本發(fā)明的領(lǐng)域為制造3d機電一體化物體，其作為組件包括：

-傳感器(力量傳感器、壓力傳感器、彎曲傳感器等)和/或執(zhí)行裝置(振動器、轉(zhuǎn)換器等)，

-連接到傳感器和/或執(zhí)行裝置并且提供有導(dǎo)電通道的電子線路，

位于主機械結(jié)構(gòu)中的各種元件。

背景技術(shù)：

最常見的實施用于制造3d機電一體化物體的解決方案在于：

-一方面，基于多種材料(介質(zhì)材料、導(dǎo)電材料等)在平面基底上制造傳感器和/或執(zhí)行裝置；

-另一方面，制造用于容納傳感器和/或執(zhí)行裝置的機械結(jié)構(gòu)并且在該機械結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)相應(yīng)的電子線路。

-通過將傳感器和/或執(zhí)行裝置轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)中來裝配所述兩個元件并且將元件連接到電子線路中。

今天，增材制造(或者3d打印)技術(shù)通過增加材料使得完整的3d物體能夠?qū)崿F(xiàn)。目前存在多種方法用于控制機械性能(例如材料密度、材料類型)或者所打印的物體的外觀(例如整體的或者局部的顏色、紋理)。然而，所述這些方法僅能實現(xiàn)沒有能力來感知周圍環(huán)境或者與周圍環(huán)境相互影響的被動物體。

噴墨3d打印技術(shù)的存在用于打印多種電子元件例如電容、場效應(yīng)晶體管、光電管、有機發(fā)光二極管甚至有機發(fā)光二極管(oled)屏幕。為了實現(xiàn)需要柔性基底或者大尺寸基底的電路，例如為了打印柔性的主動矩陣有機發(fā)光二極管(amoled)屏幕，連續(xù)打印技術(shù)或者旋轉(zhuǎn)3d打印技術(shù)(柔性版印刷、輪轉(zhuǎn)影印、卷繞對位技術(shù)等)也在處于研究中。

所述多種打印技術(shù)的發(fā)展因為有機電子學(xué)的出現(xiàn)而成為可能。該電子學(xué)的分支使用基于碳化學(xué)聚合物成分的導(dǎo)電或者半導(dǎo)電材料。該電子學(xué)分支是相當(dāng)新的，因為第一個導(dǎo)電聚合物在1977年研制出(heeger,macdiarmid,shirakawa因此獲得了2000年諾貝爾化學(xué)獎)并且第一個使用所述材料的電子元件出現(xiàn)在80年代中期：有機場效應(yīng)晶體管(mitsubishi,1986)；有機發(fā)光二極管(kodak,1987)。今天，有機電子使得人們能夠?qū)崿F(xiàn)許多電子元件，從基于有機晶體三極管(ofet)的電化學(xué)生物傳感器，例如ph或者酶傳感器，到基于電活性聚合物(eaps)的執(zhí)行裝置，例如人工肌肉或者觸覺震動執(zhí)行裝置。然而，所述成就使用基礎(chǔ)的制造方法，基本元件(電極，連接器等)通過該方法分別地實現(xiàn)，然后再組裝以形成整體的電子元件。

目前有多個關(guān)注實現(xiàn)某種電子元件的增材制造技術(shù)的利用的研究。然而，這些方法僅僅在平面基底上實現(xiàn)元件或者需要額外組裝操作的元件。

本發(fā)明的目的是克服所述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

所述方法首先基于：

-材料的特別選擇；涉及表現(xiàn)出不同機械、電氣以及電活性性能的聚合物材料。

-基于物體的機電一體化功能、聚合物的性能以及技術(shù)或者人為因素的3d物體模型的自動生成。

-3d打印利用熔融沉積成型(fdm,熔融沉積成型的首字母縮略詞)，其根據(jù)生成的模型來沉積所選擇的聚合物以在相同的成型步驟中制造3d物體，例如，物體的不同元件(傳感器、執(zhí)行裝置、電子線路、填料等)。

