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IPSJ Interaction 2021

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双安定性サーモクロミックインクの選択的加熱を用いた
造形後に表面色・模様を制御可能な立体物造形手法
堀 悠太郎1,a)

平木 剛史1,2

プンポンサノン パリンヤ1

岩井 大輔1,3

川原 圭博2

佐藤 宏介1

概要：本研究では，選択的加熱と双安定性サーモクロミックインクを用いて表面の色と模様を制御可能な立体物造形手法を提案する．温度により色が変化し，かつその発色状態で安定である双安定性サーモクロ
ミックインクと樹脂の混合物を立体物表面にピクセルとして形成し，この物体の表面を選択的に加熱することで，立体物の造形後に色や模様を制御することができる．本論文では，双安定性サーモクロミックイ
ンクと紫外線硬化樹脂を混合，紫外線硬化させることで立体物を作製し，この立体物の発色特性と安定して消色する温度を検証した．また，作製した立体物に対して選択的加熱を行うことで，平面及び立体造形
物の発色と消色を制御し，造形後に立体物の表面色を制御できることを確認した．

1. はじめに実現した．この手法では，サーモクロミックインクを使用した手書きの絵や文字をガルバノスキャナによって走査さ熱融解積層 (FDM) や光造形を用いた 3D プリンタに代れたレーザー光を照射して消色しており，同時に，フォト表されるデジタルファブリケーション技術は，急速に発クロミックインクでコーティングされた紙に対して局所的達，普及しており，プロダクトや服飾のデザインにおけるな紫外線照射を行い発色させることで，1 枚の紙に対して試作，また時には製品の生産においても利用されている．

ハイブリッドな書き込みと消去を実現している．この研究

また，近年では柔軟構造をもつ立体物やフルカラーの立では，コンピュータシステムによる描画内容の消色は検討

体物の造形も可能となっており [1]，その造形表現力も高されていなかった．また，Iwai et al. [3] は，フォトクロまっている．これまでのデジタルファブリケーション研究

ミックインクを投影面表面に塗布して発色させることで，では，ユーザの意図するデザインをいかに直感的に，かつ環境光や相互反射等の外乱光が存在する中でもコントラスすばやく機械に伝達し，そしてそのデザイン構造を精密，トを損なわない新たな投影手法を提案した. この研究では，かつ高速に造形することに重点が置かれていた．一方，デ発色の制御について検討されているものの，消色についてジタルファブリケーションによって造形された物体の色やは検討されていなかった．

構造はほとんどの場合不可逆であり，再度変更することはColorMod [4] は，特定波長の光を照射することで発色・できない．そのため，造形物のデザインを変更するために消色するフォトクロミックインクを塗布した物体を造形すは再度造形を行う必要があり，造形時間や材料の使用量のることで，発色と消色の制御を実現している．この技術を観点から効率的とは言えないものであった．加えて，すで用いると，シアン，マゼンタ，イエローの各色のフォトクロに造形した物体は廃棄するしかなく，環境に対し大きな負ミックインクを立体物表面のボクセルに混ぜ込むことで，荷となっていた．

光造形により 3D プリントできる．その後，立体物全体にそこで，造形物の表面に外部刺激によって光学的な物性紫外線（波長 250 nm–390 nm）を照射して発色させ，プが変化するクロミック素材を塗布し，ここにエネルギーをロジェクタによる選択的な可視光照射（波長 390 nm–790加えることで物体表面の色や模様を変化させることで，造nm）で特定領域を消色することで，造形後での表面色・形後に物体表面の色や模様を制御する手法が提案されてい模様の変更を実現している．また，Photo-Chromeleon [5]る．Hand-rewriting [2] では，ユーザとコンピュータシス

は，シアン，マゼンタ，イエローのフォトクロミックインテムの両方が同じ紙に自由に書き込みと消去を行うことを

クを単一の溶液に混合し，それぞれのインクの吸収スペク

123a)

