JPWO2019111347A1 - 支持部材の形成方法、及び構造物の形成方法 - Google Patents

支持部材の形成方法、及び構造物の形成方法 Download PDF

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Abstract

サポート材を用いた支持部材であって、熱が発生した場合であっても構造物を安定して支持できる支持部材の形成方法及び構造物の形成方法を提供すること。本開示の支持部材の形成方法は、吐出装置から硬化性粘性流体を吐出する第1吐出工程と、吐出した硬化性粘性流体を硬化させ、ステージと構造物とを接続しステージに対して構造物を支持する粘性流体材を形成する硬化工程と、吐出装置からサポート材料を吐出し、粘性流体材の少なくとも一部に接触するサポート材を形成し、粘性流体材及びサポート材を有する支持部材を形成する形成工程と、を含む。

Description

本開示は、構造物を支持する支持部材を積層造形法により形成する形成方法、及びその支持部材を用いて構造物を形成する構造物の形成方法に関する。
構造物の形成方法には、構造物を複数の層に分けて形成した層状の材料を、順次積み重ね、立体の構造物を製造する積層造形法がある。積層造形法としては、例えば、熱溶解積層法、インクジェット法、光造形法、粉末焼結法などがある。例えば、下記特許文献1には、構造物を支持する支持部材を、熱溶解積層法により形成する技術が開示されている。特許文献1では、網目状の土台を、構造物の支持部材として形成している。
特開2016−165814号公報
ところで、積層造形では、例えば、所謂、オーバーハングのような突出する部分を構造物に形成する場合、構造物の突出部分を支持する支持部材としてサポート材を用いることがある。サポート材は、例えば、突出部分の外形を形作るのに用いられる。このサポート材に用いる材料の中には、構造物の造形に用いる紫外線硬化樹脂などに比べて融点が低い材料が存在する。このため、構造物の形成において熱が発生すると、構造物とサポート材との境界面においてサポート材が溶融する場合がある。あるいは、構造物とサポート材との間で熱による収縮率の差が発生する場合がある。その結果、構造物とサポート材との密着性が低下し、ひいては構造物がサポート材から剥離する虞があった。
本開示は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、サポート材を用いた支持部材であって、熱が発生した場合であっても構造物を安定して支持できる支持部材の形成方法及び構造物の形成方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本開は、吐出装置からステージの上に硬化性粘性流体を吐出して構造物を形成する際に、前記構造物を支持する支持部材を形成する支持部材の形成方法であって、前記支持部材の形成方法が、前記吐出装置から前記硬化性粘性流体を吐出する第1吐出工程と、吐出した前記硬化性粘性流体を硬化させ、前記ステージと前記構造物とを接続し前記ステージに対して前記構造物を支持する粘性流体材を形成する硬化工程と、前記吐出装置からサポート材料を吐出し、前記粘性流体材の少なくとも一部に接触するサポート材を形成し、前記粘性流体材及び前記サポート材を有する前記支持部材を形成する形成工程と、を含む、支持部材の形成方法を開示する。
また、本開示の内容は、支持部材の形成方法だけでなく、構造物の形成方法としても実施し得るものである。
本開示の支持部材の形成方法、構造物の形成方法によれば、粘性流体材は、ステージと構造物との両方に接続されており、ステージに対して構造物を支持する構造となる。従って、構造物の形成において熱が発生し構造物とサポート材との密着性が低下した場合であっても、支持部材に設けた粘性流体材によって構造物をステージに対して安定して支持できる。
実施形態の構造物形成装置を示す図である。 構造物形成装置のブロック図である。 支持部材の形成において紫外線硬化樹脂を吐出する状態を示す図である。 照射装置により紫外線硬化樹脂を硬化させる状態を示す図である。 支持部材の形成においてサポート材料を吐出する状態を示す図である。 ステージ上に形成した支持部材を示す図である。 構造物の形成において紫外線硬化樹脂を吐出する状態を示す図である。 照射装置により紫外線硬化樹脂を硬化させる状態を示す図である。 構造物の形成において金属インクを吐出する状態を示す図である。 照射装置により金属インクを焼成して硬化させる状態を示す図である。 ステージ上に形成した支持部材及び構造物を示す模式図である。 サポート材を溶融させた状態の支持部材及び構造物を示す模式図である。 構造物を支持部材から取り外す状態を示す模式図である。 樹脂接続点の断面を示す拡大図である。 別例の樹脂接続点の断面を示す拡大図である。 別例の樹脂接続点の断面を示す拡大図である。 別例の樹脂接続点の断面を示す拡大図である。 別例の支持部材及び構造物を示す模式図である。 別例の支持部材を示す模式図である。 別例の支持部材を示す模式図である。
以下、本願の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本願の支持部材の形成方法を適用する実施形態の構造物形成装置10を示している。本実施形態の構造物形成装置10(以下、「形成装置10」と略す場合がある)は、搬送装置20と、造形ユニット22と、実装ユニット23と、サポート材除去ユニット24と、切断ユニット25と、制御装置26(図2参照)とを備える。それら搬送装置20、造形ユニット22等は、形成装置10のベース28の上に配置されている。ベース28は、概して長方形状をなしており、以下の説明では、ベース28の長手方向をX軸方向、ベース28の短手方向をY軸方向、X軸方向及びY軸方向の両方に直交する方向をZ軸方向と称して説明する。
