新規プロジェクト:自作UVプリンタ その0

UVプリンタ

皆様UVプリンタをご存じでしょうか。
UVプリンタは知らなくとも、アクリルキーホルダ(いわゆるアクキーですね)や最近よく見るアクリルフィギュアやキャラがプリントされたアクリルスタンドなんかはおなじみなのではないでしょうか。これらのほとんどすべてはその製造工程でUVプリンタが使われています。
UVプリンタの特徴は荒っぽく言えば「どんなものにもプリントできる」というものです。なので、普通のプリンタでは印刷がむつかしいアクリル板のようなつるつるでインクを吸収しないようなものにもきれいに印刷ができているのです。
代表的なUVプリンタメーカーの一つであるローランドDG(あのシンセサイザのローランドの関連会社です)のサイトにはUVプリンタの特徴が非常にわかりやすく説明されております。ぜひ一度ご覧くださいませ。

UVプリンタの優れた長所をもたらしているのはプリントに使われるUV硬化インクです。UV硬化インク(UVインク)はUV光(紫外線:波長400nmより短い辺り)を当てると固まります。身近なところでは100均で売っているレジンが似たような性質ですね。これをインクにしたものと思っていただければそんなに間違ってないです。
UVプリンタは普通の紙用インクジェットプリンタが使うインクをUVインクに置き換え、さらにプリントしたUVインクを固めるための紫外線ランプを装備しています。
ローランドDGのUVプリンタVersaシリーズの紹介動画の中にゴルフボールにプリントしている様子が出てきますが、この時ヘッドが青く光ってますよね。あれは単なる照明ではなくプリントしたUVインクを直ちに硬化させるために照射している紫外線なのです。
※注:実際に見えている青は被照射物が発する蛍光か、別途紫外光源が点灯中であることがわかりやすいように仕込まれている可視LEDの光かもしれません。
このようにUVプリンタは液体状のUVインクを被印刷物に吹き付け、その場ですぐ紫外線を当てて硬化させることでインクがさっさと固まって流れたり剥げたりしなくなり、その結果どんなものにもきれいなプリントができるようになっています。これを普通の液体インクでやるとインクの乾燥まで時間がかかるため、アクリル板みたいなインクが染みこまない素材だとだらっと流れてプリント像が崩れますし、布みたいなものだと乾燥する前ににじんでしまってやはりプリント像が崩れます。
さて、そんな便利なUVプリンタですが、ネックは価格であります。
先のローランドDGのものは3桁万円、上位グレードは高級車が買える値段です。とても個人で、しかも趣味で買えるようなものではありません。完全なプロ用、業務用です。
UVプリンタの価格を上げている主因は生産台数だと思いますが、ほかにも例えば水系インクを扱う家庭用のお安いインクジェットプリンタに対して有機溶剤主体で粘度も高いUVインクはヘッドの作りが異なっており、大量に作られている家庭用のヘッドをそのまま流用できないから、というのもあります。プリントヘッドには結構接着剤が使われており、特定の有機溶剤はそれを少しずつ溶かしたりすることがあるようです。
そんな高額なUVプリンタですが、価格を何とかしようという動きもありまして、それが中国製のこんなやつです。アマゾンでも手に入ります。
LED UV Flatbed Printer LED UVフラットベッドプリンタ \238,162
プリントサイズはA4程度とそれほど大きくはありませんが、お値段は先のローランドDG品の1/10以下と激安です。それでも20万以上なのでとても手は出ないわけですが。
ちなみに、このマシンの安さの秘密は家庭用プリンタの部品を流用して作っているからのようです。先ほど書いたような理由で「流用」が気になるところではありますが、お使いの方々のレポートでは「一癖あるがちゃんと動く」というもので、若干のリスクは感じますが物としては問題ないようであります。
こちらに分解記事があります。エプソンのプリンタがほぼまんま乗ってます。