更具體的，本發(fā)明的主題是制造具有預(yù)定的機電一體化功能的3d機電一體化物體的方法，其作為元件包括至少一個傳感器和/或一個執(zhí)行裝置，經(jīng)由導(dǎo)電通道連接到傳感器和/或執(zhí)行裝置的電子線路，所述元件位于主機械結(jié)構(gòu)中；所述機電一體化物體包括多種具有不同電子和/或電活性性能的聚合物。所述方法的主要特征在于其包括如下步驟：

-根據(jù)所述聚合物的熔化溫度、化學(xué)相容性、電氣的和/或電活性性能來確定所述聚合物；

-基于物體的預(yù)定的機電一體化功能、所述聚合物的性能以及物體的規(guī)格來確定物體的3d數(shù)字模型，包括其形狀和通道路由；

-根據(jù)生成的模型在相同的成型步驟中通過沉積出熔化聚合物的層，3d打印出傳感器和/或執(zhí)行裝置、電子線路以及主結(jié)構(gòu)，這里，某些層由多種聚合物制成，層的沉積通過至少一個指定用于基礎(chǔ)聚合物并且連接到摻雜裝置的頭來實現(xiàn)，該摻雜裝置能夠通過間隙摻雜的方式向基礎(chǔ)聚合物中注入帶電顆粒以獲得不同的聚合物。

所述方法允許：

-實現(xiàn)不依靠組裝操作并且因此不具有組裝所固有缺陷(密封性、使用期限和接口的膨脹控制)的完整的機電一體化物體；

-通過不同計劃，最優(yōu)地集成元件：

·空間的：減少體積；

·機械的：執(zhí)行裝置/傳感器嵌入在結(jié)構(gòu)中，改進的熱機械傳遞/接觸；

·電氣的：最優(yōu)的電子路由，具有3d結(jié)構(gòu)的電子線路；

-根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能，簡單定制機電一體化物體；

-從幾分鐘到幾小時的非常短的制造時間；

-使用便宜材料(可能摻入的聚合物)。

融化的聚合物層可以通過多個沉積頭來沉積，每個頭用于不同的聚合物。例如，至少一個頭用于介電聚合物并且至少另一個頭用于導(dǎo)電聚合物。

本發(fā)明還涉及包含代碼指令的計算機程序，該代碼指令使得當(dāng)所述程序在計算機上運行時能夠執(zhí)行所述方法的步驟。

附圖說明

通過閱讀以下作為非限制性示例并且參照所附附圖給出的具體描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得明顯，在所述附圖中：

圖1圖示地說明了應(yīng)用于電子聚合物(圖1a)和離子聚合物(圖1b)的電場所引起的尺寸的變化。

圖2圖示地展示了連接到摻雜裝置的沉積頭。

從一個示意圖到另一個示意圖，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元素。

具體實施方式

要制造的3d機電一體化物體由其機電一體化功能來定義，所述機電一體化功能通過元件來實施，例如傳感器和/或執(zhí)行裝置，電子線路以及包括具有不同電子或者機電性能的多種聚合物的主機械結(jié)構(gòu)。主機械結(jié)構(gòu)可以包括能夠控制的連接器。

制造該物體的方法包括如下步驟：

-根據(jù)聚合物的性能(例如熔化溫度、化學(xué)相容性、電氣性能或者機電性能)來確定用于制造該物體的聚合物；

-確定物體的3d數(shù)字模型，特別是其形狀、電通道的路由以及機電一體化元件的結(jié)構(gòu)和組成。模型的定義要考慮物體的預(yù)定的機電一體化功能、聚合物的性能以及物體的預(yù)定的規(guī)格。

-通過將熔融材料沉積為層，在相同的成型步驟中3d出打印傳感器和/或執(zhí)行裝置、電子線路以及主結(jié)構(gòu)，某些層由多個聚合物構(gòu)成。

該方法基于聚合物的使用。所述材料是優(yōu)越的因為其重量輕，可以在低溫合成，在工業(yè)范圍內(nèi)易于使用，便宜并且適合于熔融沉積成型。

聚合物首先因為其介電性能而被熟知。研究顯示出某些聚合物的導(dǎo)電的能力。在過去的數(shù)十年中看到被稱為“智能材料”的聚合物的出現(xiàn)。在物理刺激(例如燈光、酸度、加熱、磁場或者電場)的影響下，這些聚合物顯示出不同的行為，例如機械的或者電致發(fā)光的行為。至于對電場的反應(yīng)，涉及電活性聚合物。這些聚合物能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機械能，例如通過變形(彎曲、壓縮、膨脹等)。該性能適合于實現(xiàn)多種機電換能器，例如執(zhí)行裝置或者傳感器。