搬送装置20は、X軸スライド機構30と、Y軸スライド機構32とを備えている。そのX軸スライド機構30は、X軸スライドレール34と、X軸スライダ36とを有している。X軸スライドレール34は、X軸方向に延びるように、ベース28の上に配設されている。X軸スライダ36は、X軸スライドレール34によって、X軸方向にスライド可能に保持されている。さらに、X軸スライド機構30は、電磁モータ38(図2参照)を有しており、電磁モータ38の駆動により、X軸スライダ36をX軸方向の任意の位置に移動させる。
また、Y軸スライド機構32は、Y軸スライドレール50と、可動台52とを有している。Y軸スライドレール50は、Y軸方向に延びるように、ベース28の上に配設されている。Y軸スライドレール50の一端部は、X軸スライダ36に連結されている。これにより、Y軸スライドレール50は、X軸スライダ36のスライド移動にともなって、X軸方向に移動可能とされている。可動台52は、Y軸スライドレール50によってY軸方向にスライド可能に保持されている。さらに、Y軸スライド機構32は、電磁モータ56(図2参照)を有しており、電磁モータ56の駆動により、可動台52をY軸方向の任意の位置に移動させる。これにより、可動台52は、X軸スライド機構30及びY軸スライド機構32の駆動により、ベース28上の任意の位置に移動可能となっている。
可動台52は、基台60と、保持装置62と、昇降装置64とを有している。基台60は、平板状に形成され、上面にステージ70(図3参照)が載置される。保持装置62は、基台60のX軸方向の両側部に設けられている。そして、基台60に載置されたステージ70のX軸方向の両縁部が、保持装置62によって挟まれることで、ステージ70が基台60に対して固定的に保持される。また、昇降装置64は、基台60の下方に配設されており、基台60をZ軸方向に昇降させる。
造形ユニット22は、可動台52の基台60に載置されたステージ70の上に構造物132(図11参照)を形成するユニットであり、印刷部72と、硬化部74とを有している。印刷部72は、図3に示すように、インクジェットヘッド76を有しており、基台60に載置されたステージ70の上に、硬化性粘性流体77を薄膜状に吐出する。硬化性粘性流体77は、熱、光等により硬化する粘性流体である。硬化性粘性流体77としては、例えば、紫外線硬化樹脂77Aや金属インク77B(図9参照)等が挙げられる。紫外線硬化樹脂77Aは、紫外線の照射により硬化する樹脂である。金属インク77Bは、例えば、金属(銀など)の微粒子を溶剤中に分散させた金属ナノ粒子を含むインクであり、熱により焼成することで硬化する。
図3は、支持部材131(図6参照)の形成において紫外線硬化樹脂77Aを吐出する状態を示している。図7は、構造物132(図11参照)の形成において紫外線硬化樹脂77Aを吐出する状態を示している。図9は、構造物132の形成において金属インク77Bを吐出する状態を示している。インクジェットヘッド76は、硬化性粘性流体77が図3及び図7に示す紫外線硬化樹脂77Aである場合には、例えば、圧電素子を用いたピエゾ方式によって複数のノズルから紫外線硬化樹脂77Aを吐出する。あるいは、インクジェットヘッド76は、硬化性粘性流体77が紫外線硬化樹脂77Aである場合には、例えば、紫外線硬化樹脂77Aを加熱して気泡を発生させノズルから吐出するサーマル方式によって複数のノズルから紫外線硬化樹脂77Aを吐出する。また、インクジェットヘッド76は、硬化性粘性流体77が図9に示す金属インク77Bである場合には、例えば、圧電素子を用いたピエゾ方式によって複数のノズルから金属インク77Bを吐出する。
また、印刷部72は、図5に示すように、インクジェットヘッド76からステージ70の上に、サポート材料81を薄膜状に吐出する。サポート材料81としては、例えば、水、薬品等の特定の液体で溶解する材料(ワックス系の材料や樹脂系の材料など)を用いることができる。また、サポート材料81としては、熱によって溶融する材料を用いることができる。サポート材料81は、紫外線などの光を照射して硬化するものや、熱を加えることで硬化するものがある。また、サポート材料81は、ステージ70に吐出した後、時間の経過にともなって自然と硬化するものがある。例えば、サポート材料81を硬化させたサポート材91の一部に沿って、紫外線硬化樹脂77Aを吐出し硬化させることで、サポート材91の形状に沿った構造物132を形成することができる(図11参照)。そして、サポート材91と構造物132の一体物から薬品等を用いてサポート材91を除去することで、オーバーハング部を有する構造物132を形成することが可能である。
インクジェットヘッド76は、例えば、圧電素子を用いたピエゾ方式によって複数のノズルからサポート材料81を吐出する、あるいはサポート材料81を加熱して気泡を発生させノズルから吐出するサーマル方式によって複数のノズルからサポート材料81を吐出する。なお、本願の吐出装置としては、複数のノズルを備えるインクジェットヘッド76に限らず、例えば、1つのノズルを備えたディスペンサーでも良い。また、インクジェットヘッド76は、金属インク77Bを吐出するノズル、紫外線硬化樹脂77Aを吐出するノズル、サポート材料81を吐出するノズルを別々に備えてもよく、3つの流体を吐出するノズルを共用する構成でも良い。