さて、例によって巨大な前置きがあってようやく本題です。
ブログの再起動にあたり、このUVプリンタの自作をみら太な日々の次のターゲットに据えようと思っております。
これまでレーザ加工機の自作をはじめとして、3Dプリンタや霧箱の自作など結構面倒なプロジェクトをやってきたみら太な日々ではありますが、これはさらに一段難しく面倒な目標になると考えております。が、一方でもし完成出来たら非常に面白い話になるであろうとも思っております。

ではどうやってUVプリンタを自作していくかです。今回は目標が目標だけに、結構真面目に下調べを行いました。もちろん市販品がありますから基本はマネをすればよいわけですが、そこにはいくつものむつかしい課題があります。
最大の課題はヘッドをどうするかです。
インクジェットヘッドそのものは家庭用プリンタから外せば様々な種類のものが手に入ります。しかしながらそれを使うためには例の接着剤の話はもちろんのこと、どうやってUVプリンタとして動作させるためのヘッド制御を行うのかという非常に面倒な話があります。
簡単には家庭用プリンタのドライバと描画ソフトを使ってインクだけ入れ替えればよいという考え方があります。これは実際にやられていて、例えばエレファンテック社(導電性インクで話題になった東大発のベンチャーですたしか)が4DFF conference on 4D and Functional Fabrication 2020で発表したこの辺りがあります。
家庭用プリンターに対する UV インク硬化用 LED ランプ搭載の試み
ここでもエプソン製のプリンタを改造してUVプリンタを作っており、プリント自体はできると報告しています。ただ、やはりUVインクの粘度高さが問題になっており、加熱によって粘度を下げておいて吹くといいよ、という別の発表も行っています。
家庭用プリンターに対するインク粘度調整用ヒーター搭載の試み
このように市販の家庭用プリンタのインクだけ取り換える、というアプローチはすでにやられており、後追いしてもあんまり面白くありません。それに数万円するインク別体型のプリンタを買わなければならないというのもいやであります。もっとお安く作りたいのです。
ではどうするか、次に思いつくのは「市販プリンタ(みら太な日々的にはジャンクプリンタ)に自作の駆動系を組み込んでUVプリンタ化する」というものです。これがおそらく先の中華UVプリンタに近いと思います。ですがこれがまたむつかしいんですよ。
まずプリントヘッドの駆動系に関する情報がありません。いろいろ調べてはみましたが、ちゃんとまとまっているのは特許くらいかなと思います。
プリンタのICを調べるという手もありますが、ほとんどすべてがメーカー向け専用部品になっており、データシート等も手に入りません。
単純にはヘッドに並んでいるピクセルごとにあるパターンの電圧を印可すればいいので、解析も不可能ではないと思いますが一筋縄ではいかないでしょう。また、このあたりのアプローチは主に海外で様々なハッキングが行われておりますので、先人が頑張って全容を解明してくれるのを待ちたいと思います。
ちなみにですが、簡単に手に入れることができてUVプリンタへ改造できるものはほぼエプソンのプリンタだけです。キャノンのプリンタは使うことができません。
キャノンとエプソンのプリンタはヘッドの構造が大きく違います。
キャノンのヘッドはバブルジェットと呼ばれている(最近は聞かなくなりました)ようにヘッド内のインクが入った小室を瞬間的に加熱して発生した沸騰の泡でインクを押し出してプリントします。
これに対してエプソンのヘッドは、電圧をかけると変形する圧電素子(ピエゾ素子)を小室の壁の一面に配し、そこに電圧をかけて凹凸変形させることでインクを押し出します。
インクジェットプリンタが発売されたころはキャノンのバブルジェット一色だったのですが、その後じわじわピエゾ方式が伸び、今の世界の主流はピエゾ方式になっていると言ってよいと思います。
両方式を比較するとピエゾ方式の優位性が目立ちます。まず、ピエゾ方式は顔料インクを吹くことができます。キャノン方式は染料インクしか吹けません。顔料インクとと染料インクの違いはgoogle先生に聞いてください。私たちが日常行うプリントでは耐水性、耐退色性いずれをとっても顔料方式が優れています。キャノン方式で顔料インクを使うと加熱部分に顔料が固着するなどしてヘッドが壊れます。(ので、100均のエプソン用詰め替えインク-顔料-はキャノンのプリンタには使えません。逆は問題ないです。)
またピエゾ方式は熱がかからず、機械的に押し出すだけなのでインク以外にもいろんなものを吹くことができます。例えば微量の試薬や生体細胞などで応用が行われています。
話がそれました。
考えられる最後の手段はデータシートがついてくる市販のヘッドモジュールを購入して使うということです。が、おそらく素人は相手にしてもらえないと思います。もし売ってくれるとしても中華UVプリンタ買ったほうが安いんじゃないかな。
ということで、調査の結果市販ヘッド流用にはみら太な日々的にあまり面白い解が見当たりませんでした。

