特開 2022-178769 ３Ｄプリンタ，その造形方法，その造形物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022178769

(43)【公開日】2022-12-02

(54)【発明の名称】３Ｄプリンタ，その造形方法，その造形物

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/209 20170101AFI20221125BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20221125BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221125BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20221125BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

B29C64/209

B29C64/118

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y80/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021085800

(22)【出願日】2021-05-21

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 公開者 ：大日方伸，高盛竜馬，木下里奈，田中浩也 公開場所：大日方伸のＷｅｂサイト「ＣＯＬＯＲ ＦＡＢ」，クリエイター向け動画共有サイト「Ｖｉｍｅｏ」，富山デザインコンペティション２０２０，大日方伸のＴｗｉｔｔｅｒアカウント，慶應義塾大学田中浩也研究室ホームページ，Ｈｉｒｏｙａ ＴａｎａｋａのＹｏｕｔｕｂｅチャンネル 公開日 ：令和２年９月６日，同年１１月２１日，同年１２月３日，同年１２月２９日，令和３年２月１日，同年３月２８日

(71)【出願人】

【識別番号】521220633

【氏名又は名称】大日方 伸

(71)【出願人】

【識別番号】521220644

【氏名又は名称】エグコアドバンス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090413

【弁理士】

【氏名又は名称】梶原 康稔

(72)【発明者】

【氏名】大日方 伸

(72)【発明者】

【氏名】高盛 竜馬

(72)【発明者】

【氏名】木下 里奈

(72)【発明者】

【氏名】田中 浩也

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AC02

4F213AF01

4F213AF03

4F213AF10

4F213AG05

4F213AH55

4F213WA25

4F213WB01

4F213WB28

4F213WL02

4F213WL22

4F213WL27

4F213WL32

4F213WL74

(57)【要約】

【課題】 色が異なる複数のフィラメントを使用して造形物に着色を施す際に、従来にない斬新な着色を施す。
【解決手段】 プリンタヘッド１００のノズルから吐出されるフィラメントＦＡ～ＦＤが、造形（プリント）可能な温度であって、かつ、混ざることがないような温度となるように、ヒーター１２０が設定される。吐出ノズル１３０の０番，１番，2番，３番のノズルからフィラメントＦＡ～ＦＤがそれぞれ吐出されると、吐出ノズル１３０からフィラメントＦＢ～ＦＤが出力される。これにより、矢印Ｆ６ａから見ると、フィラメントＦＡの色が表面から露出するようになり、矢印Ｆ６ｂから見ると、フィラメントＦＢの色が表面から露出するようになる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

色が異なる複数のフィラメントをプリンタヘッドから押し出して積層することで、表面が凹凸を有する造形物を得る３Ｄプリンタであって、
前記プリンタヘッドが、前記複数のフィラメントを押し出す温度であって、かつ、混ざることがない温度に加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする３Ｄプリンタ。

【請求項2】

請求項１記載の３Ｄプリンタによって造形を行う造形方法であって、
前記加熱手段から押し出されたフィラメントを積層して造形する際に、積層方向と異なる方向に凹凸を形成することを特徴とする３Ｄプリンタによる造形方法。

【請求項3】

請求項１記載の３Ｄプリンタを使用して造形した造形物であって、
異なる方向から見たときに色彩が変化する凹凸を表面に有することを特徴とする造形物。

【請求項4】

前記表面の凹凸が、周期の異なる複数の凹凸を含むことを特徴とする請求項３記載の造形物。

【請求項5】

前記造形物の表面の凹凸が、周期の短い波形状と周期の長い起伏形状とを重畳した形状であることを特徴とする請求項４記載の造形物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３Ｄプリンタの改良に関し、特に色が異なる複数のフィラメントを使用して造形を行う３Ｄプリンタ，その造形方法，その造形物に関する。

【背景技術】

【0002】

造形物に着色を施すようにした背景技術としては、例えば下記特許文献１記載の「加色処理を伴った３Ｄプリンタ並びにこれに用いる表面加色装置」がある。これは、シンプルな装置構成を採りながらも立体造形ワークの表面に任意のカラー着色が精緻に施すことを目的としており、ノズルヘッドからフィラメントを吐出・積層して立体造形ワークを形成する３Ｄプリンター部と、プリントヘッドから異なる複数色のインクを噴射してカラー印刷を行うインクジェット式カラープリンター部とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2017-105063号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述した背景技術のようにインクジェット式でカラープリントを行うのではなく、複数の異なる色のフィラメントを使用して着色を行う方法がある。例えば、赤，青，黄のフィラメントを使用し、それぞれの色でプリントするのみならず、青と黄のフィラメントを混ぜて緑でプリントを行うといった具合である。このような方法によれば、インクジェット式のカラープリンター部を必要とすることなく、造形物に着色を施すことができる。この場合に、３Ｄプリンタの特性を生かせば、インクジェット式のカラープリント方法ではできないような着色を施すことができる可能性がある。