不同的性能(絕緣、導(dǎo)電、機電換能)用于實現(xiàn)機電一體化物體的多種被動的和主動的元件。

在所述方法中使用的主要的三類聚合物為：

-介電聚合物；

-導(dǎo)電聚合物；

-電活性聚合物。

i)介電聚合物

介電聚合物為熱塑材料，其用于構(gòu)造物體的主機械結(jié)構(gòu)并且在不同的電子元件和結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)中充當(dāng)絕緣體。表現(xiàn)不同的物理性能的熱塑材料存在大范圍的變化。材料的選擇取決于希望給予物體或者物體的某些部分或者物體的元件的性能，例如：

·介電性能(元件載體、絕緣體/電容器、元件外殼等)：介電強度、損耗角、靜電等。

·整體機械性能(機械組織)和局部機械性能(輸入/接觸區(qū)域、力量/彎曲傳感器、機械傳遞等)：體積密度、硬度、柔韌性、彈性、抗壓力/彎曲/扭曲等。

·熱性能：熱容量、熱導(dǎo)率等。

·生物學(xué)性能：化學(xué)惰性/反應(yīng)，毒性等。

·視覺性能：透明度/不透明度，顏色，光澤度/粗糙度等。

·人體工程學(xué)性能：接觸舒適度、表面粗糙度、紋理等。

另一個引導(dǎo)材料選擇的重點為：介電聚合物的熔點和物體的制造中所包含的其他聚合物(導(dǎo)電聚合物，機電聚合物等)的熔點。特別地，必須使用具有相似熔點的材料以便不會熔化與沉積的材料相接觸的已經(jīng)打印的部分。

下面的表格顯示出一些適合于熔融沉積3d打印的介電聚合物。

ii)導(dǎo)電聚合物

導(dǎo)電材料參與機電一體化物體的不同元件的實現(xiàn)：

-導(dǎo)電通道和元件的連接器

-電子元件：電容電極、電阻、電感線等。

-換能器

·機械換能器(傳感器)：接觸傳感器、壓力傳感器、彎曲傳感器等

·熱換能器(執(zhí)行裝置)：加熱元件

-熱導(dǎo)體：熱刺激，冷卻等。

有兩種主要類型的導(dǎo)電聚合物：

a)本征導(dǎo)電聚合物(pci)，其導(dǎo)電性必須通過摻雜給電子體或者受主原子(化學(xué)摻雜，電化學(xué)摻雜等)來提高。目前，在顯示出良好的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的機械性能的摻雜的本征導(dǎo)電聚合物中，我們可以引用：聚對苯、聚噻吩、聚吡咯或者聚苯胺。然而，這些材料不適合于熔融沉積成型，因為熔化溫度部分地或者完全地改變了其電氣或者機械性能。

b)間隙摻雜導(dǎo)電聚合物：其為復(fù)合聚合物，包括為了提高復(fù)合聚合物的導(dǎo)電性而摻雜了導(dǎo)電填料的非傳導(dǎo)性聚合物。摻雜在于向液體狀態(tài)的介電聚合物加入帶電顆粒。在摻雜期間或者在摻雜后，兩種材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。復(fù)合聚合物的機械性能接近于非傳導(dǎo)性聚合物的機械性能，并且其電氣性能接近于導(dǎo)電填料的電氣性能。必須使用適合熔融沉積成型的溫度的材料用于非傳導(dǎo)性聚合物和導(dǎo)電填料。降解溫度，即熔點是有必要的。

