一种能显示保质期的智能瓶盖及其3D打印制造方法及容器与流程

本发明属于结构电子产品和增材制造技术领域，具体涉及一种能显示保质期智能瓶盖及其3D打印制造方法及容器。

背景技术：

目前，短保质期商品尤其是医药用品的质保问题受到社会的极大关注，过期产品(特别是医药产品，如疫苗等)对消费者的危害极大，严重威胁消费者健康甚至危及生命。目前产品保质期通常直接打印在瓶盖或标签上，然而该方式很容易被人为的涂改，有时还会出现模糊不清，识别困难等问题。

嵌入式电子产品(功能性结构电子)是近年伴随着增材制造的发展而出现的一种新型的电子产品，在打印物体结构同时，将传感器、控制器、天线、电池等电子元器件同时嵌入到被打印的物体中，并将一些简单的电路、连接电路等直接打印出来，真正实现功能性结构电子产品一体化制造。

3D打印技术实现了几乎任意复杂结构的制造，目前已经被应用于航空航天、组织工程、生物医疗、汽车、家电、新材料、新能源、机器人、建筑等诸多领域，显示了广阔的应用前景。随着3D打印技术的快速发展，近年3D打印已经开始被应用于电子行业，为柔性电子、可穿戴设备、智能传感、嵌入式电子产品、功能性结构电子产品、物联网RFID、光电子等新一代电子产品的开发提供一种全新的制造方法，尤其是为嵌入式电子产品开发和一体化制造提供了一种全新的解决方案，在材料、结构与器件的一体化制造方面显示出巨大潜能和广阔的商业化应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，解决一些重要产品保质期显示、识别和安全性的问题，结合嵌入式电子产品和3D打印的优势，为了使消费者更清楚的了解短期限商品的所剩有效期、防止保质期被人为篡改，本发明提供一种能显示保质期的智能瓶盖，可以简单控制显示商品保质期的剩余时间，以及对于失效和过期产品，可通过指示灯提示，尤其是不能涂改保质期，以确保商品的安全。

本发明还提供一种容器，该容器由智能瓶盖封口，可以方便的观测到容器盛放物品是否处于保质期内，可以提示人们在保质期内使用，更好的保障人们使用其中物品的安全性。

本发明还提供一种智能瓶盖的3D打印制造方法，结合熔融沉积3D打印和电喷印3D打印，能够高效快速方便的打印智能瓶盖。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种能显示保质期的智能瓶盖，包括盖体，所述盖体上设置有时钟电路，所述时钟电路与控制器连接，所述控制器与时间显示元件连接，控制器还分别与第一指示灯和第二指示灯连接；所述时钟电路、控制器、时间显示元件均嵌入在盖体中；控制器控制时间显示元件显示设定时间的剩余时间，超过设定时间时，控制器控制第一指示灯亮；未超过设定时间时，控制器控制第二指示灯亮。

所述控制器与供电装置连接，所述供电装置还分别与时钟电路、时间显示元件、第一指示灯和第二指示灯连接，所述供电装置嵌入于盖体中。供电装置为各元件提供电源。

所述第一指示灯为红色LED灯，所述第二指示灯为绿色LED灯，所述时间显示元件为LED数码管。第一指示灯和第二指示灯以不同颜色显示，更好的区别开。

优选的，所述控制器还与报警器连接。在超过保质期的设定时间时，进行报警。

一种容器，包括瓶体，所述瓶体上配合设置如上所述的智能瓶盖。

一种智能瓶盖的3D打印制造方法，包括以下步骤：

步骤1：对瓶盖盖体的结构进行设计；

步骤2：采用熔融沉积3D打印出瓶盖盖体结构；

步骤3：根据预先设定的暂停位置，暂停熔融沉积3D打印，将电子元件嵌入到瓶盖盖体结构的设定位置；

步骤4：在设定位置采用电喷印3D打印出电子元件间的连接电路；

步骤5：连接电路完全固化后，采用熔融沉积3D打印出瓶盖盖体的顶层结构，以及完成瓶盖盖体封装结构的打印。

首先采用熔融沉积3D打印制造瓶盖盖体的结构；利用熔融沉积3D打印中断暂停功能，暂停打印时在瓶盖盖体内嵌入电子元件；以导电材料为打印材料，使用电喷印3D打印制造电子元件间的连接电路。采用熔融沉积3D打印和电喷印3D打印技术结合制造瓶盖盖体，打印过程方便快捷高效。

