JP6916749B2 - Modeling method for three-dimensional structures, modeling equipment for three-dimensional structures - Google Patents

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Description

本発明は、三次元構造物の造形方法、及び三次元構造物の造形装置に関し、特に、粉体を焼結させて三次元構造物を形成する技術に関する。 The present invention relates to a method for forming a three-dimensional structure and a device for forming a three-dimensional structure, and more particularly to a technique for forming a three-dimensional structure by sintering powder.

三次元画像データを基に三次元構造物の造形情報を生成し、その造形情報に基づいて樹脂や金属粉体等の材料を吐出し、凝固・焼結させて三次元構造物を形成する造形装置が知られている。 Modeling that generates modeling information for a three-dimensional structure based on three-dimensional image data, discharges materials such as resin and metal powder based on the modeling information, and solidifies and sintered it to form a three-dimensional structure. The device is known.

例えば、特許文献1には、支持テーブルの上に金属粉体を平坦に載置して金属粉体層を形成し、レーザ光を金属粉体層に照射して溶融させることによって焼結層を形成し、その後、支持テーブルの高さを調整して、金属粉体層及び焼結層を繰り返して形成することで三次元構造物を形成する技術が開示されている。 For example, in Patent Document 1, a metal powder is placed flat on a support table to form a metal powder layer, and the metal powder layer is irradiated with laser light to melt the sintered layer. A technique for forming a three-dimensional structure by repeatedly forming a metal powder layer and a sintered layer by adjusting the height of the support table after forming the metal powder layer is disclosed.

また、特許文献2には、ノズルから吐出された金属粉体をレーザで瞬間的に溶融させ、支持体に接触させた後、急速凝固が生じることで造形する技術が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a technique in which a metal powder discharged from a nozzle is instantaneously melted by a laser, brought into contact with a support, and then rapidly solidified to occur to form a model.

特許文献1の技術を用いて三次元構造物を形成する場合、造形処理に際して、所望する三次元構造物の形状を維持するために、支持体と三次元構造物との間に、三次元構造物の形状をサポートするためのサポート部材が形成されることがある。このサポート部材は、特許文献1における焼結層の形成後、または特許文献2の金属粉体の溶融及び凝固後に、三次元構造物から取り除く必要があるという課題がある。更に、三次元構造物の表面からサポート部材が取り除かれた箇所は凹凸が生じるので、表面の平滑化処理を行う必要があるという課題がある。 When a three-dimensional structure is formed using the technique of Patent Document 1, a three-dimensional structure is formed between the support and the three-dimensional structure in order to maintain the desired shape of the three-dimensional structure during the modeling process. Support members may be formed to support the shape of the object. This support member has a problem that it needs to be removed from the three-dimensional structure after the formation of the sintered layer in Patent Document 1 or after the melting and solidification of the metal powder in Patent Document 2. Further, since the portion where the support member is removed from the surface of the three-dimensional structure has irregularities, there is a problem that it is necessary to perform a surface smoothing treatment.

特許文献2の技術を用いて三次元構造物を形成する場合、三次元画像データの造形情報を基に、金属粉体を吐出して支持体上の所望の位置に着弾させるが、金属粉体の流動性に起因して、レーザを照射して焼結するまでの間に金属粉体の粒子が着弾位置からずれるという問題点がある。更に、レーザ照射にて焼結を行うため、高出力(例えば1KW以上の出力)のレーザを用いなければならないという課題がある。 When forming a three-dimensional structure using the technique of Patent Document 2, the metal powder is discharged and landed at a desired position on the support based on the modeling information of the three-dimensional image data. Due to the fluidity of the metal powder, there is a problem that the particles of the metal powder deviate from the landing position before being irradiated with the laser and sintered. Further, since sintering is performed by laser irradiation, there is a problem that a laser having a high output (for example, an output of 1 KW or more) must be used.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、三次元構造物の造形処理に際し、三次元構造物の形状をサポートするためのサポート部材を用いることなく、低出力のレーザを用いて、高速かつ直接的に三次元構造物を精度よく造形する三次元構造物の造形方法、及び三次元構造物の造形装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, using a low-power laser without using a support member to support the shape of the three-dimensional structure during the shaping process of the three-dimensional structure. It is an object of the present invention to provide a method for forming a three-dimensional structure at high speed and directly for accurately forming the three-dimensional structure, and a device for forming the three-dimensional structure.

上記課題を解決するために、本発明は、三次元構造物を造形する三次元構造物の造形方法において、少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する工程と、前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光照射することで、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体を前記樹脂バインダーにより固定させる固定粉体層形成工程と、前記固定粉体層形成工程で形成された固定粉体層の所定領域を焼結する焼結工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention relates to a first layer of a molding material containing at least a powder and a resin binder, and at least the powder, in a method for molding a three-dimensional structure. The step of forming the layers of the second molding material containing different powders as the same layer, and the layer of the first molding material and the second molding material at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the resin binder. or heating the layer, or by light irradiation to the resin binder, fixing powder to fix the powder contained in each of the first layer of build material and the second layer of build material by the resin binder It is characterized by including at least a body layer forming step and a sintering step of sintering a predetermined region of the fixed powder layer formed in the fixed powder layer forming step.

また、本発明は、三次元構造物を造形する三次元構造物の造形装置において、少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する手段と、前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光照射する手段と、前記層を加熱するか、または光を照射する手段により形成された固定粉体層の所定領域を焼結する手段と、を少なくとも有し、前記層を加熱もしくは光照射した後に、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体が前記樹脂バインダーにより固定され、前記樹脂バインダーにより固定された固定粉体層の所定領域が焼結される、ことを特徴とする。
Further, according to the present invention, in a three-dimensional structure forming apparatus for forming a three-dimensional structure, at least a layer of a first modeling material containing a powder and a resin binder and at least a powder having a composition different from that of the powder are used. A means for forming the layers of the second modeling material including the same layer, and heating the layer of the first modeling material and the layer of the second modeling material at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the resin binder, or Alternatively, the resin binder has at least a means for irradiating the resin binder with light and a means for heating the layer or sintering a predetermined region of the fixed powder layer formed by the means for irradiating the light, and the layer. after heating or irradiation of light, the powder contained in each of the first molding material layer and the second layer of build material is fixed by the resin binder, the fixed powder that is fixed by the resin binder A predetermined area of the layer is sintered .

本発明によれば、三次元構造物の造形処理に際し、三次元構造物の形状をサポートするためのサポート部材を用いることなく、低出力のレーザを用いて、高速かつ直接的に三次元構造物を精度よく造形する三次元構造物の造形方法、及び三次元構造物の造形装置を提供することができる。 According to the present invention, in the molding process of a three-dimensional structure, the three-dimensional structure is formed at high speed and directly by using a low-power laser without using a support member for supporting the shape of the three-dimensional structure. It is possible to provide a method for forming a three-dimensional structure and a device for forming a three-dimensional structure.

本実施形態に係る三次元構造物の造形装置を示す斜視図Perspective view showing the modeling apparatus of the three-dimensional structure according to the present embodiment. 本実施形態に係る造形装置が備える制御装置のハードウェア構成を示すブロック図A block diagram showing a hardware configuration of a control device included in the modeling device according to the present embodiment. 本実施形態に係る造形装置の機能構成を示すブロック図A block diagram showing a functional configuration of a modeling apparatus according to this embodiment. 第一実施形態に係る造形処理の流れを示すフローチャートFlow chart showing the flow of modeling processing according to the first embodiment 第一実施形態に係る造形処理を示す説明図Explanatory drawing which shows the modeling process which concerns on 1st Embodiment 第二実施形態に係る造形処理を示す説明図Explanatory drawing which shows the modeling process which concerns on 2nd Embodiment 第三実施形態に係る造形処理を示す説明図Explanatory drawing which shows the modeling process which concerns on 3rd Embodiment

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態は、三次元構造物を造形する三次元構造物の造形装置(以下「造形装置」と略記する)において、支持体上に三次元構造物の組成物により構成された粉体を載置し、固定材により支持体に固定してから焼結させることが要旨である。まず、図1に基づいて、本実施形態に係る造形装置の構造について説明する。図1は、本実施形態に係る三次元構造物の造形装置を示す斜視図である。なお、以下において、三次元実空間をX軸、Y軸、Z軸の3軸からなる直交座標を用いて説明する。また、三次元構造物を造形する処理を3次元プリント処理(以下、3次元プリントを「3Dプリント」と略記する)と呼び、3Dプリント処理を実行するための機構を「3Dプリントエンジン」と称する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, in a three-dimensional structure modeling device (hereinafter abbreviated as "modeling device") for modeling a three-dimensional structure, powder composed of the composition of the three-dimensional structure is placed on a support. The gist is that it is placed, fixed to the support with a fixing material, and then sintered. First, the structure of the modeling apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view showing a three-dimensional structure modeling apparatus according to the present embodiment. In the following, the three-dimensional real space will be described using Cartesian coordinates consisting of three axes, the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis. Further, the process of modeling a three-dimensional structure is called a three-dimensional print process (hereinafter, the three-dimensional print is abbreviated as "3D print"), and the mechanism for executing the three-dimensional print process is called a "3D print engine". ..