【0005】

本発明は、以上のような点に着目したもので、色が異なる複数のフィラメントを使用して造形物に着色を施す際に工夫を行って、従来にない斬新な着色を施すことを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の３Ｄプリンタは、色が異なる複数のフィラメントをプリンタヘッドから押し出して積層することで、表面が凹凸を有する造形物を得る３Ｄプリンタであって、前記プリンタヘッドが、前記複数のフィラメントを押し出す温度であって、かつ、混ざることがない温度に加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする。

【0007】

本発明の造形方法は、前記３Ｄプリンタによって造形を行う造形方法であって、前記加熱手段から押し出されたフィラメントを積層して造形する際に、積層方向と異なる方向に凹凸を形成することを特徴とする。

【0008】

本発明の造形物は、前記３Ｄプリンタを使用して造形した造形物であって、異なる方向から見たときに色彩が変化する凹凸を表面に有することを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記表面の凹凸が、周期の異なる複数の凹凸を含むことを特徴とする。更には、前記造形物の表面の凹凸が、周期の短い波形状と周期の長い起伏形状とを重畳した形状であることを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、色が異なる複数のフィラメントを同時に吐出するとともに、造形物の表面に、フィラメントの積層方向と異なる方向に凹凸を設けることとしたので、見る方向によって色彩が変化する斬新な造形物を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の３Ｄプリンタの一実施例の外観を示す図である。

【図2】(A)は前記実施例におけるプリンタヘッドの構成の概略を示す図である。(B)及び(C)は、吐出ノズルからの吐出例を示す図である。

【図3】前記実施例における駆動制御装置の構成を示す図である。

【図4】前記実施例におけるＧコードの一例を示す図である。

【図5】(A)は前記実施例による造形物の一例を示す図である。(B)及び(C)は(A)を異なる方向から見た様子を示す。

【図6】前記造形物における色の変化の原理を示す図である。(A)は前記図４の矢印Ｆ５ａから見た図であり、その点線部分を拡大したものが(B)である。(C)は平坦面における配色の様子を示す図である。(D)は周期の長い起伏形状と周期の短い波形状とが重ねられた形状の例を示す図である。

【図7】(A)は本発明による他の造形物の一例を示す図である。(B)及び(C)は(A)を異なる方向から見た様子を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

【実施例0012】

最初に、図１～図６を参照しながら本発明の実施例１を説明する。図１～図３には、本実施例の３Ｄプリンタの全体構成が示されており、図１に示すテーブル機構１０，図２(A)に示すプリンタヘッド１００，図３に示す駆動制御装置２００によって主に構成されている。これらのうち、テーブル機構１０は、四角枠の基礎フレーム体２０上に構成されている。基礎フレーム２０は、Ｙ方向の基礎フレーム２２，２４と、Ｘ方向の基礎フレーム２６，２８とによって構成されている。基礎フレーム２２，２４の間には、中央フレーム３０が設けられており、両端が基礎フレーム２６，２８にそれぞれ結合されている。

【0013】

一方、基礎フレーム２２，２４には、略コ字状の縦フレーム体５０が取り付けられている。縦フレーム体５０は、基礎フレーム２２，２４から立設する縦フレーム５２，５４と、これら縦フレーム５２，５４の先端に差し渡される縦フレーム５６によって構成されている。縦フレーム５２，５４には、プリンタヘッド１００が取り付けられるヘッドフレーム６０が設けられている。前記縦フレーム体５０は、上述した基礎フレーム体２０に固定されている。

【0014】

次に、基礎フレーム体２０の中央フレーム３０には、テーブル（ないしベッド）７０が設けられており、このテーブル７０上に造形物が作成されるようになっている。プリンタヘッド１００は、ヘッドフレーム６０に沿ってＸ駆動機構７２によりＸ方向にスライド可能となっている。テーブル７０は、中央フレーム３０に沿ってＹ駆動機構７４によりＹ方向にスライド可能となっている。縦フレーム体５０のヘッドフレーム６０は、縦フレーム５２，５４に沿ってＺ駆動機構７６によりＺ方向にスライド可能となっている。これらにより、プリンタヘッド１００のノズルが、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向にスライド可能となっている。なお、駆動機構７２，７４，７６は、例えばステッピングモーターとベルトによって構成されている。このような３Ｄプリンタとしては、例えば、CREALITY3D製の「CR-10S5 3Dプリンタ」が好適な例の一つである。

