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技術 サポート及びワーク並びに当該サポートの造形方法

出願人 株式会社松浦機械製作所
発明者 天谷浩一石本孝介
出願日 2016年3月30日 (3年11ヶ月経過) 出願番号 2016-069467
公開日 2017年10月5日 (2年5ヶ月経過) 公開番号 2017-177594
状態 特許登録済
技術分野 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし)
主要キーワード 水平方向断面積 三角錐体 動的設計 四角柱体 三角柱体 造形加工 モデル材 曲率半径ρ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年10月5日)のものです。
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図面 (10)

課題

ワークを下方から支えサポートにつき、必要な素材を節約し得ると共に、ワークからの切断除去が容易であるサポートを提供し、かつワーク及びサポートを効率的に造形し得る造形方法を提供すること。

解決手段

造形加工の対象となるワーク2を下方から支える中空状のサポート1であって、ワーク2と接続する領域の焼結強度を他の領域よりも小さく設定しているサポート1を採用する一方、粉末層形成工程と移動するレーザービーム又は電子ビーム照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形ステムを採用したうえで、上側領域においてワーク2を造形対象物とし、下側領域において上記サポート1を造形対象物とするサポートの造形方法を採用することによって、前記課題を達成すること。

概要

背景

工具等によって加工の対象となるワークを下方から支えサポートは、ワークの形状及び大きさによって、対応する形状及び大きさが相違しており、ワークに対する加工が終了した段階では、ワークから除去され、かつ廃棄処分されている。

然るに、従来技術においては、サポートにおいては基本的に柱状又は筒状の形状が採用され、かつワークを下方から支持するうえで過分な強度による構成が採用されていた。

その結果、廃棄処分を行うためには、複数の工具の使用、又は格別の機械の使用を余儀なくされ、更には多大な労力を必要とする。

のみならず、過分な強度のサポートは、無駄な材料費を要することとなり、製造コスト無意味である。

特許文献1、2においては、インクジェットを伴う光造形によってモデル材及びサポートを造形する方法を提唱している。

このような光造形の場合には、サポートを構成する素材に対し、光の照射の成否を調節することによって、空隙を有するサポートを製造することができる。

しかしながら、特許文献1、2のような従来技術においては、どのような構成による空隙の場合に、効率的な支持が可能であって、かつ必要な素材を節約し得るサポートを実現し得るかにつき、格別の考慮が行われている訳ではない。

しかも、特許文献1、2は、ワーク及びサポートを三次元造形ステムによって効率的に製造することについては、全く考慮されていない。

概要

ワークを下方から支えるサポートにつき、必要な素材を節約し得ると共に、ワークからの切断除去が容易であるサポートを提供し、かつワーク及びサポートを効率的に造形し得る造形方法を提供すること。造形加工の対象となるワーク2を下方から支える中空状のサポート1であって、ワーク2と接続する領域の焼結強度を他の領域よりも小さく設定しているサポート1を採用する一方、粉末層形成工程と移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形システムを採用したうえで、上側領域においてワーク2を造形対象物とし、下側領域において上記サポート1を造形対象物とするサポートの造形方法を採用することによって、前記課題を達成すること。

目的

本発明は、ワークを下方から支えるサポートにつき、効率的な支持を可能とし、かつ必要な素材を節約し得るサポートを提供し、かつワーク及びサポートを効率的に造形し得る造形方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

造形加工の対象となるワークを下方から支え中空状のサポートであって、ワークとの接続領域における焼結強度が他の領域における焼結強度よりも小さい状態にあるサポート。

請求項2

前記中空形状が直線状又は曲線状の柱状体の交差による格子形状であるか、又は壁部によって囲まれた中空状であることを特徴とする請求項1記載のサポート。

請求項3

中空状として、4個の三角形の壁部によって囲まれた三角錐体、6個の四角形の壁部によって囲まれた直方体、3個の壁部に囲まれ、断面が三角形状である三角柱体、4個の壁部に囲まれ、断面が四角形状である四角柱体、6個の壁部によって囲まれ、かつ断面が正六角形であるハニカム形状柱体の何れかであることを特徴とする請求項2記載のサポート。