大阪大学
東京大学
国立研究開発法人科学技術振興機構, さきがけ
hori@sens.sys.es.osaka-u.ac.jp© 2021 Information Processing Society of Japanトルの違いを利用することで，溶液中の各色の発色を個別に制御し，表面の色や模様を制御する手法を実現した．しかし，フォトクロミックインクを用いた手法には，環境光662

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による色の減衰や太陽光に含まれる紫外線による再発色といった課題が存在していた．
一方，加熱や冷却によって発色・消色するサーモクロミッ
クインクを表面に塗布した物体を作製することで，造形後に物体表面の色や模様を制御する手法も提案されている．

Inkantatory paper [6] は，導電性の銀ナノインクとサーモクロミックインクを使用して印刷パターンの色を動的に変化させることができる紙ベースのインターフェースを提案した．この手法では，サーモクロミックによる消色を維持するために，継続的な加熱が必要であるという制約があっ
図 1 提案手法の全体図た．Shader Printer [7] は，双安定性サーモクロミックインクを塗布した物体を作製し，これにレーザー照射による選択的加熱を組み合わせることで，色や模様を制御するシステムを提案した．この手法では，布地等に単色のサーモクロミックインクを塗布した物体を対象にしていたため，その形状や表色の自由度は低いものであった．
そこで本研究では，双安定性サーモクロミックインクと紫外線硬化樹脂の混合物（以下，本稿ではインク混合樹脂と呼称）を立体物表面にフルカラーのピクセルとして形成し，局所的な加熱により表面を選択的に加熱することで，造形後に表面色・模様を制御可能な立体物造形手法を提案する．双安定性サーモクロミックインクとして使用するパイロット社の市販消去可能筆記具「フリクションシリーズ」の蛍光ペンであるフリクションライトに含まれるインク（以下，本稿ではフリクションインクと呼称） は，発色温度が約 −10 °C，消色温度が約 60 °C であり，かつこの温度帯域においては発色と消色について双安定性を持つため，日常環境で色や模様を維持することができる．
本稿では，提案手法を実現するため，インク混合樹脂を2.1 複数色のピクセル形成による立体物造形造形物の表面全体を格子状に分割し，規則的なパターンとなる配色でそれぞれにインク混合樹脂を注入した．まず，3D プリンタ (Ultimaker 2+，Ultimaker) により，ポリ乳酸 (PLA) 樹脂を印刷材料として，格子構造を作製した．次に，作製した造形物の表面にフリクションインクと紫外線硬化樹脂 (Clear Resin，FormLabs) の混合物をスポイトで各格子に手動で注入することでピクセルとして形成した．
また本研究では，双安定性サーモクロミックインクとして，PILOT 社の蛍光ペンであるフリクションライトのフリクションインクを使用した．フリクションライトは 6 色（イエロー，ピンク，グリーン，オレンジ，ブルー，バイオレット）が入手可能であるが，フルカラーで造形するという観点から，本稿ではピンク，グリーン，ブルーの 3 色を使用した．紫外線硬化樹脂とピンクのフリクションイン
ク，インク混合樹脂の様子を図 2 に示す．

用いた造形物について，消色後に常温下で消色が保たれる条件について検討する．また，造形物の表面全体を格子状に分割し，規則的なパターンとなる配色でそれぞれにインク混合樹脂を注入し，原色が並ぶピクセルとして形成する造形物を作製する．そして，ユーザが入力したカラー画像から消色対象となるピクセルを決定し，FDM 方式の 3D プ
リンタの加熱部分を接近させて空気中を熱伝搬させることにより，その表面色や模様を制御する．提案手法を用いることで，平面状の造形物，及びドーム状の立体造形物に対2.2 目標色・模様に基づく消色対象ピクセルの決定
加熱し消色する対象のピクセルは，ユーザが目標となる色・模様として入力したカラー画像と造形物に配置されたカラーピクセルを参照して決定する．図 3 に消色対象のピクセルを決定する過程を示す．まず，入力されたカラー画像 (図 3a) を対象造形物と同じ分割数でピクセルに分割する (図 3b)．その後，各ピクセルにおいて面積比が最も大きい色をそのピクセルの代表色とする．対応する造形物して表面色や模様を制御させられることを確認する．

