本发明专利技术提供用于通过下列操作来将细丝或细丝网嵌在三维结构、结构组件或结构电子、电磁或电机械组件/设备中的系统和方法：提供衬底材料的至少第一层，以及将细丝的至少一部分嵌在衬底材料的第一层内使得细丝的该部分实质上与第一层的顶表面齐平且在可流动状态中的衬底材料的一部分由细丝的该部分移动且实质上不在第一层的顶表面之上突出，允许添加制造工艺在嵌入的细丝或细丝网之上继续。提供了用于使用在三维结构、结构组件或结构电子、电磁或电机械组件/设备中内的细丝来创建层间机械或电附着或连接的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及3D结构和3D结构电子、电磁和电机械组件和设备的制造，并且更具体地，涉及用于将细丝嵌在三维结构和结构组件和三维结构电子、电磁和电机械组件/设备中的方法和系统。
技术介绍
在不限制本专利技术的范围的情况下，它的背景关于用于制造3D对象、结构和3D结构电子、电磁和电机械组件和设备的方法而被描述。添加制造对3D电子设备的应用仍然处于初级阶段。大规模采用由于当前低温固化、基于导电油墨的技术的低可靠性、低性能和高成本而被限制。作为结果，传统印刷电路板(PCB)技术继续在电子工业中占主要地位。3D电子设备的进步主要限于在全世界的少量研究员，其中大部分追求导电油墨技术。对此的例外是涉及暴露于选择性激光刻蚀工艺的注塑件的模制互连设备(MID)和随后的无电镀，选择性激光刻蚀工艺被称为激光直接结构化(LDS)。这些设备展示一些3D自由度并在汽车和个人通信市场中有广泛使用；然而，它们与本专利技术比较，在应用上是有限的，因为从电镀工艺产生的导电迹线被限制到刻蚀激光器可接近的模制件的外表面，且因此不能展示本专利技术的嵌入式多层能力。而且，这些无电镀工艺提供所制造的导体的有限横截面面积并因此限制高电流能力。到现在为止使用添加制造(AM)工艺(使用如在ASTM 2792_12a中描述和定义的工艺)创建3D结构电子设备的努力以在直接打印(DP)(也被称为直接写入(DW))或其它工艺中分配的导电油墨的使用为中心以提供在组件之间的电互连。分别于2010年2月和2012年8月提交的美国申请7，658，603和8，252，223详细描述流体分配技术与光固化立体造型术和其它AM工艺的集成以创建3D电路。这些低温固化油墨在导电性上和在耐久性上有弱点，这限制了 AM制造的3D结构电子设备对不受制于机械冲击、振动、大电流或功率密度、温度极值或具有高可靠性要求的应用的简单设备的应用。2003年9月发布的美国专利6，626，364描述了使用安装在运动控制系统上的超声变幅杆将天线导线快速嵌入薄热塑性智能卡内并使用通过变幅杆将天线导线提供到工作表面的机制的方法。天线导线超声地嵌在平坦、平滑和实心塑料薄板中。然而存在对用于在具有嵌入式电子设备、传感器和致动器的在几何上复杂和错综的3D结构的制造期间将细丝(例如，铁丝、网丝等)嵌在热塑性设备中的方法和系统的需要。也存在对提高如Ahn等人陈述的AM制造的3D零件的机械性能的需要，其中由丙稀睛-丁二稀-苯乙稀(ABS)制成并使用恪融沉积成型(FDM)--—种公知的材料挤压AM工艺--生产的测试零件的最终抗张强度是相同材料的注塑件的大约10-73% (26MPa的UTS)。在AM生产的零件和注塑件之间的机械特性中的这个差距扩展已通过的抗张特性，以包括冲击、弯曲、压缩、蠕变和疲劳特性，其共同限制AM生产的零件对原型的应用。
技术实现思路
本专利技术提供用于在可能在几何上复杂和错综的3D结构、结构组件或具有嵌入式电子设备、传感器和致动器的结构的制造期间将细丝(例如铁丝、网丝等)嵌在热塑性衬底中的方法和系统。此外，细丝可嵌在热塑性设备的多个层中。本专利技术提供具有与传统印刷电路板(PCB)技术的导电性和耐久性可比较的导电性和耐久性的电互连。使用本专利技术将细丝或网丝嵌在层的区内或层当中产生提高AM制造的零件的机械强度的复合结构。当与刚建成的Π)Μ生产的ABS零件比较时，使用本专利技术的一个实施方式观察到具有一个嵌入式普通钢丝网的FDM生产的ABS零件的37%的提高。在使用由机械上鲁棒的材料(即，不锈钢、铜铬合金)制成的网丝和在同一聚合物零件内的多个网丝的情况下预期另外的提高。此外，在热塑性塑料内的导热细丝的嵌入实现产生热并需要热耗散的设备的被动热管理。本专利技术允许创建在使用添加制造而制造的基于热塑性的3D电子系统中的电互连的高可靠性方法，允许技术的大得多的市场潜力。本专利技术将在短期导致商业上可行的、大规模定制的3D打印电子设备(例如智能修复术、穿戴式电子设备、任务特定UAV或卫星等)一一彻底变革了电子设备的制造和分布。