以创建可以切 为G代码的多材料模型。之后G代码可以被加载到打印机控制软件用于制造部件。
[0090] 可替代地，当希望打印速度、位置和高度非常精确且动态控制时，用于导电迹线的 打印路径可以使用Mecode手动地写入，其中Mecode是用于生成G代码的基于python的开 源软件。在这种情况中，导电打印路径的单独片可以被插入在用于结构材料的由Slic3r生 成的代码的层变化处。
[0091] 使用定制构建的3D运动控制系统来执行3D打印。第一系统使用具有并排安装的 两个打印头的来自Aerotech(Aerotech,Inc.，Pittsburgh,PA)高速度、大面积、高精确度 门架平台。每个打印头包括丝挤出器（或管嘴）。在一种配置中，用于挤出结构丝（例如， 热塑性聚合物）的高温打印头（例如，FFF头）和用于挤出导电丝的室温打印头被联合安 装。室温打印头使用EFD压力箱气动地控制。（NordsonCorp.，Westlake，OH)。这些和其 它不同材料的打印路径和联合打印由计算机控制。
[0092] 第二系统是开源、桌面3D打印机（RepRapPrusa13 ;www.reprap.org)，其通过结 合用于挤出导电丝的室温打印头以及存在的用于挤出结构丝的高温打印头进行修改。该打 印机的控制硬件增加了压力源以允许导电丝的受控打印，并且控制软件被修改为驱动该压 力源。
[0093] 以上描述的定制构建的3D打印机以模块化方式来设计以使得一个或两个打印头 都可以被替换为不同的打印头。例如，在环境条件下用于打印导电油墨和其它粘弹性材料 的室温、气动打印头可以被替换为恒定位移驱动打印头，以提供所需油墨的精确体积流量。 高温打印头可以被替换为可共同打印另一粘弹性油墨（诸如环氧树脂、玻璃填充环氧树 月旨、可以作为最终3D打印的电子设备的结构材料或联合打印功能材料的电阻性或电容性 油墨）的第二气动或恒定位移打印头。
[0094] 具有嵌入式设备的示例件3D打印的功能部件
[0095] 3D打印的嵌入式天线
[0096] 图7A-7C示出了示例性3D打印的嵌入式天线700,包括天线设计的3D渲染、用于 联合沉积结构（基质）材料和导电油墨的多材料工具轨迹的示意以及打印后嵌入式天线的 光学图像。结构材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)并且设备/导电丝由有机酯基银 油墨制剂挤出，如下面所述。银油墨沉积到在3D结构的底部制备的约0. 5毫米深度和约 1_宽度的通道中，其在打印完成时包括五层。
[0097] 3D打印的嵌入式电路和印刷电路板
[0098] 图8A示出了示例性3D打印的PCB(没有顶部）或嵌入式电路（具有顶部802b)，其 包括发光二极管（LED) 804a、磁读开关804b、限制功耗的电阻器804c和向LED804a供电的 电池804d。图8B是图8A中示出的结构802的底部802a的光学图像，其中电路元件804a、 804b、804c、804d以及互连806部分嵌入在底部802a中。图8C示出了用于制备3D功能部 件800的打印路径，其以两种构想进行打印：（1)部分嵌入以展示3D打印诸如PCB的部件的 能力；以及（2)全部嵌入以展示创建完全包裹在热塑性基质内的3D电路的能力。图8D示出 了示例性完全嵌入式电路，其包括由接近于磁读开关（约lcm内）放置的磁体接通的LED。 完成的3D打印的嵌入式电路包括25层。在这些示例中，基质或结构材料包括聚乳酸（PLA) 或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)并且导电丝（或导电迹线）包括银。如下面描述的，导 电丝由有机酯基银油墨制剂挤出，并沉积到约0. 5mm深度和约1mm宽度的通道中。0. 4ID的 管嘴直径和30mm/s的打印速度用于3D打印结构丝并且0. 3mmID的管嘴直径和4mm/s的打 印速度用于3D打印导电丝。用手可以将LED、磁读开关、电阻器和电池卡扣配合到3D打印 的结构的底部中。
[0099] 3D打印的具有嵌入式应夺传感器的相矩板手
[0100] 图9A-9C示出了示例性3D打印的扭矩扳手应变传感设备900,其包括Arduino板 904a、表面贴装电阻器904b、包括掺银硅氧烷的应变传感器904c、银导电丝906、以及由PLA 制成的基质或结构体902的底部和顶部902a、902b。图9D示出了用于构建嵌入式电路和传 感器的示例性多材料打印路径。
[0101] 扭矩扳手应变传感设备展示了创建3D功能部件的几个概念核心。第一个概念是 联合打印包含打印的热塑性基质的单个设备内的导电互连和传感器的能力。第二个概念是 将这些特征无缝地嵌入任意设计的、3D打印的功能部件内。第三个概念是将能够分析设备 经历的活动的可编程处理器嵌入3D打印的元件中的展示。选择能够应变传感的扭矩扳手 作为这些核心概念的代表性实施例。
[0102] 由3D打印热塑性基质生产扭矩扳手的主体，其中填充百分比和颈部的厚度可以 变化以对施加的扭矩的目标量给出期望的灵活量。在扭矩扳手的颈部区域内，掺杂有导电 银颗粒的硅氧烷油墨沿着图9D中示出的打印路径打印。SiliconeSolutions(Cuyahoga Falls，0H)的产品名为SS-261下市售该油墨。应变传感器偏离中心轴的距离任意地选择 为3mm;然而，该距离可以变化以最小化或最大化嵌入式传感器经历的应变。具有已知电阻 的表面贴装电阻器也结合到扳手，与应变传感器有线地串联。当应变传感器和已知电阻的 电阻器之间的电压被监测时，根据以下提供的等式可以估计未知电阻器的电阻。此外，具有 模拟电压读取引脚的可编程Arduino板被结合到设备中以监测电阻器之间的电压改变（见 图 9E)。