図1に示すように、本実施形態に係る造形装置1は、架台10、Y軸駆動装置11、ステージ12、基板13、X軸駆動装置14、支持枠体15、第1のZ軸駆動装置16、第2のZ軸駆動装置17、三次元構造物を造形するための材料である造形材を吐出する吐出ヘッド20、及び造形材にレーザ光を照射して焼結処理を行うためのレーザ装置30を備える。すなわち、吐出ヘッド20が吐出部に相当し、レーザ装置30が焼結部に相当する。 As shown in FIG. 1, the modeling device 1 according to the present embodiment includes a gantry 10, a Y-axis drive device 11, a stage 12, a substrate 13, an X-axis drive device 14, a support frame 15, and a first Z-axis drive device. 16. The second Z-axis drive device 17, the discharge head 20 that discharges the modeling material that is the material for modeling the three-dimensional structure, and the laser that irradiates the modeling material with laser light to perform the sintering process. The device 30 is provided. That is, the discharge head 20 corresponds to the discharge portion, and the laser device 30 corresponds to the sintered portion.

架台10は、床面上に載置する板状部材を用いて構成される。そして、造形装置1の各構成要素は、架台10の上面に設置される。架台10の上面には、Y軸方向に沿ってステージ12を移動させるY軸駆動装置11が備えられる。ステージ12は、基板13を搭載する部材であり、真空又は静電気等を利用した図示しない吸着装置を備える。そして、この吸着装置により基板13を固定することができる。又、ステージ12は、Z軸を中心に回転するZ軸駆動装置(図示を省略)を搭載し、吐出ヘッド20及びレーザ装置30と、基板13との相対的な傾きを補正できるように構成してもよい。基板13は、その上面において吐出された三次元構造物を構成する造形材を積層させるための平板状部材である。また、ステージ12は、基板13に吐出された造形材に含まれる固定材を加熱して溶融するための加熱装置50を内蔵する。すなわち、加熱装置50は、固定粉体層形成部に相当する。 The gantry 10 is configured by using a plate-shaped member to be placed on the floor surface. Then, each component of the modeling apparatus 1 is installed on the upper surface of the gantry 10. The upper surface of the gantry 10 is provided with a Y-axis drive device 11 that moves the stage 12 along the Y-axis direction. The stage 12 is a member on which the substrate 13 is mounted, and includes a suction device (not shown) using vacuum, static electricity, or the like. Then, the substrate 13 can be fixed by this suction device. Further, the stage 12 is equipped with a Z-axis drive device (not shown) that rotates about the Z-axis so that the relative inclination between the discharge head 20 and the laser device 30 and the substrate 13 can be corrected. You may. The substrate 13 is a flat plate-like member for laminating the modeling materials constituting the three-dimensional structure discharged on the upper surface thereof. Further, the stage 12 has a built-in heating device 50 for heating and melting the fixing material contained in the modeling material discharged to the substrate 13. That is, the heating device 50 corresponds to the fixed powder layer forming portion.

更に造形装置1は、架台10の上面に支持枠体15が立設される。支持枠体15は、吐出ヘッド20及びレーザ装置30をX軸方向に沿って移動させるX軸駆動装置14を支持する。X軸駆動装置14は、X軸と平行な軸方向を有するX軸レール14Rを含み、このX軸レール14Rに沿って、第1のZ軸駆動装置16、及び第2のZ軸駆動装置17を移動させる。これにより、第1のZ軸駆動装置16、及び第2のZ軸駆動装置17がX軸方向に沿って移動する。 Further, in the modeling device 1, a support frame body 15 is erected on the upper surface of the gantry 10. The support frame 15 supports an X-axis drive device 14 that moves the discharge head 20 and the laser device 30 along the X-axis direction. The X-axis drive device 14 includes an X-axis rail 14R having an axial direction parallel to the X-axis, and along the X-axis rail 14R, a first Z-axis drive device 16 and a second Z-axis drive device 17 To move. As a result, the first Z-axis drive device 16 and the second Z-axis drive device 17 move along the X-axis direction.

第1のZ軸駆動装置16には、吐出ヘッド20を支持するヘッドベース22が取り付けられている。第1のZ軸駆動装置16は、Z軸と平行な軸方向を有するZ軸レール16Rを含み、このZ軸レール16Rに沿ってヘッドベース22を移動させる。これにより、吐出ヘッド20がZ軸方向に沿って移動する。Z軸レール16Rの上部には、造形材を貯留するタンク21が備えられる。タンク21と吐出ヘッド20とは、図示しない原料供給用パイプを介して連結される。そして、タンク21内の造形材が原料供給用パイプを介して吐出ヘッド20に供給され、吐出ヘッド20から基板13に向けて造形材が吐出される。造形材に金属粉体を含む場合は、金属粉体が重いことから、吐出ヘッドの吐出方式は、押出式又は噴射式を用いることが好ましい。なお、タンク21は、造形材を収容した造形材収納容器を装着し、この収容容器自体がタンク21として機能するように構成してもよいし、収容容器の内容物である造形材をタンク21に移し変えるように構成してもよい。 A head base 22 that supports the discharge head 20 is attached to the first Z-axis drive device 16. The first Z-axis drive device 16 includes a Z-axis rail 16R having an axial direction parallel to the Z-axis, and moves the head base 22 along the Z-axis rail 16R. As a result, the discharge head 20 moves along the Z-axis direction. A tank 21 for storing the modeling material is provided on the upper portion of the Z-axis rail 16R. The tank 21 and the discharge head 20 are connected via a raw material supply pipe (not shown). Then, the modeling material in the tank 21 is supplied to the discharge head 20 via the raw material supply pipe, and the modeling material is discharged from the discharge head 20 toward the substrate 13. When the modeling material contains metal powder, it is preferable to use an extrusion type or an injection type as the discharge method of the discharge head because the metal powder is heavy. The tank 21 may be equipped with a modeling material storage container containing the modeling material so that the storage container itself functions as the tank 21, or the modeling material which is the content of the storage container is used as the tank 21. It may be configured to be transferred to.

第2のZ軸駆動装置17には、レーザ装置30(光照射装置)を支持するレーザ支持部材31が取り付けられている。レーザ装置30は、連続照射レーザ装置でもパルス照射レーザ装置でもよい。第2のZ軸駆動装置17は、Z軸と平行な軸方向を有する支柱17Pを含み、支柱17Pに沿ってレーザ支持部材31を移動させる。これにより、レーザ装置30がZ軸方向に沿って移動する。 A laser support member 31 that supports the laser device 30 (light irradiation device) is attached to the second Z-axis drive device 17. The laser device 30 may be a continuous irradiation laser device or a pulse irradiation laser device. The second Z-axis drive device 17 includes a support column 17P having an axial direction parallel to the Z-axis, and moves the laser support member 31 along the support column 17P. As a result, the laser device 30 moves along the Z-axis direction.