また、図4に示すように、硬化部74は、平坦化装置78と、照射装置82と、ヒータ83とを有している。平坦化装置78は、インクジェットヘッド76によってステージ70の上に吐出された硬化性粘性流体77やサポート材料81の上面を平坦化するものである。平坦化装置78は、ローラ79と、回収部80とを有している。ローラ79は、円柱形状をなし、平坦化装置78の制御に基づいて、流動可能な状態の硬化性粘性流体77(紫外線硬化樹脂77Aや金属インク77B)及びサポート材料81の表面を回転しながら移動し、表面を平坦化する。回収部80は、例えば、ローラ79の表面に向かって突出するブレードを有しており、ブレードで掻き取った硬化性粘性流体77やサポート材料81を貯めて排出する。回収部80は、例えば、回収した硬化性粘性流体77等を廃液タンクに排出する。平坦化装置78は、硬化性粘性流体77等の表面を均しながら余剰分の硬化性粘性流体77等を掻き取ることで、硬化性粘性流体77等の表面を平坦化する。なお、回収部80は、回収した硬化性粘性流体77やサポート材料81を、再度、供給タンクに戻しても良い。また、平坦化装置78による平坦化を、各工程で必ずしも実行しなくとも良い。例えば、平坦化装置78は、紫外線硬化樹脂77Aだけを平坦化しても良い。また、平坦化装置78は、硬化性粘性流体77の吐出ごとに平坦化を実行せず、特定の層の形成時のみ平坦化を実行しても良い。
また、照射装置82は、ステージ70の上に吐出された硬化性粘性流体77やサポート材料81に光を照射するものである。照射装置82は、例えば、硬化性粘性流体77が紫外線硬化樹脂77Aである場合、紫外線硬化樹脂77Aに紫外線を照射する。また、照射装置82は、例えば、サポート材料81が紫外線で硬化する材料である場合、サポート材料81に紫外線を照射する。また、照射装置82は、例えば、硬化性粘性流体77が金属インク77Bである場合、金属インク77Bにレーザ光を照射する。本実施形態の形成装置10は、紫外線硬化樹脂77Aや金属インク77Bを硬化させることで、後述するように、例えば、絶縁性の樹脂の上に金属配線を形成できる。
また、ヒータ83は、ステージ70の上に吐出された金属インク77Bに熱を加え乾燥させる装置である。ヒータ83は、金属インク77Bに熱を加えることで、金属インク77Bに含まれる金属の微粒子を分散させる溶剤を気化させる。なお、金属インク77Bの溶剤を気化させる装置は、ヒータ83に限らず、例えば、温風を送風して金属インク77Bを加熱する温風装置や、マイクロ波を照射して加熱する装置でも良い。
また、図1に示す実装ユニット23は、例えば、造形ユニット22によって形成した金属配線に接続される各種の電子部品135(図11参照)を実装するユニットであり、実装部85と、供給部86とを備えている。実装部85は、例えば、電子部品135を吸着する吸着ノズル(図示略)を有しており、吸着ノズルで保持した電子部品135を構造物に実装する。供給部86は、例えば、テーピング化された電子部品135を1つずつ送り出すテープフィーダを複数有しており、実装部85へ電子部品135を供給する。なお、供給部86は、テープフィーダに限らず、トレイから電子部品135をピックアップして供給するトレイ型の供給装置でもよい。
実装ユニット23は、例えば、可動台52の移動にともなって、実装部85の下方の位置にステージ70が移動してくると、実装部85を供給部86の部品供給位置まで移動させるとともに、供給部86を駆動させて必要な電子部品135を供給させる。そして、実装部85は、吸着ノズルによって供給部86の部品供給位置から電子部品135を吸着保持し、ステージ70上に形成された構造物132内や構造物132の上に配置する。
また、サポート材除去ユニット24は、造形ユニット22によって形成したサポート材91(図6参照)を除去するユニットである。サポート材除去ユニット24は、例えば、サポート材91が水に溶解する材料である場合、ステージ70上の支持部材131及び構造物132(図11参照)を水槽に浸すロボットアームや、ステージ70の上に形成された支持部材131に対して水を拭きかけるノズル装置を有する。また、サポート材除去ユニット24は、例えば、サポート材91が熱により溶融する材料である場合、ステージ70の上の支持部材131に対して熱を付加するヒータやマイクロ波発生装置などを備える。このため、サポート材除去ユニット24の構成は、サポート材91の種類に応じて適宜変更される。
また、切断ユニット25は、ステージ70の上に形成した構造物132と支持部材131とを分離する装置である。切断ユニット25は、例えば、2つのチャック143,144(図13参照)を備えている。切断ユニット25は、一方のチャック143で構造物132を挟持し、他方のチャック144で支持部材131を挟持し、構造物132と支持部材131との接続部分を切断する。これにより、切断ユニット25は、支持部材131と分離された構造物132を形成する。
図2に示すように、制御装置26は、コントローラ102と、複数の駆動回路104と、記憶装置106とを備えている。複数の駆動回路104は、上記した電磁モータ38,56、保持装置62、昇降装置64、インクジェットヘッド76、平坦化装置78、照射装置82、ヒータ83、実装部85、供給部86、サポート材除去ユニット24、切断ユニット25に接続されている。コントローラ102は、CPU,ROM,RAM等を備え、コンピュータを主体とするものであり、複数の駆動回路104に接続されている。記憶装置106は、RAM、ROM、ハードディスク等を備えており、形成装置10の制御を行う制御プログラム107が記憶されている。コントローラ102は、制御プログラム107をCPUで実行することで、搬送装置20、造形ユニット22等の作動を制御することが可能となっている。
