打印的三维(3d)功能部件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本公开总体涉及三维（3D)打印技术，并且更具体地，涉及3D功能部件的直接写入 制造。
【背景技术】
[0002] 电子制造业已经以迅猛的速度移向海外。这增加了在美国生产流行的商业设备 (诸如蜂窝电话）的难度，因为工程师用数百个部件设计它们，而部件可能在海外可以数便 士（forpennies)进行制造和组装。不仅是外包制造中的劳力成本的驱动因素，而且是国 外宽松的环境法规，这提供了美国无法比拟的竞争优势。例如，印刷电路板（PCB)仍然耗时 数天甚至数周来成型并且一般由第三方使用非常昂贵的专用刻蚀/研磨装备来制造。PCB 制造需要多种化学工艺和材料，这其中包含许多难以处理并对环境有害的化学物质。
[0003] 诸如3D打印的额外的制造工艺提供了打破当前的制造方法并将美国带回尖端前 沿、对环境无害的制造的潜在可能性。依赖于昂贵工具、模具等的专用机器因此不再被需要 来制造个别产品。对数百万不熟练工人组装设备的需求以及在全球部分地制造设备的强制 价值定位可以被消除。随着世界面临材料的供应短缺和运输中污染的增加，零浪费制造可 以成为必然。美国能源部估计通过使用增加而不是减少制造工艺，可以获得接近50%的能 源降低。
【发明内容】
[0004] 打印的3D功能部件包括包含结构材料的3D结构，以及至少部分嵌入3D结构中的 至少一个功能电子设备。功能电子设备具有抵靠3D结构的内表面固定的基部。一个或多 个导电丝至少部分嵌入3D结构中并且电连接到至少一个功能电子设备。
[0005] 根据一个实施例，打印3D功能部件的方法包括：挤出结构丝并将其沉积在衬底上 的预定图案中以形成3D结构的一个或多个部分；在一个或多个部分的暴露表面上放置或 形成至少一个功能电子设备；并且挤出并沉积一个或多个导电丝以形成与至少一个功能电 子设备的互连。一些实施例中的方法还包括挤出结构丝的附加长度并将其沉积在衬底上的 预定图案中以形成3D结构的一个或多个附加部分。一个或多个附加部分可以至少部分覆 盖至少一个功能电子设备。
[0006] 根据另一实施例，打印3D功能部件的方法包括：挤出结构丝并将其沉积在衬底上 的预定图案中以形成具有预定体积的3D结构的一个或多个部分。至少一个功能电子设备 被放置或形成在一个或多个部分的暴露表面上，并且在一个或多个部分的另一暴露表面上 形成电池。电池具有定制为预定体积的尺寸。一个或多个导电丝被挤出并沉积以形成与至 少一个功能电子设备和电池的互连。
[0007]根据另一实施例，打印3D功能部件的方法包括：使用3D打印方法形成3D结构的 一个或多个部分；将至少一个功能电子设备置于一个或多个部分的暴露表面上；并且使用 3D打印方法形成到达和来自至少一个功能电子设备的导电互连。在一些实施例中，方法还 包括：使用3D打印方法形成3D结构的一个或多个附加部分。3D结构的一个或多个附加部 分可以至少部分覆盖至少一个功能电子设备。
[0008] 3D打印机包括邻近彼此可拆卸地安装的两个或更多个计算机控制的模块化打印 头。每个打印头包括用于挤出和沉积结构和/或功能丝的至少一个管嘴。
【附图说明】
[0009] 图1是包括嵌入式电子产品的示例性3D打印的结构的示意。
[0010] 图2A-2G示出了打印包括嵌入式电子产品的3D结构的直接写入过程中的示例性 步骤。
[0011] 图3是沿其长度部分没有支撑的导电（银）丝的扫描电子显微照相图（SEM)。
[0012] 图4是用于直接写入制备的示例性管嘴的示意。
[0013] 图5A和5B是由3D打印以及拾取和放置步骤的组合生产的示例性3D功能部件的 前视断面示意图和俯视断面示意图。
[0014] 图6A和6B分别是示例性现有技术和3D打印的助听器的示意。
[0015] 图7A示出了嵌入式天线设计的3D渲染。
[0016] 图7B示出了用于联合打印聚合物基质（结构）材料和导电银油墨的多材料工具 轨迹的示意。
[0017] 图7C示出了嵌入ABS热塑性基质中的3D打印的银天线。
[0018] 图8A是3D打印的电路板的示意图，其包括部分嵌入聚合物结构材料中并与从银 油墨制剂挤出的导电丝互连的表面贴装电阻器、磁读开关、表面贴装LED以及电池。
[0019] 图8B是图8A中示意性示出的3D打印的功能部件的底部的光学图像，其中电路元 件和导电丝部分嵌入聚合物结构材料中。
[0020] 图8C示出了用于打印聚合物结构丝和导电丝两者的多材料打印头工具轨迹。
[0021] 图8D是3D打印的、完全嵌入式电路的光学图像（在图8A中示出的底部之上3D打 印顶部之后），其中LED由接近于磁读开关放置的磁体接通并且用便士来指示其大小量级。
[0022] 图9A是3D打印的扭矩扳手应变传感设备的示意图，在该示例中，它包括嵌入结构 基质材料内的Arduino板、表面贴装电阻器、应变传感器以及导电丝（互连）。
[0023] 图9B是3D打印的扭矩扳手应变传感设备的光学图像。
[0024] 图9C示出了 3D打印的扳手的计算机断层（CT)扫描（俯视和侧视），其中高亮了 嵌入式电路和个体电气元件。
[0025] 图9D示出了用于构建聚合物3D结构、导电互连和应变传感器的示例性多材料打 印路径。