支持枠体15の内部には、造形装置1の各構成要素に対する制御処理を実行する制御装置40が内蔵される。X軸駆動装置14は、制御装置40からの制御信号に従って第1のZ軸駆動装置16及び第2のZ軸駆動装置17をX軸上の所定の位置に移動し、更に第1のZ軸駆動装置16がヘッドベース22を、第2のZ軸駆動装置17がレーザ支持部材31をZ軸上の所定の位置に移動することにより、吐出ヘッド20及びレーザ装置30と、基板13との距離を制御することができる。 Inside the support frame body 15, a control device 40 that executes control processing for each component of the modeling device 1 is built. The X-axis drive device 14 moves the first Z-axis drive device 16 and the second Z-axis drive device 17 to predetermined positions on the X-axis according to the control signal from the control device 40, and further moves the first Z-axis drive device 14 to a predetermined position on the X-axis. The drive device 16 moves the head base 22 and the second Z-axis drive device 17 moves the laser support member 31 to a predetermined position on the Z axis, so that the distance between the discharge head 20 and the laser device 30 and the substrate 13 is reached. Can be controlled.

なお、図1では、ステージ12がY方向の1軸の自由度を有し、吐出ヘッド20及びレーザ装置30がX方向の1軸の自由度及びZ方向の1軸の自由度を有する構成を示しているが、この形態には限定されない。例えば、ステージ12がX方向及びY方向の2軸の自由度を有し、吐出ヘッド20及びレーザ装置30がZ方向の1軸の自由度を有する構成であっても良い。又、ステージ12がY方向の1軸の自由度を有し、吐出ヘッド20及びレーザ装置30を複数備え、これらをX軸方向に一列に並べるとともに、Z方向の1軸の自由度を有して構成してもよい。 In FIG. 1, the stage 12 has one degree of freedom in the Y direction, and the discharge head 20 and the laser device 30 have one degree of freedom in the X direction and one degree of freedom in the Z direction. Although shown, it is not limited to this form. For example, the stage 12 may have two degrees of freedom in the X and Y directions, and the discharge head 20 and the laser device 30 may have one degree of freedom in the Z direction. Further, the stage 12 has a degree of freedom of one axis in the Y direction, includes a plurality of discharge heads 20 and a laser device 30, arranges them in a line in the X-axis direction, and has a degree of freedom of one axis in the Z direction. May be configured.

又、基板13を固定し、吐出ヘッド20及びレーザ装置30がX方向、Y方向、及びZ方向の3軸の自由度を有する構成であっても良い。又、X軸及びY軸は、X軸ベクトル及びY軸ベクトルにより1平面を表現できれば直交する必要はなく、例えば、X軸ベクトルとY軸ベクトルとが、30度、45度、60度の角度を有しても良い。 Further, the substrate 13 may be fixed, and the discharge head 20 and the laser device 30 may have three degrees of freedom in the X direction, the Y direction, and the Z direction. Further, the X-axis and the Y-axis do not need to be orthogonal if one plane can be represented by the X-axis vector and the Y-axis vector. For example, the X-axis vector and the Y-axis vector have angles of 30, 45, and 60 degrees. May have.

上記制御装置40は、吐出ヘッド20の造形材の吐出条件及びレーザ装置30のレーザ照射条件を制御する。又、制御装置40は図示しない記録部を有し、造形材の熱処理後の状態やレーザの最適な照射条件等を記録部に記録してもよい。以下、制御装置40の内部構成を、図2及び図3を参照して説明する。 The control device 40 controls the discharge conditions of the modeling material of the discharge head 20 and the laser irradiation conditions of the laser device 30. Further, the control device 40 may have a recording unit (not shown), and may record the state of the modeling material after heat treatment, the optimum irradiation conditions of the laser, and the like in the recording unit. Hereinafter, the internal configuration of the control device 40 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

図2は、本実施形態に係る造形装置が備える制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図2に示すように、制御装置40は、一般的なサーバやPC(Personal Computer)等の情報処理装置と同様の構成を有する。即ち、本実施形態に係る造形装置1が備える制御装置40は、CPU(Central Processing Unit)41、RAM(Random Access Memory)42、ROM(Read Only Memory)43、HDD(Hard Disk Drive)44及びI/F(Interface)45がバス48を介して接続されている。また、I/F45にはLCD(Liquid Crystal Display)46及び操作部47が接続されている。 FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of a control device included in the modeling device according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the control device 40 has the same configuration as an information processing device such as a general server or a PC (Personal Computer). That is, the control device 40 included in the modeling device 1 according to the present embodiment includes a CPU (Central Processing Unit) 41, a RAM (Random Access Memory) 42, a ROM (Read Only Memory) 43, an HDD (Hard Disk Drive) 44, and an I. / F (Interface) 45 is connected via the bus 48. Further, an LCD (Liquid Crystal Display) 46 and an operation unit 47 are connected to the I / F 45.

CPU41は演算手段であり、造形装置1全体の動作を制御する。RAM42は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性の記憶媒体であり、CPU41が情報を処理する際の作業領域として用いられる。ROM43は、読み出し専用の不揮発性記憶媒体であり、ファームウェア等のプログラムが格納されている。 The CPU 41 is a calculation means and controls the operation of the entire modeling device 1. The RAM 42 is a volatile storage medium capable of reading and writing information at high speed, and is used as a work area when the CPU 41 processes the information. The ROM 43 is a read-only non-volatile storage medium, and stores programs such as firmware.

HDD44は、情報の読み書きが可能な不揮発性の記憶媒体であり、OS(Operating System)や各種の制御プログラム、アプリケーション・プログラム等が格納されている。I/F45は、バス48と各種のハードウェアやネットワーク等を接続し制御する。LCD46は、ユーザが造形装置1の状態を確認するための視覚的ユーザインタフェースである。操作部47は、キーボードやマウス等、ユーザが造形装置1に情報を入力するためのユーザインタフェースである。 The HDD 44 is a non-volatile storage medium capable of reading and writing information, and stores an OS (Operating System), various control programs, application programs, and the like. The I / F 45 connects and controls the bus 48 with various hardware, networks, and the like. The LCD 46 is a visual user interface for the user to confirm the state of the modeling device 1. The operation unit 47 is a user interface such as a keyboard and a mouse for the user to input information to the modeling device 1.

このようなハードウェア構成において、ROM43やHDD44若しくは図示しない光学ディスク等の記録媒体に格納されたプログラムがRAM42に読み出され、CPU41の制御に従って動作することにより、ソフトウェア制御部が構成される。このようにして構成されたソフトウェア制御部と、ハードウェアとの組み合わせによって、本実施形態に係る造形装置1の機能を実現する機能ブロックが構成される。 In such a hardware configuration, a program stored in a recording medium such as a ROM 43, an HDD 44, or an optical disk (not shown) is read into the RAM 42 and operates according to the control of the CPU 41 to form a software control unit. The combination of the software control unit and the hardware configured in this way constitutes a functional block that realizes the function of the modeling apparatus 1 according to the present embodiment.

次に、図3を参照して、本実施形態に係る造形装置1の機能構成について説明する。図3は、本実施形態に係る造形装置の機能構成を示すブロック図である。図3に示すように、本実施形態に係る造形装置1は、コントローラ100と、ディスプレイパネル110と、3Dプリントエンジン120と、通信I/F130と、及び3次元画像データ記憶部(以下、3次元画像データを「3D画像データ」と略記する)140と、を有する。上記3Dプリントエンジン120は、三次元構造物の造形処理時に駆動する装置を総称したものであり、Y軸駆動装置11、X軸駆動装置14、第1のZ軸駆動装置16、第2のZ軸駆動装置17、吐出ヘッド20、レーザ装置30、及び加熱装置50が含まれる。 Next, with reference to FIG. 3, the functional configuration of the modeling apparatus 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the modeling apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the modeling apparatus 1 according to the present embodiment includes a controller 100, a display panel 110, a 3D print engine 120, a communication I / F 130, and a three-dimensional image data storage unit (hereinafter, three-dimensional). The image data is abbreviated as "3D image data") 140. The 3D print engine 120 is a general term for devices that are driven during the modeling process of a three-dimensional structure, and is a Y-axis drive device 11, an X-axis drive device 14, a first Z-axis drive device 16, and a second Z. The shaft drive device 17, the discharge head 20, the laser device 30, and the heating device 50 are included.