本実施形態の形成装置10は、上述した構成によって、サポート材91と紫外線硬化樹脂77Aとを硬化させることで、支持部材131(図10参照)を形成する。また、形成装置10は、硬化性粘性流体77として紫外線硬化樹脂77Aや金属インク77Bを硬化させることで、絶縁層93や金属配線95(図10参照)を形成し、複数の絶縁層93や金属配線95を積層させることで、任意の形状の構造物132(図11参照)を形成することが可能となっている。また、形成装置10は、構造物132を形成する過程で実装ユニット23によって電子部品135(図11参照)を実装する。例えば、制御プログラム107には、支持部材131及び構造物132をスライスした各層の三次元のデータが設定されている。コントローラ102は、制御プログラム107のデータに基づいて、サポート材料81や硬化性粘性流体77を吐出、硬化等させて支持部材131及び構造物132を形成する。また、コントローラ102は、制御プログラム107のデータに基づいて電子部品135を配置する層や位置等の情報を検出し、検出した情報に基づいて電子部品135を構造物132に実装する。
以下の説明では、一例として、図10に示すように支持部材131の上に三次元の構造物132を形成する場合について説明する。なお、図3以降に示す支持部材131や構造物132の形状、構造は一例である。また、図3〜図10に示す方向(X軸方向など)は、一例である。また、以下の図3〜図10の説明では、説明を分かり易くするため、円柱形状の支持部材131を形成し、その形成した支持部材131の上に構造物132を形成する場合について説明する。後述する図11の支持部材131及び構造物132のように、支持部材131の形状に合わせて構造物132が入り込むような構成では、支持部材131と構造物132を交互に形成しながら積層する場合もある。
また、以下の説明では、コントローラ102が、制御プログラム107を実行して各装置を制御することを、単に「装置が」と記載する場合がある。例えば、「搬送装置20が基台60を移動させる」とは、「コントローラ102が、制御プログラム107を実行して搬送装置20の作動を制御し、搬送装置20の作動によって基台60を移動させる」ことを意味している。
まず、可動台52の基台60にステージ70がセットされる。搬送装置20は、ステージ70をセットされた可動台52を、造形ユニット22の下方に移動させる。図3に示すように、印刷部72のインクジェットヘッド76は、硬化性粘性流体77として紫外線硬化樹脂77Aをステージ70の上に吐出する。インクジェットヘッド76は、ステージ70の上に紫外線硬化樹脂77Aを薄膜状に吐出する。
次に、図4に示すように、照射装置82は、ステージ70上の紫外線硬化樹脂77Aに対して紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂77Aを硬化させる。照射装置82は、薄膜状に広がった紫外線硬化樹脂77Aに対し紫外線を照射することで、紫外線硬化樹脂77Aを硬化し硬化層を形成する。なお、硬化部74の平坦化装置78は、ステージ70に吐出した紫外線硬化樹脂77Aの平坦化を適宜実行する。
また、図5に示すように、印刷部72のインクジェットヘッド76は、サポート材料81をステージ70の上に吐出する。インクジェットヘッド76は、例えば、ステージ70の上で硬化した紫外線硬化樹脂77Aの周囲を埋めるように、サポート材料81を薄膜状に吐出する。サポート材料81は、例えば、時間の経過とともにステージ70の上で硬化し、紫外線硬化樹脂77Aの周囲に硬化層を形成する。コントローラ102は、上記した図3の紫外線硬化樹脂77Aを吐出する工程(第1吐出工程の一例)、図4の紫外線硬化樹脂77Aを硬化する工程(硬化工程の一例)、図5のサポート材料81を吐出して硬化する工程(形成工程の一例)を繰り返し実行する。これにより、コントローラ102は、複数の層をZ方向へ積層し、図6に示す円柱形状の支持部材131を形成する。
図6は、ステージ70上に形成した支持部材131の一例を示している。図6に示すように、支持部材131は、複数の柱部92と、サポート材91とを有する。柱部92は、紫外線硬化樹脂77Aを硬化した硬化層を積層して形成される。サポート材91は、サポート材料81を硬化した硬化層を積層して形成される。柱部92は、例えば、Z軸方向に沿って延びる直方体形状をなしている。複数の柱部92は、X軸方向及びY軸方向において等間隔に配置されている。サポート材91は、Z軸方向に延びる円柱形状をなしている。複数の柱部92は、サポート材91に埋め込まれるように形成されている。換言すれば、サポート材91は、複数の柱部92の間を埋めるように形成されている。そして、サポート材91及び柱部92は、例えば、Z軸方向において、同一の長さとなっている。支持部材131は、全体として円柱形状をなしている。
次に、コントローラ102は、支持部材131の上に構造物132(図10参照)を形成する。図7に示すように、印刷部72のインクジェットヘッド76は、紫外線硬化樹脂77Aを支持部材131の上に吐出する。次に、図8に示すように、照射装置82は、支持部材131上に吐出した紫外線硬化樹脂77Aに対して紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂77Aを硬化させる。コントローラ102は、図7の吐出工程と図8の硬化工程とを繰り返し実行することで、所望の厚さの絶縁層93(図8参照)をZ軸方向へ積層する。
また、図9に示すように、コントローラ102は、Z軸方向の所定の高さまで絶縁層93を積層すると、インクジェットヘッド76によって金属インク77Bを、絶縁層93の上に吐出する。インクジェットヘッド76は、硬化した絶縁層93の上に金属インク77Bを薄膜状に吐出する。
