打印的三維(3d)功能部件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)總體涉及三維（3D)打印技術(shù)，并且更具體地，涉及3D功能部件的直接寫(xiě)入 制造。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子制造業(yè)已經(jīng)以迅猛的速度移向海外。這增加了在美國(guó)生產(chǎn)流行的商業(yè)設(shè)備 (諸如蜂窩電話）的難度，因?yàn)楣こ處熡脭?shù)百個(gè)部件設(shè)計(jì)它們，而部件可能在海外可以數(shù)便 士（forpennies)進(jìn)行制造和組裝。不僅是外包制造中的勞力成本的驅(qū)動(dòng)因素，而且是國(guó) 外寬松的環(huán)境法規(guī)，這提供了美國(guó)無(wú)法比擬的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。例如，印刷電路板（PCB)仍然耗時(shí) 數(shù)天甚至數(shù)周來(lái)成型并且一般由第三方使用非常昂貴的專用刻蝕/研磨裝備來(lái)制造。PCB 制造需要多種化學(xué)工藝和材料，這其中包含許多難以處理并對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。
[0003] 諸如3D打印的額外的制造工藝提供了打破當(dāng)前的制造方法并將美國(guó)帶回尖端前 沿、對(duì)環(huán)境無(wú)害的制造的潛在可能性。依賴于昂貴工具、模具等的專用機(jī)器因此不再被需要 來(lái)制造個(gè)別產(chǎn)品。對(duì)數(shù)百萬(wàn)不熟練工人組裝設(shè)備的需求以及在全球部分地制造設(shè)備的強(qiáng)制 價(jià)值定位可以被消除。隨著世界面臨材料的供應(yīng)短缺和運(yùn)輸中污染的增加，零浪費(fèi)制造可 以成為必然。美國(guó)能源部估計(jì)通過(guò)使用增加而不是減少制造工藝，可以獲得接近50%的能 源降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 打印的3D功能部件包括包含結(jié)構(gòu)材料的3D結(jié)構(gòu)，以及至少部分嵌入3D結(jié)構(gòu)中的 至少一個(gè)功能電子設(shè)備。功能電子設(shè)備具有抵靠3D結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面固定的基部。一個(gè)或多 個(gè)導(dǎo)電絲至少部分嵌入3D結(jié)構(gòu)中并且電連接到至少一個(gè)功能電子設(shè)備。
[0005] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，打印3D功能部件的方法包括：擠出結(jié)構(gòu)絲并將其沉積在襯底上 的預(yù)定圖案中以形成3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)部分；在一個(gè)或多個(gè)部分的暴露表面上放置或 形成至少一個(gè)功能電子設(shè)備；并且擠出并沉積一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電絲以形成與至少一個(gè)功能電 子設(shè)備的互連。一些實(shí)施例中的方法還包括擠出結(jié)構(gòu)絲的附加長(zhǎng)度并將其沉積在襯底上的 預(yù)定圖案中以形成3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)附加部分。一個(gè)或多個(gè)附加部分可以至少部分覆 蓋至少一個(gè)功能電子設(shè)備。
[0006] 根據(jù)另一實(shí)施例，打印3D功能部件的方法包括：擠出結(jié)構(gòu)絲并將其沉積在襯底上 的預(yù)定圖案中以形成具有預(yù)定體積的3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)部分。至少一個(gè)功能電子設(shè)備 被放置或形成在一個(gè)或多個(gè)部分的暴露表面上，并且在一個(gè)或多個(gè)部分的另一暴露表面上 形成電池。電池具有定制為預(yù)定體積的尺寸。一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電絲被擠出并沉積以形成與至 少一個(gè)功能電子設(shè)備和電池的互連。
[0007]根據(jù)另一實(shí)施例，打印3D功能部件的方法包括：使用3D打印方法形成3D結(jié)構(gòu)的 一個(gè)或多個(gè)部分；將至少一個(gè)功能電子設(shè)備置于一個(gè)或多個(gè)部分的暴露表面上；并且使用 3D打印方法形成到達(dá)和來(lái)自至少一個(gè)功能電子設(shè)備的導(dǎo)電互連。在一些實(shí)施例中，方法還 包括：使用3D打印方法形成3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)附加部分。3D結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)附加部 分可以至少部分覆蓋至少一個(gè)功能電子設(shè)備。