復(fù)合聚合物的導(dǎo)電性的產(chǎn)生取決于：

-導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性；

-導(dǎo)電填料在聚合物基體中的比例；

-導(dǎo)電填料的形狀；

-導(dǎo)電填料的空間分布；

-聚合物/導(dǎo)電填料結(jié)構(gòu)和電氣的相互作用。

根據(jù)導(dǎo)電填料的形狀和分布，可以定義“填料因子”(f),其表示復(fù)合材料中填料的體積比例。

vchar:填料所占據(jù)的體積

vcom:復(fù)合材料所占據(jù)的體積

該因子f定義復(fù)合材料的多種性能和參數(shù)：

-導(dǎo)電性(s/m)

-滲流閾值

-機械性能

-熱性能。

下面的表格顯示了導(dǎo)電填料的一些類型和所產(chǎn)生的復(fù)合聚合物的一些性能：

也可以使用其他類型的導(dǎo)電填料：

-金屬纖維

-金屬化的礦物顆粒

-本征導(dǎo)電聚合物顆粒。

除了控制復(fù)合聚合物的導(dǎo)電性，導(dǎo)電填料的材料還可以影響復(fù)合聚合物的某些機械性能或者熱性能并且使其更結(jié)實(碳纖維)或者使其成為更好的熱導(dǎo)體(金屬填料)。導(dǎo)電填料的材料還可以提供給復(fù)合聚合物新的功能(見下文的電活性)，例如壓電效應(yīng)(陶瓷)或者壓電電阻效應(yīng)(炭黑)。

iii)電活性聚合物

該材料可以實現(xiàn)電活性元件，該電活性元件是特別需要提供給要制造的具有機械感知和執(zhí)行能力的物體的?？梢詫崿F(xiàn)兩大類型元件：

1)傳感器(接觸傳感器，壓力傳感器等)；和/或

2)執(zhí)行裝置(觸覺震動執(zhí)行裝置、彎曲執(zhí)行裝置、線性執(zhí)行裝置等)。

根據(jù)本發(fā)明的方法特別地使用電活性聚合物(eaps)作為機電換能器。輕的并且柔性的聚合物可以通過改變尺寸和形狀來響應(yīng)電刺激(執(zhí)行裝置模式)。也可以在機械應(yīng)變的作用下將電活性聚合物極化(傳感器模式)。

有兩種主要類型的電活性聚合物：電子類型和離子類型。

a)電子聚合物(電子eaps)由外部電場激活。通常，電子聚合物位于兩個電極之間(例如基于導(dǎo)電聚合物)，以便在其中應(yīng)用電場，例如為了測量其極化或者電壓。電場使得電子聚合物受到電極化所產(chǎn)生的力(內(nèi)力)并且受到施加在電極上的庫侖力(外力)。所述兩種力導(dǎo)致尺寸的變化(橫向收縮＝>縱向擴張)，如圖1a所示。

電子聚合物類型包括顯示出不同內(nèi)在電氣性能和激活過程的子類型。

-鐵電聚合物

-駐極體

-介電彈性體

-接枝電致伸縮彈性體(elastomèreélectrostrictifgreffé)

-電活性紙(papierélectroactif)

-電粘彈性彈性體(elastomèreélectroviscoélastique)

-液晶彈性體lce(liquidcristalelastomer)

b)離子聚合物(離子eaps)是基于電場所引起的離子材料或者分子材料中的擴散的。該離子擴散或者分子擴散引起材料尺寸上的變化(電極的收縮/擴張＝>整體結(jié)構(gòu)的彎曲)如圖1b所示。使用此類聚合物的執(zhí)行裝置包括兩個由固體(或者液體)聚合物電解質(zhì)相分離的電極，在兩個電極之間應(yīng)用電壓(例如基于導(dǎo)電聚合物)。

離子聚合物類型也包括利用不同物理或者化學(xué)原理的子類型。

-離子凝膠

-離子復(fù)合材料(異丙基氯化汞(ipmc))

-離子導(dǎo)電聚合物(cp)

