内部结构导电迹线以及用于三维制造结构的互连的制作的制作方法
相关申请的引证
本申请要求于2014年10月23日提交的美国临时专利申请系列号第62/067,674号的优先权，通过引证将其全部内容结合于此。
背景技术：
三维(3d)结构制造是用于各种应用(包括架构、工业设计、汽车制造、医学、时尚业以及电子学)的飞速前进的技术，尤其通过3d印刷的前进和普及。遗憾的是，尽管在本领域中已取得了许多进展，但是使能够3d印刷导电材料的方案遭受包括成本、低传导性以及制造挑战的大量问题。
技术实现要素：
本文认识到用于制作内部结构导电迹线以及用于三维(3d)结构(诸如，三维制造(例如，3d印刷、加工、模制)结构)的互连的方法的需要。本公开提供可用于制作内部结构导电迹线以及用于三维(3d)印刷结构的互连的方法。这些结构可用在各种设置中，诸如在可用于构建更大设备或系统的三维制造(例如，3d印刷、加工、模制)物体中生成互连。
本公开的一方面提供用于形成具有至少一条导电迹线的三维物体的方法，包括：(a)根据三维物体的模型设计，提供由第一材料生成的中间结构，其中，该中间结构具有用于至少一条导电迹线的至少一个预定位置，并且其中，该模型设计包括该至少一个预定位置；以及(b)生成与中间结构的至少一个预定位置相邻的至少一条导电迹线，该至少一条导电迹线由导电性和/或导热性大于第一材料的第二材料形成，由此形成具有至少一条导电迹线的三维物体。在一些实施方式中，中间结构是产生三维物体的初生三维物体。在一些实施方式中，使用诸如增加性过程或减少性过程的三维制造过程生成中间结构。在一些实施方式中，增加性或减少性地生成中间结构。在一些实施方式中，(a)包括增加性生成中间结构。在一些实施方式中，(a)包括减少性生成中间结构。
在一些实施方式中，第一材料是聚合物材料、陶瓷材料、有机材料、复合材料、金属材料、矿物材料或活性材料。在一些实施方式中，第二材料是金属材料、金属填充聚合物材料或有机导电材料。
在一些实施方式中，(b)包括：邻近至少一个预定位置，注入包括第二材料的溶液。在一些实施方式中，该方法进一步包括在注入溶液之后，固化溶液。在一些实施方式中，通过经溶液引导电流以产生焦耳热来固化溶液。在一些实施方式中，至少一个预定位置是通道，并且其中，在(b)中，在通道的至少一部分中注入溶液。在一些实施方式中，(b)包括：提供具有与至少一个预定位置流体连通的注入通道的注入结构，以及通过注入结构的注入通道将溶液注入至至少一个预定位置。在一些实施方式中，该方法进一步包括：在将溶液注入至至少一个预定位置之后，移除注入结构。在一些实施方式中，该方法进一步包括：在注入溶液的同时，使用与注入结构相邻的一个或多个传感器来监控一个或多个注入参数。在一些实施方式中，该方法进一步包括：在注入溶液的同时，调整一个或多个注入参数。在一些实施方式中，该方法进一步包括：使用注入结构喷射溶液。
在一些实施方式中，第二材料的导电性大于第一材料的导电性。在一些实施方式中，该方法进一步包括：在(b)之前，邻近于至少一个预定位置的至少一部分布置连接器，并且随后邻近于至少一个预定位置生成至少一条导电迹线，由此使得至少一条导电迹线与连接器接触。在一些实施方式中，该方法进一步包括：通过中间结构中的端口，使得连接器与至少一条导电迹线接触。
在一些实施方式中，至少一条导电迹线包括多条导电迹线。在一些实施方式中，多条导电迹线中的给定一条与多条导电迹线中的另一条电隔离。在一些实施方式中，多条导电迹线中的每一条包括中间结构的外表面处的接触垫以用于电连接和/或热连接。
在一些实施方式中，至少一条导电迹线在中间结构内，并且其中，(b)包括暴露至少一条导电迹线的至少一部分。在一些实施方式中，模型设计包括针对至少一个预定位置的一个或多个结构约束。在一些实施方式中，该方法进一步包括：使得电路与至少一条导电迹线电接触。
在另一方面中，本公开提供用于形成具有至少一条导电迹线的三维物体的系统，包括：计算机存储器，该计算机存储器包括用于从中间结构形成三维物体的指令，该中间结构是根据三维物体的模型设计，由第一材料增加性或减少性生成的，其中，该中间结构具有用于至少一条导电迹线的至少一个预定位置，并且其中，该模型设计包括该至少一个预定位置；以及一个或多个计算机处理器，该一个或多个计算机处理器可操作地耦接至计算机存储器，其中，该一个或多个计算机处理器被编程以执行指令以生成与中间结构的至少一个预定位置相邻的至少一条导电迹线，该至少一条导电迹线由导电性和/或导热性大于第一材料的第二材料形成，由此形成具有至少一条导电迹线的三维物体。
在一些实施方式中，该系统进一步包括：三维制造模块，该三维制造模块可操作地耦接至一个或多个计算机处理器，其中，该三维制造模块根据模型设计，增加性或减少性地生成中间结构。在一些实施方式中，至少一个预定位置是中间结构中的通道。在一些实施方式中，模型设计包括针对至少一个预定位置的一个或多个结构约束。
本公开的另一方面提供包括机器可执行代码的非易失性计算机可读介质，当通过一个或多个计算机处理器执行该机器可执行代码时，实现用于形成具有至少一条导电迹线的三维物体的方法，该方法包括：(a)根据三维物体的模型设计，提供由第一材料增加性或减少性生成的中间结构，其中，该中间结构具有用于至少一条导电迹线的至少一个预定位置，并且其中，该模型设计包括该至少一个预定位置；以及(b)生成与中间结构的至少一个预定位置相邻的至少一条导电迹线，该至少一条导电迹线由导电性和/或导热性大于第一材料的第二材料形成，由此形成具有至少一条导电迹线的三维物体。
从以下具体实施方式中，本公开的额外方面和优势对于本领域技术人员来说将变得更加显而易见，在以下具体实施方式中，仅示出并描述了本公开的示例性实施方式。如将理解的，本公开能够具有其他和不同实施方式，并且在完全不偏离本公开的情况下，其若干细节能够以各种明显方面进行修改。因此，附图和说明书应被视为本质上是说明性的而非限制性的。
通过引证结合于此
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请都通过引证结合到本文中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请具体地并且单独地表明通过引证结合于此。
