用于将细丝嵌入3d结构、结构组件和结构电子、电磁和电机械组件/设备中的方法和系统
2020-01-14

用于将细丝嵌入3d结构、结构组件和结构电子、电磁和电机械组件/设备中的方法和系统

本发明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。

系统也可包括:将至少第一组件放置在第一层上或内的组件放置机器,其中细丝是导电材料,细丝的第一端在第一组件近侧;以及将细丝的第一端附着到第一组件的第三机器。第一机器可以是激光微焊接机器、电阻焊接机器、超声焊接机器、引线接合机器、锡焊机器或本领域中的技术人员公知的任何附着机器或设备。此外,系统可包括将三维衬底输送到每个机器的滑道、输送机或机器人设备。注意,所有机器可集成到单个机器内,或可作为单独的工艺被操作。

系统还可包括产生在第一层的顶表面内的几何容差(即沟槽、通道、腔等)的第二机器,其中几何容差减小在可流动状态(即它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)中移动的衬底材料的部分的体积,并在嵌入细丝之前增加与细丝的该部分接触的表面积。注意,可能必须沉积多个工艺层以形成单个设计层的几何容差。细丝的该部分实质上嵌在一个或多个几何容差内。一个或多个几何容差可以是一个或多个沟槽、一个或多个通道或一个或多个腔。而且,一个或多个几何容差可具有圆形、正方形、矩形、三角形的横截面,或可具有任何其它适当的形状,在该形状可使用分层AM工艺被合理地近似的程度上。第二机器可以是微机械加工机器、CNC微机械加工机器、CNC或常规微机械加工机器、微电气放电机械加工机器、电机械机械加工机器、直接写入光子微机械加工机器、激光消融机器、辐射源、超声切割机、热铁丝切割机、喷水机、刻蚀机、深反应离子微机械加工机器、等离子体刻蚀机、晶体取向相关刻蚀机、湿容积微机械加工机器、UV光刻或X射线光刻(LIGA)机器、热压花光刻机器、精确机械锯机、化学辅助离子铣床、喷砂机或切割机。

图17是根据本发明的一个实施方式的超声铁丝嵌入过程的图;

图22A-22K是示出根据本发明的另一实施方式的创建层间连接的进展的图。

图24A-24G是示出根据本发明的另一实施方式的创建层间连接的另一进展的图;

此外,本发明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。

使用本发明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FDM生产的ABS零件比较时,使用本发明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。

该方法可用于制造三维结构、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。

用于将细丝嵌入3d结构、结构组件和结构电子、电磁和电机械组件/设备中的方法和系统

本发明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。

用于嵌入细丝或细丝网的能量源可以是:1)在超声频率范围内的声能,如可在一般超声焊接或超声缝制设备中发现的,在压力下直接施加到细丝或细丝网,导致在细丝或网丝和衬底材料之间的摩擦加热;2)在导电细丝或细丝网中由密集的时变磁场引起的焦耳加热,如可使用感应加热或感应熔化设备发现的;3)直接接触(传导)加热,如可使用电阻焊接设备发现的;4)焦耳加热,如可在足够的电流穿过导电细丝时出现的;5)强制对流加热,例如在热空气回流焊接系统中发现的;6)红外辐射加热,例如可在红外回流焊接系统中发现的;7)本领域中的技术人员公知的任何其它直接或间接加热;或8)其任何组合。为了最小化嵌入网丝所需的能量的数量,可通过经由分片软件修改聚合物材料的空间沉积来使衬底聚合物层变成多孔的。例如,使用为材料挤压AM机器准备构建文件的软件,在材料珠之间的距离可增加以增加衬底层的多孔性。增加的多孔性将不仅帮助减小嵌入网丝所需的能量的数量,而且减小可在表面之之上突出的聚合物材料的数量。然而应注意,即使衬底材料是实心的且衬底材料移动了等于所嵌入的细丝的体积的量,大部分AM技术仍应能够在随后的层沉积中适应这个移动。

