【分析】UVインクジェットによるカラー3Dプリントの研究

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-9-11 16:20 に最後に編集されました。

3Dプリント用の成形材料は数多くありますが、現在生産されている立体モデルは色彩に乏しく、精度も低く、人々のニーズを満たすことができません。3Dプリントの品質を向上させるために、新たな成形材料の研究が急務となっています。近年、多くの研究者が光硬化性材料をベースにした3Dプリント技術の研究を行っています。海外では、ゼットコーポレーションや理化学研究所が粉末接合法による3Dプリント装置を開発しており、3D Systemsは2004年に感光性樹脂を成形材料、ワックスを支持材料とする光硬化型3Dプリンターを発売した。
中国では、李暁燕博士が接着材料を使用した3Dプリント装置の開発に成功し、王建氏は化学チップの製造における光硬化型3Dプリントの応用に関する研究を行い、王環美氏はUVインクを使用した3Dマップの印刷に成功しました。 UV インクは、光開始剤、プレポリマー、モノマーを含む典型的な光硬化性材料です。UV 光条件下で重合反応を起こし、短時間で固化して、基本的に溶媒の揮発がなく、高光沢で明るい色のインク層を形成します。これらの特性と性質により、UV インクは 3D プリントの成形材料として特に適しています。現在、UVインクジェット印刷技術はすでに非常に成熟しており、既存のMimakiUVインクジェットプリンタのノズルと基板間の距離を調整できるため、一定の高さでZ方向の印刷を実現できます。 UVインクジェット印刷によく使用される印刷媒体は紙です。紙は、一定のインク吸収性を備えた低コストの薄層媒体であり、UVインクのしっかりとした接着と色再現に良い影響を与えます。紙を印刷媒体とするUVインクジェット3D印刷技術は、一定の高さの地図、油絵、パーソナライズされた製品のフルカラー印刷を実現できます。ここでは、国内外の研究者の研究成果に基づき、UVインクジェット印刷の特徴と合わせて、紙を印刷媒体としてUVインクジェット3D印刷技術による立体感と色の実現を研究し、異なるインク層数に対応するインクの厚さと表面色再現を観察・分析し、最終的にUVインクジェットカラー3D印刷の実施計画を確立しました。

1 実験
1.1 実験装置材料: 坪量 123 g/m2 の同じコート紙 5 枚を選択し、それぞれ 1#、2#、3#、4#、5# と番号を付けました。使用したインクは、Mimaki LH-100 CMYK インクと Mimaki LH-100 W インクです。装置および機器: Illustrator CS5 グラフィックデザインソフトウェア、Mimaki UJF-3042 UV インクジェットプリンター、Labthink CHY-C2 厚さ計、X-rite Macbeth 標準光源比色計、X-Rite Eye One Pro 分光光度計、X-Rite i1-iO スキャンステーション、ProfileMaker ソフトウェア、X-Rite 530 濃度計。

1.2 実験用標準プレート Illustrator CS5 グラフィックソフトウェアを使用して、1、2、3、4、12、20 のインクレイヤーを持つカラーブロックを設計し、それぞれ標準プレート 1 と 2 として使用しました。ProfileMaker ソフトウェアによって提供される IT8.7-3CMYKi1PM5.0.5 が、合計 1120 のカラーブロックを含む実験標準プレート 3 として選択されました。

1.3 実験手順
1.3.1 標準ボード出力 MImakiUJF-3042UVインクジェットプリンタを駆動して、1＃と2＃コート紙の表面にそれぞれ標準版1と標準版2を印刷します。そのうち、標準版2は100％ホワイトインクを使用してホワイトカラーブロックを置き換え、1層以上のカラーブロックを繰り返し印刷します。たとえば、印刷を4回繰り返して4つのインク層を持つカラーブロックを取得し、最終的にインク層の数が異なるイエロー、マゼンタ、シアン、黒、白のソリッドカラーブロックを取得します。MImakiUJF-3042UVインクジェットプリンタを駆動して、3＃コート紙の表面に直接標準版3を印刷し、最初に4＃コート紙の表面に1層のホワイトソリッドインクを均一に印刷してから、標準版3を印刷します。

1.3.2 厚さ測定 ISO 規格の恒温恒湿室で、CHY-C2 厚さゲージを使用して、インク層数の異なる 1# および 2# カラーブロックの厚さと、5# の厚さを測定しました。各カラーブロックで 10 点を選択して測定しました。 1.3.3 色測定: D50/2 条件下で X-Rite530 濃度計を使用して、1# および 2# コート紙の表面の各カラーブロックの L*a*b* 値、および 4# 表面と 5# 表面の均一に印刷された白インク部分の L*a*b* 値と紙指数を測定します。