附图说明
利用在所附权利要求中的特性阐述本发明的新颖特征。通过参考阐述示例性实施方式(其中利用本发明的原则)的以下具体实施方式和附图(本文也称为“图”和“fig.”)，将得到本发明的特征和优势的更好理解，其中：
图1是本发明实施方式的方法的流程图；
图2a至图2e示出具有注入导电迹线的三维(3d)印刷结构的实例的各种视图；
图3是用于暴露导电迹线接触点的方法的实例；
图4是在导电材料注入之前添加连接器的实例；
图5示出腔体壁表面的各种实例；
图6a至图6c示出具有矩形接触区域的腔体的中间结构的实例的各种视图；
图7是具有腔体和垫的中间结构的实例；
图8是腔体注入端口的实例；
图9示出中间结构的腔体的实例；
图10a至图10e示意性示出用于使用可断突起和中间结构来暴露接触点的方法；
图11a至图11d示意性示出具有注入端口的可断结构的实例；
图12a至图12c示出具有喷射端口的可断结构以及用于传感器的夹具的实例的各种视图；
图13a至图13f示出图2的3d印刷物体的示例性视图的各种视图，其中，可断结构被移除；
图14a和图14b示出具有与三维制造(例如，三维印刷、加工、模制)物体内的导电结构接触的独立模块中的电路的装置的实例；以及
图15示出被编程或以另外方式被配置为实现本公开的方法的计算机系统。
具体实施方式
尽管本文已示出并描述本发明的各种实施方式，但是对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅通过举例的方式提供。在不偏离本发明的情况下，本领域技术人员可进行很多变型、变化和替代。应理解，可采用本文描述的本发明的实施方式的各种替代。
如本文使用的术语“三维”结构或物体总体指的是通过三维(3d)制造方法(诸如增加性或减少性方法(例如，增加性或减少性制造))生成的任意结构或物体。3d物体可具有一个或多个子结构，诸如至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50或100个单独结构。3d物体可以是最终产品或者它本身可以是中间产品。在后者情况下，3d物体可与其他物体结合以产生更大物体作为最终产品，其他物体中的一些可以是三维制造的(例如，3d印刷、加工、模制)物体。
在增加性制造中，可使用3d印刷以逐层方式形成3d物体，诸如在大桶中逐层沉积或逐层凝固光聚合物树脂。在减少性制造中，3d物体可通过诸如通过蚀刻、铣削或钻孔，从基板移除材料而形成。适用于构建三维结构的其他制造过程包括模制、浇铸、成型、接合、浇铸。
如本文使用的术语“中间结构”总体指的是通过三维制造过程生成的可用于产生最终或后续三维结构的任意结构(或物体)。中间结构可通过能够生成三维结构的增加性过程或减少性过程或任意其他过程生成。
如本文使用的术语“迹线”总体指的是电导电、热导电或电导电且热导电的部件或元件。在一些实例中，导电迹线是导电结构、通道、电线或路径。迹线可能能够将电路部件电连接到一起。例如，当基板是印刷电路板时，迹线可包括铜或金，并且可以是铜、金或柔性电路中的印刷沉积物。迹线也可由金属材料、非金属材料或其混合物组成。迹线可包括例如，从如下选择的一种或多种金属：铜、铝、铍、镁、钼、锌、钴、镉、锂、钌、铅、铋、锡、铟、钨、铁、镍、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂和金。迹线可包括非金属材料，诸如例如，硅树脂、环氧树脂或阿拉伯树胶或有机导电材料。
迹线可具有规则或不规则截面。在一些实例中，迹线具有圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、或六边形、或部分形状或其组合的截面。在一些实例中，迹线可具有从大约50纳米(nm)至10000微米(微米)或者大约100nm至1000微米或者200nm至100微米或者300nm至50微米的宽度。在一些实例中，宽度可至少为大约10nm、50nm、100nm、500nm、1微米、10微米、50微米、100微米、500微米或1000微米。迹线的长度可跨越3d物体的尺寸(例如，长度、宽度或高度)或者是3d物体的尺寸的一部分。例如，迹线可上达至3d物体的长度的大约90％，80％，70％，60％，50％，40％，30％，20％，10％或5％。
如本文使用的术语“金属的”总体指的是包括金属或具有金属的导电性和/或导热性的材料。在一些实例中，金属材料包括一种或多种金属。
本公开提供用于形成具有一条或多条导电迹线的3d物体的方法和系统。有利地，本公开的方法和系统可使能够形成可具有一条或多条导电迹线或金属化层的3d物体以用于各种用途，诸如用于电子或机械设备或者电子或机械设备的部件。
图1示出用于制作用于三维(3d)制造结构的内部结构导电迹线的方法100。方法100可包括：制作中间结构s110；后处理中间结构s120；将导电材料注入中间结构中s130；以及后处理注入结构s140。此外或可替代地，对于操作s110和s120，方法100可包括接收中间结构s150。在一些情形下，操作s110可被排除，并且在操作s150中接收中间结构时，方法100可以以操作s120开始。
方法100可用来使导电迹线、互连或其他导电结构能够与使用三维结构制造(例如，3d印刷、计算机数控(cnc)加工或模制)制作的结构集成。该集成可开辟用于三维结构制造的大量可能性——导电结构可用于例如，通过经低电阻线路传输电力或经高带宽信号线传输信息，提供向集成在或耦接至三维制造(例如，3d印刷、加工、模制)结构的电子设备的连接。在实例中，一个或多个导电结构被提供用于通用串行总线(usb)传输，诸如针对使用两条电力线和两条信号线的usb2.0数据传输协议的导电结构。这种方法可扩大三维制造结构的能力(例如，物体内部的导线网可用作传感器的部件以检测接触、温度或物体应力，导电结构可用作天线)，并且创建电子部件和/或电路(例如，rlc电路)。