図10に示すように、硬化部74は、ヒータ83を駆動して、絶縁層93の上に吐出された金属インク77Bに熱を加え、金属インク77Bに含まれる溶剤を気化させる。また、硬化部74の照射装置82は、金属インク77Bにレーザ光を照射することで、金属インク77Bを焼成して硬化させる。金属インク77Bの焼成とは、エネルギーを付与することによって溶媒の気化や金属微粒子の保護膜の分解等を行い、金属微粒子を接触又は融着させることで、導電率を高くする現象である。照射装置82は、金属インク77Bを焼成し硬化することで、金属配線95を形成する。コントローラ102は、図9に示す吐出する工程(第2吐出工程の一例)と、図10に示す焼成する工程(焼成工程の一例)とを繰り返し実行することで、所望の厚さの金属配線95を形成する。
また、コントローラ102は、例えば、金属配線95と接続される位置に電子部品135(図11参照)を配置する。実装部85は、供給部86から供給された電子部品135を吸着ノズルで保持し、電子部品135を絶縁層93上に配置する。そして、コントローラ102は、さらに造形ユニット22を駆動しZ軸方向へ絶縁層93を積層し、所望の構造物132を形成する。
ここで、上記した金属配線95の形成において、ヒータ83によって溶剤を気化させる際や、レーザで金属インク77Bを焼成する際に、熱が発生する。このような構造物132の形成において熱が発生すると、構造物132と支持部材131のサポート材91との境界面においてサポート材91が溶融する虞がある。あるいは、構造物132とサポート材91との間で熱による収縮率の差が発生する虞がある。その結果、構造物132とサポート材91との密着性が低下し、ひいては構造物132がサポート材91から剥離する虞がある。これに対し、本実施形態の支持部材131は、構造物132と同じ材料である紫外線硬化樹脂77Aで形成した柱部92(図9参照)を有している。紫外線硬化樹脂77Aは、金属配線95を有する構造物132に用いられる材料であり、金属配線95の形成時に溶融しないように耐熱性の高い材料を選択される可能性が高い。柱部92は、その紫外線硬化樹脂77Aで形成されることで、サポート材91に比べて耐熱性が高くなる。そして、その柱部92は、支持部材131の下部に設けられたステージ70と、支持部材131の上部に設けられた構造物132を接続している。これにより、仮に、構造物132とサポート材91との剥離が発生したとしても、柱部92によって、構造物132をステージ70に対して支持することができる。また、サポート材91によって、オーバーハングのような所望の形状を形成することができる。
図11は、ステージ70上に形成した支持部材131と構造物132の一例を示しており、支持部材131と構造物132の断面を模式的に示している。図11にハッチングを付して示す部分は、サポート材91、即ち、サポート材料81で形成された部分を示している。図11に示すように、支持部材131には、Z軸方向に沿って形成された複数の柱部92が設けられている。複数の柱部92は、Z方向の上端部において人型の構造物132と接続されている。例えば、柱部92と構造物132とは図11に示す樹脂接続点137で接続されている。また、サポート材91は、複数の柱部92の間を埋めるように形成されている。
なお、図11では、構造物132と柱部92との境界を示すため、便宜上、境界線を図示している。しかしながら、構造物132及び柱部92は、上記したように同一材料(紫外線硬化樹脂77A)で形成されている。従って、実際には、柱部92と構造物132の樹脂部分とは連続した物体として形成されるため、境界部分に線は形成されない。また、図11に示す構造物132は、支持部材131内に入り込むように形成されている。このため、上記したように支持部材131と構造物132の形成工程では、例えば、紫外線硬化樹脂77Aを吐出する工程において、柱部92と構造物132の両方を形成する場合がある。即ち、上記した図3〜図10の例とは異なり、支持部材131を形成しつつ構造物132も形成することとなる。
また、上記したように、本実施形態の支持部材131の形成方法では、紫外線硬化樹脂77Aを、ステージ70から構造物132に向かって延びる柱状の柱部92として形成し、且つ柱部92を複数形成する。これによれば、ステージ70の上に立つ複数の柱部92を、本願の粘性流体材として形成する。これにより、複数の柱部92によって構造物132をより安定して支持できる。
また、本実施形態の支持部材131の形成方法では、サポート材91を、複数の柱部92の間を埋める部分として形成する。これによれば、サポート材91は、複数の柱部92の間における空間を埋めるように形成される。換言すれば、複数の柱部92は、サポート材91に埋設される。この構造では、後述するように、サポート材91を溶融させた場合、溶融したサポート材91を、柱部92の隙間を通って外部に流出させることができる。従って、サポート材91の除去が容易となる。
図11に示す例では、複数の柱部92は、下端部において連結樹脂139によって互いに接続されている。連結樹脂139は、ステージ70の上面の全体に広がるように形成されている。このため、図11に示す例では、支持部材131は、紫外線硬化樹脂77A(連結樹脂139)によってステージ70と接している。柱部92は、連結樹脂139を介してステージ70に接続されている。なお、図11に示す支持部材131の構造は一例であり、支持部材131は、下端部の少なくとも一部においてサポート材91をステージ70に接触させる構造でも良い。
また、図11に示す構造物132は、人型をなしており、電子部品135や電子部品135を接続する金属配線95を内蔵している。上記したように、この金属配線95を形成する際に熱が発生する。その結果、例えば、図11に示すサポート材91と構造物132との境界部分である境界部141においてサポート材91の一部が溶融する。このため、仮に、支持部材131をすべてサポート材91で形成すると、金属配線95の形成時に支持部材131と構造物132とが分離する虞がある。そこで、本実施形態の支持部材131では、支持部材131の一部に柱部92を設け、柱部92によって構造物132を支持している。