請求項4

サポートのワークからの切除に際し、作業者手先を挿入するための切込を上端及びその近傍にて水平方向に設けたことを特徴とする請求項1、2、3の何れか一項に記載のサポート。

請求項5

サポートのワークからの切除に際し、一方の切削作動部を挿入するための貫通穴、又は貫通していない溝を上端及びその近傍にて水平方向に設けたことを特徴とする請求項1、2、3の何れか一項に記載のサポート。

請求項6

上端において、ワークを支えるための平坦面又は湾曲面が形成されていることを特徴とする請求項1、2、3、4、5の何れか一項に記載のサポート。

請求項7

粉末層形成工程と移動するレーザービーム又は電子ビーム照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形ステムを採用したうえで、上側領域においてワークを造形対象物とし、下側領域において請求項1、2、3、4、5、6の何れか一項に記載のサポートを造形対象物とするサポートの造形方法

請求項8

ワークの形状及び重量に対応するサポートの各高さ位置における形状をCAMシステム又はCAEシステムによって設計していることを特徴とする請求項7記載のサポートの造形方法。

請求項9

サポートを構成する材料をCAMシステム又はCAEシステムが選択することを特徴とする請求項8記載のサポートの造形方法。

請求項10

請求項4の切込、請求項5のサポートにおける貫通穴、又は貫通していない溝の形状及び位置をCAMシステム又はCAEシステムによって設計していることを特徴とする請求項8記載のサポートの造形方法。

請求項11

サポートの造形領域における各層の焼結の程度が、ワークの造形領域における各層の焼結の程度よりも小さいことを特徴とする請求項7、8、9、10の何れか一項に記載のワーク及びサポートの造形方法。

請求項12

サポートの上端とワークの下端との間に形成される1個又は複数個の粉末層につき、焼結の程度が、サポートの他の下側の造形領域における焼結の程度よりも小さいことを特徴とする請求項7、8、9、10、11の何れか一項に記載のワーク及びサポートの造形方法。

請求項13

サポートの上端とワークの下端との間に形成される複数個の粉末層のうち、一部の粉末層につき焼結を省略することを特徴とする請求項7、8、9、10、11の何れか一項に記載のサポートの造形方法。

技術分野

0001

本発明は、三次元造形ステムによって製造の対象となるワークを支えサポート、及びワーク並びに当該サポートの造形方法に関するものである。

背景技術

0002

工具等によって加工の対象となるワークを下方から支えるサポートは、ワークの形状及び大きさによって、対応する形状及び大きさが相違しており、ワークに対する加工が終了した段階では、ワークから除去され、かつ廃棄処分されている。

0003

然るに、従来技術においては、サポートにおいては基本的に柱状又は筒状の形状が採用され、かつワークを下方から支持するうえで過分な強度による構成が採用されていた。

0004

その結果、廃棄処分を行うためには、複数の工具の使用、又は格別の機械の使用を余儀なくされ、更には多大な労力を必要とする。

0005

のみならず、過分な強度のサポートは、無駄な材料費を要することとなり、製造コスト無意味である。

0006

特許文献1、2においては、インクジェットを伴う光造形によってモデル材及びサポートを造形する方法を提唱している。

0007

このような光造形の場合には、サポートを構成する素材に対し、光の照射の成否を調節することによって、空隙を有するサポートを製造することができる。

0008

しかしながら、特許文献1、2のような従来技術においては、どのような構成による空隙の場合に、効率的な支持が可能であって、かつ必要な素材を節約し得るサポートを実現し得るかにつき、格別の考慮が行われている訳ではない。

