JPH06106628A - ３次元像作製システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、コンピュータにより設計し
た製品を、コンピュータ制御により３次元のプロトタイ
プとして作製するにあたり、あらゆる素材のプロトタイ
プを高速で、精密に、かつ簡単に作製することのできる
システムを提供することにある。 【構成】 コンピュータにより３次元情報（像）を設計
し、該３次元情報を一方向の断面情報（２次元情報）に
分割するプロセス、該断面情報をコンピュータ制御によ
り物理的および／または化学的手法で媒体上に転写する
プロセス、該媒体を重ね合わせ結着するプロセス、およ
び必要に応じて該媒体上の転写部分、あるいは非転写部
分を除去するプロセスを有することを特徴とする３次元
像作製システムおよび該３次元像作製システムを使用す
る３次元像作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、コンピュータにより設計した製
品をコンピュータ制御により製品モデルやプロトタイプ
を試作する分野に関する。

【０００２】

【従来技術】機械、建築、航空、医用、インテリア等の
さまざまな分野において、コンピュータによる３次元グ
ラフィックを駆使した製品設計が行なわれており、さら
に、コンピュータシミュレーションによる特性評価を通
して設計を最適化する手法が開発され、今後ますます発
展する傾向にある。コンピュータ上で設計、及び一部の
シミュレーションを終えた後には製品のモデルやプロト
タイプが試作され、実際の駆動テストや耐久試験等の詳
細な検討が行なわれる。この時、モデルやプロトタィプ
の作製にはかなりの時間がかかるのが現状である。この
ような問題点を解決するため以下のような方法が提案さ
れた。まず、コンピュータで所望な３次元像を設計し、
これを複数の断面図に分割する。次にＵＶ硬化型樹脂の
硬化前の溶液上にＵＶレーザを走査させて樹脂を硬化さ
せ、コンピュータで設計した製品の１断面を転写する。
この操作を各断面に対応させて順に行なうことにより、
プラスチックのプロトタイプを作製する。この方法で
は、コンピュータから直接プロトタイプを作製するた
め、作製時間を大きく短縮できる。また、ＵＶ硬化樹脂
を用いるため寸法精度が比較的良好である。しかしなが
ら、材質がある種のプラスチックに限られてしまうため
用途が限られてしまう。特に、耐熱性や耐久性が問題と
なる場合には使えない。そこで、セラミックスや金属の
プロトタイプをコンピュータ制御により設計図から直接
作製する方法が提案された。これは、セラミックスや金
属の粉末上に、コンピュータ制御によりノズルから結着
剤を噴出させて製品の断面図を転写する。これを重ねて
繰り返し、最後に焼結することにより目的とする製品が
得られる。さらに、１１００Ｗの高出力ＣＯ₂レーザを
用い、セラミックスや金属粉末を溶かして転写する方法
も提案されている。前者の方法は他の方法に較べて転写
速度、寸法精度に劣り、また操作性に問題がある。ま
た、後者の方法は高出力レーザが必要であるため装置を
簡便化できず、一般的ではない。

【０００３】

【目的】本発明は、コンピュータにより設計した製品
を、コンピュータ制御により３次元のプロトタイプとし
て作製するにあたり、あらゆる素材のプロトタイプを高
速で、精密に、かつ簡単に作製することのできるシステ
ムの提供を目的とする。

【０００４】

【構成】本発明の３次元像を作製するプロセスは、大き
くは以下の３工程からなる。 コンピュータによる設計及び断面への分割。 コンピュータ制御により１枚づつ複写機またはプリン
タに代表される転写方法で媒体に転写。 転写した断面図を重ねて処理。 すなわち、本発明は、コンピュータにより３次元情報
（像）を設計し、該３次元情報を一方向の断面情報（２
次元情報）に分割するプロセス、該断面情報をコンピュ
ータ制御により物理的および／または化学的手法で媒体
上に転写するプロセス、該媒体を重ね合わせ結着するプ
ロセス、および必要に応じて該媒体上の転写部分、ある
いは非転写部分を除去するプロセスを有することを特徴
とする３次元像作製システムである。上記の断面情報を
媒体上に転写するために採用される物理的および／また
は化学的手法としては、たとえば熱、光、圧力、像形成
材料噴射、静電気および磁気よりなる群から選ばれた少
なくとも１種のものを利用したもの、特にプリンタまた
は複写機の像転写方式を利用したものが好ましい。