構造物132の形成工程では、コントローラ102は、図11に示すように、構造物132の形成を終了すると、サポート材91の除去を行う。搬送装置20は、支持部材131及び構造物132を載せた可動台52を、サポート材除去ユニット24(図1参照)まで移動させる。サポート材除去ユニット24は、例えば、支持部材131にマイクロ波を照射して加熱しサポート材91を溶融させる。本実施形態のサポート材91は、上記したように柱状の柱部92の間を埋めるように形成されている。このため、溶融したサポート材91は、柱部92の間を通って流れ出ることとなる。一方で、溶融しない柱部92は、ステージ70に対して構造物132を支持する。図12に示すように、構造物132は、複数の柱部92によってステージ70に対して支持された状態となる。
次に、コントローラ102は、支持部材131の残った柱部92と、構造物132との分離を行う。搬送装置20は、可動台52を切断ユニット25(図1参照)まで移動させる。切断ユニット25は、図13に示すように、例えば、2つのチャック143,144を用いて樹脂接続点137を切断する。例えば、一方のチャック143によって樹脂接続点137に近い構造物132の一部を挟持する。また、他方のチャック144によって樹脂接続点137に近いサポート材91の一部を挟持する。そして、切断ユニット25は、構造物132とサポート材91とを離間させるように2つのチャック143,144を移動させることで、樹脂接続点137を切断する。なお、切断ユニット25は、構造物132や柱部92を挟持するチャック143,144を複数組備えても良い。また、切断ユニット25は、樹脂接続点137を切断するカッターやドリルを備えても良い。切断ユニット25によって、構造物132と柱部92とを分離することで、所望の形状の構造物132を製造することができる。切断ユニット25は、分離した支持部材131をステージ70の上から取り除き、構造物132をステージ70の上に配置する。あるいは、切断ユニット25は、支持部材131を載せたステージ70ごと破棄してもよい。この場合、切断ユニット25は、新たなステージ70を基台60の上に配置し、そのステージ70の上に構造物132を配置しても良い。搬送装置20は、構造物132を載せたステージ70を所定の排出位置に移動させる。これにより、ユーザは、完成した構造物132を取得できる。なお、支持部材131と構造物132とを分離する作業は、人が手作業で行ってもよい。
ここで、本実施形態の支持部材131は、構造物132の樹脂部分との接続点である樹脂接続点137において切断し易い構造となっている。図14は、樹脂接続点137の断面を示す拡大図である。図14は、例えば、構造物132の手の先端部分と、柱部92の上端部分との接続部分にある樹脂接続点137を模式的に示している。図14に示すように、柱部92は、例えば、複数の樹脂層92Aを積層して形成されている。また、サポート材91は、複数のサポート材層91Aを積層して形成されている。なお、図14に示す各層の境界線は、説明の便宜上、図示している。
図14に示すように、柱部92には、構造物132との境界部分である樹脂接続点137に脆弱部147が形成されている。脆弱部147は、柱部92の他の部分に比べて断面積を小さくして形成されている。脆弱部147は、例えば、直方体形状の柱部92において、その先端部を細くして形成されている。従って、脆弱部147は、柱部92の他の部分に比べて細い柱状をなしている。このため、柱部92は、脆弱部147において折れ易くなっている。この構成では、樹脂接続点137に外力を加えることで、脆弱部147を切断して構造物132と柱部92とを容易に分離することができる。
また、本実施形態の脆弱部147は、柱部92の一部を細くした構造である。この構成では、柱部92の形成において、インクジェットヘッド76から吐出する紫外線硬化樹脂77Aの吐出量を減らす、あるいは紫外線硬化樹脂77Aの吐出自体を一時停止することで、接続部分を細くした脆弱部147を容易に形成できる。
なお、脆弱部147は、1つの柱部92に1つ設けても良く、1つの柱部92に複数設けても良い。また、脆弱部147の構成はこれに限らない。例えば、図15に示すように、脆弱部147は、テーパー形状部147Aを有する構成でも良い。テーパー形状部147Aは、Z軸方向において、下方から上方に向かうに従って柱部92の中心へ近づくように傾斜している。このため、脆弱部147は、柱部92の先端に向かうほど細くなっている。脆弱部147は、柱部92の他の部分に比べて断面積を小さくし、折れ易くなっている。例えば、テーパー形状部147Aは、脆弱部147を紫外線硬化樹脂77Aで形成する際に、硬化工程における紫外線の照射時間を短くする、あるいは照射する紫外線の強度を弱くすることで形成できる。照射時間を短くする、あるいは強度を弱くすることで、紫外線硬化樹脂77Aの硬化が不十分となる。その結果、紫外線硬化樹脂77Aの硬度が下がることで、脆弱部147には、外側に広がるテーパー形状部147Aが形成される。この構成では、上記した図14に示す構成のように紫外線硬化樹脂77Aの吐出量を調整して脆弱部147を形成するのではなく、紫外線の照射時間などの硬化条件を変更することで、脆弱部147を形成することができる。換言すれば、この構成では、吐出量が同一であっても、硬化条件を変更するだけでテーパー形状部147Aを有する脆弱部147を形成できる。
