替物の使用も勿論可能である。
【００７３】
印刷モジュール200は、塗布ヘッド240を有し、その塗布ヘッド240により、造形中の物体Ｏに対して出力された媒体110が溶接又は接合又は塗布又は接着される。塗布又は溶接により、ビーズが物体に接合される。予形成された媒体は、物体に直接的に接合又は接着される。この場合、従来技術におけるFDMのアプローチとは異なり、押出は行われない。媒体の形状は、修正又は変更されることはない。
【００７４】
用語「溶接」、「接着」、「接合」、及び「塗布」は、特定の適用要件に基づいて選択された形状及び寸法を有する予形成ビーズを使用することにより、造形中の物体を造形する工程に関連して実質的に互換的に使用されている。言うまでもなく、接合又は塗布は、物体に塗布される比較的大きな直径を有するビーズの押出を伴う押出工程とは異なる。本発明において、媒体は、物体に塗布するために予形成されるものであって、物体に接合するために媒体の形状を変更する押出は行われない。
【００７５】
例示的な構成において、塗布ヘッド240は、超音波変換器ヘッドとすることができる。他の例示的な構成において、塗布ヘッドは、溶接ヘッドとすることができる。他の例示的な構成において、塗布ヘッドは、加熱ヘッドとすることができる。この場合、必要に応じて、局所的な加熱により、造形物体の塗布位置における媒体の温度が上昇するため、物体に対する媒体の接着又は接合が生じる。これら例示的な構成において、媒体は押出されることはない。特定の物体に関連して予形成された媒体は、塗布ヘッドにより、物体に直接的に接合されるか又は接着されるか又は塗布される。
【００７６】
印刷ヘッド230は、ビーズが印刷モジュール200を通過する際にビーズ上に印刷するよう構成されている。更に、好適かつ例示的な構成において、カラー印刷ヘッドとして構成され得る印刷ヘッド230は、ビーズがノズルを通過する際にビーズ上に可変のフルカラーパターンを印刷するよう構成される。装置100は、印刷のために、ビーズ上にフルカラーを適用することができる。この場合、色は、ピクセル毎に適用することができる。カラー印刷は、連続的に行うことができる。同様に、印刷された媒体は、物体に対して連続的に塗布することができる。
【００７７】
図２の例示的な構成において、印刷モジュール200は、塗布ヘッドを有し、その塗布ヘッドは、媒体、例えばプラスチックビーズを造形中の物体Ｏに溶接するための超音波変換器ヘッド250として構成することができる。好適かつ例示的な構成においては、特定の物体を造形するために選択された形状及び直径を有する予形成ビーズ110が準備される。カラー印刷ヘッド130に関連して、所定の直径を有する予形成ビーズと共に超音波ヘッド250を使用することにより、物体のカラープラスチック印刷にとって全体的に有利な構成が実現される。
【００７８】
装置100により、カラー印刷が改善される。装置100を使用すれば、異なる色を有するワイヤの押出又は混合を伴う従来技術におけるアプローチの問題、即ち色に影響が及ぶ問題を回避しつつ、印刷されたプラスチックビーズを物体に溶接又は接合することが可能となる。
【００７９】
図２の例示的な構成において、印刷モジュールは、２個の印刷ヘッド230を有する。これら印刷ヘッドは、実質的にビーズ表面に印刷をするよう配置可能である。印刷ヘッドは、例えば、ビーズに対して互いに向かい合うよう配置可能である。印刷ヘッドは、実質的にビーズ表面に印刷をするよう回転可能に構成することができる。
【００８０】
印刷モジュール200は、チャンバ215を有し、プラスチックビーズは、入力開口210を通過した後、印刷ヘッド230に近接しつつ、出口開口220に向けてチャンバ215を通過する。例示的な構成において、ビーズは、垂直配向でチャンバを通過するよう供給される。言うまでもなく、１個以上の印刷ヘッド230は、適切かつ様々に配置することができる。印刷ヘッド230は、Ｃ、Ｙ、Ｍ、及びＫのインクプリントヘッドを含むことができる。これらインクプリントヘッドは、例えば、積み重なる構成で配置することができる。上述したように、印刷ヘッドは、ビーズ周面の印刷をするために、回転可能に取り付けることができる。インクプリントヘッドは、チャンバ215を包囲するよう横並びの平坦な構成で取り付けることができる。この構成において、インクプリントヘッドは、やはりビーズ周面を印刷するために、ビーズ周りを回転可能に取り付けることができる。
【００８１】