コントローラ100は、主制御部101、エンジン制御部102、入出力制御部103、画像処理部104及び操作表示制御部105を有する。ディスプレイパネル110は、造形装置1の状態を視覚的に表示する出力インターフェースであると共に、タッチパネルとしてユーザが造形装置1を直接操作し若しくは造形装置1に対して情報を入力する際の入力インタフェース(操作部)でもある。通信I/F130は、造形装置1が有線通信又は無線通信により他の機器と通信するためのインターフェースであり、USBインターフェースが用いられる。 The controller 100 includes a main control unit 101, an engine control unit 102, an input / output control unit 103, an image processing unit 104, and an operation display control unit 105. The display panel 110 is an output interface that visually displays the state of the modeling device 1, and is an input interface (operation) when the user directly operates the modeling device 1 or inputs information to the modeling device 1 as a touch panel. Department). The communication I / F 130 is an interface for the modeling device 1 to communicate with another device by wire communication or wireless communication, and a USB interface is used.

コントローラ100は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって構成される。具体的には、ROM43やHDD44等の不揮発性記憶媒体に格納されたファームウェア等の制御プログラムが、RAM42にロードされ、それらのプログラムに従ってCPU41が演算を行うことにより構成されるソフトウェア制御部と集積回路などのハードウェアとによってコントローラ100が構成される。コントローラ100は、造形装置1全体を制御する制御部として機能する。 The controller 100 is composed of a combination of software and hardware. Specifically, a control program such as firmware stored in a non-volatile storage medium such as ROM 43 or HDD 44 is loaded into the RAM 42, and a software control unit and an integrated circuit configured by the CPU 41 performing an operation according to those programs. The controller 100 is configured by such hardware. The controller 100 functions as a control unit that controls the entire modeling device 1.

主制御部101は、コントローラ100に含まれる各部を制御する役割を担い、コントローラ100の各部に命令を与える。エンジン制御部102は、3Dプリントエンジン120を制御若しくは駆動する駆動手段としての役割を担う。入出力制御部103は、通信I/F130を介して入力される信号や命令を主制御部101に入力する。また、主制御部101は、入出力制御部103を制御し、通信I/F130及びネットワークを介して他の装置にアクセスする。 The main control unit 101 plays a role of controlling each unit included in the controller 100, and gives a command to each unit of the controller 100. The engine control unit 102 plays a role as a driving means for controlling or driving the 3D printed engine 120. The input / output control unit 103 inputs signals and commands input via the communication I / F 130 to the main control unit 101. Further, the main control unit 101 controls the input / output control unit 103 and accesses other devices via the communication I / F 130 and the network.

画像処理部104は、主制御部101の制御に従い、3Dプリントエンジン120に出力すべき造形情報を生成する。より具体的には、3D画像データ記憶部140に記憶された3D画像データを解析し、3次元画像上における直交3軸座標(x、y、z)を算出する。次いで、この画像データ上の直交3軸座標(x、y、z)を、三次元構造物を造形出力するために用いる3次元実空間座標(X、Y、Z)に変換する。これは、吐出ヘッド20、レーザ装置30、及び基板13は3次元実空間座標で定義された座標に従って相対移動するためのである。画像処理部104は、実空間座標(X、Y、Z)をエンジン制御部102に出力する。エンジン制御部102は3Dプリントエンジン120に対して3次元実空間座標(X、Y、Z)に一致するように基板13と、吐出ヘッド20及びレーザ装置30と、を相対移動させ、3Dプリント処理を実行する。 The image processing unit 104 generates modeling information to be output to the 3D print engine 120 under the control of the main control unit 101. More specifically, the 3D image data stored in the 3D image data storage unit 140 is analyzed, and the orthogonal three-axis coordinates (x, y, z) on the three-dimensional image are calculated. Next, the orthogonal three-axis coordinates (x, y, z) on the image data are converted into three-dimensional real-space coordinates (X, Y, Z) used for modeling and outputting the three-dimensional structure. This is because the discharge head 20, the laser device 30, and the substrate 13 move relative to each other according to the coordinates defined in the three-dimensional real space coordinates. The image processing unit 104 outputs the real space coordinates (X, Y, Z) to the engine control unit 102. The engine control unit 102 relatively moves the substrate 13, the discharge head 20, and the laser device 30 so as to match the three-dimensional real space coordinates (X, Y, Z) with respect to the 3D printing engine 120, and performs 3D printing processing. To execute.

3D画像データ記憶部140は、三次元構造物を造形出力させるための3次元画像データを記憶する。3D画像データの例として、例えば、X線CT装置(X−ray Computed Tomography)、磁気共鳴イメージング装置、超音波診断装置などの医用画像撮像装置により被検体を撮像して得られた3次元医用画像データや、航空、自動車、電子、金型成形等の工業分野における部品や試作品の3次元CADデータ(CAD:Computer Aided Design)でもよい。 The 3D image data storage unit 140 stores 3D image data for modeling and outputting a 3D structure. As an example of 3D image data, for example, a three-dimensional medical image obtained by imaging a subject with a medical image imaging device such as an X-ray CT device (X-ray Computed Tomography), a magnetic resonance imaging device, or an ultrasonic diagnostic device. It may be data or three-dimensional CAD data (CAD: Computed Design) of parts and prototypes in industrial fields such as aviation, automobiles, electronics, and mold molding.

操作表示制御部105は、ディスプレイパネル110に情報表示を行い若しくはディスプレイパネル110を介して入力された情報を主制御部101に通知する。 The operation display control unit 105 displays information on the display panel 110 or notifies the main control unit 101 of the information input via the display panel 110.

<第一実施形態>
第一実施形態は、造形材として、金属粉体の表面に固定材を付着させた粉体を用いる実施形態である。本実施形態では、固定材として樹脂バインダーを用いる。まず、図4を参照して、第一実施形態に係る造形処理の全体の流れについて説明する。図4は、第一実施形態に係る造形処理の流れを示すフローチャートである。
<First Embodiment>
The first embodiment is an embodiment in which a powder having a fixing material adhered to the surface of the metal powder is used as the modeling material. In this embodiment, a resin binder is used as the fixing material. First, with reference to FIG. 4, the overall flow of the modeling process according to the first embodiment will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the flow of the modeling process according to the first embodiment.

図4に示すように、主制御部101が3D画像データ記憶部140に記憶された3D画像データを読み出し、画像処理部104が3D画像データを解析して造形情報を生成する(S401)。 As shown in FIG. 4, the main control unit 101 reads out the 3D image data stored in the 3D image data storage unit 140, and the image processing unit 104 analyzes the 3D image data to generate modeling information (S401).

生成された造形情報は、エンジン制御部102を介して3Dプリントエンジン120に出力される(S402)。造形情報は、3D画像データのうち、Z軸方向の座標が最も小さいX−Y平面から順に出力される。これは、本実施形態における造形方法では、三次元構造物の最下層から順に造形するためである。 The generated modeling information is output to the 3D print engine 120 via the engine control unit 102 (S402). The modeling information is output in order from the XY plane having the smallest coordinates in the Z-axis direction among the 3D image data. This is because in the modeling method in the present embodiment, the three-dimensional structures are modeled in order from the bottom layer.

3Dプリントエンジン120は、造形情報に基づいて、基板13上の所定箇所に造形材を吐出する(S403)。このステップS403が吐出工程に相当する。この吐出工程では、基板13上(X−Y平面)のうち、三次元構造物の組成物が造形される箇所にのみ、造形材が吐出される。 The 3D printing engine 120 discharges the modeling material to a predetermined position on the substrate 13 based on the modeling information (S403). This step S403 corresponds to the discharge step. In this ejection step, the modeling material is ejected only on the substrate 13 (XY plane) where the composition of the three-dimensional structure is formed.

次に加熱装置50の熱により、造形材に含まれる樹脂バインダーを溶融し、金属粉体を支持体である基板13に固定する(S404)。このステップS404が固定粉体層形成工程に相当する。 Next, the heat of the heating device 50 melts the resin binder contained in the modeling material, and the metal powder is fixed to the substrate 13 which is the support (S404). This step S404 corresponds to the fixed powder layer forming step.