用于将导电迹线与三维制造结构集成的许多当前方法以与制作三维制造结构的非导电部件的方式相似的方式制作导电迹线。在某些情况下，使用在沉积之后不久固化或凝固的液体或者使用其他固化方法(包括但不限于热量、紫外线(uv)辐射或湿度)逐层沉积或形成导电油墨。在这些情况下，第一层上的油墨可需要在添加第二层油墨之前固化。该要求可减慢过程，并且引起层之间的导电性问题(例如，层之间的电接触可能不如跨越单层的接触一样好)。在另一种情况下，例如，如果迹线本身可结构上坚固，导电油墨沉积在存在于三维制造结构的表面上的开放通道中，填充通道或直接位于表面上。该方法可降低存在于层间传导性的问题，但是大部分限于二维结构，并且如同先前的方法，除非执行额外的3d印刷或其他制造，否则可导致迹线沉积之后暴露的导电迹线。
有利地，方法100使导电材料能够以真实三维方式与三维制造结构集成，同时克服存在于当前方法中的包括低传导性的许多问题。被创建作为方法100的一部分的导电迹线可具有小于10-2欧姆米(ωm)，10-3ωm，10-4ωm，10-5ωm，10-6ωm或10-7ωm的电阻率。这些电阻率可在20℃时测量。在方法100中，结构印刷有导电材料所期望位于的一个或多个腔体(s110)。随后，结构可被后处理(如果必要或期望)以制备用于导电材料注入的结构(s120)。一旦结构被制备，导电材料注入至结构的一个或多个腔体中(s130)。然后，结构可被后处理以固化导电材料和/或在期望时暴露迹线(s140)以便诸如例如以图10a至图10e描述的方式创建互连。方法100的结果是包括一个或多个集成内部结构导电迹线的三维制造结构。
在图2a至图2e中示出示例性三维制造结构(或物体)。在该示例性结构中，导电迹线可用于连接可耦接至三维制造结构的电子模块。图2a是三维制造结构的透明等距视图。图2b是三维制造结构的透明侧视图。图2c是三维制造结构的透明前视图。图2d和图2e分别是三维制造结构的等距前视图和后视图。在图2a至图2c中示出用于导电迹线的中间结构201。中间结构201可形成待生成的最终3d物体或结构的至少一部分。
操作s110可包括制作中间结构(即，设计结构，但是在导电注入之前)。操作s110可用来创建包含预期用于注入导电材料的一个或多个预定位置(诸如，腔体或通道)的三维结构。一个或多个预定位置可以是3d物体或结构的模型设计的一部分。模型设计可以是计算机设计或计算机辅助设计，诸如计算机辅助设计(cad)。模型设计可被存储在计算机存储器中。在某些情况下，模型设计可包括用于生成3d物体的计算机可执行指令。模型设计可由3d印刷系统使用以生成具有一个或多个预定位置的中间结构。
在操作s110过程中制作的中间结构也可执行除了接收导电材料以外的各种其他功能，包括但不限于，促进导电材料的注入、创建用于高质量互连的表面、将导线分为两条不同的线以及在部件上或其他夹具上固定装置(例如，传感器或注入设备)中的任一个以简化部件的处理或者允许在方法100的操作过程中多个部件的同时批处理。那些结构可以是在操作s140过程中可被移除的临时结构，以允许例如创建互连结构或者在将3d物体运输至用户之前移除夹具结构。
在图13a至图13f中示出3d印刷物体的临时结构的示例性实现方式。图13a是填充有导电材料和临时结构1302的基板1301的等距视图。基板1301可以是3d印刷物体。图13b是填充有导电材料1303且临时结构1302被移除的基板1301的等距视图。图13c和图13d分别是填充有导电材料1303且临时结构1302被移除的基板1301的侧面图和前视图。图13a至图13d中的基板1301示出为透明以示出导电材料1303。图13e和图13f分别示出具有连接器垫1304的基板1301的实心等距图和前视图。
一些实施方式提供一批临时中间结构，例如，具有预定结构约束全体(ensemble)的可沿着腔体长度局部添加在开始、结束、预定位置和/或任意位置处的功能突起和腔体。临时中间结构可在诸如注入之后可移除。腔体和突起设计可允许通过局部提升腔体并改变其几何图形来创建布置为阵列的高质量触点，以具有最佳接触区域与横截面。突起的基底的破裂可允许显示连接器垫。如果腔体通过结构的可移除部分路由，则破裂可随后移除腔体的长度的一部分，这在线路中创建中断，因此允许该线路分离为两部分。在图10a至图10e中呈现这些几何图形的实例。腔体几何图形可被约束在突起中以允许注入或监控装置的对接和固定，允许连接至注入泵或注射器(例如，参见图11)。此外，突起本身的几何图形可被配置为允许通过操作者(例如，人类或机器人操作者)的手或其他操纵单位、工具或任意其他装置处理，以用于处理或附接传感器，例如，如在图12a至图12c中示出的。
图12a至图12c示出具有喷射端口1202以及用于保持或支撑一个或多个传感器的夹具1203的可断结构1201的实例的各种视图。图12a是等距视图，并且图12b是侧视图。可断结构1201与具有用于导电材料的多个腔体1205的中间结构1204相邻。夹具1203可保持或支撑一个或多个传感器，诸如光学传感器、温度传感器、压力传感器或化学传感器。图12c是可断结构1201以及与其相邻的光敏微型传感器1206的侧视图。光敏微型传感器可用于在将导电材料注入中间结构1204的腔体1205的过程中，检测可断结构1201中的腔体端部处的导电材料的存在。
图10a至图10e示意性示出用于在中间结构中形成接触点的方法。参考图10a，用于垫创建和线中断的临时中间结构1001设置为未填充状态。突起1002邻近于中间结构1001搁置。中间结构1001包括多个通道1004。接下来，如图10b所示，中间结构1001的通道1004填充有导电材料。接下来，如图10c所示，突起1002诸如通过机器或操作者向突起1002施加力而中断，其在突起1002的基底处生成控制破裂。铣削、钻孔或其他操作可被执行以移除突起的材料。这可提供具有适用于给定目的(诸如电接触)的表面性能(例如，粗糙度)的接触区域。如图10d(侧视图)和图10e(立体图)所示，这形成垫1003并且中断线路。图10e示出多个垫1003。垫1003和填充通道1004可彼此电隔离和/或热隔离。
突起1002可提供中间结构1001的多个通道之间的流体进入。当中间结构1001被填充并且突起1002中断时，得到的垫1003可彼此隔离。
