用于通过三维打印制造机电系统的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于制造机电系统的方法，一种可以使用这种方法获得的机电系统，以及一种适用于实施这种方法的制造装置。本发明基于三维(3d)打印技术，也称为增材制造。它适用于很多应用，例如，制造：-可穿戴的生理或活动传感器(心率、血糖等)；-理疗设备；-二维或三维交互界面；-连接对象；-等。如今，增材制造(或3d打印)技术正在各个领域经历显著增长，并且即将彻底改变工业部门，以及个人中的消费实践。近年来已经开发了各种方法以设计各种各样的机械物体和结构。它们使得可以控制物体的局部或整体机械特性或甚至外观(例如颜色或纹理)。然而，这些方法仅产生被动物体，而没有能够感知或作用于环境的能力。为了使这些物体是活动的，有必要在它们中加入电子元件和功能，这些元件和功能目前是通过基本的减法方法单独制造的，然后在工业生产线中与机械结构组装在一起以生产最终物体。将电子功能结合到非平面机械结构中并且无需组装是一个挑战。近年来，许多参与者已经致力于使用聚合物材料来生产所谓的柔性或有机电子产品。自从1977年开发出第一种导电聚合物以来，电子产品的这个分支相对较新，并且使用这些材料的第一批电子元件在20世纪80年代中期出现。目前，有机电子产品可以生产多种电子元件，如有机场效应晶体管(ofet)、有机光伏电池(opv)、有机发光二极管(oled)、电化学生物传感器，甚至基于电活性聚合物(eaps)的致动器。为了生产这种电子产品，已经开发了新方法，并且一些现在以工业规模使用，例如连续剥离或轮转印刷(柔性版印刷、照相凹版印刷等)。喷墨打印(ijp)和气溶胶喷射打印(ajp)形成3d打印方法的一部分，可以生产一些有机电子元件，特别是传感器[muth,2014；sitthi-amorn,2015]并且目前是该领域的深入研究的主题。然而，这些方法仅产生平面基板上的部件[rossiter，2009]或需要额外组装操作的部件，因此不允许设计完整的机电3d结构。最近，已经提出通过熔融丝沉积(fdm，“熔融沉积建模”)以在3d物体上打印压力传感器[leigh，2012]而将导电聚合物与3d打印方法一起使用。还提出使用功能性热塑性塑料来打印诸如天线的基本部件[o'brien，2015]。聚合物基质复合材料在诸如传感器和致动器等众多应用领域的潜力已经得到证明[coiai，2015]，[deng，2014]。此外，纳米复合材料和纳米颗粒(阳离子纳米粘土、阴离子纳米粘土、贵金属纳米颗粒、碳纳米管等)的科学已经允许更好地理解和更好地控制合成这些材料的方法。特别地，包含碳填料的热塑性塑料有望用于制造传感器，例如变形、力、温度、电化学(液体或气体检测)和其他这样的传感器。还已知了开发并集成在fdm打印机上的具有金属芯(例如铜)和热塑性塑料基质的复合材料使得可以生产应变仪(参见us2014/328964)。然而，目前，不可能使用3d打印来制造完整的机电系统。混合方法目前允许，但潜力有限。其中最先进的是voxel8平台(www.voxel8.co)，它是哈佛大学的副产品，它结合了用于物体结构的fdm、用于电路的导电轨的金属油墨和分立部件定位系统。文献us2015/173,203公开了一种用于制造包括电气部件的机电系统的方法。然而，该电气部件不是换能器。文献us2015/173,203还公开了一种用于实现包括三个固定打印头的所述方法的装置。还从文献wo2014/209,994中已知的是一种用于实现没有熔融丝沉积的方法的装置，其包括几个可独立驱动的打印头。技术实现要素：本发明旨在克服现有技术的上述缺点和局限。更具体地，其目的在于使得可以制造单件的并且通过同一3d打印方法的机电系统的机械子系统和至少一部分的电气子系统。术语“电气”应该在广义上解释，包括电子和/或电磁，甚至光电子类型的功能。根据本发明，该目的通过使用借助熔融丝沉积的三维打印技术来制造机械结构和固定到所述结构(例如布置在其表面上)的至少一个电气部件(导电轨、电阻器、传感器等)来实现。这需要使用至少两种不同的材料：用于打印结构的电绝缘的第一材料、以及用于打印一个或多个电气部件的至少一种导电或电阻的第二材料。因此避免了混合技术的缺点：由于组装步骤、机械脆性、体积等导致的开销损失。因此，本发明的主题是一种用于制造机电系统的方法，包括：-通过借助熔融丝沉积至少一种第一电绝缘材料的三维打印来制造机械结构的步骤；以及-制造与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定的至少一个电气部件的步骤；其中，所述制造至少一个电气部件的步骤是通过借助熔融丝沉积直接与机械结构的所述元件接触的导电或电阻的至少一种第二材料的三维打印来实现的；其特征在于，所述电气部件或一个所述电气部件是换能器。本发明的另一主题是一种机电系统，包括电绝缘机械结构和至少一个电气部件，所述电气部件布置成与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定，其中，机械结构和电气部件通过三维打印形成所述机械结构的至少一种第一电绝缘材料和形成所述电气部件的至少一种第二导电或电阻材料而产生在单块中；其特征在于，所述电气部件或一个所述电气部件是换能器。本发明的又一个主题是一种用于实施上述方法的装置，包括具有至少两个不同挤出头的熔融丝沉积类型的三维打印机，该至少两个不同挤出头可以独立地启动并适于沉积两种不同的材料，所述挤出头以相同的挤出方向并排布置并由相同的打印架承载，从而确保它们同时移位，所述打印头还包括用于当所述挤出头或另一个所述挤出头工作时使非工作的挤出头在远离所述挤出方向的方向上移位的机构。