-碳納米管

-電流變液。

所述兩種電活性聚合物的類型顯示出不同的機電性能，其決定了電活性聚合物的性能：

-機電耦合系數(shù)，其顯示了將電能轉(zhuǎn)化為機械能的能力；

-激活電場，其為促使尺寸改變的最小電場；

-最大形變，其顯示了(縱向)尺寸上的最大變化；

-聚合物能夠應(yīng)用的最大壓力；

-楊氏模量，其顯示了材料的剛度/彈性；

-能量密度，其顯示了材料的每周期和每單位體積的最大機械能；

-響應(yīng)時間；

-使用期限。

下面的表格總結(jié)了每個類型的主要優(yōu)點和缺點。

下面的表格為電活性聚合物的每個種類型和部分電活性聚合物子類型提供了適合熔融沉積成型的材料示例。

用于實現(xiàn)電極的材料的選擇也很重要。為了提供在用于電場的最優(yōu)化應(yīng)用的導(dǎo)電性與伴隨機電一體化聚合物的尺寸變化所需要的彈性之間的最佳折中，我們使用摻雜了導(dǎo)電填料的彈性體聚合物(參看導(dǎo)電聚合物章節(jié))。

例如，可以利用位于兩個用hdpe聚合物實現(xiàn)的導(dǎo)電電極之間的afc或者mfc聚合物來實現(xiàn)觸摸執(zhí)行裝置(振動器)。

一旦在制造過程中要用的聚合物被選擇，下一步即為通過軟件自動生成3d物體模型。

模型的產(chǎn)生基于：

-預(yù)定的要實現(xiàn)的物體的機電一體化功能；

-聚合物的選擇；以及

-用戶以用戶界面的方式來輸入的基本規(guī)格。用戶輸入的基本信息的類型：手環(huán)、觸覺震動、手腕的尺寸等。

軟件然后負責(zé)建議主機械結(jié)構(gòu)以及計算電子線路和其他元件的尺寸并且定位電子線路和其他元件。

元件尺寸的測定與所使用的聚合物的機械、電氣、和電活性性能，人為因素(精神物理因素，感覺閾值等)以及用戶所規(guī)定的功能有關(guān)。

物體制造過程中多種電子元件的同時使用，要求電通道的最佳路由。除了電氣性能，軟件也考慮物體的機械和結(jié)構(gòu)性能(彎曲點，剛度等)。

設(shè)計軟件經(jīng)過下面的流程：

-通過考慮工效學(xué)因素來定位執(zhí)行裝置/傳感器：物體的外部結(jié)構(gòu)(手環(huán)，要扣緊的物體等)，用戶的形態(tài)(身高，體型等)，刺激區(qū)域，敏感度(觸摸)，相對的和絕對的知覺閾值等。

-通過考慮精神物理和機電因素來測定執(zhí)行裝置/傳感器的尺寸；

-通過考慮機械的、機電的和工效學(xué)因素來測定主機械結(jié)構(gòu)的尺寸和塑造主機械結(jié)構(gòu)：機械和熱傳遞，形變/振動強度，結(jié)構(gòu)整合等。

-通過考慮電子和電氣因素來選擇電路由：通道/電極的導(dǎo)電性、通道之間的影響、電通道的路由選擇。

例如，為了給手環(huán)增加觸覺震動功能，軟件考慮最小的并且相對于手腕的觸覺感知閾值。根據(jù)閾值，軟件確定振動元件所應(yīng)該應(yīng)用的感知強度。軟件然后測定中間聚合物(如圖1a和1b所示放置于電極之間的聚合物)的尺寸，例如afc或者mfc，以及刺激電極以產(chǎn)生需要的壓力。然后將整體自動放置在手環(huán)的內(nèi)表面以便與用戶的手臂相接觸。

為了給小物體增加觸覺壓力傳感器，所述軟件考慮所應(yīng)用的接觸位置和力量范圍以便利用壓電導(dǎo)電聚合物(hdpe或pmma)在物體表面上生成2d圖案。圖案的變形導(dǎo)致導(dǎo)體電阻率的變化，該電阻率允許測量作用力。

因此而獲得的3d物體的模型發(fā)送到特殊的打印機，該打印機將其切片并且將聚合物逐層沉積以獲得最終的3d物體。根據(jù)本發(fā)明，某些層包括如圖2所示的多種聚合物(摻雜區(qū)域，無摻雜區(qū)域)并且可以是有縫隙的(表面不是完全覆蓋的)。