次いで、レーザ装置30により、固定粉体層を焼結させ、焼結層を形成する(S405)。このステップS405が焼結工程に相当する。 Next, the fixed powder layer is sintered by the laser device 30 to form a sintered layer (S405). This step S405 corresponds to the sintering step.

Z軸方向の全位置におけるX−Y平面上での造形処理が終わっていなければ(S406/No)、3Dプリントエンジン120は、基板13と、吐出ヘッド20及びレーザ装置30との距離を次の焼結層の生成に適した距離になるように相対移動させる(S407)。そしてステップS402へ戻り、次のZ軸方向の位置におけるX−Y平面の造形情報を出力する。なお、ステップS402へ戻ってから実行される2巡目以降では、直前に行われた焼結工程で形成された焼結層の上に造形材が吐出され、この焼結層に接触する造形材に含まれる樹脂バインダーにより金属粉体が焼結層に固定される。よって、2巡目以降では、直前に形成された焼結層又は吐出された造形材が接触する焼結層が、金属粉体を固定する対象となる支持体に相当する。Z軸方向の全位置におけるX−Y平面上での造形処理が終わっていれば(S406/Yes)、処理を終了する。 If the modeling process on the XY plane at all positions in the Z-axis direction is not completed (S406 / No), the 3D printing engine 120 sets the distance between the substrate 13 and the discharge head 20 and the laser device 30 as follows. The relative movement is performed so that the distance is suitable for forming the sintered layer (S407). Then, the process returns to step S402, and the modeling information of the XY plane at the position in the next Z-axis direction is output. In the second and subsequent rounds executed after returning to step S402, the modeling material is discharged onto the sintering layer formed in the sintering step performed immediately before, and the modeling material comes into contact with the sintering layer. The metal powder is fixed to the sintered layer by the resin binder contained in. Therefore, in the second and subsequent rounds, the sintered layer formed immediately before or the sintered layer with which the discharged molding material comes into contact corresponds to the support to which the metal powder is fixed. If the modeling process on the XY plane at all positions in the Z-axis direction is completed (S406 / Yes), the process is completed.

次に図5を参照して、吐出工程、固定粉体層形成工程、及び焼結工程の詳細について説明する。図5は、第一実施形態に係る造形処理を示す説明図である。 Next, with reference to FIG. 5, the details of the discharge step, the fixed powder layer forming step, and the sintering step will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a modeling process according to the first embodiment.

(吐出工程)
図5に示すように、三次元構造物の最下層を形成する工程(1巡目)では、ステージ12(図1参照)上に固定載置された基板13を支持体として用いる。基板13及びステージ12と吐出ヘッド20とを相対移動させながら、基板13上の所望の位置に、吐出ヘッド20から造形材を吐出する。本実施形態では、造形材として、金属粉体501、例えばSUS粉体(SUS:ステンレス鋼)の表面に樹脂バインダー502を付着させた造形材503を用いる。上記「基板13上の所望の位置」とは、造形対象となる三次元構造物のうち、金属粉体を焼結させた焼結層が存在する位置をいう。よって、三次元構造物513が焼結層を積層させた構造体511と、焼結層を含まない空領域512とを含む場合には、空領域512に対応する基板13上の位置に造形材503を吐出しない。これにより、造形材を熱処理(焼結)させた後、空領域を形成するために焼結層を切削する必要がなくなり、造形材の無駄を省くことができる。
(Discharge process)
As shown in FIG. 5, in the step of forming the bottom layer of the three-dimensional structure (first round), the substrate 13 fixedly placed on the stage 12 (see FIG. 1) is used as a support. While the substrate 13 and the stage 12 and the discharge head 20 are relatively moved, the modeling material is discharged from the discharge head 20 to a desired position on the substrate 13. In the present embodiment, as the modeling material, a metal powder 501, for example, a modeling material 503 in which a resin binder 502 is attached to the surface of SUS powder (SUS: stainless steel) is used. The "desired position on the substrate 13" refers to the position where the sintered layer in which the metal powder is sintered exists in the three-dimensional structure to be modeled. Therefore, when the three-dimensional structure 513 includes the structure 511 in which the sintered layers are laminated and the empty region 512 that does not include the sintered layer, the molding material is located at the position on the substrate 13 corresponding to the empty region 512. Do not eject 503. As a result, after the modeling material is heat-treated (sintered), it is not necessary to cut the sintered layer in order to form an empty region, and waste of the modeling material can be eliminated.

(固定粉体層形成工程)
固定粉体層形成工程では、加熱装置50により樹脂バインダーを過熱して溶融させた後、ガラス化させることにより、金属粉体501を基板13に固定して固定粉体層504を形成する。加熱装置50は、造形材503の表面温度が樹脂バインダー502のガラス転移点、例えば60℃以上になるように加熱処理を行う。加熱装置としては、例えばステージ12にホットプレートを一体的に形成、又はステージ12とは別体に形成し、ステージ12に載置された基板13を加熱するように構成してもよい。図5の固定粉体層形成工程では、造形材503を1層だけ図示しているが、造形材503を複数層配置した後、樹脂バインダー502を溶融して、ガラス化させてもよい。
(Fixed powder layer forming process)
In the fixed powder layer forming step, the resin binder is heated by the heating device 50 to be melted and then vitrified to fix the metal powder 501 to the substrate 13 and form the fixed powder layer 504. The heating device 50 performs heat treatment so that the surface temperature of the modeling material 503 becomes the glass transition point of the resin binder 502, for example, 60 ° C. or higher. As the heating device, for example, a hot plate may be integrally formed on the stage 12, or may be formed separately from the stage 12 to heat the substrate 13 placed on the stage 12. In the fixed powder layer forming step of FIG. 5, only one layer of the modeling material 503 is shown, but after arranging a plurality of layers of the modeling material 503, the resin binder 502 may be melted and vitrified.

(焼結工程)
基板13及びステージ12(図1参照)と、レーザ装置30とを相対移動させながら、固定粉体層504に対しレーザ光を照射し、焼結層505を形成する。レーザ装置30は、例えばCOレーザ(炭酸ガスレーザー:Carbon dioxide laser)装置を用いてもよい。レーザ光の熱により、樹脂バインダー502を溶融及び除去すると共に金属粉体501を焼結させて金属粉体501の粒子間を繋げて焼結層を形成する。この焼結工程において、樹脂バインダー502がレーザ光を吸収するため、低出力レーザ、例えば50WのCOレーザ装置を用いても、金属粉体501を溶融して焼結層を形成することができる。
(Sintering process)
While the substrate 13 and the stage 12 (see FIG. 1) and the laser apparatus 30 are relatively moved, the fixed powder layer 504 is irradiated with laser light to form the sintered layer 505. As the laser device 30, for example, a CO 2 laser (carbon dioxide laser: Carbon dioxide laser) device may be used. The resin binder 502 is melted and removed by the heat of the laser beam, and the metal powder 501 is sintered to connect the particles of the metal powder 501 to form a sintered layer. Since the resin binder 502 absorbs the laser beam in this sintering step, the metal powder 501 can be melted to form a sintered layer even by using a low-power laser, for example, a 50 W CO 2 laser device. ..

以後、吐出工程、固定粉体層形成工程及び焼結工程を繰り返し、直前に形成された焼結層に造形材503を吐出して固定粉体層を形成し、これにレーザ光を照射して焼結処理を行う。これにより、焼結層を積層させて、三次元構造物513を形成する。なお、2巡目以降の固定粉体層形成工程では、焼結層を形成したときの余熱を用いて樹脂バインダー502を溶融・ガラス化させて焼結層に固定させてもよい。 After that, the ejection step, the fixed powder layer forming step, and the sintering step are repeated, and the molding material 503 is discharged to the sintered layer formed immediately before to form the fixed powder layer, which is irradiated with laser light. Perform sintering process. As a result, the sintered layers are laminated to form the three-dimensional structure 513. In the second and subsequent rounds of the fixed powder layer forming step, the resin binder 502 may be melted and vitrified by using the residual heat generated when the sintered layer is formed and fixed to the sintered layer.