0009

しかも、特許文献1、2は、ワーク及びサポートを三次元造形システムによって効率的に製造することについては、全く考慮されていない。

先行技術

0010

特開2012−111226号公報
特開2015−227057号公報

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は、ワークを下方から支えるサポートにつき、効率的な支持を可能とし、かつ必要な素材を節約し得るサポートを提供し、かつワーク及びサポートを効率的に造形し得る造形方法を提供することを課題としている。

課題を解決するための手段

0012

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
(1)造形加工の対象となるワークを下方から支える中空状のサポートであって、ワークとの接続領域における焼結強度が他の領域における焼結強度よりも小さい状態にあるサポート、
(2)粉末層形成工程と移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形システムを採用したうえで、上側領域においてワークを造形対象物とし、下側領域において前記(1)のサポートを造形対象物とするサポートの造形方法、
からなる。

発明の効果

0013

基本構成(1)においては、サポートが中空状であることによって、ワークの荷重を略均一状態に分布させ、ひいては、上記荷重の負担と素材の節約とを両立させることができる。
しかも、ワークと接触する領域の焼結強度が他の領域よりも小さいことから、ワークとの切断を容易に実現することができる。

0014

基本構成(2)においては、三次元造形システムを採用したうえで、ワークと基本構成(1)のサポートを一挙に造形するという効率的な作業を実現することができる。

図面の簡単な説明

0015

基本構成(1)のサポートの中空状として、格子形状を採用した実施形態を示す側断面図であって、(a)は、各格子が上下方向に対して斜交する格子形状の場合を示しており、(b)は、一部が上下方向と一致しており、残部が当該方向と直交している格子形状の場合を示し、(c)は、各格子が下端において垂直方向であり、順次湾曲することによって、上端において水平方向となるような格子形状の場合を示す。

図1(d)、(e)は、基本構成(1)のサポートの壁部に囲まれた中空状として、4個の三角形の壁部に囲まれた三角錐体、及び6個の四角形の壁部に囲まれた直方体を採用した実施形態を示す側断面図及び平面図であって、(d)は、三角錐体の場合を示しており、(e)は、直方体の場合を示す。尚、点線で囲まれた領域は、ワークを示す。

図1(f)、(g)は、基本構成(1)のサポートの壁部に囲まれた中空状として、6個の壁部によって囲まれ、かつ断面が正六角形であるハニカム形状柱体を採用した実施形態を示す側断面図及び水平方向平面図であって、(f)は、ハニカム形状柱体の断面積が上下方向に沿って同一である場合を示しており、(g)は、上記断面積が下方に沿って順次大きくなるように設計された場合を示す。尚、点線で囲まれた領域は、ワークを示す。
基本構成(1)のサポートのうち、上端にワークを支える面を形成した実施形態を示す鉛直方向断面図であって、(a)は格子形状サポートの上端に平坦面を形成した場合を示し、(b)はハニカム形状柱体の上端に湾曲面を形成した場合を示す。
基本構成(2)の造形方法のうち、格子形状のサポートを造形する実施形態を示す側断面図である。 尚、点線は、コントローラから各作動部に対する制御情報伝達状態を示す。

0016

基本構成(1)は、サポート1が中空状であることを基本的前提としており、このような前提によって、ワーク2の荷重の略均一な分布と、素材の節約との両立を実現している。
中空状の典型例は、直線状又は曲線状の柱状体の構成による格子形状が採用されるが、当該格子形状の場合には、図1(a)、(b)、(c)に示すように、通常、均一の太さによる実施形態を採用している。

0017

上記実施形態の場合には、各領域における断面積が変化しないことから、太さが均一でない場合のように、断面積の小さい部分に歪が集中することによる破壊を避けるため、当該小さい部分を所定の太さとすることによって、その余の領域が無意味かつ不要な太さを形成するという素材上の無駄な使用を免れることができる。