【０００５】次に、本発明の３次元像を作製するプロセ
スを図１に基づいて具体的に説明する。の工程では、
所望の３次元像をコンピュータより設計し、これを所定
のピッチで断面図に分割する（以後分割した数を段数と
定義する）。対象の形や用途により段数を選択する。段
数を増やすと寸法精度が向上し微細な加工が可能となる
反面、作製に時間がかかる〔図１（ａ）および
（ｂ）〕。の工程は、設計した断面図を一枚づつ媒体
に転写するものである〔図１（ｃ）〕。転写は好ましく
は複写機またはプリンタで代表される像転写方法を用い
るが、その作像方法の例をいくつか以下に述べる。

【０００６】まず第一の転写方法は、光電変換材料上に
所望パターンを光照射して電荷パターンに変換し、さら
に帯電トナーで作像して媒体に転写する方法（カールソ
ンプロセス）である。照射する光源にハロゲンランプな
いし蛍光灯を用いると複写機、レーザ光を用いるとレー
ザプリンタの作像原理である。この時トナーをのせる部
分をネガポジ反転させることにより、３次元像か３次元
像の鋳型かの作製を選択できる。使用するトナーは、プ
ラスチック製の像を作りたい場合はプラスチックを主成
分とするトナーを、また、金属、金属酸化物、金属窒化
物、金属硫化物などの無機化合物からなる像を作りたい
場合は目的とする材料を主成分とするトナーを選択す
る。これにより所望の材質の３次元像を作製できる。像
の解像度を補償するためには、トナーは主成分の他に電
荷制御剤や結着剤等の添加剤が必要である。また、一般
にトナーの粒径は５〜７μｍが好ましい。粒径が大きい
とその分解像度が低下するし、逆に小さすぎても扱いに
くい。トナーの粒径分布は単分散に近い方が好ましい。
大きい粒子は小さい粒子に比べてクーロン力が大きいた
め、帯電した感光体に優先的に付着して解像度を低下さ
せる。無機化合物を主成分とするトナーを焼結により結
着させる場合はトナーの粒子径が大きいと焼結に要する
温度と時間が増加する。一般的に市販の金属酸化物は粒
径が数ミクロンから数十ミクロンと大きいのに対して、
Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法により作製したものは条件を選択する
ことにより数ミクロン以下に抑えることができ、好まし
い。Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法とは、一般には金属アルコキシド
等の金属有機化合物や硝酸塩、しゅう酸塩、過塩素酸
塩、等の無機塩を溶液系で加水分解、重縮合させて金属
−酸素−金属結合を成長させ、最終的に焼結することに
より完成させる無機酸化物の作製方法である。Ｓｏｌ−
Ｇｅｌ法では溶液を出発材料として分子レベルの均一な
混合がなされているため、焼結により得られた粉末の粒
径が小さいのである。

【０００７】第二の転写方法はインクジェットプリンタ
方式である。媒体に溶液（インク）を飛ばして所望な像
を転写する。ここで用いるインクは固体に熱をかけて溶
融させたホットメルトインクであって良いし、あらかじ
め媒体に化合物を塗布しておきこれと接触すると固化す
る化合物であっても良い。

【０００８】第三の転写方法はドットプリンタ方式であ
る。像形成材として必要な素材と結着剤を含んだインク
リボンを作製して、インクの全部ないしは一部を断面図
として媒体上に転写する。この方式では第一、第二の転
写方法に比べて解像度の限界が低く、１８０ｄｐｉが限
界である。