所述步骤2中，打印瓶盖盖体结构时，在瓶盖盖体结构中打印出用于嵌入电子元件的预留孔槽，在设定预留孔槽之间打印出连接电路的预留沟槽。在瓶盖盖体结构上打印预留孔槽，可以在后续电子元件嵌入时起到定位作用，嵌入更加方便快速；在瓶盖盖体结构上打印预留沟槽，在后续连接电路打印时能起到定位作用，使连接电路的打印位置更加精确，打印过程更加快速。

所述步骤3中，电子元件嵌入瓶盖盖体结构中的预留孔槽内。预留孔槽为电子元件嵌入的设定位置，在电子元件嵌入时可快速找准嵌入位置。此外，还可以提高打印电路图形的分辨率。

所述预留孔槽的深度与电子元件的高度相等。如此设置，可以保证电子元件很好的嵌合在瓶盖盖体结构内，保证熔融沉积3D打印暂停后续继续打印时在预留孔槽上方继续打印。

所述电子元件包括时钟电路、控制器、时间显示元件、第一指示灯、第二指示灯和供电装置。

所述步骤4中，以导电材料为打印材料，在瓶盖盖体结构的预留沟槽内打印出连接电路。在预留沟槽内以导电材料打印连接电路，保证将两侧电子元件很好的连接。优选的，所述步骤2中，在瓶盖盖体结构的设定位置打印出定位结构。用于瓶盖盖体结构打印过程中，更换工位或者重新放回原来位置时的精确定位。

采用电喷印3D打印时，打印喷嘴和放置电子产品的工作台之间的电源的输出脉冲电压为0.2-5KV，输出脉冲频率10Hz-1000Hz。

采用熔融沉积3D打印时，打印材料的温度低于步骤4中采用的导电材料的熔点。避免打印完的导电材料因后续打印加工过程而熔化，影响整个瓶盖盖体的打印。

本发明的有益效果：

本发明智能瓶盖具有结构简单，成本低，安全性高的突出优点，该智能瓶盖可应用于医药、饮料、食品、化工等领域。

本发明实现了瓶盖结构和电路的一体化设计和制造。

本发明连接电路的打印采用电喷印3D打印工艺，其打印分辨率高，分辨率不受喷嘴直径的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造；而且可用于电喷印的材料范围非常广泛,包括从绝缘聚合物到导电聚合物,从悬浊液到单壁碳纳米管溶液，从金属材料、无机功能材料到生物材料等。其显著的优势是兼容性好(适用材料广泛，以及高粘度液体)、成本低、结构简单、分辨率高等优点，尤其是对于高粘度液体能够打印出比喷头结构尺寸低一个数量级的图案。电喷印3D打印解决了目前电子产品3D打印分辨率低和可供打印材料种类有限两个难题。

本发明盖体结构打印采用熔融沉积3D打印工艺，该工艺具有材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，设备操作简单，设备成本低，软硬件开源性高、普及率广等优势；而且打印的结构与后续电路打印兼容性好的优势。

附图说明

图1是本发明智能瓶盖结构嵌入电子元件后的结构示意图；

图2是本发明基于3D打印智能瓶盖制造工艺流程图；

图中，1盖体，2电池，3时钟电路，4单片机，5LED数码管，6连接电路，7红色LED指示灯，8绿色LED指示灯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，智能瓶盖，它包括：盖体1，供电装置(本实施例选择电池2)，时钟电路3，控制器(本实施例选择单片机4)，时间显示元件(本实施例选择LED数码管5，也可以选用显示屏等其他元件)，连接电路6，第一指示灯(本实施例选择红色LED指示灯7)，第二指示灯(本实施例选择绿色LED指示灯8)。其中电池2，时钟电路3，单片机4，LED数码管5，连接电路6，红色LED指示灯7，绿色LED指示灯8全部被嵌入在智能瓶盖的盖体1中，时钟电路3、LED数码管5、红色LED指示灯7、绿色LED指示灯8通过连接电路6与单片机4相连接，电池2通过连接电路与时钟电路3、单片机4、LED数码管5、红色LED指示灯7、绿色LED指示灯8相连，提供电源。单片机4实现对整个系统的控制，通过LED数码管5显示商品保质期剩余时间，如果超过保质期，红色LED指示灯7亮，如果在商品的保质期内，则绿色LED指示灯8亮。