また、例えば、図16に示すように、柱部92と構造物132の形成する位置をずらすことで、脆弱部147を形成しても良い。図16に示す柱部92は、構造物132の先端部に対してずれた位置に形成されている。脆弱部147は、構造物132側の樹脂層92Aと柱部92側の樹脂層92Aとを、X軸方向やY軸方向においてずれた位置に配置している。図16に示す例では、上側の樹脂層92Aは、下側の樹脂層92Aに対して右側にオフセットしている。このため、脆弱部147は、その一部において、柱部92の他の部分に比べて断面積を小さくし、折れ易くなっている。この構成では、柱部92を形成する位置を、構造物132に対してずらすことで脆弱部147を形成できる。
また、例えば、図17に示すように、脆弱部147は、柱部92の一部に中空部147Bを形成した構成でも良い。図17に示す脆弱部147には、複数の中空部147Bが形成されている。中空部147Bは、例えば、柱部92をX軸方向へ貫通して形成され、紫外線硬化樹脂77A、金属インク77B、サポート材料81を充填していない空の空間となっている。このため、脆弱部147は、その一部に中空部分を形成され、柱部92の他の部分に比べて断面積を小さくし、折れやすくなっている。この構成では、柱部92の形成において、インクジェットヘッド76から紫外線硬化樹脂77Aを吐出するのを一時停止することで、中空部147Bを有する脆弱部147を形成できる。上記したように、脆弱部147は、柱部92の断面積を小さくし、折れ易くなる構成であれば、様々な構成を採用できる。
因みに、上記実施形態において、インクジェットヘッド76は、吐出装置の一例である。紫外線硬化樹脂77Aは、硬化性粘性流体の一例である。柱部92は、粘性流体材の一例である。金属インク77Bは、導電性材料の一例である。
上記した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の支持部材131の形成方法は、インクジェットヘッド76から紫外線硬化樹脂77Aを吐出する第1吐出工程(図3参照)と、吐出した紫外線硬化樹脂77Aを硬化させ、ステージ70と構造物132とを接続しステージ70に対して構造物132を支持する柱部92を形成する硬化工程(図4参照)と、インクジェットヘッド76からサポート材料81を吐出し、柱部92の少なくとも一部に接触するサポート材91を形成し、柱部92及びサポート材91を有する支持部材131を形成する形成工程(図5参照)と、を含む。
これによれば、構造物132を支持する支持部材131には、紫外線硬化樹脂77Aで形成した柱部92とサポート材91とが含まれる。サポート材91を用いて、例えば、オーバーハングのような突出部分を構造物132に形成できる(図11参照)。また、柱部92は、ステージ70と構造物132との両方に接続されており、ステージ70に対して構造物132を支持する構造となる。従って、構造物132の形成において熱が発生し構造物132とサポート材91との密着性が低下した場合であっても、支持部材131に設けた柱部92によって構造物132をステージ70に対して安定して支持できる。
また、本実施形態の構造物132の形成方法は、インクジェットヘッド76から金属インク77Bを吐出する第2吐出工程(図9参照)と、吐出された金属インク77Bを焼成し、構造物132の一部に金属配線95を形成する焼成工程(図10参照)と、を含む。
これによれば、構造物132には、金属配線95が形成される。この金属配線95を形成する際に、金属インク77Bを焼成することで熱が発生する。その結果、構造物132とサポート材91との密着性が低下する可能性が高くなる。このため、金属配線95を有する構造物132を形成するに際し、サポート材91と柱部92とを有する支持部材131により構造物132を支持することは極めて有効となる。
なお、制御装置26のコントローラ102は、図2に示すように、第1吐出部110と、硬化部112と、形成部116と、第2吐出部118と、焼成部120とを有している。第1吐出部110等は、例えば、コントローラ102のCPUにおいて制御プログラム107を実行することで実現される処理モジュールである。また、第1吐出部110等を、ソフトウェアで構成せずに、ハードウェアで構成しても良い。
第1吐出部110は、インクジェットヘッド76から紫外線硬化樹脂77Aを吐出させる機能部である。硬化部112は、吐出した紫外線硬化樹脂77Aを照射装置82により硬化させ柱部92を形成する機能部である。形成部116は、インクジェットヘッド76からサポート材料81を吐出させサポート材料81を形成する機能部である。第2吐出部118は、インクジェットヘッド76から金属インク77Bを吐出させる機能部である。焼成部120は、吐出した金属インク77Bを照射装置82により焼成し、金属配線95を形成する機能部である。
因みに、上記実施形態において、第1吐出部110により実行される工程は、第1吐出工程の一例である。硬化部112により実行される工程は、硬化工程の一例である。形成部116により実行される工程は、形成工程の一例である。第2吐出部118により実行される工程は、第2吐出工程の一例である。焼成部120により実行される工程は、焼成工程の一例である。
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。
例えば、上記した実施形態では、柱部92をZ軸方向に沿って形成したが、これに限らない。例えば、図18に示すように、柱部92をアーチ状に形成してもよい。また、柱部92を、基端部から先端部である樹脂接続点137に向かうに従って細くなる形状でも良い。即ち、柱部92は、太さが変化する構造でも良い。柱部92の断面積は、先端部において小さくなる。先端部は、脆弱部147(図14参照)として機能する。従って、本願の粘性流体材は、構造物132をステージ70に対して支持できる様々な構造を採用することができる。換言すれば、構造物132を支持できる構造であれば、粘性流体材の構造を適宜変更可能である。
