通过气溶胶的飞行中固化制造三维结构制造技术

一种用于制造三维结构的方法。飞行中加热或UV照射在气溶胶滴被喷射到目标表面上时改变所述气溶胶滴的性质。UV光至少部分地将光聚合物滴固化，或者备选地造成基于溶剂的纳米颗粒分散体的微滴在飞行中快速地干燥，并且导致的气溶胶滴增加的粘度促进独立式三维结构的形成。该3D制造可以使用各种各样的光聚合物、纳米颗粒分散体和复合材料进行。得到的3D形状可以是独立式的，没用支撑体的情况下制造的，并且可以通过相对于目标衬底操作打印喷嘴获得任意形状。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过气溶胶的飞行中固化制造三维结构相关申请的交叉引用本申请要求2015年2月10日提交的名称为“微3D打印”的美国临时专利申请序列号62/114,354的优先权和提交利益，并且其说明书和权利要求通过引用并入本文。专利技术背景专利
(
)本专利技术涉及通过气溶胶喷射的纳米颗粒和聚合物墨水的飞行中固化制造3D电气和机械结构、微结构和纳米结构。
技术介绍
注意，以下讨论可以参考大量的出版物和参考文献。本文中这种出版物的讨论被给出用于科学原理的更完整背景，而不被解释为承认这种出版物是用于可专利性确定目的的现有技术。三维打印是迅速进展的技术，其有希望引起增材制造革命。利用3D打印，多种结构材料如塑料盒金属可以制造成网状结构而不需要减材加工或刻蚀步骤。几乎不存在材料浪费，并且减少的加工步骤有希望使3D打印成为成本效益好的绿色技术。现今，数种3D打印技术是当前可用的，并且简要地将这些技术与本专利技术进行比较是有用的。立体平版印刷术是一种增材制造工艺，其通过将紫外(UV)激光聚焦到一桶光聚合物树脂上工作。在计算机辅助制造或计算机辅助设计(CAM/CAD)软件的帮助下，使用UV激光将预先程序化的设计或形状刻画到光聚合物桶的表面上。因为光聚合物在紫外光下是光敏的，所以照射的树脂凝固并且形成单层的所需3D物体。对于设计的每层重复该过程直到3D物体完整。50-150um的层分辨率一般伴随接近10um的横向尺寸。该过程通常限于光聚合物材料，并且需要牺牲结构支撑悬伸物。喷墨技术一般用于以2D方式打印石墨和颜料墨水。近期的材料创新使得喷墨打印机能够喷射聚合物和金属纳米颗粒墨水。通常，喷墨打印中使用的墨水必须具有较低的粘度，意味着墨水在打印后将会充分地铺展，从而限制所打印的特征的最小特征尺寸和高宽比。喷墨器不接触衬底，但是其非常接近(小于mm)。挤出技术对于热塑性聚合物的3D打印是普遍的。在该情况下，将热塑料在喷嘴中加热至熔融点并挤出到衬底上。塑料在接触衬底时快速冷却和凝固，并且可以维持三维形状。3D部件一般逐层制造，每层都由挤出丝线的线栅图样构成。悬伸物可以通过挤出牺牲性支撑材料和之后的溶解或机械地移除支撑结构来制造。一般地，特征尺寸是几百微米，并且材料很大程度限于热塑性塑料和少数热固性聚合物以及导电浆料。nScrypt工具能够通过对喷嘴定位的自动的CAD/CAM控制来在3D表面上打印。专利技术概述(
技术实现思路
)本专利技术是用于在衬底上制造三维结构的方法，所述方法包括将气溶胶滴从沉积头朝向所述衬底推进，在飞行中部分地改变所述气溶胶滴的性质，以及在所述气溶胶滴已经沉积作为所述三维结构的一部分后，完全地改变所述气溶胶滴的所述性质。改变性质任选地包括使用电磁辐射固化，例如紫外(UV)光固化，或者凝固。在该实施方案中，气溶胶滴优选地包含可光固化的聚合物，并且所制造的三维结构包含固化的聚合物。所述气溶胶滴任选地包含分散于所述可光固化的聚合物中的固体颗粒，并且所制造的三维结构包含固化的聚合物，所述固化的聚合物包含包埋的固体颗粒。所述固体颗粒任选地包括陶瓷、金属、纤维或硅。在另一实施方案中，所述气溶胶滴包含溶剂，并且改变性质包括蒸发所述溶剂。这些气溶胶滴任选地包含金属纳米颗粒，在这种情况下所述方法优选地还包括用UV辐射照射所述气溶胶滴，加热所述金属纳米颗粒，以及充分加热所述气溶胶滴以至少部分地蒸发所述溶剂。所述方法优选地还包括在所述金属纳米颗粒已经沉积后继续照射所述金属纳米颗粒，由此至少部分地烧结所述金属纳米颗粒。所述方法任选地包括使所述沉积头相对于所述衬底倾斜或平移。所述方法任选地包括在不需要牺牲性支撑体或者倾斜所述沉积头或所述衬底的情况下制造悬伸的结构。所述沉积头和所述衬底之间的相隔距离优选为至少1mm，并且更优选至少2mm。所述方法优选地包括在飞行中增加所述气溶胶滴的粘度，并且优选地包括在飞行中和在所述气溶胶滴已经沉积后用电磁辐射照射所述气溶胶滴，任选地在飞行中从多于一个方向。所述方法任选地包括在飞行中和在所述气溶胶滴已经沉积后用电磁辐射加热所述气溶胶滴。所制造的三维结构任选地包括选自由以下各项组成的组中的结构：微米尺寸表面纹理、机械插入物(mechanicalinterposer)、精确间隔物、包含包埋的电连接器的机械插入物、封闭的中空结构、机械支架(scaffold)和功能性电线。本专利技术的目的/优点和新特征以及实用性的其他范围将结合附图在以下详细描述中部分地阐明，并且在查阅以下内容后对于本领域技术人员将部分地变得明显，或者可以通过本专利技术的实践学习。