[0008] 3D打印機(jī)包括鄰近彼此可拆卸地安裝的兩個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)控制的模塊化打印 頭。每個(gè)打印頭包括用于擠出和沉積結(jié)構(gòu)和/或功能絲的至少一個(gè)管嘴。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是包括嵌入式電子產(chǎn)品的示例性3D打印的結(jié)構(gòu)的示意。
[0010] 圖2A-2G示出了打印包括嵌入式電子產(chǎn)品的3D結(jié)構(gòu)的直接寫(xiě)入過(guò)程中的示例性 步驟。
[0011] 圖3是沿其長(zhǎng)度部分沒(méi)有支撐的導(dǎo)電（銀）絲的掃描電子顯微照相圖（SEM)。
[0012] 圖4是用于直接寫(xiě)入制備的示例性管嘴的示意。
[0013] 圖5A和5B是由3D打印以及拾取和放置步驟的組合生產(chǎn)的示例性3D功能部件的 前視斷面示意圖和俯視斷面示意圖。
[0014] 圖6A和6B分別是示例性現(xiàn)有技術(shù)和3D打印的助聽(tīng)器的示意。
[0015] 圖7A示出了嵌入式天線設(shè)計(jì)的3D渲染。
[0016] 圖7B示出了用于聯(lián)合打印聚合物基質(zhì)（結(jié)構(gòu)）材料和導(dǎo)電銀油墨的多材料工具 軌跡的示意。
[0017] 圖7C示出了嵌入ABS熱塑性基質(zhì)中的3D打印的銀天線。
[0018] 圖8A是3D打印的電路板的示意圖，其包括部分嵌入聚合物結(jié)構(gòu)材料中并與從銀 油墨制劑擠出的導(dǎo)電絲互連的表面貼裝電阻器、磁讀開(kāi)關(guān)、表面貼裝LED以及電池。
[0019] 圖8B是圖8A中示意性示出的3D打印的功能部件的底部的光學(xué)圖像，其中電路元 件和導(dǎo)電絲部分嵌入聚合物結(jié)構(gòu)材料中。
[0020] 圖8C示出了用于打印聚合物結(jié)構(gòu)絲和導(dǎo)電絲兩者的多材料打印頭工具軌跡。
[0021] 圖8D是3D打印的、完全嵌入式電路的光學(xué)圖像（在圖8A中示出的底部之上3D打 印頂部之后），其中LED由接近于磁讀開(kāi)關(guān)放置的磁體接通并且用便士來(lái)指示其大小量級(jí)。
[0022] 圖9A是3D打印的扭矩扳手應(yīng)變傳感設(shè)備的示意圖，在該示例中，它包括嵌入結(jié)構(gòu) 基質(zhì)材料內(nèi)的Arduino板、表面貼裝電阻器、應(yīng)變傳感器以及導(dǎo)電絲（互連）。
[0023] 圖9B是3D打印的扭矩扳手應(yīng)變傳感設(shè)備的光學(xué)圖像。
[0024] 圖9C示出了 3D打印的扳手的計(jì)算機(jī)斷層（CT)掃描（俯視和側(cè)視），其中高亮了 嵌入式電路和個(gè)體電氣元件。
[0025] 圖9D示出了用于構(gòu)建聚合物3D結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電互連和應(yīng)變傳感器的示例性多材料打 印路徑。
[0026] 圖9E示出了具有指示電路器件的標(biāo)記的3D打印的扳手的俯視CT掃描。
[0027] 圖10是示出3D打印的Arduino板的俯視的圖片。
[0028] 圖11A示出了在摻入導(dǎo)電油墨制劑前的干燥銀薄片的示例性樣品的掃描電子顯 微鏡（SEM)圖像。
[0029] 圖11B示出了包含Ag薄片和約lwt. %用C00H基團(tuán)官能化的碳納米管的擠出的導(dǎo) 電絲的SEM圖像。
[0030] 圖12A是在使用具有250μm內(nèi)徑（ID)的管嘴打印在玻璃襯底上之后的示例性有 機(jī)脂基銀油墨的導(dǎo)電跡線的圖片。
[0031] 圖12B是存儲(chǔ)模量和損耗模量對(duì)應(yīng)于施加到圖12A中示出的銀油墨的剪切應(yīng)力的 繪圖。
[0032] 圖12C是電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)于對(duì)圖12A中示出的銀油墨的退火溫度的繪圖。
[0033] 圖12D示出了沿其長(zhǎng)度部分沒(méi)有支撐的圖11B的導(dǎo)電絲的光學(xué)圖像。
[0034] 圖13是包括在哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)和制成的包括雙打印頭的定制3D打印機(jī)的圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于直接寫(xiě)入制備的新三維（3D)打印技術(shù)用于生產(chǎn)包含嵌入式電子 產(chǎn)品的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。利用3D打印，可以快速生產(chǎn)復(fù)雜功能部件，同時(shí)降低與制造的典型消 減方法相關(guān)的材料浪費(fèi)。
[0036] 直接寫(xiě)入制備可能需要通過(guò)附接到具有X-、y_和z-方向能力的可移動(dòng)微定位器 的沉積管嘴，使合適化學(xué)性和粘度的前體油墨流動(dòng)。隨著管嘴和/或襯底移動(dòng)，包含前體油 墨的絲被通過(guò)管嘴擠出并且連續(xù)地淀積在取決于微定位器的運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造中。因此，可以使 用直接寫(xiě)入技術(shù)來(lái)逐層建立3D結(jié)構(gòu)。打印過(guò)程在串行或并行打印過(guò)程中可以涉及多于一 個(gè)前體油墨和/或多于一個(gè)管嘴。此外，一個(gè)或多個(gè)管嘴可以被配置為執(zhí)行"拾取和放置" 步驟以在打印期間在3D結(jié)構(gòu)內(nèi)插入非打印的功能電子設(shè)備。功能電子設(shè)備也可以使用直 接寫(xiě)入制備隨同3D結(jié)構(gòu)自己被打印。進(jìn)一步設(shè)想直接寫(xiě)入技術(shù)可以與其它3D打印方法結(jié) 合（例如，在粉末層上噴墨打印、粉末層的選擇性激光燒結(jié)、立體光刻、熔融沉積成型、UV固 化樹(shù)脂的直接噴墨打?。?，以使得可以使用不同的3D打印方式生產(chǎn)單個(gè)3D部件的不同元 件、設(shè)備或區(qū)域。
