用于將細(xì)絲嵌入3d結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)組件和結(jié)構(gòu)電子、電磁和電機(jī)械組件/設(shè)備中的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明一般地涉及3D結(jié)構(gòu)和3D結(jié)構(gòu)電子、電磁和電機(jī)械組件和設(shè)備的制造，并且更具體地，涉及用于將細(xì)絲嵌在三維結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)組件和三維結(jié)構(gòu)電子、電磁和電機(jī)械組件/設(shè)備中的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在不限制本發(fā)明的范圍的情況下，它的背景關(guān)于用于制造3D對象、結(jié)構(gòu)和3D結(jié)構(gòu)電子、電磁和電機(jī)械組件和設(shè)備的方法而被描述。
[0003]添加制造對3D電子設(shè)備的應(yīng)用仍然處于初級階段。大規(guī)模采用由于當(dāng)前低溫固化、基于導(dǎo)電油墨的技術(shù)的低可靠性、低性能和高成本而被限制。[16]作為結(jié)果，傳統(tǒng)印刷電路板(PCB)技術(shù)繼續(xù)在電子工業(yè)中占主要地位。3D電子設(shè)備的進(jìn)步主要限于在全世界的少量研究員，其中大部分追求導(dǎo)電油墨技術(shù)。對此的例外是涉及暴露于選擇性激光刻蝕工藝的注塑件的模制互連設(shè)備(MID)和隨后的無電鍍，選擇性激光刻蝕工藝被稱為激光直接結(jié)構(gòu)化(LDS)。這些設(shè)備展示一些3D自由度并在汽車和個人通信市場中有廣泛使用；然而，它們與本發(fā)明比較，在應(yīng)用上是有限的，因為從電鍍工藝產(chǎn)生的導(dǎo)電跡線被限制到刻蝕激光器可接近的模制件的外表面，且因此不能展示本發(fā)明的嵌入式多層能力。而且，這些無電鍍工藝提供所制造的導(dǎo)體的有限橫截面面積并因此限制高電流能力。
[0004]到現(xiàn)在為止使用添加制造(AM)工藝(使用如在ASTM 2792_12a中描述和定義的工藝)創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)電子設(shè)備的努力以在直接打印(DP)(也被稱為直接寫入(DW))或其它工藝中分配的導(dǎo)電油墨的使用為中心以提供在組件之間的電互連。分別于2010年2月和2012年8月提交的美國申請7，658，603和8，252，223詳細(xì)描述流體分配技術(shù)與光固化立體造型術(shù)和其它AM工藝的集成以創(chuàng)建3D電路。這些低溫固化油墨在導(dǎo)電性上和在耐久性上有弱點[17]，這限制了 AM制造的3D結(jié)構(gòu)電子設(shè)備對不受制于機(jī)械沖擊、振動、大電流或功率密度、溫度極值或具有高可靠性要求的應(yīng)用的簡單設(shè)備的應(yīng)用。
[0005]2003年9月發(fā)布的美國專利6，626，364描述了使用安裝在運動控制系統(tǒng)上的超聲變幅桿將天線導(dǎo)線快速嵌入薄熱塑性智能卡內(nèi)并使用通過變幅桿將天線導(dǎo)線提供到工作表面的機(jī)制的方法。天線導(dǎo)線超聲地嵌在平坦、平滑和實心塑料薄板中。
[0006]然而存在對用于在具有嵌入式電子設(shè)備、傳感器和致動器的在幾何上復(fù)雜和錯綜的3D結(jié)構(gòu)的制造期間將細(xì)絲(例如，鐵絲、網(wǎng)絲等)嵌在熱塑性設(shè)備中的方法和系統(tǒng)的需要。也存在對提高如Ahn等人[18]陳述的AM制造的3D零件的機(jī)械性能的需要，其中由丙稀睛-丁二稀-苯乙稀(ABS)制成并使用恪融沉積成型(FDM)--—種公知的材料擠壓AM工藝--生產(chǎn)的測試零件的最終抗張強(qiáng)度是相同材料的注塑件的大約10-73% (26MPa的UTS)。在AM生產(chǎn)的零件和注塑件之間的機(jī)械特性中的這個差距擴(kuò)展已通過的抗張?zhí)匦裕园_擊、彎曲、壓縮、蠕變和疲勞特性，其共同限制AM生產(chǎn)的零件對原型的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供用于在可能在幾何上復(fù)雜和錯綜的3D結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)組件或具有嵌入式電子設(shè)備、傳感器和致動器的結(jié)構(gòu)的制造期間將細(xì)絲(例如鐵絲、網(wǎng)絲等)嵌在熱塑性襯底中的方法和系統(tǒng)。此外，細(xì)絲可嵌在熱塑性設(shè)備的多個層中。本發(fā)明提供具有與傳統(tǒng)印刷電路板(PCB)技術(shù)的導(dǎo)電性和耐久性可比較的導(dǎo)電性和耐久性的電互連。