附图说明本发明的其他特征、细节和优点将在阅读参考作为示例给出的附图给出的说明时显现，附图分别表示：-图1是根据本发明实施例的装置的功能图；-图2a-2c是根据本发明的一个实施例的制造方法的局部退火步骤的示意图；-图3是根据本发明实施例的用于喷涂制造方法中使用的粘合促进剂的喷嘴；-图4a-4e是由根据本发明实施例的制造方法产生的不同导电图案；-图5a-5c是示出了由根据本发明实施例的制造方法产生的不同电阻图案的电阻随其几何参数变化的趋势的曲线图；-图6a和6b是由根据本发明实施例的制造方法产生的配备有单轴应变仪的拉伸试样；-图7a-7c是示出了在针对图6a和6b所示类型的试样的拉伸试验期间进行的测量结果的曲线图；-图8是由根据本发明实施例的制造方法产生的二维弯曲传感器；-图9a-9e是由根据本发明的实施例的制造方法产生的多轴力传感器的制造顺序，以及图9f是该传感器的侧视图；-图10是由根据本发明实施例的制造方法产生的声学传感器的横截面图；-图11a至11h是示出用于生成由根据本发明实施例的制造方法产生的电阻器的打印文件的算法的流程图；-图12a-12c是填充表面的概念的图示；以及-图13是示出了用于生成由根据本发明实施例的制造方法产生的压阻式变形仪的打印文件的算法的流程图。具体实施方式图1示意性地示出了根据本发明实施例的用于制造三维机电物体的装置。通过熔融丝沉积(具体地沉积功能性热塑性塑料)制造的这些物体包括可能铰接的机械结构、以及诸如无源部件(电阻器、电容器、天线等)、传感器和致动器的电子部件。图1的装置使得可以打印提供有与其环境或用户交互能力的复杂3d物体，其中设计和制造周期短，成本降低，物体的形式及其使用灵活性极大。该装置基本上包括三维打印机i3d，其为熔融丝沉积型-或fdm型-适用于实施根据本发明的方法。它还可以包括用于设计打印的电气/电子部件的接口。该接口可以包括数据库bdm，其存储在诸如硬盘的计算机可读介质上，包含通过借助使用功能热塑性塑料的三维打印产生的电子部件和换能器的库及其性能模型。它还可以包括sgf计算系统(通常是计算机)，其被配置为作为输入经由用户终端和可能的图形界面接收电子部件所需的电气和几何特性，并使用数据库的模型来生成包含所有指令的打印文件fi，使得打印机i3d可以制造适当设计的电气设备。下面在本文件中参考图11a-11h和13说明了最终生成文件fi的步骤。如图1所示，三维打印机i3d包括至少两个并排布置的挤出头te1、te2，由相同的打印架ci承载，使用移位机构md(其结构未详细示出，因为它是常规的)由计算机系统(计算机或微控制器卡)sip驱动在三个正交方向x、y和z上移动，其中方向z对应于两个挤出头的挤出方向。使用两个不同的挤出头有助于沉积至少两种不同的热塑性材料：用于制造机电系统的机械结构sm的绝缘材料m1、以及用于制造至少一个电气部件ce的功能材料(导电或电阻的)m2。稍后将详细讨论这些材料的性质。通常，它们经常是热塑性聚合物材料或具有热塑性聚合物基质的复合材料。至少材料m2通常包含例如通过使其导电来影响其电性质的过滤体。对于包括两种以上材料的复杂系统的生产，可以使用两个以上的头；可以使用同一个头来沉积几种不同的材料，但这会减慢方法(必须改变供给喷嘴的材料)并带来污染的风险。致动机构atv使得可以调整每个头相对于其他头的相对垂直位置(z方向)。这尤其使得可以在复杂结构的生产过程中升高非工作的头，其中，挤出头和已经打印的元件之间的碰撞风险变得相当大。即使在简单的逐层打印的情况下，非工作头上存在的残留物也会偶尔以不受控制的方式沉积，这会影响美学性质(颜色、质地等)，尤其是影响最后物体的功能特性。例如，这可能导致导电轨之间的短路。通常，每个挤出头te1、te2包括具有加热边缘的挤出喷嘴和将要沉积的热塑性材料m1、m2的细丝输送到该喷嘴的线圈。通常，每个喷嘴安装在加热块上，加热块通过热传导将热量传递到挤出边缘。使与喷嘴的加热边缘接触的细丝的端部熔化，并且熔化的材料在由充当活塞的细丝尚未熔化的部分施加的压力的作用下从喷嘴喷出。通过简单的重量控制，知道细丝的密度、支撑线轴的重量(标准的，但可以从其尺寸和构成材料的密度来推断)和细丝的直径，可以产生打印机对材料量的控制。可以通过简单的压力传感器或更复杂的力传感器来测量重量，该传感器本身可以源自3d打印。为了精确，传感器对重量的实时测量可以通过更传统的方法来补充，该方法包括使用接触传感器来测量由线轴执行的转数。每一转，计数器递增1。完整旋转消耗的长度等于线轴的周长；通过将该长度乘以细丝的截面积及其密度，可以获得沉积的材料量。多材料和功能结构的打印的可靠性特别取决于不同挤出头的定位精度。可靠性主要基于挤出头和打印压盘pli之间的间距(沿z方向)以及头在压盘的平面(x，y)中的位置的自动校准过程。通常使用行程终点传感器和压盘的角部调整来校准挤出头和压盘高度(z)之间的间距以及压盘的平坦度。然而，当使用大表面积(例如大约20cm×20cm或更大)的压盘时，变得难以确保其平坦度，因此使用行程终点传感器不令人满意。这就是根据本发明实施例的装置优选地包括固定到打印架的电容式传感器cc的原因。电容式传感器的使用使得可以在几个点处校准压盘而无需接触它，并避免伺服电机上常用的机械行程终点传感器固有的机械误差。电容式传感器充当非接触式开关。与电感式传感器不同，它可以检测非铁材料，如玻璃、木材、皮肤等。实际上，这种传感器通过直接安装在打印架上可以非常简单地替换行程终点接触。