[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明一般地涉及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。

背景技术

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。

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。[16]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，它们与本发明比较，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，且因此不能展示本发明的嵌入式多层能力。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[17]，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[18]陈述的AM制造的3D零件的机械性能的需要，其中由丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(ABS)制成并使用熔融沉积成型(FDM)——一种公知的材料挤压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。

发明内容

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。