用于通过三维打印制造机电系统的方法和装置制造方法及图纸

用于制造机电系统的方法，包括：‑通过借助熔融丝沉积至少一种第一电绝缘材料(M1)的三维打印来制造机械结构(SM)的步骤；以及‑制造与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定的至少一个电气部件(CE)的步骤；其特征在于，所述制造至少一个电气部件的步骤是通过借助熔融丝沉积直接与所述机械结构的元件接触的导电或电阻的至少一种第二材料(M2)的三维打印来实现的。用于实施这种方法的装置。可以通过这种方法制造的机电系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于通过三维打印制造机电系统的方法和装置
本专利技术涉及一种用于制造机电系统的方法，一种可以使用这种方法获得的机电系统，以及一种适用于实施这种方法的制造装置。本专利技术基于三维(3D)打印技术，也称为增材制造。它适用于很多应用，例如，制造：-可穿戴的生理或活动传感器(心率、血糖等)；-理疗设备；-二维或三维交互界面；-连接对象；-等。如今，增材制造(或3D打印)技术正在各个领域经历显著增长，并且即将彻底改变工业部门，以及个人中的消费实践。近年来已经开发了各种方法以设计各种各样的机械物体和结构。它们使得可以控制物体的局部或整体机械特性或甚至外观(例如颜色或纹理)。然而，这些方法仅产生被动物体，而没有能够感知或作用于环境的能力。为了使这些物体是活动的，有必要在它们中加入电子元件和功能，这些元件和功能目前是通过基本的减法方法单独制造的，然后在工业生产线中与机械结构组装在一起以生产最终物体。将电子功能结合到非平面机械结构中并且无需组装是一个挑战。近年来，许多参与者已经致力于使用聚合物材料来生产所谓的柔性或有机电子产品。自从1977年开发出第一种导电聚合物以来，电子产品的这个分支相对较新，并且使用这些材料的第一批电子元件在20世纪80年代中期出现。目前，有机电子产品可以生产多种电子元件，如有机场效应晶体管(OFET)、有机光伏电池(OPV)、有机发光二极管(OLED)、电化学生物传感器，甚至基于电活性聚合物(EAPS)的致动器。为了生产这种电子产品，已经开发了新方法，并且一些现在以工业规模使用，例如连续剥离或轮转印刷(柔性版印刷、照相凹版印刷等)。喷墨打印(IJP)和气溶胶喷射打印(AJP)形成3D打印方法的一部分，可以生产一些有机电子元件，特别是传感器[Muth,2014；Sitthi-Amorn,2015]并且目前是该领域的深入研究的主题。然而，这些方法仅产生平面基板上的部件[Rossiter，2009]或需要额外组装操作的部件，因此不允许设计完整的机电3D结构。最近，已经提出通过熔融丝沉积(FDM，“熔融沉积建模”)以在3D物体上打印压力传感器[Leigh，2012]而将导电聚合物与3D打印方法一起使用。还提出使用功能性热塑性塑料来打印诸如天线的基本部件[O'Brien，2015]。聚合物基质复合材料在诸如传感器和致动器等众多应用领域的潜力已经得到证明[Coiai，2015]，[Deng，2014]。此外，纳米复合材料和纳米颗粒(阳离子纳米粘土、阴离子纳米粘土、贵金属纳米颗粒、碳纳米管等)的科学已经允许更好地理解和更好地控制合成这些材料的方法。特别地，包含碳填料的热塑性塑料有望用于制造传感器，例如变形、力、温度、电化学(液体或气体检测)和其他这样的传感器。还已知了开发并集成在FDM打印机上的具有金属芯(例如铜)和热塑性塑料基质的复合材料使得可以生产应变仪(参见US2014/328964)。然而，目前，不可能使用3D打印来制造完整的机电系统。混合方法目前允许，但潜力有限。其中最先进的是Voxel8平台(www.voxel8.co)，它是哈佛大学的副产品，它结合了用于物体结构的FDM、用于电路的导电轨的金属油墨和分立部件定位系统。文献US2015/173,203公开了一种用于制造包括电气部件的机电系统的方法。然而，该电气部件不是换能器。文献US2015/173,203还公开了一种用于实现包括三个固定打印头的所述方法的装置。还从文献WO2014/209,994中已知的是一种用于实现没有熔融丝沉积的方法的装置，其包括几个可独立驱动的打印头。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的上述缺点和局限。更具体地，其目的在于使得可以制造单件的并且通过同一3D打印方法的机电系统的机械子系统和至少一部分的电气子系统。术语“电气”应该在广义上解释，包括电子和/或电磁，甚至光电子类型的功能。根据本专利技术，该目的通过使用借助熔融丝沉积的三维打印技术来制造机械结构和固定到所述结构(例如布置在其表面上)的至少一个电气部件(导电轨、电阻器、传感器等)来实现。这需要使用至少两种不同的材料：用于打印结构的电绝缘的第一材料、以及用于打印一个或多个电气部件的至少一种导电或电阻的第二材料。因此避免了混合技术的缺点：由于组装步骤、机械脆性、体积等导致的开销损失。因此，本专利技术的主题是一种用于制造机电系统的方法，包括：-通过借助熔融丝沉积至少一种第一电绝缘材料的三维打印来制造机械结构的步骤；以及-制造与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定的至少一个电气部件的步骤；其中，所述制造至少一个电气部件的步骤是通过借助熔融丝沉积直接与机械结构的所述元件接触的导电或电阻的至少一种第二材料的三维打印来实现的；其特征在于，所述电气部件或一个所述电气部件是换能器。本专利技术的另一主题是一种机电系统，包括电绝缘机械结构和至少一个电气部件，所述电气部件布置成与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定，其中，机械结构和电气部件通过三维打印形成所述机械结构的至少一种第一电绝缘材料和形成所述电气部件的至少一种第二导电或电阻材料而产生在单块中；其特征在于，所述电气部件或一个所述电气部件是换能器。