2. 提案手法
本研究では，以下の三つの要素技術を提案する．

( 1 ) フリクションインクを塗布した立体物の造形( 2 ) 目標となる色・模様の入力に基づいた加熱対象ピクセ
ルの決定( 3 ) 選択的な加熱によるその表面色や模様の制御
提案手法の全体図を図 1 に示す．

図2

双安定性サーモクロミックインクを混合した紫外線硬化樹脂の作製の様子 (a) 紫外線硬化樹脂 (b) フリクションインク（ピンク） (c) インク混合樹脂© 2021 Information Processing Society of Japan663

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図 5

3D プリンタの標準ノズル（左）と選択的加熱用途に作製したノズル（右）の様子る．一方で，複雑な形状の造形物に対する加熱が困難であり，また空気中の熱伝播を用いるために，加熱に要する時間も長くなるという欠点が存在する．また，図 5a に示す
図3

入力カラー画像によって消色対象ピクセルを決定するシステム

ように，3D プリントで使用する印刷用途のノズルは直径の様子 (a) 入力カラー画像 (b) 入力画像のピクセル分割 (c)が大きく，熱が周辺のピクセルに意図せず伝播してしまう．

造形物のピクセル配置 (d) 消色対象ピクセルの決定

そこで，加熱対象となるピクセルの選択的な加熱に適した形状のノズルを作製した (図 5b)．作製したノズルの先端(図 3c) 上のピクセルがその代表色と一致していない場合，は直径 1.2 mm，高さ 4 mm の円柱構造となっており，一そのピクセルを消色対象のピクセルとして決定する．これ

般的なノズルに比べ熱伝播を意図した形で制御できる．

をすべてのピクセルについて行うことで入力したカラー画像に対応する配色が可能となる (図 3d)．

3. 実験
3.1 インクの混合比率とインク混合樹脂の透過性の関係

2.3 選択的加熱による表面色と模様の制御

本稿で使用した紫外線硬化樹脂は無色透明であるため，消色対象となったピクセルについて，選択的な加熱にサーモクロミックインクの含有率によって造形物を構成す

よって加熱，消色させることで造形物の表面色と模様を制るインク混合樹脂の透過性が変化する．そこで，インク混御する．選択的な加熱を実現する装置として， FDM 方式

合樹脂のインク含有率とこの透過性の関係を明らかにするの 3D プリンタ (Ender-3，Creality 3D) のヒータを内蔵しために実験を行った．本実験では，3 種類のインク混合樹た加熱ノズルを流用する形で使用した．FDM 方式の 3D

脂のうち，ピンクのフリクションインクを混合したインクプリンタは材料を出力するノズルを高温で加熱するため，混合樹脂を使用した．実験条件として，紫外線硬化樹脂に材料を挿入せずにノズルを加熱対象となるピクセルに近づ対するフリクションインクの体積比を 20 : 1, 10 : 1, 5 : 1

け，接触しない距離で熱伝播させることで選択的な加熱をの 3 つの混合比率に設定した．実験では，黒色の PLA 材実現できる．3D プリンタを用いた選択的加熱の概要を図 4料を用いて 3D プリンタ (Ultimaker 2+，Ultimaker) で作に示す．

製した 10 mm 四方の皿状構造に，それぞれのインク混合

3D プ リ ン タ を 用 い た 選 択 的 加 熱 手 法 は ，Shader

樹脂を注入し，紫外線を照射，硬化させてサンプルを作製

Printer [7] で用いられたレーザーによる選択的熱照射手法した．また，混合比率が 5 : 1 の条件については，透過性をと比較して，安価で安全，簡便なシステム構築が可能であ比較するために白色の PLA 材料を用いて作製した皿状構造に注入したサンプルも合わせて作製した．