【0015】

次に、図２(A)を参照して、プリンタヘッド１００について説明する。本実施例のプリンタヘッド１００は、４つの色が異なるフィラメントＦＡ～ＦＤがエクストルーダ１１０によってヒーター１２０に送られるようになっており、ヒーター１２０で加熱されたフィラメントがノズル１３０から吐出されるようになっている。例えば、フィラメントＦＡは黒，フィラメントＦＢは赤，フィラメントＦＣは青，フィラメントＦＤは黄といった具合である。吐出ノズル１３０は、前記４つの材料供給口（挿入口）を備えており、これらに供給されたフィラメントＦＡ～ＦＤが溶けて吐出されるようになっている。このようなプリンタヘッド１００としては、例えば、Ｍ３Ｄ製の「THE QUADFUSION PRINT HEAD」が好適な例の一つである。

【0016】

次に、上述した基礎フレーム体２０，縦フレーム体５０のＸ～Ｚの駆動機構７２，７４，７６や、プリンタヘッド１００のエクストルーダ１１０，ヒーター１２０に対しては、駆動制御装置（マザーボード）２００から駆動制御信号が供給されるようになっている。駆動制御は、いわゆるＧコードに基づいて行われるようになっている。Ｇコードは、例えば「Grasshopper」などのソフトウェアによって作成され、駆動制御装置２００のデコーダ２１０によって解読されるようになっている。そして、その解読結果に基づいてドライバ２２０から制御信号が各部に送信されるようになっている。図４には、Ｇコードの一例が示されている。

【0017】

次に、図５及び図６も参照して、本実施例の全体の動作を説明する。作成しようとする造形物の３Ｄデータは、スライサソフトでＧコード化され、駆動制御装置２００に入力される。Ｇコードは、デコーダ２１０で解読され、解読された動作を行うための制御信号がドライバ２２０から各部に出力される。すなわち、プリンタヘッド１００のノズルがＧコードで指定された位置となるように、Ｘ～Ｚの駆動機構７２，７４，７６に制御信号が出力される。また、プリンタヘッド１００には、フィラメントＦＡ～ＦＤの送り出し速度がＧコードで指定された速度となるように、エクストルーダ１１０に制御信号が出力され、フィラメントＦＡ～ＦＤの温度がＧコードで指定された温度となるように、ヒーター１２０に制御信号が出力される。

【0018】

この場合において、本実施例では、プリンタヘッド１００のノズルから吐出されるフィラメントＦＡ～ＦＤが、均等に押し出されて造形（プリント）できる温度であって、かつ、混ざることがない温度に、ヒーター１２０によって設定される。図４に示すＧコードの例では、矢印ＧＡで示すコード「M109 S210.0」は、プリンタヘッド１００の吐出ノズル１３０におけるフィラメント温度が２１０℃に設定されていることを示している。また、矢印ＧＢで示すコード「M567 P0 E0:0.334:0.333:0.333」は、吐出ノズル１３０の０番，１番，２番，３番の材料吐出口のうち、１～３番の吐出口から均等にフィラメントを押し出す設定となっていることを示している。

【0019】

例えば、吐出ノズル１３０の０番，１番，２番，３番の材料吐出口からフィラメントＦＡ～ＦＤがそれぞれ吐出されるとすると、上述したＧコードの条件では、吐出ノズル１３０から図２(B)に示すように、フィラメントＦＢ～ＦＤが均等に出力されることとなる。すなわち、吐出方向に垂直の断面でみると、１２０度の角度の範囲で、フィラメントＦＢ～ＦＤが吐出されるようになる。同図(C)には、フィラメントＦＡ～ＦＤが均等に吐出される場合が示されている。なお、Ｇコードの設定によっては必ずしも均等に出力されず、例えば、フィラメントＦＢがＦＣ，ＦＤよりも多く吐出されるようになる。例えば、フィラメントＦＢは１８０度、ＦＣ，ＦＤは９０度といった具合である。

【0020】

以上のようにフィラメントＦＡ～ＦＤを吐出しつつ、ノズル１３０の位置がＧコードに規定された位置となるように駆動制御装置２００でテーブル機構１０のＸ～Ｚの駆動機構７２，７４，７６が駆動される。これにより、テーブル７０上にフィラメントＦＡ～ＦＤが積層され、造形物が形成されていく。図５には造形物ＭＡの一例が示されており、同図(A)の矢印Ｆ５ｂ，Ｆ５ｃから見た様子が、同図(B)，(C)にそれぞれ示されている。