3d打印利用熔融沉積成型(fdm)。值得一提的是成型過程在于熔化聚合物纖維以續(xù)供到溫度加熱到160℃至270℃之間的沉積頭(或者噴嘴或者擠壓器)。直徑大約為0.1毫米的熔化的聚合物的細流由此輸出。該細流沉積為線并且通過再次熔化結(jié)合在先前的沉積物上面。

可以利用兩個熔融沉積策略來實現(xiàn)機電物體。

第一個沉積策略在于利用常見的熔融沉積成型3d打印機，但是使用多個沉積頭(也稱為噴嘴)而不是只有一個，每個頭用于不同聚合物的沉積。兩個沉積頭中最小的一個需要沉積導(dǎo)電材料和絕熱材料。該配置可以實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)和被動元件(導(dǎo)電通道，電阻式壓力傳感器/接觸傳感器等)。另一個沉積頭的增加允許沉積電活性聚合物以實現(xiàn)主動換能器例如觸覺震動執(zhí)行裝置或者彎曲執(zhí)行裝置。每個沉積頭的運行溫度取決于沉積的聚合物的熔點。因此必須選擇一組具有相似熔點的聚合物(介電的、導(dǎo)電的和電活性的聚合物)。

第二個沉積策略在于利用基礎(chǔ)模版(即基礎(chǔ)介電聚合物)并且在沉積時用帶電顆粒將其填充。根據(jù)注入顆粒的本性，聚合物獲得各種導(dǎo)電或者機電性能。該方法使得更好地控制了摻雜過程并且因此更好地控制了沉積材料的電氣(電導(dǎo)率、電阻率)、機械(剛度/彈性)、熱(傳導(dǎo)性)以及機電性能(機電耦合系數(shù)等)。該方法的優(yōu)點是利用相同的基礎(chǔ)聚合物以實現(xiàn)物體的整體，其可以避免化學(xué)相容性以及不同聚合物之間的不同熔點的問題。特別地，相對于摻雜物的機械性能，基礎(chǔ)聚合物的機械性能保持優(yōu)勢。

為此，我們使用裝備有沉積頭的熔融沉積成型3d打印機。單獨的沉積頭1在測量中是足夠的，在該測量中沉積頭1與如圖2所示的用顆粒摻雜或者填充的裝置2相連接；其為間隙摻雜以便在相同的層上獲得不同的聚合物。該裝置為位于主沉積頭的加熱裝置的前面或者后面的顆粒的噴頭(例如利用壓力)。

可以使用連接到各自的摻雜裝置的多種摻雜頭以便注入不同類型的顆粒。

通過這種方式在可以制造的機電一體化物體中，我們可以舉例：剛性的或者柔韌的機械結(jié)構(gòu)(手環(huán))、電路板、傳感器(例如應(yīng)變計)、皮膚電電感傳感器、熱探針、執(zhí)行裝置(例如揚聲器、振動器、線性執(zhí)行裝置)或者電子元件(例如電阻、電容或者電感)。

所述制造方法可以特別地利用材料元素和/或軟件來實施。該制造方法可以作為計算機程序產(chǎn)品來使用，該計算機程序包含執(zhí)行制造方法的步驟的代碼指令。該程序記錄在計算機可讀介質(zhì)中。所述介質(zhì)可以是電子的、磁性的、光學(xué)的、電磁的或者可以是紅外型傳播介質(zhì)。這種介質(zhì)的示例為半導(dǎo)體存儲器(隨機存取存儲器ram、只讀存儲器rom)、磁帶、軟盤或者磁性或光盤(光盤-只讀存儲器(cd-rom)、光盤-讀取/寫入(cd-r/w)以及dvd)。

盡管本發(fā)明結(jié)合特定的實施方案來描述，顯而易見的是并非旨在限制本發(fā)明并且本發(fā)明包括所有與所描述方法同等的技術(shù)，以及其組合如果后者屬于本發(fā)明的范圍。