校准挤出头在压盘的平面xy中的位置是重要的，以便正确地对准用不同头制造的结构的部件。对于第一层(例如，产生机械结构的表面)，使用具有集成接地电极的电容式传感器cc和放置在压盘角落中的金属接地电极(图1中的附图标记eet1、eet2)来执行初始校准。实际上，在传感器和压盘之间的距离恒定的情况下，与传感器的两个电极之间的金属部分而不是压盘的绝缘涂层或材料的测量电容将更大。对于随后的层，特别是当使用几个打印头，并因此打印几种热塑性材料时，必须使用视觉伺服控制来验证与前一层以及与用另一种材料打印的部件的对准，该视觉伺服控制实现了与图像处理系统sti(其在图1的实施例中与驱动计算机系统sip一致)相关联的相机ce。视觉伺服控制实施如下：-相机ce获取打印表面的图像，在该打印表面上沉积了至少一层材料；可能的是，可以获取并平均几个图像以改善信噪比差异；-在图像上自动或手动(用户介入)选择参考点；-将相机拍摄的图像上的该参考点的位置与其在沉积的最后一层的模型上的、已在打印机的存储器中的位置进行比较；-计算打印架在轴x和y上的位置，并存储在存储器中；-上层的打印考虑这些可能的移位。优选地，如图1的情况那样，校准相机ce固定到托架上，具有相对于已知的挤出头的相对位置。在一个变型中，可以固定相机并使用固定在打印架上的视觉标记来确定后者相对于图像上的参考点的相对位置。根据本发明的方法必须实现沉积在叠加层中的至少两种不同材料。现在，异质层之间的粘合并不总是令人满意。因此，根据本发明的优选实施例，在沉积层的同时或之后进行原位局部退火。这种局部退火的作用是提供热能以加强物体的两种组成材料之间的粘合；而且，它还可以改善所用功能性热塑性材料的固有性质。目前的fdm技术依赖于相邻或一个在另一个上面的聚合物层的简单挤出，并且在有或没有加热板的帮助的情况下使用潜在挤出热来熔合和焊接邻接层。该方法引起层的不完全和不均匀的焊接，并且因此由于层之间的分层而降低了机械特性，特别是在与层的表面成直角或在细丝沉积方向上施加的负载的情况下。对于两种不同材料之间的界面更是如此，其中，两种材料之间的润湿可能是部分的。在第一材料层上沉积第二材料的细丝时，第二材料的细丝处于熔化状态，并且第一材料层的表面的润湿取决于两种材料的物理化学参数，例如两种物质的表面张力、第一材料的表面粗糙度和第二材料的粘度。在制造之后冷却部件时，由于接触表面减小、粘合力太弱以及两种材料的热膨胀系数之间的差异，可能发生层的分层。在本发明的实施过程中进行的退火依赖于通过纳米填料(图2b和2c中的cm1、cm2)沉积的、结合到材料的基质(这些相同图中的mm1、mm2)中并且能够吸收一个或多个给定波长的辐射电磁束的材料的局部加热。在图1的实施例中，电磁辐射源srr(例如红外激光器)固定在打印架上；附图标记fl表示由源产生的电磁束(此处是激光束，但它也可以是另一种类型的辐射，例如微波，参见例如wo2015130401，或射频)。根据以下不同的配置，可以在相关层的打印期间执行退火：-在工作的挤出头后面的波束的通过和对沉积的最后一层的作用(图2a中所示的配置；其中附图标记δt象征性地表示局部加热)；-波束的独立通过(挤出头不工作)，作用于：在均质材料的情况下沉积的最后一层或多层；第一材料的最后一层或多层，其位于第二材料下方，通过后者传输，后者对所用波长是透明的。退火系统已在图1和2a中非常示意性地表示；在实践中，它包括辐射发射源、聚焦系统(可能包含在源中)和用于将波束引导到撞击点的系统，通常是光纤。在图2a的实施例中，退火辐射源srr固定到打印架，但是在其他实施例中，它可以是独立的。吸收辐射的纳米填料可选自由以下构成的组中：碳纳米管、炭黑、巴基球、石墨烯、超磁纳米颗粒、磁性纳米颗粒、金属纳米线、半导体纳米线、量子点、聚苯胺(pani)、聚3,4-亚乙二氧基噻吩聚苯乙烯磺酸盐及其组合。其选择不仅基于它们的功能因此转移到复合物(例如导电性)，而且还基于对应于滤光器的最大吸光度的辐射波长，因此是最低功率的最佳加热。例如，许多填料对微波具有高吸收度，例如金属、氧化物、碳(特别是碳纳米管“cnt”)和导电聚合物(例如聚吡咯)。射频辐射(大约10mhz左右)对于其部分的使用证明适用于陶瓷填料，如sic、zno或tio2。红外激光的使用对于没有填料或填充有纤维(例如碳纤维)的基质特别有效。吸收辐射的填料可以已经存在于熔化的细丝中，或者通过喷洒悬浮液沉积。退火允许相邻层之间的基质的聚合物链相互扩散(图2c)，同时限制部件其余部分的加热，从而显著降低其尺寸的改变，特别是通过蠕变和热循环。在挤出过程期间可以修改沉积细丝中功能化填料cm2的分布和分配，或者其最初不是最佳的。原位局部退火还可以使填料在基质体积中的分配均匀化，从而改进渗透网络最大值(根据填料的性质是导电的、半导体或电介质)，因此改善最终结构中复合材料的功能特性。这在图2b中示意性地示出。可以使用粘合促进剂在由不同热塑性塑料(特别是在复合材料的情况下具有不同的基质)构成的两个部分之间的界面处的沉积来替代或补充通过辐射束的退火并且改善这两部分之间的粘合性。该沉积使用喷嘴喷射液滴进行，例如具有用于雾化空气的入口的阀，空气用于控制并用于促进液体粘合。这种装置在图3中非常示意性地表示，其中它由附图标记bp标识；附图标记apa表示粘合促进剂的射流。已知通过将粘合促进剂喷射到表面上的沉积分布是高斯分布并且以面向喷雾器的点为中心。为了获得尽可能最均匀的浓度分布，因此最好对喷嘴的通道进行编程。粘合促进剂可以是均匀液体或纳米或微米颗粒的悬浮液。在后一种情况下，当然必须确保在其制备过程中预先具有均匀的悬浮液，特别是通过使用超声处理然后是离心步骤。