该方法可用于制造三维结构、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。

在本发明的一个实施方式中,定制加工工具和运动控制硬件以及激光微焊接、电阻焊接、超声焊接、锡焊、引线接合或本领域中的技术人员公知的任何附着工艺用于在添加制造的热塑性衬底内的实心导电铁丝的沉积和附着。本发明利用添加制造工艺,例如熔融沉积成型(FDM)或其它材料挤压添加制造工艺、选择性激光烧结(SLS)或其它粉末层熔合添加制造工艺、层压对象制造(LOM)或利用热塑性薄板的其它薄板层压添加制造工艺、光固化立体造型术或使用光可固化热塑性塑料的其它光聚合固化添加制造工艺、光可固化热塑性的材料喷射或还没有发展来产生更鲁棒的零件的、可在工程设计应用以及3D结构电子、电磁和电机械组件和系统时直接使用的其它添加基于热塑性的技术。初步实验显示超声(声)能以及热能的有效使用以将导电铁丝快速嵌入热塑性衬底材料内以形成电互连。此外,当普通碳素钢丝网使用本发明的一个实施方式被嵌入时,FDM制造的ABS零件的最终抗张强度提高了37%。最后注意,本文所述的一个或多个上述过程步骤可被自动或手动地执行以实现本质上相同的结果。

使用本发明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FDM生产的ABS零件比较时,使用本发明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。

Expandingrapidprototypingforelectronicsystemsintegrationofarbitraryform.17thAnnualSolidFreeformFabricationSymposium,UniversityofTexasatAustin,August14-16.

1.U.S.PatentNo.5,121,329:ApparatusandMethodforCreatingThree-DimensionalObjects.

此外,本发明提供用于制造包括三维打印设备、第一机器和第二机器的电子、电磁或电机械组件/设备的系统。三维打印设备产生衬底材料的第一层。第一机器将第一组件或导体放置在第一层上或内。三维打印机将衬底材料的第二层沉积在第一层上,其中第二层包括具有第一端和第二端的细长腔,使得第一端布置在第一组件或导体的第一被暴露部分之上。第一机器将细丝的第一端经由细长腔的第一端附着到第一组件或导体的第一被暴露部分。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来进行附着。第二机器将细丝的第二端放置在细长腔的第二端内,使得细丝布置在细长腔内。三维打印设备将衬底材料的第三层沉积在第二层上,使得在细长腔的第一端近侧的细长腔的第一部分由第三层覆盖且细长腔的第二部分被暴露。第二机器将第二组件或导体放置在细长腔的第二部分近侧的第三层上或内。三维打印设备将衬底材料的第四层沉积在第三层上,使得第二组件或导体的第二部分被暴露且细长腔的第二部分被暴露。第二机器将细丝的第二端从细长腔的第二部分移除并将细丝的第二端放置在第二组件或导体的被暴露部分近侧。第一机器将细丝的第二端附着到第二组件或导体的被暴露部分。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来进行附着。注意,虽然本文所述的工艺是连接在三维电子、电磁或电机械组件/设备内的多个设计层之间的导体和(或)组件所特有的,应理解,本发明还提供在同一设计层内的多个组件的互连。

在本发明的另一实施方式中,第一机器可以是铁丝馈送和切割系统和具有固定物的细丝或细丝网加热设备,以允许压力在嵌入过程期间被施加到细丝或细丝网络,且细丝或细丝网加热设备包括下列项中的任一个:1)用于感应电流和因而在待嵌入的细丝或细丝网内的焦耳加热的感应线圈;2)电阻加热元件,其包含材料例如石墨、镍铬或用于产生热并通过传导将热转移到细丝或细丝网的其它电阻材料;3)用于使电流施加到被嵌入的细丝或细丝网的至少一部分以产生嵌入过程所需的焦耳加热的电极(电接触部);4)快速加热通过强制对流加热而嵌入的细丝或网丝的至少一部分的空气加热和循环设备或系统;或5)快速加热被嵌入的细丝或细丝网的至少一部分的辐射红外加热源。第一机器也包括必要的电源和过程控制设备。

图12A-12B是根据本发明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ASTMD638型I测试样品)内的普通碳素钢网丝的图。