突起1002可具有各种益处。例如，突起1002可生成彼此电隔离的垫1003。垫1003可用于与中间结构1001外部的设备或系统的电接触和/或热接触。在一些实例中，垫1003用于提供向中间结构1001外部的电路的电接触。
中间结构1001可包括至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、100、或500个垫1003。中间结构1001可包括至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、100、或500个通道1004。
参考图1，操作s110也可包括制作允许电路的对接和适当连接的可结合印刷结构操作的机械结构。
本公开还提供用于制造(例如，印刷、加工、模制)诸如通道和/或腔体的位置的方法，该位置可接收或容纳包含在其底部处的具有凸型弹簧加载连接器(例如，弹簧销(pogopin)或弹簧夹)的注塑模块中的电路。该位置可被预定义或预确定。一旦3d物体被处理，模块可利用与通过方法100创建的互连接触的连接器插入腔体中。机械附接机制也可与腔体一起印刷以维持模块与互连之间的电连通。这些机制可以是或者可包括，但不限于，具有印刷特征的杆弯曲机制以允许腔体中的对接，或者腔体侧面上的闩锁以允许注塑门滑动并锁定模块插件。
图14a示出包括与三维制造物体内的导电结构接触的独立模块的装置的实例。所示实例的装置包括门1401、独立电路1402、弹簧加载连接器1403、机械对接特征1404、导电材料垫1405、具有导电结构的三维制造基板1406以及用于电路的腔体1407。图14b示出对接在三维制造基板1406中的独立电路1402，其中，门1401插入。此处，弹簧加载连接器1403接触导电材料垫1405。
操作s110可包括通过3d印刷结构来制作中间结构。此外或可替代地，操作s110可包括通过任意其他增加性制造过程或者以任意合适方式(例如，通过注塑、cnc铣削、浇铸或水喷射切割)制作中间结构。
操作s110可包括使用基于激光的立体光刻的3d印刷技术(sla)或基于遮蔽图像投影的sla技术来制作中间结构。此外或可替代地，操作s110包括使用挤压技术(例如，熔融沉积成型或注射器沉积)、颗粒技术(例如，激光烧结)、粉末床技术、喷墨头部技术(例如，多喷嘴印刷、polyjet)、层压物体制造技术和/或任意其他增加性制造技术来制作中间结构。
操作s110可包括利用光聚合物制作中间结构，但是此外或可替代地可包括利用聚合物材料(例如，热塑性或热可固化聚合物)、陶瓷、糖、混凝土、玻璃、有机复合物、金属材料、矿物、活性材料(例如，活性组织)或任意其他合适材料来制作中间结构。
操作s110可包括根据一组制造约束制作中间结构。制造约束可包括初级约束(即，中间结构制作过程固有的约束)和次级约束(即，与导电材料注入过程相关的约束)。初级约束可基于制作方法而不同。初级约束的实例包括：逐层制造过程的竖直分辨率、逐层制造过程的平面分辨率以及制造过程的单元到单元的容差变化。次级约束可包括材料约束、结构约束和/或与导电材料注入相关的中间结构制作过程的任意其他约束。
材料约束的一些实例包括：反应性约束(例如，与导电材料接触的中间结构的材料不应退化或通过导电材料退化)、热约束(例如，材料应具有显著高的玻璃化转变温度和热变形温度，使得中间结构在后处理或导电材料注入和处理过程中不会结构上或审美上变形或退化，并且在过程100之后材料的形式和颜色应保持受控)以及材料机械约束(例如，散装材料不应通过导电材料注入而机械变形)。其他材料约束可由中间结构的性能引起(例如，在操作s110之后，未处理材料应从通道中清理出去，如果在操作s140过程中中间结构要被移除，则材料可允许待印刷的精细结构具有允许结构的干净移除的机械性质)。这些约束被给出作为示例性约束。例如，在某些情况下，可期望腔体通过导电材料注入的机械变形。此外，可期望针对相同结构的不同部分的不同约束；例如，旨在传送不同电信号的导电迹线可具有不同材料和结构要求。
结构约束的一些实例包括：腔体尺寸约束、腔体接入约束、腔体曲率半径约束、腔体非相交约束以及结构机械约束。这些约束可基于待形成的3d物体来选择。例如，腔体曲率半径可需要3d物体的一部分具有至少大约0.1米的曲率半径。
腔体尺寸约束可包括对腔体的最小宽度和最大宽度、腔体的最小长度和最大长度的约束。更常见地，尺寸约束可包括对腔体形状的任意约束。
在一些实例中，腔体尺寸约束可包括对腔体的内部结构的约束。例如，如图5所示，腔体约束可指示腔体具有光滑圆形壁、波状壁、内部平面或内部附接。腔体可具有任意形状(无论不规则还是不规则)。在图6a至图6c、图7、图10a至图10e、图11a至图11d以及图12a至图12c中示出其他示例性腔体。
腔体尺寸约束可与大量其他结构设计因素相关。例如，对于注入导电材料如何流动或涂敷腔体壁，腔体壁的粗糙度可发挥作用。此外，腔体尺寸约束可影响腔体和/或注入导电材料的机械性质(例如，应力、张力、刚性)或电性能(例如，电阻、电感、电容)。此外或可替代地，腔体尺寸影响腔体与注入导电材料之间的交互(例如，引起毛细管力、材料流动阻力)。例如，接触垫的表面附近的腔体可成形以增加图6a至图6c以及图7所示的接触表面。这些形状可为圆形、三角形、正方形、矩形、或部分形状或其组合。腔体尺寸也可影响来自操作s110的未处理材料从通道中清除出去的方式(例如，粘性光聚合物树脂可能难以从过薄直径的通道排空)。另外，腔体尺寸约束可由制作过程或材料的约束指示(例如，在一些立体光刻机器中，0.5mm以下的通道可能难以被印刷)。
图6a至图6c示出具有矩形接触区域的腔体的中间结构的实例的各种视图。在图6a和图6b中示出矩形垫601。图6a示出具有未填充矩形垫601的中间结构。矩形垫601可以是用于连接至其他结构的连接器垫，其可有助于构建具有电路的更大结构。图6b示出具有在注入之后填充矩形垫601的中间结构。图6c是后处理之后的矩形垫601的俯视图。
图7示出中间结构700的示例性视图。中间结构700具有与支撑结构702流体连通的用于注入导电材料的多个腔体701。在注入之后形成垫703。垫703可提供可用于与其他结构电连通或热连通的接触区域。垫703可相对于中间结构700的表面升高。垫703可具有各种截面，诸如圆形、三角形、正方形或矩形。尽管示出了一个垫703，但是中间结构700可具有含有接触区域的多个垫，诸如至少2、3、4、5、6、7、8、9、10个垫。