本专利技术的又一个主题是一种用于实施上述方法的装置，包括具有至少两个不同挤出头的熔融丝沉积类型的三维打印机，该至少两个不同挤出头可以独立地启动并适于沉积两种不同的材料，所述挤出头以相同的挤出方向并排布置并由相同的打印架承载，从而确保它们同时移位，所述打印头还包括用于当所述挤出头或另一个所述挤出头工作时使非工作的挤出头在远离所述挤出方向的方向上移位的机构。附图说明本专利技术的其他特征、细节和优点将在阅读参考作为示例给出的附图给出的说明时显现，附图分别表示：-图1是根据本专利技术实施例的装置的功能图；-图2A-2C是根据本专利技术的一个实施例的制造方法的局部退火步骤的示意图；-图3是根据本专利技术实施例的用于喷涂制造方法中使用的粘合促进剂的喷嘴；-图4A-4E是由根据本专利技术实施例的制造方法产生的不同导电图案；-图5A-5C是示出了由根据本专利技术实施例的制造方法产生的不同电阻图案的电阻随其几何参数变化的趋势的曲线图；-图6A和6B是由根据本专利技术实施例的制造方法产生的配备有单轴应变仪的拉伸试样；-图7A-7C是示出了在针对图6A和6B所示类型的试样的拉伸试验期间进行的测量结果的曲线图；-图8是由根据本专利技术实施例的制造方法产生的二维弯曲传感器；-图9A-9E是由根据本专利技术的实施例的制造方法产生的多轴力传感器的制造顺序，以及图9F是该传感器的侧视图；-图10是由根据本专利技术实施例的制造方法产生的声学传感器的横截面图；-图11A至11H是示出用于生成由根据本专利技术实施例的制造方法产生的电阻器的打印文件的算法的流程图；-图12A-12C是填充表面的概念的图示；以及-图13是示出了用于生成由根据本专利技术实施例的制造方法产生的压阻式变形仪的打印文件的算法的流程图。具体实施方式图1示意性地示出了根据本专利技术实施例的用于制造三维机电物体的装置。通过熔融丝沉积(具体地沉积功能性热塑性塑料)制造的这些物体包括可能铰接的机械结构、以及诸如无源部件(电阻器、电容器、天线等)、传感器和致动器的电子部件。图1的装置使得可以打印提供有与其环境或用户交互能力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于制造机电系统的方法，包括：‑通过借助熔融丝沉积至少一种第一电绝缘材料(M1)的三维打印来制造机械结构(SM)的步骤；以及‑制造与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定的至少一个电气部件(CE)的步骤；其中，所述制造至少一个电气部件的步骤是通过借助熔融丝沉积直接与所述机械结构的所述元件接触的导电或电阻的至少一种第二材料(M2)的三维打印来实现的；其特征在于，所述电气部件或一个所述电气部件是换能器(JC1，JC2)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.15 FR 16555521.用于制造机电系统的方法，包括：-通过借助熔融丝沉积至少一种第一电绝缘材料(M1)的三维打印来制造机械结构(SM)的步骤；以及-制造与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定的至少一个电气部件(CE)的步骤；其中，所述制造至少一个电气部件的步骤是通过借助熔融丝沉积直接与所述机械结构的所述元件接触的导电或电阻的至少一种第二材料(M2)的三维打印来实现的；其特征在于，所述电气部件或一个所述电气部件是换能器(JC1，JC2)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述换能器(JC1，JC2)是压阻式传感器。3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，导电或电阻的所述第二材料包括分散在热塑性绝缘基质(MM2)中的导电填料(CM2)。4.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括在沉积第一材料层或第二材料层期间或之后实施的局部退火步骤，从而匹配所述沉积。5.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括在所述表面上沉积不同材料层之前在制造期间在所述机电系统的表面上沉积粘合促进剂(APA)的步骤。6.根据前述权利要求之一所述的方法，包括使用至少两个不同的挤出头(TE1，TE2)来沉积第一材料和第二材料。7.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括生成用于产生至少一个所述电气部件的打印文件(FI)的步骤，所述步骤由计算机实现并包括：-包括向所述计算机提供指示一个或多个接触点的位置、必须制造所述部件的空间区域和所述部件的至少一个电气特性的数据的子步骤；-通过应用于预定义数学模型的所述数据来计算所述部件的几何形状的子步骤；以及-生成所述打印文件使得能够通过借助熔融丝沉积导电或电阻的所述第二材料或至少一种所述第二材料的三维打印来产生所述几何形状的子步骤。8.机电系统(CF2D)，包括电绝缘机械结构(SM)和至少一个电气部件(CE)，所述至少一个电气部件(CE)布置成与所述机械结构的至少一个元件接触并与之固定，其中，所述机械结构和所述电气部件通过三维打印形成所述机械结构的至少一种第一电绝缘材料(M1)和形成所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·安米，F·隆诺斯，
申请(专利权)人：国立科学研究中心，南巴黎大学，
类型：发明
国别省市：法国,FR