在所有情况下，粘合促进剂与界面的反应和/或溶剂的蒸发必须使得可以最终留下固体粘合层。此外，规定喷射装置能够沉积吸收性颗粒，一旦夹在两层之间，相同的热塑性塑料或两种不同的热塑性塑料的吸收性颗粒就能够用前述的波束照射，并且可以以这种方式改善粘合性。如上所述，根据本发明的机电物体的结构材料m1是电绝缘材料。结构材料能够是聚合物，例如热塑性塑料、热塑性弹性体、陶瓷或具有热塑性或陶瓷基质的复合材料。热塑性基质能够形成包括但不仅是以下的组的一部分：丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚乳酸(pla)、聚酰胺(尼龙)、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚氯乙烯(pvc)、聚氨酯(pu)、聚碳酸酯(pc)、聚苯砜(ppsu)、聚醚醚酮(peek)及其混合物。陶瓷能够选自氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物组成的组中。例如，相容的陶瓷包括氮化硅、pzt、氧化铝或羟基磷灰石。所用的复合材料可以包含任何类型的填料，这使得可以修改和调整其机械和热性能，例如陶瓷或金属填料、玻璃或碳纤维，或甚至碳颗粒。一个或多个电气部件由至少一种功能性热塑性材料m2制成，其通常是具有诸如良好的导电性和/或压阻性或压电性和/或良好的导热性和/或高介电系数等的性质的复合材料。例如，对于导电热塑性塑料，填料可以形成碳颗粒组的一部分，包括炭黑、石墨烯、碳纳米管。为了获得良好的导热性，可以包含金属填料或纳米管。该材料需要具有适合于通过fdm形成的性质，即接近一种或多种结构材料的熔点且低于300℃的熔点，以及熔融区中足够低的粘度。为此，一种解决方案是在可能的范围内使用与结构材料m1相同或相似的聚合物基质。功能性热塑性塑料m2单独使用或与另一种功能性或非功能性的热塑性塑料相关联地使用涉及制造电气或电子部件，例如无源部件(电阻器、电容器、天线等)、传感器或致动器。为了充分利用根据本发明的设备和方法的有利特征，可以开发和结合具有功能特性的新型热塑性材料，使得可以生产电子部件、传感器和致动器。这些材料的结合需要详尽的电气和机械表征，以便识别要调整的参数以保证3d机电物体中的最佳功能。为此，发明人特别关注以下复合热塑性塑料：-材料1：基质abs/填料cb(炭黑)-材料2：基质pla/填料cb-材料3：基质pi-etpu(聚酰亚胺/工程热塑性聚氨酯)/填料cb-材料4：基质pla/填料cnt(碳纳米管)-材料5：基质pla/填料石墨烯已经成为这些表征研究主题的材料是填充有具有高固有电导率的碳颗粒的热塑性塑料。这些复合材料具有导电性，其不仅取决于填料的性质，还取决于其在热塑性基质中的浓度和分布。填料的浓度必须足以允许形成传导或渗透路径，但对于细丝的粘度应足够低，以允许在低于300℃的温度范围内连续挤出熔融细丝。复合细丝中填料的分布取决于形成复合细丝的方法(单螺杆或双螺杆挤出)、工艺参数的控制和具有潜在表面官能化的颗粒的制备。填料的均匀分布和分配允许更多数量的渗滤路径，因此复合材料具有更好的导电性。然而，最终，复合材料的电性能也通过fdm打印3d物体中使用的工艺和几何参数来调节。如上所述，所研究的五种复合材料的粘度、柔韧性和硬度不同，因为它们的基质、填料和它们形成的方式不同。为此，必须调整工艺参数以允许细丝的连续挤出。对于所研究的材料，挤出温度主要取决于所用的热塑性基质：填充pla为210-220℃，填充abs为230℃，并且填充pi-etpu为220℃。然而，很明显，这些值已经由制造商优化，特别是通过采用适当浓度的填料。然而，在打印期间喷嘴的位移速率或打印速度由除粘度之外的参数控制。通过细丝的啮合，在固定轮和移动轮之间夹紧，使得可以挤出细丝，并且细丝的上部固体部分在下部液体部分上形成活塞。柔性细丝在压缩应力的作用下具有弯曲的趋势，尽管挤出头的设计使得可以限制细丝的横向移动。速度的降低(通常为20mm/s)使得可以降低熔融细丝被挤出的时间，并且可以保持低于柔性细丝的蠕变限度约束。碳纳米颗粒(例如cnt和石墨烯)不仅是优良的电导体，而且是优良的热导体。尽管边缘与热喷嘴接触，但是过低的打印速度存在允许熔融细丝的芯部通过内部热传导而冷却的风险。这种现象使得必须限制细丝在喷嘴中的通过时间，使得它足够长以允许细丝液化，并且又足够短以防止芯的再固化。在这种情况下，高打印速度(通常为80mm/s)使得可以进行连续挤出并避免喷嘴堵塞。根据热塑性基质的性质及其在熔融状态下的性能要考虑的最后一个参数是喷嘴和第一层的压盘之间的距离。实际上，对于第一种情况下与pla相比的abs，及对于第二种情况下与pla相比的pi-etpu，高粘度和弹性需要更大的间距。为了产生可以根据本发明制造的电气部件的数学模型，由上述五种材料制成矩形条形式的图案，并进行表征。这些图案的长度l(图4a)、宽度w(图4b)、总厚度h(图4c)、每个单独层或“层级”的厚度e(图4d)和打印方向(图4e)不同。详尽的电气表征可以根据其电导率将材料分类，并建立将图案的电阻与上述几何参数联系起来的定律。图5a示出了对于研究的5种材料作为其长度l的函数的矩形条的电阻的趋势(w＝20mm，h＝400μm，打印方向相对于条的长度＝0°，t＝200μm)。容易识别的最导电的材料：当材料指数从1增大到5时，电导率会降低。图5b示出了对于研究的5种材料作为其宽度的函数的条的平均相对电阻的趋势(l＝50mm，h＝0.4mm，打印方向相对于条的长度＝0°，t＝200μm)。