用于将细丝嵌入3d结构、结构组件和结构电子、电磁和电机械组件/设备中的方法和系统

本发明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。

系统还可包括产生在第一层的顶表面内的几何容差(即沟槽、通道、腔等)的第二机器,其中几何容差减小在可流动状态(即它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)中移动的衬底材料的部分的体积,并在嵌入细丝之前增加与细丝的该部分接触的表面积。注意,可能必须沉积多个工艺层以形成单个设计层的几何容差。细丝的该部分实质上嵌在一个或多个几何容差内。一个或多个几何容差可以是一个或多个沟槽、一个或多个通道或一个或多个腔。而且,一个或多个几何容差可具有圆形、正方形、矩形、三角形的横截面,或可具有任何其它适当的形状,在该形状可使用分层AM工艺被合理地近似的程度上。第二机器可以是微机械加工机器、CNC微机械加工机器、CNC或常规微机械加工机器、微电气放电机械加工机器、电机械机械加工机器、直接写入光子微机械加工机器、激光消融机器、辐射源、超声切割机、热铁丝切割机、喷水机、刻蚀机、深反应离子微机械加工机器、等离子体刻蚀机、晶体取向相关刻蚀机、湿容积微机械加工机器、UV光刻或X射线光刻(LIGA)机器、热压花光刻机器、精确机械锯机、化学辅助离子铣床、喷砂机或切割机。

用于嵌入细丝或细丝网的能量源可以是:1)在超声频率范围内的声能,如可在一般超声焊接或超声缝制设备中发现的,在压力下直接施加到细丝或细丝网,导致在细丝或网丝和衬底材料之间的摩擦加热;2)在导电细丝或细丝网中由密集的时变磁场引起的焦耳加热,如可使用感应加热或感应熔化设备发现的;3)直接接触(传导)加热,如可使用电阻焊接设备发现的;4)焦耳加热,如可在足够的电流穿过导电细丝时出现的;5)强制对流加热,例如在热空气回流焊接系统中发现的;6)红外辐射加热,例如可在红外回流焊接系统中发现的;7)本领域中的技术人员公知的任何其它直接或间接加热;或8)其任何组合。为了最小化嵌入网丝所需的能量的数量,可通过经由分片软件修改聚合物材料的空间沉积来使衬底聚合物层变成多孔的。例如,使用为材料挤压AM机器准备构建文件的软件,在材料珠之间的距离可增加以增加衬底层的多孔性。增加的多孔性将不仅帮助减小嵌入网丝所需的能量的数量,而且减小可在表面之之上突出的聚合物材料的数量。然而应注意,即使衬底材料是实心的且衬底材料移动了等于所嵌入的细丝的体积的量,大部分AM技术仍应能够在随后的层沉积中适应这个移动。

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。

使用本发明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FDM生产的ABS零件比较时,使用本发明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。

可以用几种方式实现超声地嵌入铁丝网。旋转变幅杆实现如图6A和6B所示的在平坦以及弯曲衬底上的铁丝网的嵌入。此外,网丝可嵌在衬底内,其中网丝的一部分布置在腔内并随后使用激光微焊接、电阻焊接、超声焊接、锡焊、引线结合或本领域中的技术人员公知的任何附着工艺来附着到在前一层中的导体,如图7所示的。

本发明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。本发明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。

图16A-16B是根据本发明的一个实施方式的通过将普通碳素钢网丝嵌入FDM构建的ABS零件(标准ASTMD638型I测试样品,等距和侧视图)内而制成的聚合物网丝复合结构的图;

13.Olivas,R.,Salas,R.,Muse,D.,MacDonald,E.,Wicker,R.Structuralelectronicsthroughadditivemanufacturingandmicro-dispensing.IMAPSNationalConference,Oct.2010.

图24A-24G是示出根据本发明的另一实施方式的创建层间连接的另一进展的图。

发明内容

在不限制本发明的范围的情况下,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。

虽然很多方法可用于将嵌入的铁丝和铁丝网连接到彼此和电气组件,优选的方法是使用激光微焊接。最新技术绿色激光系统提供有效地焊接一定范围的铁丝尺寸的能力,且对焊接“红色”金属例如铜和金特别有效。一个这样的系统由MiyachiUnitek公司提供。绿色激光技术在涉及电子设备的各种微焊接应用中显示有效的使用。

在AM工艺中固有的是当材料的小体积移动时使在可流动状态(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能够流动而不迫使材料在表面之之上突出的空隙或间隙。而且,细丝的该部分被嵌入于的第一层的顶表面的至少一部分包括不规则形状的表面或弯曲表面。在逐层工艺中可通过将衬底材料沉积在第二层上来产生三维衬底的一个或多个额外的层。

在说明书中提到的所有公布物、专利和专利申请指示在本发明所属的领域中的技术人员的技术水平。所有公布物、专利和专利申请在本文通过引用在相同的程度上被并入,好像每个单独的公布物、专利和专利申请被特别地和单独地被指示通过引用被并入一样。