図 6 紫外線硬化樹脂とサーモクロミックインクの混合比率を変化させた造形物の様子 (a) 混合比率が 20:1 のサンプル (b) 混合比率が 10:1 のサンプル (c) 混合比率が 5:1 のサンプル（黒色の構造上に注入） (d) 混合比率が 5:1 のサンプル（白色の図 43D プリンタの加熱ノズルを流用した選択的色消去© 2021 Information Processing Society of Japan

構造上に注入）664

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図 6 に作製したサンプルを示す．インクの含有率が大きくなるにつれて，サンプルの透過性が低下し，明瞭な発色となっている様子が見て取れる．また，それぞれの発色について定量的な評価を行うため，それぞれのサンプルについて，分光放射輝度計 (SR-LEDW，トプコンテクノハウス) を用いて，室内照明下で CIE XYZ 表色系の三刺激値X，Y，Z を計測し，式 (1) に示す変換式を用いて 256 階調の CIE RGB 表色系における R，G，B をそれぞれ求めた．



R = 2.3655X − 0.8971Y − 0.4683Z

G = −0.5151X + 1.4264Y + 0.0887Z
B = 0.0052X − 0.0144Y + 1.0089Z

図 8 分光放射輝度計で測定したサンプル（ピンク）の計測値と加熱

(1)

温度の関係

測定結果を図 7 に示す．インクの含有率が大きくなるにつれて，R の計測値が上昇している様子が見て取れる．加えて，体積比が 5 : 1 のサンプルについては，注入した対象の色に関わらず，ほぼ同一の計測値を示しており，注入した対象の色によらず一定の発色が得られている．本実験の結果を踏まえ，以後の造形においては紫外線硬化樹脂とフリクションインクの体積比を 5 : 1 と設定して立体物の造形を行った．

3.2 安定して消色可能な温度の測定

図 9 分光放射輝度計で測定したサンプル（グリーン）の計測値と加熱温度の関係

本稿では，消色後に常温下で消色が保たれることを安定した消色と定義する．インク混合樹脂を用いた造形物について，安定して消色可能な条件を明らかにするために実験を行った．ピンク，グリーン，ブルーのインク混合樹脂を，白色 PLA 材料で 3D 印刷した皿状構造に注入して測定用のサンプルを作製した．3D プリンタ (Ender-3，Creality3D) の造形領域はホットプレートとしても機能するため，本実験ではこの造形領域上にサンプルを設置することで，温度制御を伴う加熱を行った．また，加熱中にサーモグラ
フィカメラ (PI-450i，Optris) を用いてサンプルの表面温度を計測し，表面温度が設定温度に到達した際にはサンプルを造形領域から取り出し，常温で 1 分間放置した．その後，室内照明下で分光放射輝度計を用いて各サンプルを測定し，256 階調の CIE RGB 表色系での計測値を記録した．

図 10

分光放射輝度計で測定したサンプル（ブルー）の計測値と加熱温度の関係

各サンプルについて加熱温度を変化させて測定した結果を図 8– 図 10 に示す．また，各サンプルの色変化の様子を図 11 に示す．全てのサンプルにおいて，58 °C 付近から消色を開始し，61 °C に達した際の色で安定した．これは前述したフリクションインクの消色温度（約 60 °C）と合致しており，樹脂を混合したインクについても同様の消色特性を持つことがわかった．また，インクの色ごとに安定して消色可能な温度に大きな違いは見られなかったが，消色後の色は使用したインクの種類によって違いがみられた．
図 11 からもわかるように，ブルーのサンプルについては，消色後に白色となったが，ピンクのサンプルはわずかに赤

図 7

分光放射輝度計で測定した各サンプルの計測値© 2021 Information Processing Society of Japanみが残った白色となり，グリーンのサンプルにおいては淡665

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図 13

造形物の加熱を行う実験環境

グラム上で消色対象ピクセルを決定した．その後，加熱用

3D プリンタのノズルを 250 °C に加熱し，消色対象となったピクセルに対して，ノズルを上部から表面の 1 mm 上方まで接近させることで，それぞれのピクセルを 10 秒間ずつ選択的に加熱した．
入力したカラー画像と消色後の造形物の様子を図 14 と
図 11