【０００９】第四の転写方法は、転写媒体に化学的また
は物理的手法で潜像を形成し、この潜像に対応してトナ
ーまたはインクが反応または吸着し像を形成するという
手法である。いずれの方式であってもカラートナーまた
はカラーインクを用いることにより、カラーの３次元像
を作製できる。

【００１０】の工程では、媒体に転写させた断面図を
重ねてトナー（インク）部分を結着し〔図１（ｄ）〕、
次に媒体または三次元像を除去する〔図１（ｅ）〕。重
ねあわせは、すべての断面図を転写した後で行なっても
良いし、転写しながら一回ごとに行なっても良い。転写
した断面図を重ねる際に位置合わせが必要となる。位置
合わせは、例えば断面図の転写時に同時に位置合わせの
マークを媒体に記しておくと良い。ピックアップレーザ
光を用いると精密な位置合わせが可能である。位置合わ
せは、マークをつけた支持体に媒体を固定して転写を行
ない、その上に次々に重ねていく方法も用いられる。こ
れは媒体が薄くて自己保持性に欠けるものである場合に
有効である。トナー（インク）の結着は、プラスチック
であれば加熱による熱架橋や熱融着、または光照射によ
る光架橋等が有効である。また、セラミックスなどの無
機化合物のトナーであれば焼結を行なうと良い。結着の
プロセスでは分子あるいは粒子の微小部分で移動を伴い
サイズが小さくなるため、あらかじめ縮小率を測定し
て、その分を転写図面に反映させる必要がある。トナー
の付着量は粒径と帯電量の兼ね合いで調節できる。縮小
率は媒体に対して垂直方向と平行方向では異なり、垂直
方向の方が著しい。トナー（インク）の結着時には、媒
体の厚さ方向にトナー（インク）が浸透している方がト
ナーの結着性を高め易く好ましい。これは媒体として細
かいメッシュ状のものを用いたり、熱可塑性媒体を用い
て転写後に熱処理によりトナーを埋め込む、あるいはト
ナーに媒体を溶解させる成分を含有させて転写と同時に
媒体中に埋め込むなどの方法で可能となる。

【００１１】媒体の形態はシートであって、厚さは薄い
ほど好ましい。材質は、紙、ポリマーシート等、成形性
の良いものであって、トナー（インク）の材質と異なる
ものでなければならない。所望パターンを転写したあと
の媒体または三次元像（トナー、インク）を除去する工
程では溶解性、溶融温度、分解温度等の特性が媒体とト
ナー（インク）で異なる点を利用する。たとえば、トナ
ー（インク）が不溶で媒体を溶解する溶媒を用いて媒体
のみを除去する方法、トナー（インク）の融点と媒体の
融点の中間の温度で加熱し、低融点のもののみ除去する
方法があげられる。さらに、媒体を分解温度以上で加熱
して除去する方法などが可能である。また、媒体が透明
であり、３次元情報をその内部に含む形態で使用する場
合には、必ずしも媒体を除去せずにも実用に供すること
ができる（図２）。

【００１２】実施例１ コンピュータにより一辺が３ｃｍの正四面体を設計し、
断面が１つの面に平行になるように段数３０００に分割
した。次に、位置合わせ用のマークを付けたガラス板上
に熱可塑性樹脂からなる厚さ１０μｍのシートを固定し
てＳｏｌ−Ｇｅｌ法により作製した平均粒径５μｍ、粒
径分布４〜６μｍのＴｉＯ₂と電荷制御剤、結着剤から
なるトナーを用いて断面図を転写し、シートを１２０℃
で加熱プレスした。一回の転写で積層されたトナーの厚
さは約１０μｍである。この上に別のシートを重ねて転
写を３０００回繰り返して３次元像の形成をおこなっ
た。次に塩素系の溶剤でシートを溶解して除去し、６０
０℃で３時間焼結し、一辺が３ｃｍの正四面体が得られ
た。