[0026] 图9E示出了具有指示电路器件的标记的3D打印的扳手的俯视CT扫描。
[0027] 图10是示出3D打印的Arduino板的俯视的图片。
[0028] 图11A示出了在掺入导电油墨制剂前的干燥银薄片的示例性样品的扫描电子显 微镜（SEM)图像。
[0029] 图11B示出了包含Ag薄片和约lwt. %用C00H基团官能化的碳纳米管的挤出的导 电丝的SEM图像。
[0030] 图12A是在使用具有250μm内径（ID)的管嘴打印在玻璃衬底上之后的示例性有 机脂基银油墨的导电迹线的图片。
[0031] 图12B是存储模量和损耗模量对应于施加到图12A中示出的银油墨的剪切应力的 绘图。
[0032] 图12C是电导率对应于对图12A中示出的银油墨的退火温度的绘图。
[0033] 图12D示出了沿其长度部分没有支撑的图11B的导电丝的光学图像。
[0034] 图13是包括在哈佛大学设计和制成的包括双打印头的定制3D打印机的图片。
【具体实施方式】
[0035] 已经开发了基于直接写入制备的新三维（3D)打印技术用于生产包含嵌入式电子 产品的复杂3D结构。利用3D打印，可以快速生产复杂功能部件，同时降低与制造的典型消 减方法相关的材料浪费。
[0036] 直接写入制备可能需要通过附接到具有X-、y_和z-方向能力的可移动微定位器 的沉积管嘴，使合适化学性和粘度的前体油墨流动。随着管嘴和/或衬底移动，包含前体油 墨的丝被通过管嘴挤出并且连续地淀积在取决于微定位器的运动的构造中。因此，可以使 用直接写入技术来逐层建立3D结构。打印过程在串行或并行打印过程中可以涉及多于一 个前体油墨和/或多于一个管嘴。此外，一个或多个管嘴可以被配置为执行"拾取和放置" 步骤以在打印期间在3D结构内插入非打印的功能电子设备。功能电子设备也可以使用直 接写入制备随同3D结构自己被打印。进一步设想直接写入技术可以与其它3D打印方法结 合（例如，在粉末层上喷墨打印、粉末层的选择性激光烧结、立体光刻、熔融沉积成型、UV固 化树脂的直接喷墨打印），以使得可以使用不同的3D打印方式生产单个3D部件的不同元 件、设备或区域。
[0037] 图1示出了包括嵌入式电子产品的示例性打印的3D功能部件100。该打印的3D 部件100包括包含结构或基质材料的3D结构102,并且至少一个功能电子设备至少部分嵌 入3D结构102中。在图1的示例中，两个功能电子设备104a、104b完全嵌入3D结构102 中。每个功能电子设备l〇4a、104b具有抵靠3D结构102的内表面102a'、102b'固定的基 部。本示例的3D结构102是心形结构，并且功能电子设备104a、104b是集成电路（1C)。心 形结构仅是说明性的并不意在限制，同时其它3D结构也在本公开的范围内。一个或多个导 电丝106至少部分嵌入3D结构102中并且电连接到功能电子设备104a、104b。如图1所 示，导电丝完全嵌入3D结构102中并且连接到与IC104a、104b电接触的1C衬垫108。导 电丝106可以包括附接到3D结构102的一个或多个固定部分。如以下描述的，这些固定部 分可以在干燥时牢固地接合到3D结构。有利的是，导电丝106可以具有足以通过根据ASTM 测试方法D3359"Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test"进行 的粘合测试的粘合强度。
[0038] 如以上所述，（一个或多个）功能电子设备和/或（一个或多个）导电丝可以完 全嵌入（例如，封装）在3D结构内。可替代地，（一个或多个）功能电子设备和/或（一 个或多个）导电丝可以部分嵌入3D结构内，以使得设备和/或丝的一部分可以从3D结构 的外部访问。
[0039] 3D结构可以包括嵌入其中的多个功能电子设备，诸如至少2个、至少5个、至少10 个、至少20个或至少50个功能电子设备。功能电子设备可以从有源电子元件、无源电子元 件、集成电路、诸如开关和冷却风扇的机电元件、印刷电路板或其它电子产品、和/或诸如 电池的电化学元件中选出。3D结构自身可以具有任何简单或复杂的几何形状。在一个示例 中，打印的3D功能部件是助听器并且3D结构包括聚合物外壳或体，如以下描述的。
[0040] 3D结构可以包括多个层。取决于材料性质和工艺参数（包括管嘴内径或宽度以 及打印速度），每层可以具有从约1微米到约1〇_范围的厚度。每层的厚度一般至少约2 微米、至少约10微米、至少约30微米或至少约50微米。典型地，厚度不大于约1000微米、 不大于约500微米、或不大于约100微米。厚度可以接近于与在3D结构的直接写入制备期 间通过管嘴挤出的丝的直径或宽度相对应，如以下更详细讨论的。取决于如何处理打印的 3D结构（例如，任何打印后烧结步骤）以及3D结构由其形成的（一个或多个）丝的流动特 性，分层的结构可以容易辨别（用眼睛或在适当的放大倍数）或部分地或完全地被丝的烧 结和/或安排的效果隐藏。
[0041] 3D结构的结构或基质材料可以是电绝缘材料。在一个实施例中，结构材料可以包 括诸如热塑性聚合物或光固化树脂的聚合物，诸如玻璃纤维填充的环氧树脂的复合物或陶 瓷。例如，聚合物可以从包括以下物质的组中选出：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)、聚乳酸 (PLA)、聚（甲