本実施形態によれば、粉体の造形材を吐出後、粉体を固定してからレーザを照射するので、レーザ照射までの間に粉体の流動性により基板上の所定の位置から粉体がずれることを防ぐことできる。そのため、三次元構造物の造形精度を向上させることができる。また、基板上に一律に造形材を吐出してから切削するのではなく、基板上における三次元構造物の構造体に対応する位置にのみ吐出すればよいので、造形材の無駄を省くことができ、表面の滑らかさを向上させることができる。 According to the present embodiment, after the powder molding material is discharged, the powder is fixed and then the laser is irradiated. Therefore, the powder is radiated from a predetermined position on the substrate due to the fluidity of the powder before the laser irradiation. Can be prevented from shifting. Therefore, the modeling accuracy of the three-dimensional structure can be improved. In addition, instead of uniformly discharging the modeling material onto the substrate and then cutting, it is only necessary to discharge the modeling material to the position corresponding to the structure of the three-dimensional structure on the substrate, so that the waste of the modeling material can be eliminated. It can improve the smoothness of the surface.

更に、樹脂バインダーがレーザ光を吸収するので、低出力のレーザを用いて造形することができる。また、レーザ光の焦点を金属粉体の吐出位置に合わせながら走査をするのではなく、固定粉体層を形成してから焼結するので、レーザ光の走査速度を比較的高速にすることができる。 Further, since the resin binder absorbs the laser light, it can be modeled by using a low-power laser. Further, instead of scanning while aligning the focus of the laser beam with the ejection position of the metal powder, the fixed powder layer is formed and then sintered, so that the scanning speed of the laser beam can be made relatively high. can.

<第二実施形態>
第二実施形態は、複数種類の造形材を使い分けて、複数種類の焼結層を含む複合三次元構造物を造形する実施形態である。以下、図6に基づいて第二実施形態について説明する。図6は、第二実施形態に係る造形処理を示す説明図である。
<Second embodiment>
The second embodiment is an embodiment in which a plurality of types of modeling materials are used properly to form a composite three-dimensional structure including a plurality of types of sintered layers. Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a modeling process according to the second embodiment.

以下では、二種類の造形材を用いて造形処理を行う場合を例に挙げて説明するが、三種類以上の造形材を用いてもよい。図6に示すように、第二実施形態で用いる第1の造形材603は金属粉体601を用い、その表面に樹脂バインダー602が付着されている。この金属粉体601として、例えば、ニッケル粉体、SUS粉体、銅粉体、アルミニウム粉体等を用いることができる。 In the following, a case where the modeling process is performed using two types of modeling materials will be described as an example, but three or more types of modeling materials may be used. As shown in FIG. 6, the first modeling material 603 used in the second embodiment uses metal powder 601 and a resin binder 602 is attached to the surface thereof. As the metal powder 601 for example, nickel powder, SUS powder, copper powder, aluminum powder and the like can be used.

また、第二実施形態で用いる第2の造形材613は非金属粉体611を用い、その表面に樹脂バインダー612が付着されている。非金属粉体611としては窒化ケイ素(Si)などのセラミック、酸化アルミニウム(Al;アルミナとも呼ばれる)、酸化チタン(TiO)の粉体を用いることができる。さらに、非金属粉体として、半導体性がある炭化ケイ素(SiC)を用いてもよい。第1の造形材及び第2の造形材に用いる樹脂バインダーの種類は同一でも異なってもよい。本実施形態では、第2の造形材にセラミック粉体を用い、セラミック及び金属を含む複合三次元構造物623を形成する。 Further, the second modeling material 613 used in the second embodiment uses non-metal powder 611, and the resin binder 612 is adhered to the surface thereof. As the non-metal powder 611 , ceramics such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ; also called alumina), and titanium oxide (TiO 2 ) powder can be used. Further, as the non-metallic powder, silicon carbide (SiC) having a semiconducting property may be used. The types of the resin binder used for the first modeling material and the second modeling material may be the same or different. In the present embodiment, ceramic powder is used as the second modeling material to form a composite three-dimensional structure 623 containing ceramic and metal.

画像処理部104(図3参照)は、3次元画像データを解析し、第1の造形材603又は第2の造形材613を用いる領域を判定し、造形材の種類を示す情報及びその造形材の吐出位置を示す情報を含んだ造形情報に生成し、エンジン制御部102を介して3Dプリントエンジン120に出力する。 The image processing unit 104 (see FIG. 3) analyzes the three-dimensional image data, determines the region where the first modeling material 603 or the second modeling material 613 is used, and provides information indicating the type of the modeling material and the modeling material thereof. It is generated in the modeling information including the information indicating the discharge position of the above, and is output to the 3D print engine 120 via the engine control unit 102.

例えば、図6に示すように、中心部に非金属622を、その周辺に金属層621を配置した複合三次元構造物623を構成する場合、吐出工程において、基板13の中心部に第2の造形材613、その周辺に第1の造形材603を吐出、着弾させる。 For example, as shown in FIG. 6, when a composite three-dimensional structure 623 in which a non-metal 622 is arranged in a central portion and a metal layer 621 is arranged around the non-metal 622 is formed, a second second in the central portion of the substrate 13 is formed in the ejection process. The molding material 613 and the first molding material 603 are discharged and landed around the molding material 613.

本実施形態に係る造形装置は、ヘッドベース22に第1の造形材603及び第2の造形材613のそれぞれを貯留する二つのタンク21を搭載する。そして、図示しない原料供給用パイプにより、各タンク21と吐出ヘッド20とを連結するとともに、各タンク21の供給路を切り替えるための弁を設け、この弁の開閉動作により、二つのタンク21のどちらか一方から造形材が供給されるように構成してもよい。この場合、エンジン制御部102からの造形情報に基づいて弁の開閉動作を行い、第1の造形材603又は第2の造形材613を吐出ヘッド20から吐出し、基板13の所定の位置に着弾させる。または、吐出ヘッド20も二つ備え、吐出ヘッド20のそれぞれと、上記二つのタンク21のそれぞれとを、二つの原料供給用パイプのそれぞれにより連結して構成してもよい。 In the modeling apparatus according to the present embodiment, two tanks 21 for storing each of the first modeling material 603 and the second modeling material 613 are mounted on the head base 22. Then, each tank 21 and the discharge head 20 are connected by a raw material supply pipe (not shown), and a valve for switching the supply path of each tank 21 is provided. It may be configured so that the modeling material is supplied from one of them. In this case, the valve is opened and closed based on the modeling information from the engine control unit 102, the first modeling material 603 or the second modeling material 613 is discharged from the discharge head 20 and landed at a predetermined position on the substrate 13. Let me. Alternatively, two discharge heads 20 may be provided, and each of the discharge heads 20 and each of the two tanks 21 may be connected by two pipes for supplying raw materials.

次いで、固定粉体層形成工程において、加熱装置50(図1参照)を用いて樹脂バインダー602、612を溶融し、ガラス化させて第1の固定粉体層604、及び第2の固定粉体層614を形成する。 Next, in the fixed powder layer forming step, the resin binders 602 and 612 are melted and vitrified using the heating device 50 (see FIG. 1) to vitrify the first fixed powder layer 604 and the second fixed powder. Form layer 614.

次いで、焼結工程において、レーザ装置30、及び基板13を相対移動させて、第1の造形材603及び第2の造形材613を焼結し、第1の焼結層605、及び第2の焼結層615を形成する。このとき、造形材の種類によって、レーザ出力を変更してもよい。 Next, in the sintering step, the laser device 30 and the substrate 13 are relatively moved to sinter the first molding material 603 and the second molding material 613, and the first sintering layer 605 and the second molding material 605 are used. The sintered layer 615 is formed. At this time, the laser output may be changed depending on the type of the modeling material.