更具体地，本专利技术提供通过下列操作来将细丝或网丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法:提供衬底材料的至少第一层，以及将细丝的至少一部分嵌在衬底材料的第一层内使得细丝的该部分实质上与第一层的顶表面齐平且在可流动状态(即，它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)中的衬底材料的一部分由细丝的该部分移动且实质上不在第一层的顶表面之上突出。该方法可用于制造三维电子、电磁或电机械组件/设备。而且，该方法可被实现为体现在非临时计算机可读介质上的计算机程序，其中使用一个或多个代码段来执行步骤。注意，第一层不必是用于构建三维电子、电磁或电机械组件/设备的衬底材料的底层、初始层或第一层。此外，单个设计层可涉及多个工艺层(即，可能需要沉积衬底材料的薄层的多个步骤来构建给定厚度的第一或后续设计层)。此外，本专利技术提供用于制造包括三维打印设备和第一机器的三维电子、电磁或电机械组件/设备的系统。三维打印设备通过以逐层方式沉积衬底材料而产生三维衬底的一层或多层。第一机器将细丝的至少一部分嵌在衬底材料的第一层内，使得细丝的该部分实质上与第一层的顶表面齐平且在可流动状态(即，它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)中的衬底材料的一部分由细丝的该部分移动且实质上不在第一层的顶表面之上突出。【附图说明】为了更彻底地理解本专利技术的特征和优点，现在参考本专利技术的详细描述连同附图，且其中:图1是根据本专利技术的一个实施方式的用于将细丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法的流程图；图2A、2B和2C是示出根据本专利技术的一个实施方式的用于将细丝嵌在衬底中的各种超声变幅杆的图；图3A和3B是示出根据本专利技术的另一实施方式的旋转超声变幅杆的图；图4是示出根据本专利技术的嵌在衬底中的细丝的横截面的图；图5是示出根据本专利技术的一个实施方式的将细丝嵌在具有弯曲表面的衬底中的中空超声变幅杆的图；图6A和6B是示出根据本专利技术的另一实施方式的将网丝嵌在衬底内的旋转超声变幅杆的图；图7是示出根据本专利技术的另一实施方式的嵌在衬底中的网丝的图，其中网丝的一部分布置在腔内并通过激光微焊接工艺、电阻焊接工艺、超声焊接工艺、锡焊工艺、引线接合工艺或本领域中的技术人员公知的任何附着工艺被附着到在前面的过程步骤中敷设的另一细丝或铁丝；图8A-8D是示出根据本专利技术的另一实施方式的将网丝嵌在衬底内的进展的图；图9A-9C是示出根据本专利技术的另一实施方式的将具有特定图案的网丝嵌在衬底内的进展的图；图10是根据本专利技术的一个实施方式的用于将细丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法的流程图；图11A-11D是根据本专利技术的一个实施方式的被激光微焊到电子组件的导电铁丝的图；图12A-12B是根据本专利技术的一个实施方式的使用超声变幅杆(在左边聚焦到小工作表面面积(_130mm2)的变幅杆和在右边聚焦到较大的工作表面面积(_1450mm2)的变幅杆)嵌入FDM构建的ABS零件(标准ASTM D638型I测试样品)内的普通碳素钢网丝的图；图13A-13B是根据本专利技术的一个实施方式的在FDM构建的ABS零件(标准ASTMD638型I测试样品)中的嵌入式普通碳素钢网丝的图；图14是根据本专利技术的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种将细丝嵌在三维结构、结构组件或3D结构电子、电磁或电机械组件/设备中的方法，包括下列步骤：提供衬底材料的至少第一层；以及将细丝的至少一部分嵌在所述衬底材料的第一层内，使得所述细丝的所述部分实质上与所述第一层的顶表面齐平且在可流动状态中的所述衬底材料的一部分由所述细丝的所述部分移动且实质上不在所述第一层的所述顶表面之上突出。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·埃斯帕林，赖安·B·威客，弗朗西斯科·麦迪纳，埃里克·麦克唐纳，丹尼·W·缪斯，
申请(专利权)人：德克萨斯州大学系统董事会，大卫·埃斯帕林，
类型：发明
国别省市：美国;US
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。