言うまでもなく、印刷ヘッドの適切かつ代替的な構成も想定可能である。印刷モジュールは、例えば、ビーズの第１表面及び第２表面を印刷するために回転可能に構成された印刷ヘッドを有することができる。
【００８２】
言うまでもなく、印刷モジュール200は、必要に応じて、造形プレート310に対して相対移動させることができるよう、造形プレート310に対して任意の適切な手段で取り付けることができる。印刷モジュールは、例えば、本発明が属する分野で知られているタイプのXYフレーム上に取り付けることができる。
【００８３】
本発明によれば、３Ｄプリンタ100を使用するカラー３Ｄプリント方法が更に提供される。
【００８４】
本発明に係る例示的な方法は、
・印刷モジュール200及び造形モジュール300を備える３Ｄプリンタ100を準備するステップと、
・媒体110を準備するステップと、
・印刷ヘッド230を作動させて、ビーズが印刷モジュールを通過する際にビーズ上にパターンを印刷するステップと、
・印刷されたビーズを造形物体Ｏに溶接又は接合するために、塗布ヘッド250を作動させるステップとを含む。
好適かつ例示的な構成において、媒体は、プリントランが考慮された予形成ビーズを含む。言うまでもなく、媒体は、造形される最終物体に応じて選択することができる。
【００８５】
物体は、印刷すべき物体の色及び形状を規定する印刷ファイルに従って造形される。
【００８６】
デジタル印刷ファイルの予生成を含む例示的な構成における各ステップは、以下、本明細書に簡潔に言及されているが、代替的な方法を適用することも勿論可能である。当該技術分野で知られているように、３Ｄ印刷は、印刷される３Ｄ物体を表す３Ｄデータファイルを生成することから開始する。本発明においては、例えば、３Ｄ製品のデザイン、STL、並びに（カラー３Ｄ印刷用の）OBJ及びVRMLに関して、業界標準ファイルフォーマットを使用することができるが、適切な代案も同様に適用可能であることは言うまでもない。次いで、色が生成され、データファイルに表されたモデルに適用される。そのようなファイルにおけるデータが読み取られ、コンピュータモデルは、媒体層と同じ厚さを有する印刷可能層にスライスされる。このようなデータファイルの生成は通常、プリンタ100に接続されたPC又はコンピューティングデバイスで行われるが、このような処理は、プリンタ100で行われることもあるため限定的に解釈すべきではない。言うまでもなく、代替的な構成において、スライシングは、クラウド上で行われるか、又はモバイル装置上、タブレット上、モバイルフォン上で行うことができる。更に、３Ｄ印刷ファイルの生成は、上述した方法に限定されるものではなく、３Ｄ印刷ファイルを生成するための任意の適切な方法を適用することができる。予生成されたファイルは、印刷工程を開始する前にプリンタ100に供給されるか又はロードされる。プリンタ100は、プロセッサ又はコントローラ400（図示せず）、及び印刷ファイルがロードされるメモリを備える。
【００８７】
デジタル印刷ファイルは、コントローラ又はプロセッサ400により再度参照されるか又は読み取られる。デジタル印刷ファイルは、各媒体層701に関して、一連のイメージ又はイメージ対600A若しくは600Bを含むことができる。デジタル印刷ファイルは、物体を造形するために層として塗布される媒体における全ての部分について、第１表面及び第２表面のカラーイメージ情報を含むことができる。
【００８８】
３Ｄプリンタ100は、３Ｄカラー物体を印刷するために作動可能である。プラスチックより成るビーズ或いはワイヤ又はポリマー材料は、印刷モジュール200に供給される。ビーズ又はワイヤは、物体の要件に従って、予形成かつ選択される。例えば、造形される物体にとって適切かつ特定の直径を有するビーズを準備することができる。ビーズは、必要に応じて、印刷により着色することができる。色は、印刷される３Ｄ物体の特徴に応じて変更される。この場合、色は、ピクセル毎に異ならせることができる。印刷されたワイヤは、造形プレート上の物体に溶接又は接合される。コントローラ400は、カラー印刷と、カラー印刷された媒体を物体に溶接又は接合するのを制御する。
【００８９】