例えば、第1の造形材603に含まれる金属粉体601と第2の造形材613に含まれる非金属粉体611の融点が異なる場合には、それぞれを焼結させるために必要なレーザ出力が異なる。よって、レーザ装置30の出力値を第1の造形材603及び第2の造形材613に合わせて増減したり、また出力レベルが異なるレーザ装置30を複数搭載して、第1の造形材603及び第2の造形材613に合った出力レベルを用いて焼結処理を実行するように構成してもよい。本実施形態では、波長980nmの半導体レーザを用い、セラミック領域と金属領域とでは、レーザ出力を調整して照射する。 For example, when the melting points of the metal powder 601 contained in the first modeling material 603 and the non-metal powder 611 contained in the second modeling material 613 are different, the laser output required for sintering each is obtained. different. Therefore, the output value of the laser device 30 may be increased or decreased according to the first modeling material 603 and the second modeling material 613, or a plurality of laser devices 30 having different output levels may be mounted to form the first modeling material 603 and The sintering process may be performed using an output level suitable for the second modeling material 613. In this embodiment, a semiconductor laser having a wavelength of 980 nm is used, and the laser output is adjusted and irradiated in the ceramic region and the metal region.

また、金属粉体を用いる第1の造形材603を固定して形成された固定金属粉体層のみを焼結処理して金属粉体焼結層を形成し、非金属粉体を用いる第2の造形材613は、樹脂バインダーのガラス化により固定した固定非金属粉体層を形成する。そして、金属粉体焼結層及び固定非金属粉体層を含む複合三次元構造物を構成してもよい。すなわち、この複合三次元構造物の造形処理では、固定粉体層の一部領域(金属粉体領域)のみを焼結させ、非金属粉体領域は、樹脂バインダーのガラス化により固定し、金属焼結層及び固定非金属粉体層を積層して複合三次元構造物を構成する。 Further, only the fixed metal powder layer formed by fixing the first molding material 603 using the metal powder is sintered to form the metal powder sintered layer, and the non-metal powder is used. The molding material 613 of the above forms a fixed non-metal powder layer fixed by vitrification of a resin binder. Then, a composite three-dimensional structure including a metal powder sintered layer and a fixed non-metal powder layer may be formed. That is, in the molding process of this composite three-dimensional structure, only a part of the fixed powder layer (metal powder region) is sintered, and the non-metal powder region is fixed by vitrification of the resin binder to obtain metal. A composite three-dimensional structure is formed by laminating a sintered layer and a fixed non-metal powder layer.

上記吐出工程、固定粉体層形成工程、及び焼結工程を繰り返すことで中心部はセラミック層(非金属層)622、その周辺部は金属層621により構成された複合三次元構造物623を造形することができる。 By repeating the discharge step, the fixed powder layer forming step, and the sintering step, a composite three-dimensional structure 623 composed of a ceramic layer (non-metal layer) 622 at the center and a metal layer 621 at the periphery thereof is formed. can do.

上記では、金属粉体を用いた第1の造形材、及び非金属粉体を用いた第2の造形材を用いて複合三次元構造物を造形する実施形態について説明したが、造形材の組み合わせはこれに限らない。例えば、主組成が異なる金属粉体を用いた複数種類の造形材を用いて複合三次元構造物を造形してもよい。例えば、第1の造形材として、鉄系の金属粉体、例えばSKD61(JIS規格合金工具鋼鋼材の一つ)を用い、第2の造形材として銅系の金属粉体を用いてもよい。また、主組成が異なる非金属粉体を用いた複数種類の造形材を用いて複合三次元構造物を造形してもよい。例えば、第1の造形材はセラミック粉体を用い、第2の造形材は、炭化ケイ素粉体を用いてもよい。 In the above, the embodiment in which the composite three-dimensional structure is formed by using the first modeling material using the metal powder and the second modeling material using the non-metal powder has been described, but the combination of the modeling materials has been described. Is not limited to this. For example, a composite three-dimensional structure may be modeled using a plurality of types of modeling materials using metal powders having different main compositions. For example, an iron-based metal powder, for example, SKD61 (one of JIS standard alloy tool steel materials) may be used as the first modeling material, and a copper-based metal powder may be used as the second modeling material. Further, the composite three-dimensional structure may be formed by using a plurality of types of modeling materials using non-metal powders having different main compositions. For example, ceramic powder may be used as the first modeling material, and silicon carbide powder may be used as the second modeling material.

<第三実施形態>
第三実施形態は、架橋材を用いて支持体に造形材をより強固に固定してから焼結処理を行う実施形態である。以下、図7に基づいて第二実施形態について説明する。図7は、第三実施形態に係る造形処理を示す説明図である。
<Third Embodiment>
The third embodiment is an embodiment in which the molding material is more firmly fixed to the support using the cross-linking material, and then the sintering treatment is performed. Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a modeling process according to the third embodiment.

以下の説明では、金属粉体701の表面に樹脂バインダー702を付着させた造形材703、例えばSUS316粉体の周りに樹脂バインダーを付着させた造形材を例に挙げて説明するが、造形材は、非金属粉体を用いたものでもよい。 In the following description, a modeling material 703 in which a resin binder 702 is attached to the surface of the metal powder 701, for example, a modeling material in which a resin binder is attached around the SUS316 powder will be described as an example. , Non-metal powder may be used.

本実施形態は、第一実施形態と同様、吐出工程、固定粉体層形成工程、及び焼結工程を繰り返すことで、固定粉体層704及び焼結層705を形成し、三次元構造物713を造形する。これらの工程の内、特に固定粉体層形成工程に本実施形態の特徴がある。より具体的には、吐出工程後、造形材703は基板13の上面に接触して載置される。この状態で、造形材703を、架橋材の水溶液706に浸す。これによって造形材703に架橋材の水溶液706を付与する。架橋材の一例として、オキシ塩化ジルコニウム八水和物の水溶液を用いてもよい。そして、この造形材703を樹脂バインダー702のガラス転移温度以上、例えば80℃に加熱する。以後、第一実施形態と同様、焼結処理を実行する。その後、吐出処理、固定粉体層形成工程、及び焼結工程を繰り返すことで、三次元構造物713を造形する。 In the present embodiment, as in the first embodiment, the fixed powder layer 704 and the sintered layer 705 are formed by repeating the discharge step, the fixed powder layer forming step, and the sintering step, and the three-dimensional structure 713 is formed. To model. Among these steps, the fixed powder layer forming step is particularly characteristic of this embodiment. More specifically, after the discharge step, the modeling material 703 is placed in contact with the upper surface of the substrate 13. In this state, the modeling material 703 is immersed in the aqueous solution 706 of the cross-linking material. As a result, the molding material 703 is provided with the aqueous solution 706 of the cross-linking material. As an example of the cross-linking material, an aqueous solution of zirconium oxychloride octahydrate may be used. Then, the modeling material 703 is heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the resin binder 702, for example, 80 ° C. After that, the sintering process is performed as in the first embodiment. After that, the three-dimensional structure 713 is formed by repeating the discharge treatment, the fixed powder layer forming step, and the sintering step.

本実施形態によれば、造形材を架橋材の水溶液に浸して、樹脂バインダーのガラス転移温度以上に加熱することにより、水を蒸発させつつ、液体又はゴム状態になった樹脂バインダーを架橋することができ、粉体を支持体により強固に固定することができる。これにより、粉体が所望の位置からずれることを防ぎ、三次元構造物の形状精度を向上させることができる。 According to the present embodiment, the molding material is immersed in an aqueous solution of a cross-linking material and heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the resin binder to evaporate water and cross-link the resin binder in a liquid or rubber state. And the powder can be firmly fixed by the support. This prevents the powder from shifting from the desired position and improves the shape accuracy of the three-dimensional structure.