0018

他の中空形状の形態として、壁部に囲まれた中空状を採用することができるが、そのような壁部に囲まれた実施形態の典型例のうち、中空状として、図1(d)に示すような4個の三角形の壁部によって囲まれた三角錐体、図1(e)に示すような6個の四角形の壁部によって囲まれた直方体を選択し、かつ採用することができる。
更には、3個の壁部に囲まれ、断面が三角形状である三角柱体(図示せず)、4個の壁部に囲まれ、断面が四角形状である四角柱体(図示せず)、及び図1(f)、(g)に示すような6個の壁部によって囲まれ、かつ断面が正六角形であるハニカム形状柱体を選択し、かつ採用することができる。

0019

前記各実施形態の場合には、図1(d)、(e)、(f)、(g)に示すように、壁部を均一の厚みに設定しており、均一の厚みでない場合のように、厚みの小さい部分に歪みが集中することによる破壊を避けるため、厚みが小さい部分を所定の厚みとすることによって、その余の領域が無意味かつ不要な厚みを形成するという素材上の無駄を避けることができる。
尚、図1(g)に示すように、下側となるに従って水平方向断面積が順次大きくなる実施形態の場合には、ワーク2を支える位置が高い場合であっても、サポート1の転倒を防止することができ、この点は、図1(g)のようなハニカム形状柱体の場合だけでなく、図1(a)、(b)、(c)の格子状、図1(d)の三角錐体、及び図1(e)の直方体、更には前記三角柱体、及び四角柱体においても同様である。

0020

図1(a)は、各格子がワーク2を支える方向に沿った上下方向に対し、斜方向に設定されていることを特徴とする実施形態の状態を示す。
尚、図1(a)に示すように、水平方向端部には、各格子と交差する垂直方向の格子を設定し、下端部には、各格子と交差する水平方向の格子を設けることによって、ワーク2に対する安定した支持を実現することも可能であり、この点は、図1(c)に示す実施形態の場合においても同様である。

0021

上下方向に対し斜交する格子形状の場合には、ワーク2の荷重を原因として格子形状の各断面に曲げモーメントMが発生するが、曲げモーメントMによって曲がった場合の曲率半径をρとした場合には、

0022

(但し、E:縦弾性係数、即ちヤング率、I:断面の二次モーメント
という基本的な一般式成立する。

0023

上記一般式からも明らかなように、曲率半径ρを大きくすることによって変形を少なくするためには、ヤング率Eが大きく、かつ二次モーメントIが大きい断面形状(具体的には、断面円形状)の素材を選択するとよい。

0024

上記素材については、各ワーク2に対応する格子形状のサポート1に即した具体的な実験において、サポート1が破壊しないだけでなく、殆ど変形しないという基準によって選択されることになる。

0025

図1(b)は、各格子の一部がワーク2を支える方向に沿った上下方向と一致しており、残部が上記上下方向と直交していることを特徴とする実施形態の状態を示す。

0026

上記実施形態において、各格子形状の断面に対して作用するワーク2の荷重をFとし、かつ当該格子形状の断面の上端において、上下方向に偏位する長さをxとした場合には、

0027

(但し、S:断面積、E:ヤング率、L:サポートの上下方向における長さ)
という基本的な一般式が成立する。

0028

上記一般式からも明らかなように、変形の度合いを示すxを少なくするためには、所定の断面積Sの下に、ヤング率の高い素材を選択するとよい。

0029

図1(c)は、各格子が下端において垂直方向であり、順次湾曲することによって、上端において水平方向となるように設定された実施形態を示す。

0030

上記実施形態においては、下端部及びその近傍においては、前記[数2]の一般式による偏位が生じており、その余の領域は、前記[数1]の一般式による曲げモーメントMが発生していることに帰する。

0031

上記実施形態の場合には、下端部及びその近傍においてサポート1が耐押圧状態にてワーク2を支持する一方、上端部においては、水平方向の格子によってワーク2を安定した状態にて支持することができる。