本発明の更なる構成によれば、透明なプラスチックビーズ540又はプラスチックワイヤにより、カラープラスチック物体を造形するためのシステム100及び方法が提供される。透明ビーズ540は、物体Ｏを造形するために使用することができる。本発明の方法において、透明ビーズ540は、印刷モジュールに供給されてフルカラー物体が造形されるが、透明ビーズの全側面を着色する必要はない。好適な方法によれば、ビーズにおける１つの表面又は１つの側壁のみが着色される。ビーズにおける１つの表面への着色は、物体に塗布するためにビーズが塗布ヘッド240を通過する際に行うことができる。上述した方法と同様、ビーズ540が物体に溶接される前に、ビーズ540に着色することができる。色は、デジタル印刷ファイル及びイメージ対に従って、方法全体に亘って連続的に変更される。物体の着色は、物体層を形成するために使用される透明ビーズと、物体層における１つ以上の表面に適用される色との間の相互作用及び相乗効果によって実現される。透明ビーズは、物体上に塗布された後に、層が色を呈する光学特性を有する。
【００９０】
図３は、本発明に係る更なるシステム及び方法を示す。図示のシステム500は、図１及び図２のシステム100に類似している。システム500は、造形プレート501を備える。システム500は更に、ビーズを造形物体Ｏに塗布するための塗布ヘッド530を備える。物体Ｏにおける連続層は、造形プレート501上に塗布されると共に、物体Ｏを造形する。
【００９１】
システム500は、１個以上の塗布ヘッド530を備えることができる。塗布ヘッド530は、物体を造形するために、交換可能に選択するか又は使用することができる。適切な塗布ヘッドには、１個以上の射出ヘッド530A，530B、超音波ヘッド530C、及び溶接ヘッド530Dが含まれる。
【００９２】
システム500には、システム500と共に使用される異なる射出ヘッド530A，530Bを設けることができる。異なる射出ヘッド530A，530Bは、異なる作動温度を有するか、又は異なる形状又は種類のビーズ或いは入力材料と共に使用するよう構成することができる。代替ヘッド530のうちの１個は、特定の形状を有する層560を塗布するために選択することができる。
【００９３】
超音波ヘッド530C又は溶接ヘッド530Dが使用される場合、超音波ヘッド又は溶接ヘッドの特徴及びその作動原理は、図１及び図２を参照して上述したものを含む。
【００９４】
システム500は、印刷ヘッド510を更に備える。印刷ヘッド510は、塗布ヘッド530により物体層が物体に塗布される際に、物体層560を着色するために配置されている。この場合、ビーズが造形物体上に塗布されると共に、物体の最上層における表面が順次に効果的に着色されることにより、カラー層が形成される。フルカラー層は、層毎に形成される。
【００９５】
印刷ヘッドは、塗布ヘッド近傍に配置されている。図示の構成において、印刷ヘッドは、塗布ヘッドの下方に配置されている。印刷ヘッドと塗布ヘッドとの間の距離は、必要に応じて設定するか又は異ならせることができる。
【００９６】
層560を形成するためにビーズ540を物体Ｏに塗布すること、及び印刷ヘッド510を使用して層560を着色することは連続的に行われる。層を形成するためにビーズを塗布すること、及びビーズの着色は順次に行われる。コントローラ570を介したデジタル印刷ファイルにより、３Ｄプリンタ、即ち塗布ヘッド530に対して、特定時点における物体層の形状に関する制御命令が提供される。また、デジタル印刷ファイルにより、印刷ヘッド510に対して、特定時点における物体層の色に関する制御命令が提供される。物体層560に適用される色は、要件に応じて、ピクセル毎に制御することができる。
【００９７】
システム500は、特に、透明プラスチック層560を形成するために透明ビーズを塗布する。システムに供給されるビーズ540は、必要に応じて、カラー物体Ｏを造形するための光学特性を有する。
【００９８】
所要の光学特性を有するビーズ540は、システムに供給される。言うまでもなく、システム500による物体の造形においては、塗布ヘッド530が設けられる。この場合、例えば射出ヘッド530A，530Bとして構成可能な塗布ヘッドは、物体の造形に使用する際に、必要に応じてビーズ540の特性を制御又は修正して層560を製造するよう選択することができる。この場合、例えば、物体層の一部が特定の光学特性を有するよう形成するために、ビーズ540の塗布又は射出のステップにて異なる作動温度が必要な場合がある。更なる構成においては、例えば、塗布ヘッド530の動作を選択及び制御することにより、層の厚さ及び形状を異ならせるか又は制御することができる。本発明に係る方法は、物体層560における１つの表面に適用される色と、物体層560における材料の透明性との相互作用により、カラー物体の造形を可能とする。
【００９９】
