以創(chuàng)建可以切 為G代碼的多材料模型。之后G代碼可以被加載到打印機控制軟件用于制造部件。
[0090] 可替代地，當(dāng)希望打印速度、位置和高度非常精確且動態(tài)控制時，用于導(dǎo)電跡線的 打印路徑可以使用Mecode手動地寫入，其中Mecode是用于生成G代碼的基于python的開 源軟件。在這種情況中，導(dǎo)電打印路徑的單獨片可以被插入在用于結(jié)構(gòu)材料的由Slic3r生 成的代碼的層變化處。
[0091] 使用定制構(gòu)建的3D運動控制系統(tǒng)來執(zhí)行3D打印。第一系統(tǒng)使用具有并排安裝的 兩個打印頭的來自Aerotech(Aerotech,Inc.，Pittsburgh,PA)高速度、大面積、高精確度 門架平臺。每個打印頭包括絲擠出器（或管嘴）。在一種配置中，用于擠出結(jié)構(gòu)絲（例如， 熱塑性聚合物）的高溫打印頭（例如，F(xiàn)FF頭）和用于擠出導(dǎo)電絲的室溫打印頭被聯(lián)合安 裝。室溫打印頭使用EFD壓力箱氣動地控制。（NordsonCorp.，Westlake，OH)。這些和其 它不同材料的打印路徑和聯(lián)合打印由計算機控制。
[0092] 第二系統(tǒng)是開源、桌面3D打印機（RepRapPrusa13 ;www.reprap.org)，其通過結(jié) 合用于擠出導(dǎo)電絲的室溫打印頭以及存在的用于擠出結(jié)構(gòu)絲的高溫打印頭進行修改。該打 印機的控制硬件增加了壓力源以允許導(dǎo)電絲的受控打印，并且控制軟件被修改為驅(qū)動該壓 力源。
[0093] 以上描述的定制構(gòu)建的3D打印機以模塊化方式來設(shè)計以使得一個或兩個打印頭 都可以被替換為不同的打印頭。例如，在環(huán)境條件下用于打印導(dǎo)電油墨和其它粘彈性材料 的室溫、氣動打印頭可以被替換為恒定位移驅(qū)動打印頭，以提供所需油墨的精確體積流量。 高溫打印頭可以被替換為可共同打印另一粘彈性油墨（諸如環(huán)氧樹脂、玻璃填充環(huán)氧樹 月旨、可以作為最終3D打印的電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料或聯(lián)合打印功能材料的電阻性或電容性 油墨）的第二氣動或恒定位移打印頭。
[0094] 具有嵌入式設(shè)備的示例件3D打印的功能部件
[0095] 3D打印的嵌入式天線
[0096] 圖7A-7C示出了示例性3D打印的嵌入式天線700,包括天線設(shè)計的3D渲染、用于 聯(lián)合沉積結(jié)構(gòu)（基質(zhì)）材料和導(dǎo)電油墨的多材料工具軌跡的示意以及打印后嵌入式天線的 光學(xué)圖像。結(jié)構(gòu)材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)并且設(shè)備/導(dǎo)電絲由有機酯基銀 油墨制劑擠出，如下面所述。銀油墨沉積到在3D結(jié)構(gòu)的底部制備的約0. 5毫米深度和約 1_寬度的通道中，其在打印完成時包括五層。
[0097] 3D打印的嵌入式電路和印刷電路板
[0098] 圖8A示出了示例性3D打印的PCB(沒有頂部）或嵌入式電路（具有頂部802b)，其 包括發(fā)光二極管（LED) 804a、磁讀開關(guān)804b、限制功耗的電阻器804c和向LED804a供電的 電池804d。圖8B是圖8A中示出的結(jié)構(gòu)802的底部802a的光學(xué)圖像，其中電路元件804a、 804b、804c、804d以及互連806部分嵌入在底部802a中。圖8C示出了用于制備3D功能部 件800的打印路徑，其以兩種構(gòu)想進行打?。海?)部分嵌入以展示3D打印諸如PCB的部件的 能力；以及（2)全部嵌入以展示創(chuàng)建完全包裹在熱塑性基質(zhì)內(nèi)的3D電路的能力。圖8D示出 了示例性完全嵌入式電路，其包括由接近于磁讀開關(guān)（約lcm內(nèi)）放置的磁體接通的LED。 完成的3D打印的嵌入式電路包括25層。在這些示例中，基質(zhì)或結(jié)構(gòu)材料包括聚乳酸（PLA) 或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)并且導(dǎo)電絲（或?qū)щ娵E線）包括銀。如下面描述的，導(dǎo) 電絲由有機酯基銀油墨制劑擠出，并沉積到約0. 5mm深度和約1mm寬度的通道中。0. 4ID的 管嘴直徑和30mm/s的打印速度用于3D打印結(jié)構(gòu)絲并且0. 3mmID的管嘴直徑和4mm/s的打 印速度用于3D打印導(dǎo)電絲。用手可以將LED、磁讀開關(guān)、電阻器和電池卡扣配合到3D打印 的結(jié)構(gòu)的底部中。