0032

上記素材については、各ワーク2に対応する格子形状のサポート1に即した具体的な実験において、サポート1が破壊しないだけでなく、殆ど変形しないという基準によって選択されることになる。

0033

図1(d)、(e)、(f)、(g)に示すような壁部に囲まれた実施形態、及び図示されていないが、同様に壁部に囲まれた実施形態の何れにおいても、前記[数2]の一般式による荷重Fと偏位長さxとの関係が成立することから、当該一般式を考慮したうえで、適切な壁部の素材を選択することになる。

0034

基本構成(1)においては、サポート1の除去の便宜を考慮し、図1(a)、(e)、(f)に示すように、サポート1のワーク2からの切除に際し、作業者手先を挿入するための切込11を格子形状の上端及びその近傍にて水平方向に設けたことを特徴とする実施形態を採用することができる。

0035

上記実施形態の場合には、作業者においては、自らの手先を切込11中に挿入することによって、サポート1をワーク2から円滑に除去することが可能となる。

0036

同様に、基本構成(1)においては、サポート1のワーク2からの切断の便宜を考慮し、図1(d)、(g)に示すように、サポート1のワーク2からの切除に際し、一方の切削作動部を挿入するための貫通穴12、又は貫通していない溝13を上端及びその近傍にて水平方向に設けたことを特徴とする実施形態を採用することができる(尚、図1(d)、(g)においては、白印の領域によって貫通穴12の状態を示しており、黒印の領域によって貫通していない溝13の状態を示す。)。

0037

上記実施形態の場合には、作業者においては、切削工具の先端における切削部を貫通穴12又は貫通していない溝13に挿入することによって、サポート1をワーク2からの切削を速やかに実現することが可能となる。

0038

貫通穴12及び貫通していない溝13の介在は、ワーク2の荷重の支持に支障が生じない程度であることを必要とするが、貫通穴12の大きさ及び数、並びに貫通していない溝13の深さ、数及びその範囲は、試行錯誤を伴った実験によって確認する以外にない。

0039

基本構成(1)において、サポート1の上端まで格子形状が延長している場合には、ワーク2の支持が不安定である場合がある。

0040

このような状況を考慮し、基本構成(1)においては、図2(a)又は(b)に示すように、格子形状の上端において、ワーク2を支えるための平坦面又は湾曲面14が形成されていることを特徴とする実施形態を採用することができる。

0041

上記平坦面又は湾曲面14にワーク2を配置した場合には、ワーク2を安定した状態にてサポート1が支持することになる。

0042

基本構成(2)の造形方法においては、図3に示すように、三次元造形システムを採用したうえで、上側領域にてワーク2を造形し、下側領域にて基本構成(1)のサポート1を造形している。

0043

上記三次元造形システムにおいては、通常の三次元造形システムの場合と同様に、レーザービーム又は電子ビームの供給源5、スキャナ6、粉末供給用具7、スキージ8、テーブル9、コントローラ10を不可欠の構成要素として採用している。

0044

上記造形に際し、通常、ワーク2の形状及び荷重に対応するサポート1の各高さ位置における形状をCAMシステム又はCAEシステムによって設計している。

0045

CAMシステム又はCAEシステムによる上記形状を具体的に設計する場合には、過去の蓄積したデータに基づいて、所定のワーク2の形状及び荷重に対応して、どのような形状が最も適切かを選択することになる。
但し、ワーク2の新たな形状又は荷重に対応して、各高さ位置における形状を設計する場合には、過去に蓄積したワーク2の形状又は荷重のデータのうち、最も近いデータ及び当該データに対応するサポート1の各高さ位置の形状を選択したうえで、双方のデータの比率に即して、上記のように選択した各高さ位置の形状の寸法について按分比例計算による修正を行うプログラムを採用することによって、上記の自動的設計推進することができる。
尚、図1(a)、(e)、(f)に示す切込11及び図1(d)、(g)に示す貫通穴12又は貫通していない溝13についても、CAMシステム又はCAEシステムによって設計する実施形態もまた当然採用可能である。