【００１３】実施例２ コンピュータにより一辺が３ｃｍの正四面体を設計し、
断面が１つの面に平行になるように段数３０００に分割
した。次に、位置合わせ用のマークを付けたガラス板上
に厚さ８μｍの多孔質ＰＶＡ薄膜を積層した。ここに平
均粒径５μｍ、粒径分布４〜６μｍのアクリル樹脂を主
成分とし、電荷制御剤、結着剤を添加したトナーを用い
て断面図を転写し、プレスした。この操作を３０００回
繰り返して３次元像の形成をおこなった。次に水でＰＶ
Ａを溶解除去した後、２００℃で熱処理を行ない、一辺
が３ｃｍの正四面体が得られた。

【００１４】実施例３ 実施例１と同様に設計した正四面体の底面にあたる断面
図から順に、ガラス基板上にホットメルトインクを用い
てインクシェット方式で転写した。転写する面積が順に
小さくなるため、一工程前に転写した固形化したインク
の上に直接作製が可能である。連続転写で一辺が３ｃｍ
の正四面体が得られた。

【００１５】実施例４ コンピュータにより体長１０ｃｍの招き猫を設計し、こ
れを５０００の断面に分割した。厚さ２０μｍの透明熱
融着性フィルム上にカラートナーを用いて像の輪郭部分
を転写した。これを５０００回繰り返して３次元像を形
成し、最後に媒体である熱有着性フィルム部分を熱圧着
して固定し、透明基体中に体長１０ｃｍの招き猫を作製
した。

【００１６】

【発明の効果】本発明により、設計した３次元情報のプ
ロトタイプを早く、精密にかつ簡単に作製する事ができ
る。また、素材の選択性も著しく広がる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元像作製システムの各プロセスを
示す。 （ａ）コンピュータにより設計した３次元情報（像）を
示す。 （ｂ）（ａ）で得られた３次元情報（像）を分割した断
面情報を示す。 （ｃ）（ｂ）で得られた断面情報を媒体上に転写したも
のを示す。 （ｄ）（ｃ）で得られた媒体を積み重ねたものを示す。 （ｅ）（ｃ）工程で得られた媒体の積み重ね物を、結着
後に非転写部分を除去して得た３次元像を示す。

【図２】非転写部分を除去することなく透明媒体中に３
次元像を含むものを示す。

【符号の説明】

１ ３次元情報（像） ２ 断面情報 ３ 媒体 ４ 転写像形成の媒体の積み重ね物 ５ ３次元像 ６ 透明媒体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 力 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 海老 豊 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンピュータにより３次元情報（像）を
   設計し、該３次元情報を一方向の断面情報（２次元情
   報）に分割するプロセス、該断面情報をコンピュータ制
   御により物理的および／または化学的手法で媒体上に転
   写するプロセス、該媒体を重ね合わせ結着するプロセ
   ス、および必要に応じて該媒体上の転写部分、あるいは
   非転写部分を除去するプロセスを有することを特徴とす
   る３次元像作製システム。
2. 【請求項２】 断面情報を媒体上に転写するために採用
   される物理的および／または化学的手法が、熱、光、圧
   力、像形成材料噴射、静電気および磁気よりなる群から
   選ばれた少なくとも１種のものを利用したものである請
   求項１記載の３次元像作製システム。
3. 【請求項３】 物理的および／または化学的手法が、プ
   リンタまたは複写機の像転写方式を利用したものである
   請求項２記載の３次元像作製システム。
4. 【請求項４】 コンピュータによる３次元情報（像）を
   設計し、該３次元情報を一方向の断面情報（２次元情
   報）に分割し、該断面情報をコンピュータ制御の下に物
   理的および／または化学的手法により媒体上に転写し、
   該媒体を重ね合わせ結着し、および必要に応じて該媒体
   上の転写部分、あるいは非転写部分を除去する各工程を
   有することを特徴とする３次元像作製方法。