[0008]使用本發(fā)明將細(xì)絲或網(wǎng)絲嵌在層的區(qū)內(nèi)或?qū)赢?dāng)中產(chǎn)生提高AM制造的零件的機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)與剛建成的Π)Μ生產(chǎn)的ABS零件比較時，使用本發(fā)明的一個實施方式觀察到具有一個嵌入式普通鋼絲網(wǎng)的FDM生產(chǎn)的ABS零件的37%的提高。在使用由機(jī)械上魯棒的材料(即，不銹鋼、銅鉻合金)制成的網(wǎng)絲和在同一聚合物零件內(nèi)的多個網(wǎng)絲的情況下預(yù)期另外的提高。此外，在熱塑性塑料內(nèi)的導(dǎo)熱細(xì)絲的嵌入實現(xiàn)產(chǎn)生熱并需要熱耗散的設(shè)備的被動熱管理。
[0009]本發(fā)明允許創(chuàng)建在使用添加制造而制造的基于熱塑性的3D電子系統(tǒng)中的電互連的高可靠性方法，允許技術(shù)的大得多的市場潛力。本發(fā)明將在短期導(dǎo)致商業(yè)上可行的、大規(guī)模定制的3D打印電子設(shè)備(例如智能修復(fù)術(shù)、穿戴式電子設(shè)備、任務(wù)特定UAV或衛(wèi)星等)一一徹底變革了電子設(shè)備的制造和分布。
[0010]更具體地，本發(fā)明提供通過下列操作來將細(xì)絲或網(wǎng)絲嵌在三維電子、電磁或電機(jī)械組件/設(shè)備中的方法:提供襯底材料的至少第一層，以及將細(xì)絲的至少一部分嵌在襯底材料的第一層內(nèi)使得細(xì)絲的該部分實質(zhì)上與第一層的頂表面齊平且在可流動狀態(tài)(即，它的橡膠、橡膠狀流動或粘彈性行為的液體流動區(qū)等)中的襯底材料的一部分由細(xì)絲的該部分移動且實質(zhì)上不在第一層的頂表面之上突出。該方法可用于制造三維電子、電磁或電機(jī)械組件/設(shè)備。而且，該方法可被實現(xiàn)為體現(xiàn)在非臨時計算機(jī)可讀介質(zhì)上的計算機(jī)程序，其中使用一個或多個代碼段來執(zhí)行步驟。注意，第一層不必是用于構(gòu)建三維電子、電磁或電機(jī)械組件/設(shè)備的襯底材料的底層、初始層或第一層。此外，單個設(shè)計層可涉及多個工藝層(即，可能需要沉積襯底材料的薄層的多個步驟來構(gòu)建給定厚度的第一或后續(xù)設(shè)計層)。
[0011]此外，本發(fā)明提供用于制造包括三維打印設(shè)備和第一機(jī)器的三維電子、電磁或電機(jī)械組件/設(shè)備的系統(tǒng)。三維打印設(shè)備通過以逐層方式沉積襯底材料而產(chǎn)生三維襯底的一層或多層。第一機(jī)器將細(xì)絲的至少一部分嵌在襯底材料的第一層內(nèi)，使得細(xì)絲的該部分實質(zhì)上與第一層的頂表面齊平且在可流動狀態(tài)(即，它的橡膠、橡膠狀流動或粘彈性行為的液體流動區(qū)等)中的襯底材料的一部分由細(xì)絲的該部分移動且實質(zhì)上不在第一層的頂表面之上突出。
【附圖說明】
[0012]為了更徹底地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，現(xiàn)在參考本發(fā)明的詳細(xì)描述連同附圖，且其中:
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的用于將細(xì)絲嵌在三維電子、電磁或電機(jī)械組件/設(shè)備中的方法的流程圖；
[0014]圖2A、2B和2C是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的用于將細(xì)絲嵌在襯底中的各種超聲變幅桿的圖；
[0015]圖3A和3B是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的旋轉(zhuǎn)超聲變幅桿的圖；
[0016]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的嵌在襯底中的細(xì)絲的橫截面的圖；
[0017]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的將細(xì)絲嵌在具有彎曲表面的襯底中的中空超聲變幅桿的圖；
[0018]圖6A和6B是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的將網(wǎng)絲嵌在襯底內(nèi)的旋轉(zhuǎn)超聲變幅桿的圖；
[0019]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的嵌在襯底中的網(wǎng)絲的圖，其中網(wǎng)絲的一部分布置在腔內(nèi)并通過激光微焊接工藝、電阻焊接工藝、超聲焊接工藝、錫焊工藝、引線接合工藝或本領(lǐng)域中的技術(shù)人員公知的任何附著工藝被附著到在前面的過程步驟中敷設(shè)的另一細(xì)絲或鐵絲；
[0020]圖8A-8D是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的將網(wǎng)絲嵌在襯底內(nèi)的進(jìn)展的圖；
[0021]圖9A-9C是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的將具有特定圖案的網(wǎng)絲嵌在襯底內(nèi)的進(jìn)展的圖；