システム500又は本発明に係る方法によってフルカラー物体を造形する場合、透明ビーズの全側面を着色する必要はない。好適な方法によれば、ビーズにおける１つの表面又は１つの側壁のみが着色される。ビーズにおける１つの表面への着色は、物体にビーズが塗布されて層が形成される際に行うことができる。この場合、物体に接合又は溶接された層560が着色される。色は、デジタル印刷ファイル及びイメージ対に従って、方法全体に亘って連続的に変更される。物体の着色は、透明性を有する物体層と、物体層における１つの表面に適用される色との間の相互作用及び相乗効果によって実現される。物体層は、上面、下面、及び側面を有する実質的に二次元の層である。透明ビーズは、ビーズが物体上に塗布され、かつ着色された後に、層が色を呈する光学特性を有する。透明層を使用すると共に、その透明層における１つの表面への着色を組み合わせることにより、カラー印刷に関する要件を緩和することが可能である。
【０１００】
図３に示す構成は、本発明に係る他の構成と同様、従来技術の問題に対応するのみならず、フルカラー特性を有する３Ｄカラー物体を造形するための装置及び方法へのニーズにも対応するものである。
【０１０１】
造形物体における最終的な色彩効果は、透明ビーズの適切な選択により、ビーズにおける特性又は形状の修正を含み得るビーズの塗布により、更には、ビーズにおける１つの表面のみへの着色により実現される。
【０１０２】
システム500を使用して３Ｄ物体を造形するための方法においては、物体を層毎に造形すると共に、
・所要の光学特性を有する層を形成するためのビーズ540を準備するステップと、
・塗布ヘッド530を選択するステップと、
・デジタル印刷ファイルをコントローラ570に供給するステップと、
・デジタル印刷ファイルに従って物体層560を形成するステップと、
・物体層560における１つの表面を印刷するステップ（この場合に色は、必要に応じて、デジタル印刷ファイルに従ってピクセル毎に異ならせることができる）とを含む。
【０１０３】
図３に示すシステム500は、コントローラ570と、造形プレート501と、塗布ヘッド530と、印刷ヘッド510を備える。ビーズ540は、入力によって供給される。本発明に係る例示的な方法のビーズ540は、透明ビーズとして構成される。上述したように、ビーズ540は、その光学特性を含めて選択されるのみならず、ビーズが層560に形成される際の光学特性も考慮して選択される。本発明に係るシステムにおいては、所要の層の形状を生成するための射出ヘッド、溶接ヘッド、及び超音波ヘッドを含む１個以上の異なる塗布ヘッドと、所要の光学特性を有する層が使用される。本発明に係るシステムおいては、塗布ヘッドが選択かつ配置されることにより、特定の３Ｄ物体が造形される。
【０１０４】
層の透明性又は物体層における特定箇所の外観と、層の表面におけるその特定箇所に適用される色との組み合わせにより、最終的なカラー物体が得られる。
【０１０５】
上述したシステム500及び方法は、物体の色を高度に制御しつつ、フルカラーのプラスチック物体の造形を可能とする。この場合、色は、層毎のみならず特定箇所毎に制御される。
【０１０６】
物体は、印刷すべき物体の色及び形状を規定する印刷ファイルに従って造形される。
【０１０７】
ビーズは、透明ビーズ540又はプラスチック材料より成るワイヤとして構成することができる。透明ビーズ540は、物体Ｏを造形するために使用することができる。本発明の方法において、透明ビーズ540は、印刷モジュールに供給されてフルカラー物体が造形されるが、透明層の全側面を着色する必要はない。
【０１０８】
デジタル印刷ファイルの予生成を含む例示的な構成における各ステップは、本明細書において言及されているが、代替的な方法を適用することも勿論可能である。当該技術分野で知られているように、３Ｄ印刷は、印刷される３Ｄ物体を表す３Ｄデータファイルを生成することから開始する。本発明においては、例えば、３Ｄ製品のデザイン、STL、並びに（カラー３Ｄ印刷用の）OBJ及びVRMLに関して、業界標準ファイルフォーマットを使用することができるが、適切な代案も同様に適用可能であることは言うまでもない。次いで、色が生成され、データファイルに表されたモデルに適用される。そのようなファイルにおけるデータが読み取られ、コンピュータモデルは、媒体層と同じ厚さを有する印刷可能層にスライスされる。このようなデータファイルの生成は通常、プリンタ500に接続されたPC又はコンピューティングデバイスで行われるが、このような処理は、プリンタ500で行われることもあるため限定的に解釈すべきではない。