本实施例单片机4的型号STC15W204S；绿色LED指示灯的型号LED0805；红色LED指示灯的型号LED0805；电池2的型号CR2032；时钟电路3(时钟芯片型号SD2068，晶振32.768KHz)；LED数码管5的型号8041AHBH。

实施例2：

一种容器，包括瓶体，在瓶体上封口处配合设置如实施例1所述的智能瓶盖。

该实施例中的容器可以盛装啤酒或滴剂或饮品或药品或礼品或调料品等。

实施例3：

采用3D打印制造智能瓶盖的方法：首先，采用熔融沉积(FDM)3D打印制造盖体结构；然后，利用熔融沉积3D打印的中断/暂停功能，将需要嵌入的电子元件放置到盖体结构中；随后，以导电银浆为打印材料，使用电喷印3D打印工艺打印连接电路；最后，通过熔融沉积3D打印完成瓶盖其他结构的打印及其最后的封装。

如图2所示，基于3D打印制造智能瓶盖的具体工艺过程：

步骤1：盖体结构和电路设计；首先，根据智能瓶盖的功能要求，分别进行盖体结构设计和电路设计；然后，再进行盖体结构1、嵌入电子元件(电池2，时钟电路3，单片机4，LED数码管5，红色LED指示灯7，绿色LED指示灯8)、连接电路6集成一体化设计(确定嵌入电子元件预留孔槽位置的设置，连接电路布置和预留沟槽的设计)以及优化设计；最后，根据优化设计的结果，输出3D打印STL文件；

步骤2：打印盖体结构1；盖体结构1打印材料选用ABS塑料。将STL文件导入FDM3D打印机。根据设计的结果，暂停设置在模型的第80层，当打印到第80层时，3D打印机执行暂停；

3D打印机暂停后，首先将打印托盘从3D打印机中取出；然后，从托盘上将盖体结构1卸下；最后，将打印盖体结构1的支撑材料移除；

步骤3：嵌入电子元件；将需要嵌入的电子元件(电池2，时钟电路3，单片机4，LED数码管5，红色LED指示灯7，绿色LED指示灯8)分别放置到预先设计位置并打印出的孔槽结构中。

步骤4：打印连接电路；连接电路的打印材料选用导电银浆，结合步骤2先打印的连接电路沟槽，利用电喷印3D打印机完成电子元件间的连接电路6的制造；

步骤5：盖体结构1的封装；连接电路6完全固化后，将含有嵌入电子元件(电池2，时钟电路3，单片机4，LED数码管5，红色LED指示灯7，绿色LED指示灯8)和连接电路6的盖体结构1重新放回到FDM 3D打印机的托盘上，并将打印托盘重新安装到FDM3D打印机上，终止暂停，重新启动FDM3D打印机，从第81层开始，继续打印完成剩余盖体结构的打印以及最后盖体的封装；

步骤6：性能测试；取下打印完成的智能瓶盖，进行其性能的测试。

本实施例所选用的导电银浆粘度6000～9000cp·s，玻璃化温度55℃，体积比电阻0.002Ω/cm，工作温度-55℃～100℃。使用丙酮作为稀释剂配制导电银浆溶液，导电银浆和丙酮体积比为1:3。

本实施例FDM 3D打印机美国Stratasys公司的FDM 3D打印机Dimension Elite。

本实施例在盖体结构打印时，在打印托盘上需要留下预先设置的4个定位块，用于托盘和盖体结构1重新放置到FDM 3D打印机的精确定位(确保将盖体结构1放回取下前的位置)。

本实施例电喷印的工艺参数：喷印电压2500V，喷头移动速度20mm/s，喷头与基材的距离为0.05mm。电喷印打印完全部连接电路后，室温放置2～5小时，使其完全固化。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。