本专利技术的目的和优点可以凭借所附权利要求中具体指出的手段和组合而实现和获得。附图简述并入到说明书并形成说明书一部分的附图说明本专利技术的数个实施方案，并连同说明书用于解释本专利技术的原理。附图仅为了说明本专利技术的优选实施方案，而不解释为限制本专利技术。在附图中：图1是说明利用气溶胶射流三维打印的机理的示意图。图2A-2C是根据本专利技术的一个实施方案打印的聚合物柱的阵列的图像。图2D是示出柱构建速率的图表。图3是复合材料柱的阵列的图像。图4A和4B分别是根据本专利技术的一个实施方案打印的插入物的立体图和顶视图。图5A示出使用图1中所示的偏移法打印的三维千斤顶状(jack-like)结构。图5B示出开口锥体结构。图6A和6B示出具有沿长度的开放内部的闭合通道。图6C示出在通道的内侧流动的墨水。图7A和7B分别示出具有L形打印柱的单个天线和天线的阵列。图7C和7D是在微芯片上打印的3D电气部件的图像。图8A示出通过在打印期间倾斜打印头制造的独立式聚合物弹簧。图8B示出支撑质量的弹簧。图9A是示出银纳米颗粒的光密度的图表。图9B示出利用原位照射法打印的3D银线阵列。图10A-10F是使用UV聚合物和飞行中固化打印的多种3D形状的图像。专利技术的实施方案的详述本专利技术是制作三维结构如包括高高宽比特征的结构的方法，其使用气溶胶和墨水的飞行中固化和液体材料的直接打印制造三维独立式复杂结构。具体地，本专利技术的实施方案将获得专利的AerosolJet分散技术，如美国专利第7,674,671、7,938,079和7,987,813中描述的技术，与使得液滴能够在沉积在表面上前部分地凝固的飞行中材料加工机理组合。在飞行中加工后，微滴可以沉积以形成独立式结构。该方法的一部分优点包括超高分辨率三维(3D)打印，具有低至10微米的特征尺寸、达1微米的横向特征分辨率、和达100nm的垂直分辨率。独立式结构的高宽比可以大于100，并且结构可以通过操作打印头相对于那些表面的倾斜和位置打印在几乎任何表面和表面几何形状上。可以直接打印悬伸物和闭合的室，而无需使用牺牲性支撑材料。可以加工金属和绝缘材料两者，这使得用于制造电路的电子材料能够以3D的方式共沉积。此外，可以打印复合材料，这允许调整3D结构的力学和电学性质。紫外(UV)聚合物可以在它们影响目标时在飞行中固化，而且低的烧结温度使得塑料能够金属化。使用AerosolJet工艺，实际上可以打印任何类型的材料和/或溶剂。对于该工艺来说，与衬底大的间隔(一般几毫米)使得能够高高宽比打印而无需任何z轴移动。气溶胶射流的低于10微米聚焦使得能够建立超精细特征。AerosolJet打印是非接触的基于气溶胶的喷射技术。起始本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在衬底上制造三维结构的方法，所述方法包括：将气溶胶滴从沉积头朝向所述衬底推进；在飞行中部分地改变所述气溶胶滴的性质；以及在所述气溶胶滴已经沉积作为所述三维结构的一部分后，完全地改变所述气溶胶滴的所述性质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.10 US 62/114,3541.一种用于在衬底上制造三维结构的方法，所述方法包括：将气溶胶滴从沉积头朝向所述衬底推进；在飞行中部分地改变所述气溶胶滴的性质；以及在所述气溶胶滴已经沉积作为所述三维结构的一部分后，完全地改变所述气溶胶滴的所述性质。2.根据权利要求1所述的方法，其中改变性质包括使用电磁辐射固化或凝固。3.根据权利要求2所述的方法，其中固化包括紫外(UV)光固化。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述气溶胶滴包含可光固化的聚合物，并且所制造的三维结构包含固化的聚合物。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述气溶胶滴包含分散于所述可光固化的聚合物中的固体颗粒，并且所制造的三维结构包含固化的聚合物，所述固化的聚合物包含包埋的固体颗粒。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述固体颗粒包括陶瓷、金属、纤维或硅。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述气溶胶滴包含溶剂，并且改变性质包括蒸发所述溶剂。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述气溶胶滴包含金属纳米颗粒，所述方法还包括：用UV辐射照射所述气溶胶滴；加热所述金属纳米颗粒；以及充分加热所述气溶胶滴以至少部分地蒸发所述溶剂。9.根据权利要求8...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·J·雷恩，
申请(专利权)人：奥普托美克公司，
类型：发明
国别省市：美国,US