1.3.4 色域図の生成 ISO 標準恒温恒湿チャンバーで、ProfileMaker ソフトウェアと X-Rite EyeOnePro 分光光度計を使用して、3# および 4# 標準プレート 3 のカラーブロックを測定し、ICC 特性ファイルを生成し、ProfileEditor で対応する色域図を生成します。 2 結果と考察 2.1 厚さデータの比較分析異なるインク層数に対応するインクの厚さは、図 1 に示すように、イエロー (Y)、マゼンタ (M)、シアン (C)、ブラック (K)、ホワイト (W) の 5 色のソリッドカラーブロックの平均測定厚さから紙の厚さを差し引くことによって計算できます。

図 1 の 5 つの折れ線グラフの最初の線分の傾きは、他の 5 つの線分の傾きよりも大幅に小さく、5 つのインクの最初の層の厚さが他のインク層の厚さよりも大幅に小さいことを示しています。これは、最初の層のインクが紙の表面に浸透して広がるためです。図 1 から、最初のインク層を除いて、インク層の数が増えるにつれてインクの厚さがほぼ直線的に増加することがわかります。5 つのインクの厚さとインク層数の線形フィッティング方程式は、それぞれ最初のインク層の厚さから 2 番目から 20 番目のインク層の厚さを差し引くことによって得られます。
yC=11.1893xC+0.3976（1）
yM=12.7057xM+0.0657（2）
yY=7.9139xY-0.1169（3）
yK=9.4736xK-0.0248（4）
yW=13.1232xW+0.2274 (5)

式(1)～(5)の線形近似係数はそれぞれ約0.99994、1、0.99999、1、0.99998であり、いずれも0.9999より大きく1に近い。これは、インクの厚さとインク層の数の間に直線関係があることを示しています。傾斜の定義によれば、UV インクジェット印刷によって得られたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラック、ホワイトの 5 つのインクの各層の厚さは、それぞれ 11.19、12.7、7.91、9.47、13.12 μm であることがわかります。したがって、5 つのインクのうち最初の層のインクは紙に対して強い浸透効果と拡散効果を持ちますが、インク間の相互作用は小さく安定しており、インク層の数が増えても変化しません。紙などのインク吸収性材料を印刷媒体として使用するUVインクジェット3D印刷技術では、インクの第1層が全体の高さに誤差を引き起こし、標高情報の精度に影響を与えます。そのため、紙を事前に処理する必要があります。紙の表面にあらかじめ固体インクの層を印刷することで、インクの第1層による誤差を排除できます。

2.2 ソリッドカラーブロックの色再現の分析 X-riteMacbeth標準光源比色ボックスでは、D65光源が選択され、1＃と2＃表面のソリッドカラーブロックの色を標準の視聴距離で観察しました。色再現は、カラーブロックのL * a * b *値と組み合わせて分析されました[16]。図 2 および表 1 に示すように、白インクと黒インクの視覚効果と色度値はインク層の数によって変化しませんが、イエロー、マゼンタ、シアンインクの視覚効果と色度値はインク層の数の増加に伴って大きく変化します。

図2を観察し、表1の色データと組み合わせると、同じ色ブロックの色でもインク層が増えるにつれてどんどん暗くなり、L値が徐々に減少していることがわかります。これは、彩度が徐々に増加するためです。インク層数が1のとき、シアン、マゼンタ、イエローの3色はすべて色相範囲内にあり、視覚効果は標準のシアン、マゼンタ、イエローに近く、UVインクの平面上での色再現効果が良好であることを示しています。インク層数が徐々に増加すると、3色の色相は徐々にそれぞれの色相から外れます。20層目では、シアンの色相角は青の色相範囲内に収まり、マゼンタの色相角はマゼンタと赤の色相境界にあり、イエローの色相角はイエローと赤の色相境界にあります。視覚的には、シアンは徐々に濃い青に、マゼンタは徐々に黒赤に、イエローは徐々に茶黄色に変化します。複数の色のインクを重ねると、明度が低下したり、色相がずれたりする現象は、主にシアン、マゼンタ、イエローの3色のインク間の光学的な差によって発生します。これは、複数の色のUVインクジェット印刷がウェットプレスドライインクオーバープリントプロセスであるためです。下層の乾燥したインクは上層の色に影響を与えます。これは、基材の色がインクの色に与える影響に相当します。それらの間の定量的な関係を判断することは困難です。そのため、UV インクジェット 3D カラー印刷では、モデル表面の色は単層のカラーインクでのみ表現でき、複数の層のカラーインクを重ね合わせても実現できません。