[0037] 圖1示出了包括嵌入式電子產(chǎn)品的示例性打印的3D功能部件100。該打印的3D 部件100包括包含結(jié)構(gòu)或基質(zhì)材料的3D結(jié)構(gòu)102,并且至少一個(gè)功能電子設(shè)備至少部分嵌 入3D結(jié)構(gòu)102中。在圖1的示例中，兩個(gè)功能電子設(shè)備104a、104b完全嵌入3D結(jié)構(gòu)102 中。每個(gè)功能電子設(shè)備l〇4a、104b具有抵靠3D結(jié)構(gòu)102的內(nèi)表面102a'、102b'固定的基 部。本示例的3D結(jié)構(gòu)102是心形結(jié)構(gòu)，并且功能電子設(shè)備104a、104b是集成電路（1C)。心 形結(jié)構(gòu)僅是說(shuō)明性的并不意在限制，同時(shí)其它3D結(jié)構(gòu)也在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。一個(gè)或多個(gè)導(dǎo) 電絲106至少部分嵌入3D結(jié)構(gòu)102中并且電連接到功能電子設(shè)備104a、104b。如圖1所 示，導(dǎo)電絲完全嵌入3D結(jié)構(gòu)102中并且連接到與IC104a、104b電接觸的1C襯墊108。導(dǎo) 電絲106可以包括附接到3D結(jié)構(gòu)102的一個(gè)或多個(gè)固定部分。如以下描述的，這些固定部 分可以在干燥時(shí)牢固地接合到3D結(jié)構(gòu)。有利的是，導(dǎo)電絲106可以具有足以通過(guò)根據(jù)ASTM 測(cè)試方法D3359"Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test"進(jìn)行 的粘合測(cè)試的粘合強(qiáng)度。
[0038] 如以上所述，（一個(gè)或多個(gè)）功能電子設(shè)備和/或（一個(gè)或多個(gè)）導(dǎo)電絲可以完 全嵌入（例如，封裝）在3D結(jié)構(gòu)內(nèi)?？商娲?，（一個(gè)或多個(gè)）功能電子設(shè)備和/或（一 個(gè)或多個(gè)）導(dǎo)電絲可以部分嵌入3D結(jié)構(gòu)內(nèi)，以使得設(shè)備和/或絲的一部分可以從3D結(jié)構(gòu) 的外部訪問(wèn)。
[0039] 3D結(jié)構(gòu)可以包括嵌入其中的多個(gè)功能電子設(shè)備，諸如至少2個(gè)、至少5個(gè)、至少10 個(gè)、至少20個(gè)或至少50個(gè)功能電子設(shè)備。功能電子設(shè)備可以從有源電子元件、無(wú)源電子元 件、集成電路、諸如開(kāi)關(guān)和冷卻風(fēng)扇的機(jī)電元件、印刷電路板或其它電子產(chǎn)品、和/或諸如 電池的電化學(xué)元件中選出。3D結(jié)構(gòu)自身可以具有任何簡(jiǎn)單或復(fù)雜的幾何形狀。在一個(gè)示例 中，打印的3D功能部件是助聽(tīng)器并且3D結(jié)構(gòu)包括聚合物外殼或體，如以下描述的。
[0040] 3D結(jié)構(gòu)可以包括多個(gè)層。取決于材料性質(zhì)和工藝參數(shù)（包括管嘴內(nèi)徑或?qū)挾纫?及打印速度），每層可以具有從約1微米到約1〇_范圍的厚度。每層的厚度一般至少約2 微米、至少約10微米、至少約30微米或至少約50微米。典型地，厚度不大于約1000微米、 不大于約500微米、或不大于約100微米。厚度可以接近于與在3D結(jié)構(gòu)的直接寫(xiě)入制備期 間通過(guò)管嘴擠出的絲的直徑或?qū)挾认鄬?duì)應(yīng)，如以下更詳細(xì)討論的。取決于如何處理打印的 3D結(jié)構(gòu)（例如，任何打印后燒結(jié)步驟）以及3D結(jié)構(gòu)由其形成的（一個(gè)或多個(gè)）絲的流動(dòng)特 性，分層的結(jié)構(gòu)可以容易辨別（用眼睛或在適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)）或部分地或完全地被絲的燒 結(jié)和/或安排的效果隱藏。
[0041] 3D結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)或基質(zhì)材料可以是電絕緣材料。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)材料可以包 括諸如熱塑性聚合物或光固化樹(shù)脂的聚合物，諸如玻璃纖維填充的環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合物或陶 瓷。例如，聚合物可以從包括以下物質(zhì)的組中選出：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)、聚乳酸 (PLA)、聚（甲