[0103] 针对&产生的等式和重新安排：
[0105] 其中R是已知电阻器，电压（V)是5V，并且Vo是由Arduino板上的模拟电压引脚 测量的电压。Arduino板包括表面贴装LED，其强度或闪烁频率可以被调制以指示传感器经 历的应变的量。
[0106]3D打￡口 的Arduino板
[0107] 图10示出了使用前面描述的双头桌面3D电子打印机制备的3D打印的、定制设计 的Arduino板的光学图像。使用装备有400微米管嘴的FFF头以30mm/s的速度打印热塑 性板。通过经由250微米管嘴以4mm/s的速度沉积银油墨来打印导电银迹线。在打印导电 银迹线之前将电阻器和电容器放置入板上的开口空腔中。包括atmel328-Au-ND芯片的其 余元件在打印后手动安装。
[0108] 示例件银油墨制剂
[0109] 有机脂基制剂
[0110] 示例 1
[0111] 在该示例中，用长链脂肪酸残基封端的llg银薄片（5-8微米直径/宽度）（参见 图11A)、1. 25g乙酸戊酯、0. 203g硝化纤维和0. 5g硝酸纤维素添加剂混合在一起，以形成适 用于3D打印上述示例性部件的银油墨。图12A使用具有250μm内径（ID)的管嘴打印到 玻璃衬底上的银油墨的导电迹线（导电丝）的图片。图12B示出了银油墨的存储模量和损 耗模量对应于施加的剪切应力，并且图12C示出电导率对应于银油墨的退火温度的绘图， 其中，对所有升高的温度，退火时间为15分钟。
[0112] 示例 2
[0113] 在另一示例中，碳纳米管（CNT)被掺入银油墨制剂中。充当羧基的多壁碳纳米管 通过超声变幅杆下超声10分钟来分散在选择的溶剂中。在该示例中，溶剂是乙酸戊酯，并 且MWCNT-C00H以5wt. %CNT的浓度分散在乙酸戊酯中。之后，将足以给出CNT:Ag的正确 最终比率的CNT分散液的等分试样放入容器中并与分散在溶剂中的15wt. %的硝化纤维素 溶液充分混合。接着，额外溶剂加入以满足下述的百分比。接着，银被以五克或更少克的 增量加入，同时在Ag加入之间在THINKY行星式离心混合器中混合2分钟。最终油墨复合 物包括：19. 23wt. %乙酸戊酯、1. 51wt. %硝化纤维素（11. 8-12. 3%的氮；品牌：Synthesia E9)、78. 38wt. %的Ag薄片（直径2-4微米并用油酸封端）、0.88wt. %羧基官能化多壁碳纳 米管（约10-20微米的长度和约30-50nm的外径）。
[0114] 图12D示出由3D打印包含如上述的占了银质量lwt. %的CNT-C00H的戊酯基银油 墨制剂生产的跨越导电丝的光学图像。打印的特征涵盖超过1厘米的没有支撑的间隙。图 11B示出CNT增强银丝的SEM图像。
[0115] 示例 3
[0116] 本示例中描述的油墨制剂用于3D打印上述的Arduino板，但是溶剂改变为丙稀碳 酸以放慢蒸发速率。这种修改减小了为了沉积未封端的管嘴的堵塞。之后迹线在烘箱中 以60°C固化了 15分钟以加快挤出的丝的干燥。示例性油墨制剂包括：17. 37wt. %碳酸亚 丙酯、1. 51wt. %硝化纤维素（11. 8-12. 3% 的氮；商标：SynthesiaE9)、80· 91wt. %Ag薄片 (直径2-4微米并用油酸封端）、、0. 21wt. %羧基官能化多壁碳纳米管（10-20微米长度和 约30-50nm的外径）。
[0117] 水基制剂
[0118] 在该示例中，银粉末被研磨、洗涤并且然后分散在水性介质中。研磨制剂包括10g 银粉（2-3.5以!11直径/宽度）、2.18?￥?1￥ = 40,000，和1001^去离子（01)水。研磨介质 包括12mm和2mm直径的YZP球形研磨介质并且研磨时间是以100RPM进行60小时。研磨 后，将银薄片在水中进行洗涤三次，洗涤之间离心分离。最终制剂的组合物包括：涂有PVP 的5. 33g研磨的银片、0· 1066g轻丙基纤维素Mw= 100, 000,0· 054g轻丙基纤维素Mw= 1，000, 000 和 2. 754gDIH20。
[0119] 尽管本发明参照其某些实施例已经相当详细地描述，在不脱离本发明的范围的情 况下，其它实施例是可能的。因此所附权利要求的精神和范围不应限制于本文包含的优选 实施例的描述中。落入权利要求书的字面或通过等价的含义中的所有实施例旨在被包含在 其中。
[0120] 此外，上述优势不必是本发明的唯一优势，并且它不一定预期描述的优势中所有 优势将随着本发明的每个实施例来实现。
【主权项】
1. 一种打印的Ξ维3D功能部件，包括： 包含结构材料的3D结构； 至少部分嵌入所述3D结构中并且具有抵靠3D结构的内表面固定的基部的至少一个功 能电子设备；W及 至少部分地嵌入所述3D结构中并且电连接到所述至少一个功能电子设备的一个或多 个导电丝。2. 如权利要求1所述的打印的3D功能部件，其中所述3D结构包括多个层。3. 如权利要求1或2所述的打印的3D功能部件，其中所述结构材料包括聚合物、复合 物和/或陶瓷。4. 如权