[0099] 3D打印的具有嵌入式應(yīng)奪傳感器的相矩板手
[0100] 圖9A-9C示出了示例性3D打印的扭矩扳手應(yīng)變傳感設(shè)備900,其包括Arduino板 904a、表面貼裝電阻器904b、包括摻銀硅氧烷的應(yīng)變傳感器904c、銀導(dǎo)電絲906、以及由PLA 制成的基質(zhì)或結(jié)構(gòu)體902的底部和頂部902a、902b。圖9D示出了用于構(gòu)建嵌入式電路和傳 感器的示例性多材料打印路徑。
[0101] 扭矩扳手應(yīng)變傳感設(shè)備展示了創(chuàng)建3D功能部件的幾個概念核心。第一個概念是 聯(lián)合打印包含打印的熱塑性基質(zhì)的單個設(shè)備內(nèi)的導(dǎo)電互連和傳感器的能力。第二個概念是 將這些特征無縫地嵌入任意設(shè)計的、3D打印的功能部件內(nèi)。第三個概念是將能夠分析設(shè)備 經(jīng)歷的活動的可編程處理器嵌入3D打印的元件中的展示。選擇能夠應(yīng)變傳感的扭矩扳手 作為這些核心概念的代表性實施例。
[0102] 由3D打印熱塑性基質(zhì)生產(chǎn)扭矩扳手的主體，其中填充百分比和頸部的厚度可以 變化以對施加的扭矩的目標(biāo)量給出期望的靈活量。在扭矩扳手的頸部區(qū)域內(nèi)，摻雜有導(dǎo)電 銀顆粒的硅氧烷油墨沿著圖9D中示出的打印路徑打印。SiliconeSolutions(Cuyahoga Falls，0H)的產(chǎn)品名為SS-261下市售該油墨。應(yīng)變傳感器偏離中心軸的距離任意地選擇 為3mm;然而，該距離可以變化以最小化或最大化嵌入式傳感器經(jīng)歷的應(yīng)變。具有已知電阻 的表面貼裝電阻器也結(jié)合到扳手，與應(yīng)變傳感器有線地串聯(lián)。當(dāng)應(yīng)變傳感器和已知電阻的 電阻器之間的電壓被監(jiān)測時，根據(jù)以下提供的等式可以估計未知電阻器的電阻。此外，具有 模擬電壓讀取引腳的可編程Arduino板被結(jié)合到設(shè)備中以監(jiān)測電阻器之間的電壓改變（見 圖 9E)。
[0103] 針對&產(chǎn)生的等式和重新安排：
[0105] 其中R是已知電阻器，電壓（V)是5V，并且Vo是由Arduino板上的模擬電壓引腳 測量的電壓。Arduino板包括表面貼裝LED，其強度或閃爍頻率可以被調(diào)制以指示傳感器經(jīng) 歷的應(yīng)變的量。
[0106]3D打￡口 的Arduino板
[0107] 圖10示出了使用前面描述的雙頭桌面3D電子打印機制備的3D打印的、定制設(shè)計 的Arduino板的光學(xué)圖像。使用裝備有400微米管嘴的FFF頭以30mm/s的速度打印熱塑 性板。通過經(jīng)由250微米管嘴以4mm/s的速度沉積銀油墨來打印導(dǎo)電銀跡線。在打印導(dǎo)電 銀跡線之前將電阻器和電容器放置入板上的開口空腔中。包括atmel328-Au-ND芯片的其 余元件在打印后手動安裝。
[0108] 示例件銀油墨制劑
[0109] 有機脂基制劑
[0110] 示例 1
[0111] 在該示例中，用長鏈脂肪酸殘基封端的llg銀薄片（5-8微米直徑/寬度）（參見 圖11A)、1. 25g乙酸戊酯、0. 203g硝化纖維和0. 5g硝酸纖維素添加劑混合在一起，以形成適 用于3D打印上述示例性部件的銀油墨。圖12A使用具有250μm內(nèi)徑（ID)的管嘴打印到 玻璃襯底上的銀油墨的導(dǎo)電跡線（導(dǎo)電絲）的圖片。圖12B示出了銀油墨的存儲模量和損 耗模量對應(yīng)于施加的剪切應(yīng)力，并且圖12C示出電導(dǎo)率對應(yīng)于銀油墨的退火溫度的繪圖， 其中，對所有升高的溫度，退火時間為15分鐘。