腔体接入约束可要求中间结构具有用于每个腔体的开口，使导电材料能够注入开口中。例如，该开口(诸如图8的开口801)可被称为注入端口，尽管开口可用于注入以外的目的。例如，注入端口可用于接入腔体、注入导电材料、喷射导电材料或任意其他用途。同样地，开口也可被指定为喷射端口(如果预期用于材料喷射)或接入端口(用于其他目的)。
中间结构可具有与通道流体连通的一个开口(参见例如，图8)。作为替代，中间结构可具有至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、或50个开口，每个开口与通道或多个通道流体连通。该通道或多个通道可允许注入、喷射或其他接入。
腔体接入约束可指示每个腔体包含注入端口和喷射端口(例如，专用于导电材料注入和喷射的端口)，并且可取决于期望或给出结构，而进一步指示这些端口的位置。
此外或可替代地，腔体接入约束可要求中间结构的腔体具有接入点。例如，在中间结构的表面附近，腔体具有一部分，在该部分中，从三维制造结构移除材料的钻孔或铣削或任意其他操作可在后处理操作s120或s140中打开注入端口。这些腔体接入约束可针对于使能够进行导电材料注入。腔体接入约束也可包括针对于导电材料的功能方面的约束。例如，腔体接入约束可指示在期望电接触至腔体的地方，腔体在中间结构表面附近，或者更确切地，将最终填充腔体的导电材料是期望的。这可延伸至指示这些区域中的局部结构约束，诸如例如，需要升高的接触垫(例如，参见图7)。如图3所示，示例性结构使用这些约束以及后处理来暴露电触点。，诸如在图10a至图10e、图11a至图11d以及图12a至12c中描述的那些突起也是这些结构约束的实例。
腔体接入约束可与腔体尺寸约束或其他约束有关。例如，腔体接入点可具有关于形状、尺寸、位置、方位或与接入点相关的任意其他参数的特定约束。例如，腔体接入约束可指示腔体注入端口成角度，并且具有比腔体的下部更大的直径(如图8所示)以便更好地容纳注入注射器或增加注入性能。
腔体接入约束也可包括指示与中间结构的不同三维体积相对应的多个注入(和/或喷射或接入)端口。这可允许接入中间结构的各种部件。在某些情况下，这些注入端口可设计为用于临时接入。在制作中间结构之后，端口可被封闭或覆盖在某些点处。与不同三维平面或体积相对应的多个注入端口可布置在单个平面或体积中。例如，如图9所示，结构可具有布置在平面中的与中间结构内部的至少两个分离平面相对应的四个注入端口。
腔体接入约束也可包括指示通道的形状、尺寸、方位、位置和/或直径以允许通道在中间功能结构内部的接入和连续性。这可包括例如，允许创建互连的可移除突起、具有喷射端口的注入的可移除突起、执行两条线路的分离的可移除突起(多个突起)和/或具有附接夹具以监控注入操作s130的可移除突起(多个突起)。
腔体曲率半径约束可包括对腔体的最小曲率半径的限制。腔体非相交约束可包括对腔体与中间结构中的其他腔体或其他导电材料的相交的限制。例如，旨在支撑传送分离电信号的导电迹线的腔体可需要电分离，其可反过来需要腔体不相交。这可允许导电迹线保持彼此电隔离。结构机械约束可包括对中间结构的物理结构的约束。在一些实例中，可能不期望中间结构通过导电材料注入过程变形。在实例中，腔体深度应控制为处于材料中以防止在后处理过程中对基板的损坏，因为通过接近表面的腔体创建的薄区域可易于变形、破碎或变色。结构机械约束与材料机械约束的区别可在于：结构机械约束可取决于材料和结构(例如，散装材料可满足约束，然而相同材料的大部分中空格子可能不满足约束)。替换地，结构机械约束可根本不取决于材料。
参考图1，操作s120可包括后处理中间结构。操作s120可用于制备用于注入导电材料的中间结构。操作s120可包括移除支撑物(例如，在制作中使用的中间结构的部件，但是不期望或以另外方式预期为最终形式)、干燥或固化、烘烤(即，将中间结构暴露至升高的温度)、摩擦表面(例如，用砂纸磨)、化学后期处理(例如，功能化基板表面)或者制备用于导电材料注入的中间结构的任意其他过程。操作s120可包括将中间结构置于溶剂浴中并超声处理浴液，以便移除结构表面上的不期望突出或粗糙度。溶剂浴可包括诸如例如乙醇或异丙醇的醇或者诸如过氧化氢的过氧化物。此外或可替代地，操作s120可包括向中间结构的腔体中注入溶剂或化学制品和/或清洁注入端口(经由化学制品、机械或任意合适过程)。注入腔体内部的化学制品可包括醇，诸如例如乙醇或异丙醇；过氧化物，诸如过氧化氢；酸，诸如硫酸或其他化学制剂，如同高锰酸钾或任意其他化学制品。通道可接收涂层以制备用于注入材料的通道，诸如热量可固化环氧树脂、脱模剂、防晦暗剂或催化剂。
作为替代，如图4所示，操作s120可包括添加一个或多个连接器以允许与导电材料交互。在导电材料形成之前、形成过程中或形成之后，一个或多个连接器可例如，通过注入添加。在某些情况下，通过在导电材料形成之前添加一个或多个连接器，导电材料可能能够在处于液体状态的同时围绕连接器流动，这在导电材料固化之后，提供与连接器的合适接触。这可提供导电材料与一个或多个连接器之间的欧姆接触。该技术可用于提供向导电材料填充腔体的电接入，以用于任意目的。例如，连接器可被暴露以提供如图4所示的接入。如另一实例，连接器可包含两个连接点，在该两个连接点之间具有电容器。这种连接器可用于电容性耦接两个分离腔体中的导电迹线。如另一实例，连接器可包含滤波电路或其他电路。
操作s120可执行作为方法100的一部分，但是可选地如果后续处理不需要，可不执行。
作为操作s110中的制作中间结构的替代，方法100可包括在操作s150中接收中间结构。在操作s150中接收的中间结构可在操作s120中进行后处理。操作s150的中间结构可与操作s110的中间结构大致相似，但是此外或可替代地可以是任意合适结构。
操作s130可包括将导电材料注入中间结构中。操作s130可用来通过利用导电材料填充中间结构中的腔体而形成导电迹线。