【0021】

図６(A)には、前記図５(A)を矢印Ｆ５ａで示す方向、すなわち造形物ＭＡの積層方向から見た状態が示されており、図６(A)の点線部分を拡大して示したものが同図(B)である。同図に示すように、プリンタヘッド１００の吐出ノズル１３０からは、４色の場合、図２(C)に示した色配置でフィラメントＦＡ～ＦＤが積層されていく。このため、図６(B)に示す矢印Ｆ６ａからみると、フィラメントＦＡの色が表面から露出するようになり、矢印Ｆ６ｂから見ると、フィラメントＦＢの色が表面から露出するようになる。これに対し、例えば、図６(C)に示すように、凹凸のない平坦な面を造形する場合、矢印Ｆ６ｓ，Ｆ６ｔのいずれの方向から見ても、フィラメントＦＡの色しか見えず、単色の造形物となる。

【0022】

更に、図５に示した造形物ＭＡにおいては、その表面の波（突起）形状が大きくうねるように形成されている。図６(D)にはその様子が示されており、点線で示す起伏形状（うねり状の凹凸）ＳＬと、波形状（突起状ないし襞状の凹凸）ＳＨとが重畳して形成されている。すなわち、周期の長い起伏形状ＳＬと、周期の短い波形状ＳＨとを重ねた形状となっている。このため、上述した見る方向による色彩の変化が、起伏形状ＳＬと波形状ＳＨとによってそれぞれ生ずるとともに、更にそれらが重畳するようになる。これにより、見る角度によって極めてダイナミックに色彩が変化するようになり、多様な色彩表現の造形となっている。

【0023】

このように、本実施例によれば、色が異なる複数のフィラメントを、同時にプリンタヘッド１００のノズルから吐出するとともに、造形物の表面に積層方向とは異なる方向に凹凸が生ずるように造形することとしたので、見る方向によって色彩が変化するという極めて斬新な着色を施すことができる。また、周期の異なる凹凸の変化を重ねることで、更に豊かな色彩表現の造形物を得ることができる。

【実施例0024】

次に、図７を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。同図は、花器ないし壺の造形物ＭＢを示すもので、同図(A)の矢印Ｆ７ｂ，Ｆ７ｃから見た様子が同図(B)，(C)にそれぞれ示されている。本実施例の造形物は、下部が上部より大径となっており、表面に波文様の凹凸が形成されている。波文様は上部では細かく、下部では大きく畝っており、上部から下部に向かって色彩の変化が増幅されるようになっている。本発明によれば、このような複雑に色彩が変化する造形物も容易に制作することができる。

【0025】

＜他の実施例＞ なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、３色ないし４色のフィラメントＦＡ～ＦＤを使用したが、２色でもよいし、更に多数のフィラメントを使用することを妨げるものではない。
(2)前記実施例では、Ｘ～Ｚの駆動機構７２，７４，７６によって３次元座標上におけるプリンタヘッド１００の移動を行ったが、テーブル機構としては、公知の各種のテーブル機構を使用してよい。
(3)本発明に好適な造形物としては、フィラメントの積層方向とは異なる方向に凹凸を有する形状が好適であるが、特に、積層方向と直交する方向に凹凸があると、色彩の変化が顕著となり、変化のある造形物を得ることができる。また、凹凸は、波形状のような丸みのある形状であってもよいし、角ばった形状であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。

【0026】

(4)プリンタヘッド１００，吐出ノズル１３０，あるいはテーブル７０を回転させて、色を変更するようにしてもよい。例えば、プリンタヘッド１００とヘッドフレーム６０との間にモータを設けるとともに、回転を指示するＧコードを定義する。図２(B)の例で１２０度回転させると、フィラメントＦＢの位置にフィラメントＦＣないしＦＤが位置するようになる。このため、フィラメントＦＢの色が露出する面に、フィラメントＦＣないしＦＤの色が露出するようになる。同図(C)の例では、９０度もしくは１８０度回転させるようにする。
(5)前記実施例では、吐出ノズル１３０の複数の材料供給口から複数のフィラメントを均等に押し出すこととしたが、吐出ノズル１３０における複数の独立した材料供給口からの各々のフィラメントの押出し量を変化させることで、色が均等でない状態での、吐出及び造形も行うことができ、これと前記実施例を組み合わせるようにしてもよい。
(6)前記実施例で示した突起の形や面の起伏などの形状は一例であり、何ら上記実施例に限定するものではない。
(7)色彩には無色透明，有色透明も含まれる。