言うまでもなく、代替的な構成において、スライシングは、クラウド上で行われるか、又はモバイル装置上、タブレット上、モバイルフォン上で行うことができる。更に、３Ｄ印刷ファイルの生成は、上述した方法に限定されるものではなく、３Ｄ印刷ファイルを生成するための任意の適切な方法を適用することができる。予生成されたファイルは、印刷工程を開始する前にプリンタ500に供給されるか又はロードされる。プリンタ500は、プロセッサ又はコントローラ570（図示せず）、及び印刷ファイルがロードされるメモリを備える。デジタル印刷ファイルは、コントローラ又はプロセッサ570により再度参照されるか又は読み取られる。デジタル印刷ファイルは、造形すべき物体における各層560に関して、一連のイメージを含むことができる。デジタル印刷ファイルは、各層に関して、カラーイメージ情報を含むことができる。
【０１０９】
３Ｄプリンタ500は、３Ｄカラー物体を印刷するために作動可能である。プラスチックより成るビーズ或いはワイヤ又はポリマー材料は、印刷モジュールに供給される。色は、形成された物体層に直接的に適用される。好適な構成において、色は、層における１つの表面に適用される。色は、印刷される３Ｄ物体の特徴に応じて変更される。この場合、色は、ピクセル毎に異ならせることができる。印刷されたワイヤは、造形プレート上の物体に溶接又は接合される。コントローラ570により、カラー印刷が制御される。更に、コントローラ570により、層の形成と、物体に対する媒体の溶接又は接合に基づく造形物体への層の付加が制御される。層が形成された後、層に対する印刷が行われる。
【０１１０】
上述したシステム500及び方法により、光学的に透明性を有する層における１つの側への色の印刷に基づき、所要の色仕上げが実現されることは自明のことであろう。
【０１１１】
背景技術に記載したように、カラー用FDM装置の使用に関しては問題がある。従来技術においては、様々な色のプラスチックビーズを組み合わせて混合色を得ることが試みられてきたが、この場合ピクセル毎に色を変更することができない。従来技術においては、混合の問題が生じることが多い。従来技術における構成では、本発明に係る構成で実現可能な制御及びカラー品質を提供することができない。
【０１１２】
このように、予形成されたビーズが使用される本発明に係る構成は、従来技術におけるアプローチに比べて、以下に列記する利点を含む多数の利点、即ち、造形部分にプラスチックビーズを溶接するためのヘッドを設ける利点、ビーズがノズルを通過する際にビーズ上に可変のフルカラーパターンを印刷する利点、ビーズの直径を例えば0.1 mmに縮小する利点（これにより押出が不要になる）、高品質のプラスチック用フルカラー３Ｄプリンタを提供する利点を有する。
【０１１３】
図１及び図２に示す本発明に係る装置及び方法においては、有利には、媒体の表面上に色が直接的に印刷された後、物体にビーズが直接的に接合又は溶接される。媒体は、物体の要件を考慮しつつ予形成される。本発明に係る装置及び方法においては、例えば押出の必要性なく、印刷媒体が直接的に印刷及び溶接又は接合される。本発明に係る装置及び方法により、実質的に直接的な積層法が実現される。
【０１１４】
本発明に係る装置及び方法においては、FDMに類似する方式で造形が行われるが、上述したように、媒体は、物体に接合、溶接又は接着される前に押出されることはない。
【０１１５】
透明ビーズを使用する本発明に係るシステム及び方法においては、ビーズ又は新たに形成された層における１つの表面にのみ着色が行われることにより、優れた色仕上げが実現される。
【０１１６】
図３に示すシステムにより、有利には、高品質の色仕上げが実現される。このシステムは更に、塗布ヘッドの選択と、物体の造形に関して優れた柔軟性を備える。同じ３Ｄプリンタ及びカラー印刷ヘッドを使用してカラー物体を形成するのに、異なる工程を効果的に採用することができる。
【０１１７】
本明細書において用語「備える」及び「備えている」は、記載された特徴、整数、ステップ又は構成要素の存在を明記するものではあるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、構成要素、又はその群の存在或いは付加を排除するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2018538185.tif 000007
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