各サンプル (ピンク，グリーン，ブルー) の加熱に伴う色変化の様子

図 15 に示す．これらより，所望のピクセルが概ね消色し，入力したカラー画像に対応した造形物の色分けを実現できることがわかる．一方で，各ピクセルが正方形であるのに対し，熱がピクセル中心から円状に伝導すること，表面の黄色となった．

4. 造形物の選択的な消色による色と模様の制御

一部に凹凸があることにより一部のピクセルで消色していない部分が存在した．

4.1 平面造形物
平面状の造形物として，8×8 の格子構造（26 mm 四方，厚さ 5 mm）を PLA 樹脂を用いて作製し，ピンクとブルーのインク混合樹脂を交互に注入することでピクセルを持つ造形物を作製した．ここで，造形物の外縁部の厚みは 1.5mm，各ピクセルは 2.5 mm 四方であり，ピクセル間の間隔は 0.5 mm とした．また，樹脂注入部分の厚みは 1 mmである．作成した造形物の様子を図 12 に示す．
造形物の加熱については，3.2 項と同様に，加熱用 3D プリンタ (Ender-3，Creality 3D) のプレート部分に造形物を設置した．実験環境の様子を，図 13 に示す．次に，設

図 14

平面造形物の表面色・模様制御の様子 1（a）入力カラー画像（b）消色後の造形物

置された造形物データと入力されたカラー画像を基にプロ

図 15
図 12

作製した平面造形物© 2021 Information Processing Society of Japan

平面造形物の表面色・模様制御の様子 2（a）入力カラー画像（b）消色後の造形物

666

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ターンに対応した色や模様を制御できることを確認した．
今後の展望としては現在手動で行っている樹脂注入の過程を光造形 3D プリンタによるプリントで実現するとともに，Laser Pouch Motors [8] で使用されている，レーザーとガルバノスキャナを用いた加熱システムを用いて選択的な加熱を行うことで，より高速かつ空間解像度の高い色と模様の制御手法の構築を目指す．
図 16

加熱対象の立体造形物（a）造形物の外観（b）上方からみた造形物

謝辞 本研究は，JST ERATO 川原万有情報網プロジェ
クト (JPMJER1501)，JST ACT-X JPMJAX20AK，JSPS
科研費 JP19J00101 の助成を受けた．
参考文献
[1]

[2]

図 17 ドーム状造形物の表面色・模様制御の様子（a）入力カラー画[3]

像（b）消色後の造形物

4.2 立体造形物[4]

立体造形物として，図 16 に示すようなドーム状の構造物（直径 30 mm，中心部の高さ 11.25 mm）を 4.1 項と同様の手法で作製した．
造形物の加熱についても，4.1 項と同様に，入力したカ[5]ラー画像を基に消色するピクセルを決定した．その後，造形物データを基に消色対象のピクセルの高さを決定し，選択的な加熱を行った．入力したカラー画像と加熱後の造形物の様子を図 17 に示す．これより，立体造形物においても所望のピクセルが概ね消色し，入力したカラー画像に対応した造形物の色分けを実現できることがわかる．

[6]

5. おわりに
本稿では，双安定性サーモクロミックインクを含む構造[7]を立体物表面にフルカラーのピクセルとして形成し，非接触な加熱により表面を選択的に加熱することで，造形後に表面色・模様を制御可能な立体物造形手法を提案した．3D
プリンタで出力した格子状の構造に対し，規則的なパターンとなる配色でそれぞれにインク混合樹脂を注入し，原色が並ぶピクセルとして形成する造形物を作製した．そし[8]Patrick Baudisch and Stefanie Mueller. Personal fabrication. Foundations and Trends® in Human–ComputerInteraction, Vol. 10, No. 3–4, pp. 165–293, 2017.
橋田朋子, 西村光平, 苗村健. Hand-rewriting : 紙面上における人とコンピュータの協調的な加筆と消去 ( <特集>サービス現場・日常生活に浸透する VR/AR). 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol. 19, No. 3, pp. 367–375, 2014.
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