[0022]圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的用于將細(xì)絲嵌在三維電子、電磁或電機(jī)械組件/設(shè)備中的方法的流程圖；
[0023]圖11A-11D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的被激光微焊到電子組件的導(dǎo)電鐵絲的圖；
[0024]圖12A-12B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的使用超聲變幅桿(在左邊聚焦到小工作表面面積(_130mm2)的變幅桿和在右邊聚焦到較大的工作表面面積(_1450mm2)的變幅桿)嵌入FDM構(gòu)建的ABS零件(標(biāo)準(zhǔn)ASTM D638型I測試樣品)內(nèi)的普通碳素鋼網(wǎng)絲的圖；
[0025]圖13A-13B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的在FDM構(gòu)建的ABS零件(標(biāo)準(zhǔn)ASTMD638型I測試樣品)中的嵌入式普通碳素鋼網(wǎng)絲的圖；
[0026]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的使用FDM技術(shù)沉積在嵌入式普通碳素鋼網(wǎng)絲之上以產(chǎn)生聚合物網(wǎng)絲復(fù)合物的ABS材料的圖；
[0027]圖15A-15B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的嵌入FDM構(gòu)建的ABS零件(標(biāo)準(zhǔn)ASTMD638型I測試樣品)中的普通碳素鋼網(wǎng)絲的圖；
[0028]圖16A-16B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的通過將普通碳素鋼網(wǎng)絲嵌入FDM構(gòu)建的ABS零件(標(biāo)準(zhǔn)ASTM D638型I測試樣品，等距和側(cè)視圖)內(nèi)而制成的聚合物網(wǎng)絲復(fù)合結(jié)構(gòu)的圖；
[0029]圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的超聲鐵絲嵌入過程的圖；
[0030]圖18A-18B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的嵌入使用鋼層壓添加制造工藝構(gòu)建的PVC零件內(nèi)的普通碳素鋼網(wǎng)絲的圖(在左邊的全視圖，在右邊的頂視圖)；
[0031]圖19A和19B是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的示出通過激光微焊接工藝、電阻焊接工藝、超聲焊接工藝、錫焊工藝、引線接合工藝或本領(lǐng)域中的技術(shù)人員公知的任何附著工藝將細(xì)絲附著到組件的進(jìn)展的圖；
[0032]圖20是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的3D設(shè)備的各種層的圖；
[0033]圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的用于將在三維電子、電磁或電機(jī)械組件/設(shè)備中的第一組件或?qū)w連接到第二組件或?qū)w的方法的流程圖；
[0034]圖22A-22K是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的創(chuàng)建層間連接的進(jìn)展的圖；
[0035]圖23A-23G是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的使用鐵絲網(wǎng)平面(如同多個電源或接地連接一樣)創(chuàng)建層間連接的另一進(jìn)展的圖；
[0036]圖24A-24G是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的創(chuàng)建層間連接的另一進(jìn)展的圖；
[0037]圖25A-25H是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的創(chuàng)建層間連接的另一進(jìn)展的圖；以及
[0038]圖26A-26D是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的創(chuàng)建層間連接的另一進(jìn)展的圖。
【具體實施方式】
[0039]雖然下面詳細(xì)討論了本發(fā)明的各種實施方式的制造和使用，應(yīng)認(rèn)識到，本發(fā)明提供可體現(xiàn)在各種特定的上下文中的很多可應(yīng)用的創(chuàng)造性概念。本文討論的特定實施方式僅僅說明制造和使用本發(fā)明的特定方式且并不限定本發(fā)明的范圍。
[0040]為了便于本發(fā)明的理解，下面定義多個術(shù)語。在本文定義的術(shù)語具有如