平均相对电阻由(r-r0)/r0给出，其中r是所考虑的条的电阻，r0是长度等于10mm的参考条的电阻。逆律趋势对所有都有效，证明了它们的欧姆性能。图5c示出了对于材料4的根据其宽度(l＝50mm，h＝0.4mm，打印方向相对于条的长度＝0°，t＝200μm)及其高度(l＝50mm，w＝20mm，打印方向相对于条的长度＝0°，t＝200μm)的条的平均相对电阻的趋势。电阻与条的宽度和高度成反比，以功率为单位。根据长度l、宽度w和高度h的图案的电阻r的相对变化对于五种复合材料实际上是相同的。定性地，在图5a-c中，还应注意，填充的热塑性塑料，一旦打印了，就表现得像欧姆导体，并且电阻符合一般表达：其中ρ是条沿其长度测量的电阻率。此外，该欧姆性能由在制造的不同样品上产生的许多电流-电压特性支持。电阻也根据打印方向并且根据上述定律而变化。可以凭经验将该变化与打印图案的固有电阻率相关联，即与其微观结构相关联。获得的结果再现于下表1中。当打印方向从0°变为45°然后变为90°时，条的电阻率增大。该角度是相对于条的长度来评估的。表1-导电热塑性塑料的电阻率和打印方向然而，除了材料3之外，对于大多数材料，打印在电阻上的层的厚度“e”的影响可以忽略不计。当材料3的e在100和300μm之间变化时，2.5倍的电阻减小可以通过层之间的垂直连续性(较少的均匀层-层界面)来解释，这可能允许更多数量的渗透路径。在这种情况下，如本发明所述，使用局部退火使得可以在层间界面处形成新的渗透路径，并且可以显著改善打印图案的电导率。为了表征其压阻性，材料1至5用于制造通过fdm打印的哑铃形单轴拉伸试样。这些试样的设计是利用根据打印方向的电阻率差异，并且尺寸符合astmd638标准，即，对于有用部分：l＝50mm，w＝10mm，h300μm。对于每种材料，以相对于试样长度测量的打印方向0°、45°或90°来完整打印副本。图6a和6b中示出了制造的试样的示例et1(0°)、et2(90°)。使用从样品底部垂直悬挂的重物施加拉伸应力，同时通过夹钳将样品的高度固定到框架上。悬挂的重物为100g、200g、500g和1kg。假设试样没有缺陷，应变将集中在有用部分，并且施加的应变将在3和33mpa之间变化。测试结果如图7a-7c所示。图7a示出了根据垂直悬挂重物的质量m的材料2中的拉伸试样的电阻r的趋势。填充率为100％，因此试样是固体。图7b示出了在机械加载/卸载循环期间，在零或100g负载下拉伸试样的电阻的趋势。此处考虑的试样具有80％的填充率，这意味着在形成试样主体的细丝或条纹之间存在间隙，其中约20％由空白空间构成。图7b示出了在移除100g负载之后拉伸试样的电阻的时间t中的趋势。在突然增加之后，电阻逐渐降低至静态值。在所研究的材料中，当试样以90°打印时，材料3表现出具有阈值效应的压阻性能，如图7a所示。通过降低fdm打印中的填充率，即通过调节条纹之间的接触质量，可以降低出现电阻变化的阈值。如果填充率高，则相邻条纹之间将存在重叠。该速率降低越多，在挤出物厚度恒定的情况下，重叠部分减少越多，相邻条纹之间的界面呈现孔或孔隙，其中捕获了空气。因此，孔隙率是一个重要参数，使得可以控制打印图案的电阻和压阻阈值。在老化循环(断开第一次使用期间发生的弱路径，从而导致电性能的快速变化，然后是稳定阶段)之后，注意到对于填充率为80％的条，电阻变化从100g的负载出现，具有良好的可重复性和至少10个循环的耐久性(参见图7b)。对于相对于具有材料5的试样的长度以90°的打印角度打印其条纹的试样，观察到相同的压阻性能。然而，观察到在加载或卸载之后弹性体基质松弛的现象。对于卸载，这种现象引起电阻的突然增加，随后是对数减小到静态值(见图7c)。因此，该时间响应在测量的可靠性及其用于生产传感器的使用中是不可忽视的问题。为材料2的压阻率建立的性能模型和定律，以及为导电热塑性塑料的电阻率建立的性能模型和定律，使得可以生产利用这些性质的传感器。图8示出了功能性二维弯曲传感器cf2d，其完全由fdm利用3种不同热塑性材料打印。该部件实际上包括绝缘热塑性塑料(abs)的结构sm、导电热塑性塑料(材料4)的4个接触电极elc1、elc2、elc3、elc4，以及具有压阻性能的填充热塑性塑料(材料2)的2个中心部分jc1、jc2，根据正交打印方向打印，形成应变仪，由机械结构sm支撑，并且其灵敏度轴(由打印方向确定，因此由组成细丝的对准确定)相互成直角。为了避免更换线圈所需的死区时间，通过使用三个挤出头打印传感器，每个材料一个挤出头。在异质界面处沉积一层薄的粘合促进剂。传感器的中心部分分别是以0°打印的材料2的矩形jc1和以90°打印的材料2的矩形jc2，厚度为600μm。根据表征结果，只有打印方向与拉伸应力方向成直角的矩形产生电阻的变化。另一个区块保持相同的电阻。因此，这两个块的并置使得可以测量沿轴x或轴y的应变，甚至是双轴拉伸应变。当abs基板经受弯曲应变时，其顶面受拉伸应力。该应力通过在界面处的剪切传递到材料2的块。使用此传感器获得的及展示其功能的结果如下表2所示：变形(ε)大尺寸(60mm)小尺寸(50mm)ε＝0409ω630ω拉伸应变下的顶层:ε>0456ω723ω压缩下的顶层:ε<0370ω273ω表2该方法允许的形状自由度及导电和压阻热塑性塑料的可用性允许生产多维力传感器。图9f示出了这种微型操纵杆形式的传感器的侧视图，该微型操纵杆可以平移施加到中央连接器及其部件x和y的载荷。该传感器具有绝缘机械结构，其包括环形基板sa、支撑柱ps和绝缘材料的中央平台ptc；形成悬浮桥的压阻元件pzr1-pzr4，该悬浮桥使用牺牲例如可溶性聚合物的打印支撑物产生；接触电极ec1-ec5，中央操纵杆jc和导电柱pc1-pc4，以用于附接连接器。