如在图11a至图11e中描述的，通过操作s130的材料注入可通过使用中间功能结构(例如，具有嵌入注入端口或喷射端口的可移除突起)来执行。
图11a示出未填充的注入结构1101的侧视图。注入结构1101可包括一个或多个注入端口和/或喷射端口。注入结构1101可以是可断突起。注入结构1101与中间结构1103中的通道1102流体连通。图11b示出与中间结构1103中的通道1102流体连通的注入结构1101的立体侧视图。如图11c所示，导电材料可通过注入结构1101中的注入端口1104注入以填充通道1102。如图11d所示，一旦通道1102已被填充，注入结构1101可中断以产生触点1105。
在操作s130中注入的导电材料可以是可注入至中间结构的腔体中的环氧树脂或其他浆料或粘性液体，并且随后可被固化以凝固浆料/液体。导电材料可以是具有以上性能的任意合适导电材料。导电材料的流动可具有小于30000、10000、4000、3000、2000、或1000的雷诺数。导电材料可具有至少大约0.001帕斯卡秒(pas)、0.01pa.s、0.1pa.s、1pas、1.5pas、2pas、10pa.s、50pa.s的粘度。粘度可从大约0001pas至10pas，或者0.01pas至100pas。例如，导电材料可以是包含导电填料的环氧树脂，其可例如由环氧树脂与一种或多种金属颗粒(例如，薄片、微珠或纳米颗粒)的反应形成，其可与硬化剂混合。一种或多种金属颗粒可包括由从如下选择的一种或多种材料形成的颗粒：铜、铝、铍、镁、钼、锌、钴、镉、锂、钌、铅、铋、锡、铟、钨、铁、镍、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂和金。导电填料可被微粉化。如另一实例，导电材料可以是作为多部分(例如，两部分)催化作用或电镀过程沉积的材料。导电材料的其他实例包括热可固化导电聚合物、紫外光可固化导电聚合物、热量可固化导电硅、湿气可固化硅、低熔点温度金属、熔化金属、导电生物材料以及可弯曲金属线。
导电材料可由在注入中间结构之前制备的一部分自固化环氧树脂形成；此外或可替代地，在两部分环氧树脂材料的情况下，导电材料可在注入过程之前或注入过程中不久混合(例如，通过同时或以交替脉冲注入环氧树脂和催化剂/硬化剂)。导电材料可自固化(即，通过在室温下固化而形成材料)。此外或可替代地，导电材料可以更高温度(例如，在烘箱中)固化，诸如例如，使电流通过导电材料流动(例如，高电流强度的连续电流或高电压的短脉冲)、通过光(例如，紫外线灯)或其组合或者在维持3d结构的完整性的同时，用于材料的适当固化所必需的任意其他过程。
操作s130可包括使用注射器或泵系统，将未固化(例如，液体/膏状形式)导电材料注入中间结构中。此外或可替代地，例如如在图11a至图11e中描述的，操作s130可包括使用功能中间结构以连接至注入系统(例如，具有注入端口或喷射端口的突起)。此外或可替代地，操作s130可包括使未固化导电材料流动至中间结构的腔体中的任意合适方法。例如，导电材料可被加热以实现低粘度，并且被倒入腔体中、吸入腔体中或喷射至腔体中。在另一实例中，真空系统可使用喷射端口以创建腔体与存在于注入端口处的导电材料之间的压力差，导致导电材料进入腔体。此外或可替代地，材料流动可通过其他技术引起，包括感应压力差、施加电磁力、呈现毛细管力和/或任意其他合适的技术的替代方法。
操作s130可包括监控注入参数s131。监控注入参数s131可提供关于操作s130中的注入过程和/或注入材料的信息。例如，操作s131可包括监控注入流动速率(例如，离开诸如注射器尖端的输送设备的材料的流动速率)、注入质量(例如，注入至中间结构中的材料的量)、注入压力(例如，腔体中的注射器尖端或某些点处的局部压力)、注入温度或其他合适的注入过程参数。操作s131也可包括监控其他参数。例如，操作s131可包括测量导电材料的体积的电性能(例如，电阻、电容或电感)。操作s131可包括监控注入之前的注入参数(例如，监控导电材料预注入的温度)、注入过程中的注入参数(例如，监控注入过程中的流动速率)或注入之后的注入参数(例如，监控当导电材料固化时，跨越两个腔体点的电阻)。
例如，如在操作s131中描述的监控可使用附接至中间结构的装置执行，允许局部监控注入参数，诸如注入流动速率(例如，在腔体中的某些局部点处离开的导电材料的流动速率)、注入质量(例如，注入至中间结构中的导电材料的量)、注入压力(例如，腔体中的某些点处的局部压力)、注入温度、腔体的填充水平(例如，验证导电材料呈现于喷射端口处，其可指示通道已被完全填充)或其他合适的注入过程参数。在图12a至图12c中呈现这种传感器附接的实例。
参考图1，此外，操作s130可包括修改注入参数s132。操作s132可在注入过程中适配可控注入参数，以修改导电材料的性能(例如，电阻率、粘度、密度等)。操作s132可响应于操作s131(例如，使用反馈过程来适配参数以达到期望或预定结果)或响应于配方或算法(例如，流动速率随着时间缓慢增加以优化或最大化腔体填充)而执行。
可控注入参数可包括注入流动速率、材料温度、材料组合物(例如，改变环氧树脂与硬化剂的比值、改变存在于环氧树脂中的金属或其他导电剂的量或者整体改变材料)、注入压力、注入粘度、注入位置或者与导电材料注入相关的任意其他合适的可控参数。
在某些情况下，腔体的内表面可以以导电材料涂覆。这可以以相似于导电材料注入的方式执行，但是可选地可以另一方式完成，诸如通过无电镀覆。随后，内表面可接地或以另外方式连接至电压/电流源。随后，当导电材料注入时或不久之后，电势可施加至导电材料，使得电流通过导电材料流动至接地表面。电势也可以短脉冲施加以促进可通过焦耳热生成的任意热量的消散。在电流流动导致热量的情形中，这种热量可用于修改导电材料的性能或促使导电材料的固化。电压和/或电流/电力可被控制作为操作s132的一部分。
在某些情况下，操作s130也可包括与导电材料一起注入非导电材料。材料可同时注入混合物中并作为操作s132的一部分变化，以改变注入材料的导电率。此外或可替代地，材料可连续注入。例如，导电材料的两次注入之间的绝缘材料的短时间注入可用于创建内腔体电容器。在操作s132中，可控制材料的改变。