0046

このように、CAD及びCAMシステムを採用した基本構成(2)においては、極めて効率的なサポート1の造形を実現することができる。

0047

ワーク2を構成する素材について、当該ワーク2の機能に応じて選択することが要求されると同様に、サポート1についても、ワーク2に対する支持状態として、適切な素材を選択することが好ましい。

0048

基本構成(2)においては、サポート1の太さ、各高さ位置における方向に対応して、適切な素材を選択することも可能である。

0049

サポート1とワーク2は、必要な素材としての性状は、当然相違している。
即ち、単位体積当たりの必要な強度は、サポート1の方がワーク2の場合よりも少なくて済むことから、サポート1における焼結の程度がワーク2における焼結の程度よりも小さいことを特徴とする実施形態を採用することができる。

0050

このように、異なる焼結の程度を実現するための具体的な方法としては、
(1)積層の各単位4において、サポート1の厚みをワーク2の厚みよりも大きく設定する方法、
(2)積層単位4の厚みを同一にしたうえで、サポート1における単位面積当たりのレーザービーム又は電子ビームの照射量をワーク2よりも小さく設定する方法、
(3)積層単位4の厚み及び単位面積当たりの照射量を同一に設定したうえで、サポート1の場合には、複数個毎に照射するのに対し、ワーク2の場合には、一個毎に照射する方法、
を選択することができる。

0051

このような選択に基づき、基本構成(2)においては、サポート1につき、ワーク2ほどの強固な程度による焼結を不要とする状態を選択することができ、効率的な製造を実現することが可能となる。

0052

以下、実施例に即して説明する。

0053

実施例1は、サポート1の上端とワーク2の下端との間に形成される1個又は複数個の粉末層につき、焼結の程度が、サポート1の他の下側の造形領域における焼結の程度よりも小さいことを特徴としている。

0054

このような特徴を有する実施例1においては、サポート1及びワーク2の双方を造形する一工程が終了した段階では、双方の間にサポート1の焼結の程度よりも小さな焼結の程度の領域が形成され、双方を容易に分離することが可能となる。

0055

上記のような小さい焼結の程度として、必要にして十分な状態とは、ワーク2の加工に際し振動が生じても、ワーク2とサポート1とが分離せずに辛うじて結合を維持し得る程度の焼結状態である。

0056

このような焼結状態の設定基準については、各ワーク2とサポート1との組み合わせに即して、試行錯誤を伴う実験の蓄積によって確認する以外にない。

0057

実施例2は、上記特徴を最終的に実現するためには、サポート1の上端とワーク2の下端との間に複数個の粉末層を形成したうえで、このうちの一部の粉末層につき、焼結を省略することを特徴としている。

0058

一部の粉末層につき、焼結を省略したとしても、他の領域の焼結によって、当該焼結を省略した一部の粉末層同士の結合を維持することができるが、当該結合の程度は、本来の焼結が行われた場合に比し極めて微小である。

0059

その結果、実施例2においても、サポート1とワーク2との双方を容易に分離することが可能となる。

実施例

0060

サポート1とワーク2との結合状態を維持しながら、容易に分離することを可能とするような一部の粉末層における焼結の省略の程度の領域範囲もまた、試行錯誤を伴う実験の蓄積によって確認する以外にない。

0061

このように、本発明は、ワークを支持するサポートにつき、必要な強度と経済コストとの両立を実現する一方、ワークとサポートの双方につき効率的な製造条件を実現しており、工作機械の分野における利用価値は絶大である。

0062

1サポート
11 切込
12貫通穴
13 貫通していない溝
14平坦面又は湾曲面
2 ワーク
コンテナ
4粉末層による積層単位
5レーザービーム又は電子ビームの供給源
6スキャナ
7粉末供給用具
8スキージ
9 テーブル
10 コントローラ

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