图9a-9f分别示出了这些不同的元件。图10示出了压阻式声学传感器，其也通过根据本发明的打印方法产生。它包括绝缘机械结构sm，导电热塑性塑料的两个接触电极elc1、elc2，同样导电热塑性塑料的两个导电膜mc1、mc2，形成电容器的两个箔，以及各自连接到相应的接触电极和导电膜mc1的应变计jc1、jc2。应变仪使得可以在声波的作用下测量膜mc1的变形。如上所述，有利地提供设计接口以便于设计打印电气部件。该接口是计算机系统(计算机、计算机网络、微处理器卡等)，其被编程为作为输入接收待制造的电气部件的参数，例如期望的电气特性、其接触点的位置、其在机械结构的表面中或表面上的位置等，并且通过应用适当的算法在输出处提供打印文件(通常为gcode格式)，该打印文件使得可以驱动三维打印机。作为非限制性示例，图11a至11h的流程图示出了这样的算法，该算法使得可以在打印文件中达到最终的简单电气部件，即沉积在绝缘基板上的电阻器。图13还示出了作为非限制性示例的算法，该算法使得可以获得轴向变形仪的打印文件。通过三维打印制造的电阻器可以是二维的(即平面的，沉积在表面上)或三维的-因此穿过可以施加的非共面点。在二维电阻器的情况下，可以采用线性几何形状-以获得低电阻值-或z字形或蛇形几何形状-以获得较高电阻值。这三种不同情况需要不同的设计算法。因此，如图11a所示，根据本发明的设计接口的用户首先定义要使用的热塑性材料(步骤ea1)，其性质已知并存储在模型数据库bdm中，并且要达到的电阻值r_user(步骤ea2)，然后(ea3)他或她指示电阻器是三维的还是必须观察施加的通过点。在肯定的情况下，设计接口将应用三维电阻器设计算法，如图11g和11h所示。否则，系统将独立地确定(ea4)作为值r_user的函数，是适合产生线性几何形状(例如，如果r_user低于预定阈值r_th)，在这种情况下，它将应用在图11b中所示的算法，还是适合产生z字形几何形状(例如，如果r_user高于或等于r_th)，在这种情况下，它将应用图11c至11f中所示的算法。线性几何形状和z字形几何形状之间的选择还可以考虑其他参数，例如占用面积，或者留给用户评估。无论选择何种几何形状，所应用的设计算法都定义了要制造的电阻器的体积(ea5)。然后(步骤ea6)，(计算机辅助设计)建模器cao以三角形形式生成该体积的三角形网格，其通常以stl格式的立体平版打印文件的形式存储。接下来(步骤ea7)，存在由stl文件定义的体积的切片，这使得可以定义由挤出头沉积的每个材料切片并且将打印头的位移轨迹与其相关联。切片由本身已知的软件完成，取决于打印机，优选地还可以通过特别确定喷嘴边缘的温度、填充的速率或角度等来对后者进行参数化。喷嘴的位移和机器参数全部都存储在打印文件fi中，例如以gcode格式。图11b的流程图示出了线性电阻器的设计算法。首先，用户作为输入向计算机系统提供假定为矩形的包含电阻器的区域的宽度xmax(eb1)和长度ymax(eb2)，点的位置用作定义在该区域中的参考系的原点(eb3)，以及该参考系中电阻器的接触点a和b的坐标(eb4，eb5)；在任何情况下，这些点通常都位于该矩形区域的侧面，这在下文中总是如此。然后计算机系统计算段ab的长度l(eb6)，然后获得所期望电阻(eb7)所必需的截面s＝ρ·l/r_user，ρ是从数据库bdm中提取的材料的电阻率。截面s是电阻器宽度w与其厚度h的乘积，这两个量必须确定。电阻器的厚度h是由挤出头沉积的材料切片的厚度e的整数倍，而宽度w处于为挤出头的函数的最小值wmin和电阻器的可允许宽度wmax之间。首先，假设h＝e，并计算相应的宽度：w＝s/h。如果获得高于可允许最大宽度wmax的值，则h递增值e，依此类推。尽管未在图中示出，但即使h＝e，也可以获得w<wmax。这意味着r_user过高；因此，有必要通过移位一个接触点(或两个)来增加长度l，或者改变材料，或者使用z字形几何形状。原则上，如果通过图11a的算法自动选择线性几何形状，则不应出现这种情况。这些操作构成步骤eb8。接下来(eb9)，检查值r＝rho·l/s是否确实等于r_user。如果不是，则用户可以选择更改所使用的材料，在这种情况下，算法从步骤eb7重新开始；如果他或她不想这样做，计算机系统将移位a点和b点之一(或两者)来修改长度l，直到r＝r_user(eb10)。在图11c至11f中示出了用于z字形电阻器的设计算法。与线性电阻器的情况一样，用户作为输入向计算机系统提供假定为矩形的包含电阻器的区域的宽度wmax(ec1)和长度ymax(ec2)、以及参考系原点的坐标(ec3)。他或她还提供形成z字形图案的电阻“线”的宽度w和厚度h(ec4，ec5)，这允许系统计算该线的长度：l＝r_user·w·h/rho(ec6)。然后，用户作为输入提供电阻器的接触点a和b的坐标(ec7，ec8)，这允许系统确定这些点是位于矩形区域的相对侧、同一侧还是位于相邻(和正交)侧上。这三种特殊情况具有三种不同的对应算法，分别由图11d、11e和11f示出。当点b面向a设置(图11d)时，通过从点a开始(步骤ed1)，通过移动到b所在的一侧并与a所在的一侧成直角的预定义的长度间距delta_min(相对于包含电阻器的矩形区域的尺寸较小，但是大于线的宽度w)来确定导线的路径(ed2)。然后，在距离a最远的该侧的顶点的方向上，存在平行于a的一侧的移动，在距矩形区域的边缘的距离delta_min处停止，以保持安全余量(ed3)。