操作s140可包括后处理注入结构。在执行导电材料注入之后，操作s140可用来在注入结构(其可以是中间结构)上执行任意操作。对于创建完整3d结构，这种操作可能是必需的或期望的。在某些情况下，操作s140可被排除。例如，在使用自固化环氧树脂的情形(其可不需要任意后期烘烤)下，后续处理可能是不必要的。操作s140可包括各种操作，诸如：移除过量导电材料(例如，通过抛光、擦拭、铣削或钻孔)；将注入结构暴露至光和/或热(例如，通过对流烘箱、微波烘箱或红外烘箱和/或uv灯)；干燥、固化或烘烤；将注入结构暴露至一种或多种溶剂；摩擦表面(例如，用砂纸磨)，其可用于暴露接触表面；连续地或以脉冲施加电势以创建焦耳热；暴露接触表面(例如，如图3所示)；添加连接器，其可相似于图4所示的连接器，但是在注入之后添加；和/或完整结构所期望的任意其他过程。
在某些情况下，在操作s130中，中间结构可被注入包括一部分环氧树脂材料的导电材料。环氧树脂材料可包括一种或多种金属，诸如银。在操作s140中，中间结构随后可以以多步骤(例如，两步骤)固化过程处理。首先，中间结构可在对流烘箱或任意其他适当加热装置中以第一温度(例如，75℃或以下)加热。这种处理可允许环氧树脂(其在未处理时可具有显著低的导电率)以达到或超过其渗滤阈值，允许其达到第一电阻率稳定水平。在以第一温度加热一段时间(例如，至少大约30分钟、1小时或2小时)之后，中间结构中的导电材料可暴露在中间结构的一端处(例如，在中间结构的一端处接地)，并且电势可施加在中间结构的另一端处。在这种情况下，通过导电材料的电流的流动(例如，上达至大约20安培)可生成导电材料的焦耳热，其可允许环氧树脂的快速、局部且高质量的最终固化。随后，额外后处理可被执行作为操作s140的一部分。
注入部件的额外后期处理可包括移除临时中间功能结构，其可从注入部件手动移除(例如，诸如当突起创建允许移除结构的破裂时，通过倾斜中间结构移除)、利用工具移除或任意其他后期处理操作移除，如果必要的话(例如，使用镊子、夹钳、铣削、钻孔和/或激光切割)。临时功能中间结构的断开可具有审美益处，并且可允许最终物体没有不必要的可见功能结构(例如，移除注入端口或喷射端口)或夹具。移除中间功能结构的该操作也可产生最终功能结构，诸如通过暴露互连或者将线分离为隔离线或者可移除中间结构的几何图形所允许的任意其他功能(例如，参见图10)。
此外或可替代地，操作s140可包括向注入结构添加多种材料。例如，注入结构可在注入之后返回至3d打印机以覆盖注入端口或添加更多特征。
在某些情况下，操作s140可包括将电子添加至注入结构。例如，微处理器可被加至在操作s130或操作s140过程中添加的插座连接器。微处理器然后可覆盖有聚合物(例如，热塑性或光聚合物)以将其密封至注入结构中。
计算机系统
本公开提供被编程为实现本公开的方法的计算机控制系统。图15示出计算机系统1501，该计算机系统包括中央处理单元(cpu，本文也被称为“处理器”和“计算机处理器”)1505，其可以是单核或多核处理器或多个处理器以用于并行处理。计算机系统1501也包括存储器或存储器位置1510(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存)、电子存储单元1515(例如，硬盘)、用于与一个或多个其他系统通信的通信接口1520(例如，网络适配器)以及外围设备1525(诸如缓存、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器)。存储器1510、存储单元1515、接口1520和外围设备1525通过诸如母板的通信总线(实线)与cpu1505通信。存储单元1515可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据存储库)。计算机系统1501可借助于通信接口1520而可操作地耦接至计算机网络(“网络”)1530。网络1530可以是因特网、内联网和/或外联网或者与因特网通信的内联网和/或外联网。在某些情况下，网络1530是电信和/或数据网络。网络1530可包括一个或多个计算机服务器，其可使能够进行分布式计算，诸如云计算。在某些情况下，网络1530借助于计算机系统1501可实现对等网络，其可使设备能够耦接至计算机系统1501以表现作为客户端或服务器。
cpu1505可执行可体现为程序或软件的一系列机器可读指令。指令可存储在存储器位置中，诸如存储器1510。指令可针对于cpu1505，其可随后编程或者以另外方式配置cpu1505以实现本公开的方法。通过cpu1505执行的操作实例可包括获取、解码、执行和回写。
cpu1505可以是诸如集成电路的电路的一部分。系统1501的一个或多个其他部件可被包括在电路中。在某些情况下，电路是专用集成电路(asic)。
存储单元1515可存储文件、诸如驱动器、库和保存程序。存储单元1515可存储用户数据，例如，用户偏好和用户程序。在某些情况下，计算机系统1501可包括计算机系统1501外部的一个或多个额外数据存储单元，诸如位于通过内联网或因特网与计算机系统1501通信的远程服务器上。
计算机系统1501可通过网络1530与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统1501可与用户的远程计算机系统通信。远程计算机系统的实例包括个人计算机(例如，便携式pc)、板式或平板电脑(例如，
如本文描述的方法可通过存储在计算机系统1501的电子存储位置上(诸如例如，在存储器1510或电子存储单元1515上)的机器(例如，计算机处理器)可执行代码实现。机器可执行或机器可读代码可设置为软件的形式。在使用过程中，代码可通过处理器1505执行。在某些情况下，代码可从存储单元1515检索，并且存储在存储器1510上以用于准备由处理器1505访问。在一些情形下，电子存储单元1515可被排除，并且机器可执行指令存储在存储器1510上。
代码可被预汇编和配置以用于由具有适配为执行代码的处理器的机器使用，或者在运行过程中可被汇编。代码可以以编程语言提供，该编程语言可被选择为使代码能够以预汇编或如汇编方式执行。