上記各実施形態は、本発明を実施するための一例にすぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での種々の変更態様がありうる。例えば、上記では、造形材として、金属粉体または非金属粉体の表面に樹脂バインダーを付着させたものを用いたが、金属粉体または非金属粉体を吐出ヘッドから吐出し、これに樹脂バインダーを別途吐出ヘッドから吐出してもよい。これにより、一般的な造形材、例えば金属粉体または非金属粉体のみからなる造形材を用いて三次元構造物を造形する場合にも、本発明を適用することができる。また、樹脂バインダーを付着させた粉体と、樹脂バインダーを付着させていない粉体と、を混合させて造形材を構成してもよい。一般に、樹脂バインダーを付着させた粉体は、樹脂バインダーを付着させていない粉体よりも高価になるので、樹脂バインダーを付着させた粉体のみを用いた造形材よりも、上記の混合物の方が製造原価を下げることができる。なお、この場合の混合比率は、固定材が粉体を支持体に固定できる程度の混合比率を用いる。更に、上記では固定材として樹脂バインダーを用い、熱反応のみ又は熱反応と化学反応(架橋)を用いて粉体の固定を行ったが、紫外線硬化樹脂からなる樹脂バインダーを用いて、光反応のみ又は光反応とその他の反応とを用いてもよい。 Each of the above embodiments is merely an example for carrying out the present invention, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above, as the modeling material, a material in which a resin binder is adhered to the surface of a metal powder or a non-metal powder is used, but the metal powder or the non-metal powder is discharged from the discharge head, and the resin is discharged onto the metal powder or the non-metal powder. The binder may be separately discharged from the discharge head. Thereby, the present invention can also be applied to the case where a three-dimensional structure is formed by using a general modeling material, for example, a modeling material composed of only metal powder or non-metal powder. Further, the molding material may be formed by mixing the powder to which the resin binder is attached and the powder to which the resin binder is not attached. In general, the powder to which the resin binder is attached is more expensive than the powder to which the resin binder is not attached. Therefore, the above mixture is more expensive than the molding material using only the powder to which the resin binder is attached. Can reduce manufacturing costs. In this case, the mixing ratio used is such that the fixing material can fix the powder to the support. Further, in the above, a resin binder was used as a fixing material, and the powder was fixed by using only a thermal reaction or a thermal reaction and a chemical reaction (crosslinking), but only a photoreaction was performed using a resin binder made of an ultraviolet curable resin. Alternatively, a photoreaction and another reaction may be used.

1 造形装置
10 架台
11 Y軸駆動装置
12 ステージ
13 基板
14 X軸駆動装置
14R X軸レール
15 支持枠体
16 第1のZ軸駆動装置
16R Z軸レール
17 第2のZ軸駆動装置
17P 支柱
20 吐出ヘッド
21 タンク
22 ヘッドベース
30 レーザ装置
31 レーザ支持部材
40 制御装置
41 CPU
42 RAM
43 ROM
44 HDD
45 I/F
46 LCD
47 操作部
48 バス
50 加熱装置
100 コントローラ
101 主制御部
102 エンジン制御部
103 入出力制御部
104 画像処理部
105 操作表示制御部
110 ディスプレイパネル
120 3Dプリントエンジン
130 通信I/F
140 3D画像データ記憶部
501 金属粉体
502 樹脂バインダー
503 造形材
504 固定粉体層
505 焼結層
511 構造体
512 空領域
513 三次元構造物
601 金属粉体
602 樹脂バインダー
603 第1の造形材
604 第1の固定粉体層
605 第1の焼結層
611 非金属粉体
612 樹脂バインダー
613 第2の造形材
614 第2の固定粉体層
615 第2の焼結層
621 金属層
622 非金属層
623 複合三次元構造物
701 金属粉体
702 樹脂バインダー
703 造形材
704 固定粉体層
705 焼結層
706 架橋材水溶液
713 三次元構造物
1 Modeling device 10 Stand 11 Y-axis drive device 12 Stage 13 Board 14 X-axis drive device 14R X-axis rail 15 Support frame body 16 First Z-axis drive device 16R Z-axis rail 17 Second Z-axis drive device 17P prop 20 Discharge head 21 Tank 22 Head base 30 Laser device 31 Laser support member 40 Control device 41 CPU
42 RAM
43 ROM
44 HDD
45 I / F
46 LCD
47 Operation unit 48 Bus 50 Heating device 100 Controller 101 Main control unit 102 Engine control unit 103 Input / output control unit 104 Image processing unit 105 Operation display control unit 110 Display panel 120 3D print engine 130 Communication I / F
140 3D image data storage 501 Metal powder 502 Resin binder 503 Modeling material 504 Fixed powder layer 505 Sintered layer 511 Structure 512 Empty area 513 Three-dimensional structure 601 Metal powder 602 Resin binder 603 First modeling material 604 First fixed powder layer 605 First sintered layer 611 Non-metal powder 612 Resin binder 613 Second molding material 614 Second fixed powder layer 615 Second sintered layer 621 Metal layer 622 Non-metal layer 623 Composite three-dimensional structure 701 Metal powder 702 Resin binder 703 Modeling material 704 Fixed powder layer 705 Sintered layer 706 Bridge material aqueous solution 713 Three-dimensional structure

特開2000−73108号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-73108 特表2005−509523号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-509523

Claims (6)

三次元構造物を造形する三次元構造物の造形方法において、
少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する工程と、
前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光照射することで、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体を前記樹脂バインダーにより固定させる固定粉体層形成工程と、
前記固定粉体層形成工程で形成された固定粉体層の所定領域を焼結する焼結工程と、
を少なくとも含む三次元構造物の造形方法。
Forming three-dimensional structures In the method of modeling three-dimensional structures,
A step of forming a layer of a first modeling material containing at least a powder and a resin binder and a layer of a second modeling material containing at least a powder having a composition different from that of the powder as the same layer.
The first molding material is heated by heating the first molding material layer and the second molding material layer at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the resin binder, or by irradiating the resin binder with light. And the fixed powder layer forming step of fixing the powder contained in each of the layer of the second molding material and the layer of the second molding material with the resin binder.
A sintering step of sintering a predetermined region of the fixed powder layer formed in the fixed powder layer forming step, and a sintering step.
A method of modeling a three-dimensional structure that includes at least.
前記固定粉体層形成工程で形成された固定粉体層の所定領域を焼結する焼結工程は、レーザ装置から出力されるレーザ光によって当該粉体の粒子間を焼結する工程であり、
前記レーザ装置からの出力は、前記第一の造形材の層と前記第二の造形材の層に対して異なることを特徴とする請求項1に記載の三次元構造物の造形方法。
The sintering step of sintering a predetermined region of the fixed powder layer formed in the fixed powder layer forming step is a step of sintering between the particles of the powder by the laser beam output from the laser apparatus.
The method for modeling a three-dimensional structure according to claim 1, wherein the output from the laser device is different for the layer of the first modeling material and the layer of the second modeling material.
前記第一の造形材の層と前記第二の造形材の層の形成工程の後、架橋材が付与されることを特徴とする請求項1の三次元構造物の造形方法。 The method for forming a three-dimensional structure according to claim 1, wherein a crosslinked material is applied after the step of forming the layer of the first modeling material and the layer of the second modeling material. 前記樹脂バインダーは、紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項1の造形方法。 The modeling method according to claim 1, wherein the resin binder is an ultraviolet curable resin. 前記第一の造形材に含まれる粉体は金属であり、前記第二の造形材に含まれる粉体はセラミックであることを特徴とする請求項1に記載の三次元構造物の造形方法。 The method for modeling a three-dimensional structure according to claim 1, wherein the powder contained in the first modeling material is a metal, and the powder contained in the second modeling material is a ceramic. 三次元構造物を造形する三次元構造物の造形装置において、
少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する手段と、
前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光を照射する手段と、
前記層を加熱するか、または光を照射する手段により形成された固定粉体層の所定領域を焼結する手段と、
を少なくとも有し、
前記層を加熱もしくは光照射した後に、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体が前記樹脂バインダーにより固定され、
前記樹脂バインダーにより固定された固定粉体層の所定領域が焼結される、
ことを特徴とする三次元構造物の造形装置。
Modeling of three-dimensional structures In a three-dimensional structure modeling device
A means for forming a layer of a first modeling material containing at least a powder and a resin binder and a layer of a second modeling material containing at least a powder having a composition different from that of the powder as the same layer.
A means for heating the first molding material layer and the second molding material layer at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the resin binder, or irradiating the resin binder with light.
Means for sintering a predetermined region of the fixed powder layer formed by means for heating the layer or irradiating with light, and
Have at least
After the layer is heated or irradiated with light, the powder contained in each of the first modeling material layer and the second modeling material layer is fixed by the resin binder.
A predetermined region of the fixed powder layer fixed by the resin binder is sintered.
A device for modeling three-dimensional structures.
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