然后，存在长度delta_min的到b所在的一侧并与a所在的一侧成直角的另一个位移(ed4)。然后存储从开始行进的距离，并存储在变量dist_p(ed5)中。此时，计算剩余的沿直线到达b要行进的最小距离(ed6)。如果dist_p和该最小距离之和超过l(在步骤ec6中计算)，则意味着不可能产生具有期望值的z字形电阻器；因此必须改变材料。否则，系统确定点a和b是面向x方向还是y方向。以下仅考虑第一种情况(步骤ed7、ed8、ed9)；在相反情况下执行的操作在所有方面都是类似的(步骤ed7'、ed8'、ed9')。z字形电阻器基本上由一定数量的nb_p图案(曲折)构成，该图案通过以下形成：在与承载a和b的侧面成直角的方向上(在此处所考虑的示例中是方向x)的长度为d的短线，以及在直角方向上的长度为d的长线，加上两个端部段——从a的一侧开始的长度为dist_p，从b的一侧开始上要计算的长度。在步骤ed7中，通过对d的值进行假设(因为有三个未知数且只有两个不等式)努力求解系统：nb_p·(d+d)≤l-dist_pnb_p·d≤xmax-2·delta_min最初的假设是：d＝ymax-2·delta_min。在步骤ed8中，检查得到的解是否证明条件d>delta_min。如果不是，则d的值减去delta_min(ed9)，并再次执行步骤ed7。最后部分由最短路径构成，该最短路径将最后图案的终端连接到b(ed10)。通常，为了获得等于l的总长度，有必要调整最后一条长线的长度(电阻器的倒数第二部分，因此不一定等于d)。要从如此确定的行程构造电阻器的体积所有必须做的是应用线w的宽度(ed11)。当点b位于与a相同的一侧时(图11e)，通过从点a开始(步骤ee1)，通过在与点a和b所在的一侧成直角的方向上移动一个预定义的长度间距delta_min(相对于包含电阻器的矩形区域的尺寸较小，但是大于线的宽度w)来确定导线的行程(ee2)。然后(ee3)，存在平行于该侧并且与b相反的移动，直到距与起始侧成直角的侧面仅留下安全距离delta_min为止。然后，在第一次移动的方向上(即与承载a和b的一侧成直角的方向上)进一步移动距离delta_min(ee4)。随后的步骤ee7、ee8到ee10、ee8'到ee10'、ee11、ee12与上述步骤ed6、ed7至ed9和ed7'至ed9'、ed10和ed11相同。当点b位于相邻的一侧，因此与承载a点的一侧成直角时(图11f)，通过从a点开始(步骤ef1)，通过在与a点所在的一侧成直角的方向上移动预定义的长度间距delta_min(相对于包含电阻器的矩形区域的尺寸较小，但是大于线的宽度w)来确定导线的行程(ef2)，然后，存在平行于该侧并且朝向与承载点b相反的一侧的移动，到达距离后者的安全距离delta_min(ef3)。接下来，存在与该侧平行的移动，直到距离与a的一侧相反的一侧留下安全距离delta_min为止(ef4)。其余的(步骤ef5-ef11)与前面的情况相同。最后一种特殊情况，即三维电阻器的情况，是图11g和11h的主题。首先，用户必须定义体积，其中定义了电阻器，离开点(a)和到达点(b)，以及中间通过点(eg1)。重要的是要注意，在fdm三维打印技术中，体积采用预定厚度的叠层的形式。因此，可以通过识别它所属的层并通过给出其在后者内的二维坐标来定义点的位置。定义电阻器的行程包括从点a开始(eg2)，识别包含a的层上的下一个通过点的投影pt_s，或者更一般地，识别当前点pt_c(eg3)，并确定到达该投影要行进的距离(eg4)，以及当前点的层与下一点的层之间的高度差(eg5)。点pt_c和pt_s之间的距离l_cs是在步骤eg3中确定的平面中的距离与高度差之和(eg6)；存储这个距离。接下来，转换到下一点，依此类推，直到达到b点为止。然后计算长度l_cs的总和l_calc(eg7)。然后，材料的电阻率rho的知识使得可以计算电阻图案的截面s(eg8)；根据该截面的知识，计算厚度和宽度，如参考图11b的线性情况(步骤eg9)所解释的。然后检查由此获得的电阻器r_calc是否具有期望值r_user(eg10)。如果r_calc<r_user，并且如果用户不想更改材料，则必须用z字形替换在同一层内连接两个连续通过点的至少一些直线段。为此，每个中间段的长度表示为l_calc的百分比(eg11)，并且为其分配要达到的电阻，其对应于r_user的相同百分比(eg12)。然后该过程如图11d的情况那样进行——步骤eg13-eg16对应于步骤ed2-ed5，步骤eg17、eg18、eg19对应于步骤ed7到ed9和ed7'到ed9'，并且步骤ed20、ed21对应于步骤ed10和ed11。可以通过根据本发明的三维打印制造并且通过使用编程接口可以有助于制造的电气部件的另一个示例是压阻式的单轴变形(或应变)仪。在静态时呈现电阻r0的压阻元件的电阻δr的相对变化具有以下值：δr/r0＝k·ε其中，k是压阻灵敏度，e是变形，其中ε＝δl/l0，δl是长度的变化，l是元件静态时的长度。在设计传感器时，初始长度(因此的电阻)是传感器体积填充率的函数。就像通过fdm三维打印制造的任何元件一样，压阻传感器由细丝或条带形成；该结构如图12a所示。传感器通过应变的作用下的条带的会聚或分离来工作。实际上，如果将条带靠近在一起，则会产生微接触，使电阻下降。相反，如果条带彼此远离移动，则电流强度循环较低。可以理解，对于平行于由图12a中的d表示的小填充轴的变形，变形的灵敏度远大于平行于大轴d的变形的灵敏度。如果填充率等于100％，这意味着条带在其整个长度上完全连续并且相互接触，则电阻变化将是不可测量的。