本公开的方法可至少部分通过机器编程或者以另外方式被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质体现和/或实现。指令可通过计算机可执行部件执行，该过计算机可执行部件可与3d打印机和/或注入设备或系统(诸如注入注射器)集成。计算机可读介质可存储在任意合适计算机可读介质上，诸如ram、rom、闪存、eeprom、光学设备(cd或dvd)、硬盘驱动器、闪存驱动或任意合适设备。计算机可执行部件可以是通用或专用处理器，但是可替代地或此外，任意合适的专用硬件或硬件/程序包组合设备可执行指令。
本文提供的系统和方法的方面，诸如计算机系统1501可体现为编程。本技术的各方面可认为是通常以携带或体现为机器可读介质类型的机器(或处理器)可执行代码和/或相关数据的形式的“产品”或“制造物品”。机器可执行代码可存储在电子存储单元上，诸如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪存)或硬盘。“存储”类型介质可包括电脑、处理器等的有形存储器中的任一个或所有，或者其相关模块，诸如各种半导体存储器、磁带驱动器、光盘驱动器等，其可在任意时间提供用于软件编程的非易失性存储。软件的所有或部分可有时通过因特网或各种其他电信网络通信。例如，这种通信可使软件的负载能够从一个计算机或处理器至另一计算机或处理器，例如，从管理服务器或主计算机至应用服务器的计算机平台。因此，承载软件元件的另一类型的介质包括光学、电气和电磁波，诸如通过有线和光学陆上线路网络并且通过各种空气链路，跨越局部设备之间的物理接口使用的。传送这种波的物理元件，诸如有线或无线链路、光学链路等也可被视为承载软件的介质。如本文使用的，除非限制为非易失性、有形的“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”的术语指代参与提供指令至处理器以用于执行的任意介质。
因此，机器可读介质(诸如，计算机可执行代码)可采取许多形式，包括但不限于，有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光学或磁盘(诸如任意计算机(多个计算机)等中的存储设备中的任一个)，诸如可用于实现附图所示的数据库等。易失性存储介质包括动态存储器，诸如这种计算机平台的主内存。有形传输介质包括同轴电缆；铜线和光纤，包括包含计算机系统内的总线的电线。载波传输介质可采取电信号或电磁信号或者声波或光波的形式，诸如在射频(rf)和红外(ir)数据通信过程中生成的那些。因此，计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任意其他磁性介质、cd-rom、dvd或dvd-rom、任意其他光介质、穿孔卡纸胶带、具有孔图案的任意物理存储介质、ram、rom、prom和eprom、flash-eprom、任意其他存储器芯片或盒子、载波运输数据或指令、运输这种载波的线缆或链路或者计算机可从其读取编程代码和/或数据的任意其他介质。计算机可读介质的这些形式中的许多可涉及将一个或多个指令的一个或多个序列运送至处理器用于执行。
计算机系统1501可包括或与电子显示器1535通信，该电子显示器包括用户界面(ui)1540以用于提供例如包括一个或多个中间结构的用于制造(例如，印刷、加工、模制)的3d物体的设计规格。ui的实例包括但不限于，图形用户界面(gui)和基于网络的用户界面。
计算机系统1501可包括或与3d结构制造系统(或模块)1545通信。3d制造系统1545可经由例如，增加性制造或减少性制造生成3d物体。3d结构制造系统1545可以是3d印刷系统，并且可增加性生成各种材料的3d物体，诸如聚合物材料。在属于wahlstrom等人的美国专利第7,520,740号中提供了3d印刷系统1545的实例，其全部内容通过引证结合于此。3d结构制造系统1545可以是cnc加工，并且可从各种材料(诸如，塑料或金属)中减少性生成3d结构。在属于hyatt等人的wo/2015/127271中提供了3d结构制造系统1545的另一实例，其全部内容通过引证结合于此。
本公开的方法和系统可通过一种或多种算法实现。算法可在通过中央处理单元1505执行时，经由软件实现。算法可例如，促进图1的每一方法100的3d物体的形成。算法可实现方法100的各种操作。
本公开的方法和系统可用于形成各种三维物体，诸如例如，电子设备、微流体声波、机械设备、医疗器械、推进设备、建筑结构、建筑物、无线电通信设备、生物工程结构、人造器官或生物医学设备。这些三维物体可用在各种设置中，诸如商业、工业或军事设置。
本公开的方法和系统可与其他方法和系统合并，诸如例如，在ep1209959、ep2779272、美国专利公开第2002/0062987号、美国专利公开第2011/0253435号、美国专利公开第2014/0054795号、美国专利公开第2014/0272522号、美国专利第6,100,178号、美国专利第6,833,511号以及美国专利第8,033,014号中公开的那些，其中的每一个的全部内容通过引证结合于此。
尽管本文中已示出并描述本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些实施方式仅通过举例的方式提供。本发明并非旨在限于在本说明书内提供的具体实例。尽管已参考上述说明书描述了本发明，但是本文的实施方式的描述和说明并非旨在以限制意义解释。在不偏离本发明的情况下，本领域技术人员可进行许多变型、变化和替代。此外，应理解，本发明的所有方面不限于本文提出的取决于各种条件和变量的特定描绘、配置或相对比例。应理解，本文描述的本发明的实施方式的各种替代可采用以实践本发明。因此，预期本发明也将覆盖任意这种替代、变型、变化或等同物。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并且因此覆盖在这些权利要求及其等同物的范围内的方法和结构。
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