ではではどうするのか、それはもちろんヘッドから自作であります。
荒唐無稽な話に聞こえますが、自作3Dプリンタの総本山RepRapを始めすでに多くの自作インクジェットヘッドのアプローチがあります。
RepRap:Scratchbuilt Piezo Printhead
この自作プリントヘッド、実に面白いです。なんといっても安い(超重要)
おそらくベースとなる1ノズルヘッドを作るのにかかる費用は数十円から100円くらいだと思います。もちろんプリント速度、解像度ともに市販品には遥か遠く及びませんが、わたしが大好きな「すべてがわかっている」ヘッドを手にすることができるのです。
この1ノズルヘッドの肝はこの圧電ブザーです。圧電スピーカーと呼ばれることもあるかな。
皆さんご存知ないかもしれませんが、音は毎日のように聞いていらっしゃるはずです。たとえば、電子ジャーとか、ポットとか、お風呂のリモコンとか、洗濯機とか、例を挙げればきりがないのですが、いずれも操作ボタンを押したりしたときに「ピピッ!」って鳴ったり、簡単なメロディーを奏でたりするあれです。あの音を出しているのがこの丸い小さな円盤なのです。

圧電ブザーの動作原理はこちらをご覧ください
このように圧電ブザーを使うことによってブザーの円盤の振動の物理変位をインクを押し出す力に変えることができるのです。この構成は(サイズも形もノズルの数も全く違うものの)エプソンのインクジェットヘッドと全く同じです。
この1ノズルヘッドをXY駆動系に持たせ、適切なソフト(おそらくレーザ加工機で使っているLightBurnが使えます)で動かしてやれば、時間はかかるけれどもそれなりの絵が描ける単色のUVプリンタを作れる可能性はあるでしょう。
実際に通常のインクを使ったものはすでに動いてます。


これをUVインクを入れて動くようにする、さらに硬化用の紫外光源を組み込み、あわよくば多色化、多ヘッド化してUVプリンタを作っていく、これが構想の結果行きついた本プロジェクトのアプローチ方法です。

ということで、どれくらいの期間がかかるかわかりませんが、今回をその0として自作UVプリンタのプロジェクトをスタートしたいと思います。
どうぞご期待ください。

コメント

  1. 小野正彦 より:

    はじめまして。小野と申します。レーザー用反射鏡の蒸着をされている頃から造詣の深い(無謀に見える)加工を次々と実現されており、大変感心して愛読しておりました。

    私は、海賊プリンターメーカーhttp://www.mastermind.co.jp/
    に勤務しており、本記事をいつも以上に興味をもって拝読致しました。

    圧電ブザーをアクチュエータとして使用するアイデアは、私も頭のなかにはあったものの何も具体化できていなかったものです。個人の技術的興味から、ご協力で来ることがあればプロジェクトの末席に混ぜていただけないでしょうか。

    技量はみら太様の足元にも及びませんが、
    twitter @onom25 は、相互フォローなのでDMでご連絡いただくことできます。

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