在填充率过低的情况下也是如此。根据经验，已经发现40至70％的填充率对于所考虑的大多数材料给出了完全可接受的结果。图12a和12b的比较使得可以观察到40％填充(图12a)意味着比70％填充(图12b)更短的细丝长度。在填充率约为70％的传感器中，电导率显著地取决于电流的渗透，即存在将曲折彼此连接的导电微通道。这些微通道可以易于通过结构的小变形而中断，这意味着具有高填充率(但不是太高，例如大约70％)的传感器将能够检测到比填充率只有40％的传感器更小的变形。然而，这种传感器对制造缺陷也更敏感，例如由脏挤出头引起的短路。注意，在图12a和12b的示例中，已经沉积了几层电阻材料，具有直角沉积角，这导致各向同性压阻灵敏度。图13的流程图示出了压阻式应变传感器的设计步骤。首先(步骤ep1)用户在cad软件上生成他或她想要的表格并以stl格式导入(用三角形对体积进行网格划分)。然后，为了确保传感器足够柔韧和强健，将其高度h设定为预定值，例如打印厚度e的三倍(ep2)。最后一层将用作传感器。其他层可以例如由绝缘材料制成，具有通常在60％和100％之间，例如等于70％的固定填充，以便允许传感器具有或多或少的柔韧性(ep3)。作为变型，具有其他功能的导电层或电阻层也可以存在于用作应变传感器的层下。在传感器的层上，用户定义电极的位置(ep4)并从给他或她建议的列表中选择电阻材料(ep5)，以及从可能值列表中选择期望的灵敏度(ep6)。填充通常以矩形模式完成(ep7)，主填充方向与由两个电极限定的轴成直角(ep8)。在给定所选择的材料和期望的几何形状的情况下，在初步校准步骤中构建并存储在执行该方法的计算机的存储器中的表格使得可以找到填充率，该填充率使得可以实现期望的灵敏度(ep9)。打印速度(ep10)可以根据也通常通过校准构建的另一个查找表确定的填充率来确定。例如，可以选择低打印速度以获得高填充率，以避免当细丝残留物粘在喷嘴上并且在打印期间不时地脱落时可能发生的短路。对于较低的填充率、通道线的分离以及因此喷嘴通道中没有材料通常足以避免残留物粘附；因此可以以更高的速度打印，例如60mm/s。在一个变型中，可以使用相对低的打印速度(例如30mm/s)，而与填充率无关。已经参考包括压阻传感器的机电系统描述了本发明。然而，本发明不限于这种特定情况。实际上，特别是通过适当选择包含在热塑性基质中的填料，可以通过flm打印对温度、光、化学试剂等敏感的材料，以分别获得热、光学、化学传感器。此外，从导电材料和绝缘材料，可以制造电容式或电感式传感器，以及可用于传输和/或接收的天线。还可以生产热、静电、磁(使用铁磁填料)或甚至压电致动器。还可以打印oled(有机发光二极管)和/或有机光伏电池。在某些情况下，本发明将允许生产完全打印的机电系统。在其他情况下，将仅打印这种系统的电气/电子子组件的一部分(传感器、导线、致动器等)，而能够添加其他部件-例如执行复杂电子功能的集成电路。即使在后一种情况下，本发明也可以减少组装操作的次数，从而使机电一体化系统的制造更快且更便宜。参考文献[coiai,2015]serenacoiai等人,“nanocompositesbasedonthermoplasticpolymersandfunctionalnanofillerforsensorapplications”,materials,第8卷,第3377-3427页,2015年。[deng,2014]huadeng等人,“progressonthemorphologicalcontrolofconductivenetworkinconductivepolymercompositesandtheuseaselectroactivemultifunctionalmaterials”,progressinpolymerscience,第39卷,第627-655页,2014年。[muth,2014]josepht.muth等人,“embedded3dprintingofstrainsensorswithinhighlystretchableelastomers”,advancedmaterials,第26卷,第6307-6312页,2014年。[sitthi-amorn,2015]pitchayasitthi-amorn等人“multifab:amachinevisionassistedplatformformulti-material3dprinting”acmtransactionsongraphics(siggraph2015)。[rossiter,2009]jonathanrossiter等人“printing3ddielectricelastomeractuatorsforsoftrobotics”proc.ofspie第7287卷,72870h(2009)。[leigh,2012]simonj.leigh等人“asimple,low-costconductivecompositematerialfor3dprintingofelectronicsensors”,plosone,第7卷,issuer11,e49365(2012年11月)。[o’brien,2015]jonathano’brien等人“miniaturizationofmicrowavecomponentsandantennasusing3dmanufacturing”9theuropeanconferenceonantennasandpropagation(eucap),lisbonne,2015年5月13-17日。当前第1页12