例えば、本願の粘性流体材は、柱形状に限らない。図19は、支持部材131の上面図を示している。例えば、支持部材131は、ステージ70に立った板状のサポート材91と、板状の粘性流体材151とを交互に配置した構成でも良い。図19に示すように、サポート材91と、粘性流体材151とは、X軸方向において所定の厚みを有し、Y軸方向及びZ軸方向に沿って延びる板状をなしている。粘性流体材151は、紫外線硬化樹脂77Aを硬化した硬化層を積層して形成されている。このような構成の支持部材131では、溶融したサポート材91は、粘性流体材151の間を通ってY軸方向に流れ出すこととなる。また、構造物132は、等間隔に形成された板状の粘性流体材151によって支持されることとなる。
また、例えば、図20に示すように、支持部材131は、柱状の粘性流体材151を、ステージ70の上面と平行な方向に沿って配置した構成でも良い。図20に示す支持部材131では、例えば、X軸方向に沿って延びる2本の粘性流体材151と、Y軸方向に沿って延びる2本の粘性流体材151とを、Z軸方向において交互に配置して形成されている。X軸方向に沿った粘性流体材151は、Z軸方向においてY軸方向に沿った粘性流体材151を1本挟むことで、粘性流体材151の1本分だけ隙間を設けて配置される。サポート材91は、この積み重ねた複数の粘性流体材151を覆うように形成されている。このような構成の支持部材131では、溶融したサポート材91は、粘性流体材151の隙間を通って外側へ流れ出すこととなる。また、構造物132は、積み重ねた粘性流体材151によって下方から支持されることとなる。なお、図20は、図面が煩雑となるのを避けるため、粘性流体材151の図示を一部省略している。
また、支持部材131を形成する方法は、インクジェット方式に限らない。例えば、網目状の粘性流体材151を熱溶解積層法で形成し、粘性流体材151の網目の中にサポート材料81を熱溶解積層法やインクジェット方式で充填しても良い。
また、上記実施形態では、サポート材91を溶融させた際に、溶融したサポート材91が柱部92の間から流れ出すように、柱部92と柱部92との間に隙間を設けたが、これに限らない。例えば、紫外線硬化樹脂77Aを円環状に積層した粘性流体材と、その円環状の粘性流体材内に充填されたサポート材91とで支持部材131を形成しても良い。即ち、粘性流体材を、サポート材91を囲む外枠として形成しても良い。そして、サポート材91を溶融する際に、円環状の粘性流体材の一部に穴を開け、その穴から溶融したサポート材91を外部に排出させても良い。従って、溶融したサポート材91を取り出すための取り出し口を、後から粘性流体材に形成しても良い。
また、本願の硬化性粘性流体77は、紫外線硬化樹脂77A及び金属インク77Bに限らず、光、熱等により硬化する種々の硬化性粘性流体を採用することが可能である。
また、本願の積層造形法は、インクジェット法に限らず、熱溶解積層法などの他の積層造形法でも良い。
70 ステージ、76 インクジェットヘッド(吐出装置)、77A 紫外線硬化樹脂(硬化性粘性流体)、77B 金属インク(導電性材料)、81 サポート材料、91 サポート材、92 柱部(粘性流体材)、95 金属配線、131 支持部材、132 構造物、147 脆弱部、151 粘性流体材。

Claims (6)

  1. 吐出装置からステージの上に硬化性粘性流体を吐出して構造物を形成する際に、前記構造物を支持する支持部材を形成する支持部材の形成方法であって、
    前記支持部材の形成方法が、
    前記吐出装置から前記硬化性粘性流体を吐出する第1吐出工程と、
    吐出した前記硬化性粘性流体を硬化させ、前記ステージと前記構造物とを接続し前記ステージに対して前記構造物を支持する粘性流体材を形成する硬化工程と、
    前記吐出装置からサポート材料を吐出し、前記粘性流体材の少なくとも一部に接触するサポート材を形成し、前記粘性流体材及び前記サポート材を有する前記支持部材を形成する形成工程と、
    を含む、支持部材の形成方法。
  2. 前記第1吐出工程及び前記硬化工程において、
    前記粘性流体材における前記構造物との接続部分に、前記粘性流体材の断面積を小さくした脆弱部を形成する、請求項1に記載の支持部材の形成方法。
  3. 前記第1吐出工程及び前記硬化工程において、
    前記脆弱部を、前記粘性流体材の一部を細くして形成する、請求項2に記載の支持部材の形成方法。
  4. 前記第1吐出工程及び前記硬化工程において、
    前記粘性流体材を、前記ステージから前記構造物に向かって延びる柱状の柱部として形成し、且つ前記柱部を複数形成する、請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の支持部材の形成方法。
  5. 前記形成工程において、
    前記サポート材を、複数の前記柱部の間を埋める部分として形成する、請求項4に記載の支持部材の形成方法。
  6. 請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の支持部材の形成方法により形成した前記支持部材を用いて構造物を形成する構造物の形成方法であって、
    前記吐出装置から導電性材料を吐出する第2吐出工程と、
    吐出された前記導電性材料を焼成し、前記構造物の一部に金属配線を形成する焼成工程と、
    を含む、構造物の形成方法。
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