[0112] 示例 2
[0113] 在另一示例中，碳納米管（CNT)被摻入銀油墨制劑中。充當(dāng)羧基的多壁碳納米管 通過超聲變幅桿下超聲10分鐘來分散在選擇的溶劑中。在該示例中，溶劑是乙酸戊酯，并 且MWCNT-C00H以5wt. %CNT的濃度分散在乙酸戊酯中。之后，將足以給出CNT:Ag的正確 最終比率的CNT分散液的等分試樣放入容器中并與分散在溶劑中的15wt. %的硝化纖維素 溶液充分混合。接著，額外溶劑加入以滿足下述的百分比。接著，銀被以五克或更少克的 增量加入，同時在Ag加入之間在THINKY行星式離心混合器中混合2分鐘。最終油墨復(fù)合 物包括：19. 23wt. %乙酸戊酯、1. 51wt. %硝化纖維素（11. 8-12. 3%的氮；品牌：Synthesia E9)、78. 38wt. %的Ag薄片（直徑2-4微米并用油酸封端）、0.88wt. %羧基官能化多壁碳納 米管（約10-20微米的長度和約30-50nm的外徑）。
[0114] 圖12D示出由3D打印包含如上述的占了銀質(zhì)量lwt. %的CNT-C00H的戊酯基銀油 墨制劑生產(chǎn)的跨越導(dǎo)電絲的光學(xué)圖像。打印的特征涵蓋超過1厘米的沒有支撐的間隙。圖 11B示出CNT增強銀絲的SEM圖像。
[0115] 示例 3
[0116] 本示例中描述的油墨制劑用于3D打印上述的Arduino板，但是溶劑改變?yōu)楸√?酸以放慢蒸發(fā)速率。這種修改減小了為了沉積未封端的管嘴的堵塞。之后跡線在烘箱中 以60°C固化了 15分鐘以加快擠出的絲的干燥。示例性油墨制劑包括：17. 37wt. %碳酸亞 丙酯、1. 51wt. %硝化纖維素（11. 8-12. 3% 的氮；商標(biāo)：SynthesiaE9)、80· 91wt. %Ag薄片 (直徑2-4微米并用油酸封端）、、0. 21wt. %羧基官能化多壁碳納米管（10-20微米長度和 約30-50nm的外徑）。
[0117] 水基制劑
[0118] 在該示例中，銀粉末被研磨、洗滌并且然后分散在水性介質(zhì)中。研磨制劑包括10g 銀粉（2-3.5以!11直徑/寬度）、2.18?￥?1￥ = 40,000，和1001^去離子（01)水。研磨介質(zhì) 包括12mm和2mm直徑的YZP球形研磨介質(zhì)并且研磨時間是以100RPM進行60小時。研磨 后，將銀薄片在水中進行洗滌三次，洗滌之間離心分離。最終制劑的組合物包括：涂有PVP 的5. 33g研磨的銀片、0· 1066g輕丙基纖維素Mw= 100, 000,0· 054g輕丙基纖維素Mw= 1，000, 000 和 2. 754gDIH20。
[0119] 盡管本發(fā)明參照其某些實施例已經(jīng)相當(dāng)詳細地描述，在不脫離本發(fā)明的范圍的情 況下，其它實施例是可能的。因此所附權(quán)利要求的精神和范圍不應(yīng)限制于本文包含的優(yōu)選 實施例的描述中。落入權(quán)利要求書的字面或通過等價的含義中的所有實施例旨在被包含在 其中。
[0120] 此外，上述優(yōu)勢不必是本發(fā)明的唯一優(yōu)勢，并且它不一定預(yù)期描述的優(yōu)勢中所有 優(yōu)勢將隨著本發(fā)明的每個實施例來實現(xiàn)。
【主權(quán)項】
1. 一種打印的Ξ維3D功能部件，包括： 包含結(jié)構(gòu)材料的3D結(jié)構(gòu)； 至少部分嵌入所述3D結(jié)構(gòu)中并且具有抵靠3D結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面固定的基部的至少一個功 能電子設(shè)備；W及 至少部分地嵌入所述3D結(jié)構(gòu)中并且電連接到所述至少一個功能電子設(shè)備的一個或多 個導(dǎo)電絲。2. 如權(quán)利要求1所述的打印的3D功能部件，其中所述3D結(jié)構(gòu)包括多個層。3. 如權(quán)利要求1或2所述的打印的3D功能部件，其中所述結(jié)構(gòu)材料包括聚合物、復(fù)合 物和/或陶瓷。4. 如權(quán)