2.3 白インクが色域に与える影響
4#と5#の色度値と紙指数データは表2に示されています。このうち、4#の表面には無地の白色ブロックの層が均一に印刷されています。用紙インデックスを比較すると、元の用紙に深刻な色かぶりがあることがわかります。単色の白ブロックを 1 層印刷した後、明るさは低下しますが、色かぶりは大幅に改善されます。 L*a*b*値を比較すると、原紙と白インクで印刷した紙のL値の差が小さく、白インクで印刷した後の色の偏差が小さいことがわかります。紙の表面に白色の固形インクの層を均一に印刷すると、紙の色かぶりを効果的に改善できることがわかります。 3# および 4# 標準プレート 3 によってそれぞれ生成された色域図 G3 および G4 は、EuroscaleCoated.icc 特性ファイルによって生成された色域図 GE と比較され、図 3 に示すように CIE1931XYZ 色度図に表示されます。

図3に示すように、Lが75と50のときにGEの色域が最も広くなり、これが参照標準として使用されます。 G4 の色域は G3 よりも広く、GE の色域に近いです。G4 の色域境界は G3 の色域境界をほぼ含んでいるため、白インクは明るい色と中間色の両方で色域再現能力が優れていることがわかります。L が 25 の場合、3 つの色域のサイズはそれほど変わりません。GE の色域は黄色と緑の再現性は優れていますが、シアンとマゼンタの一部の色は再現できません。 GEの色域と比較すると、G3とG4の色域はシアンとマゼンタの再現性が向上していますが、一部の黄色と緑は表現できません。G3の色域はG4の色域よりもわずかに広く、暗い領域での白インクの色域再現能力が紙の色域再現能力よりもわずかに小さいことを示しています。一般的に、白の UV インクは紙よりも色の再現性に優れており、中間色とハイライトでより広い色域を表現できます。

2.4UVインクジェットカラー3Dプリントソリューション UVインクジェットカラー3Dプリントでは、高さの実現という点では、インクの第1層と紙の間の浸透と拡散の影響により、モデルの高さに誤差が生じます。紙の表面にあらかじめ固体インクの層を印刷しておくことで、インクの第1層の影響を排除できます。色の表現という点では、複数の色のインクの層を重ねると、明度が低下し、色相に偏差が生じます。そのため、色の表現は、単層の色のインクでのみ実現できます。したがって、UVインクジェットカラー3Dプリントを実現するには、白インクの優れた色再現特性を最大限に活用し、事前に紙の上に白の単色ブロックの層を均一に印刷し、次に白インクを複数層印刷して、3Dモデルの標高情報の印刷を実現します。最後に、色を表現する必要がある白インクの表面にカラーインクを1層印刷して、3Dモデルのカラー表現を実現します。この方法により、最初のインク層によって生じる高さの誤差が排除され、3D モデルの表面の色をより適切に表現できるようになります。

要約すると、UV インクジェットカラー 3D 印刷は、単層白ソリッドインク印刷、多層白インクオーバーレイ印刷、単層カラーインク印刷の 3 つのステップにまとめることができます。最終的な 3D モデルの合計の高さは、複数層の白インクと数層のカラーインクの厚さの合計です。

結論
UVインクジェットカラー3D印刷技術は、光硬化性樹脂を印刷基板として使用する3次元成形技術のノズル選択と色表現の難しさを克服し、白色インクを複数層重ね合わせて3Dモデルの高さを実現し、カラーインクを数層印刷して3Dモデルの色を実現するというソリューションを採用し、カラー3Dモデルの印刷出力を完成させます。白インクの厚さは13.12μmで、従来の3D製造における最小厚さ0.1mmに比べて3Dプリントの精度が大幅に向上します。白インクは色再現性も優れているため、3Dモデルも平面画像に劣らない鮮やかな色彩を実現できます。もちろん、UVインクジェットカラー3Dプリントにはまだ多くの問題があります。モデルの総高さは、複数層の白インクと数層のカラーインクの厚さの合計ですが、単層のカラーインクの厚さは未知数です。数層のカラーインクは、モデルの総高さに一定の誤差をもたらします。モデルの側面におけるUVインクジェットカラー3Dプリントの色再現も、さらなる研究が必要です。つまり、UVインクジェットカラー3Dプリント技術は、さまざまな分野における3Dプリント技術の研究と応用において優れた指導的役割を果たしており、3Dプリントの高さ精度と色再現性の向上にも大きな意義を持っています。

編集者: Antarctic Bear 著者: He Liuxi、Chen Guangxue

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