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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

阅读：199发布：2023-01-27

专利汇可以提供用于将细丝嵌入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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是用于将细丝嵌入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专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种将细丝嵌在三维结构、结构组件或3D结构电子、电磁或电机械组件/设备中的方法，包括下列步骤：
提供衬底材料的至少第一层；以及
通过向所述细丝应用能量以加热所述细丝并通过施加足以嵌入所述细丝的压力，将细丝的至少一部分嵌在所述衬底材料的第一层内，使得所述细丝的所述部分与所述第一层的顶表面齐平且在可流动状态中的所述衬底材料的一部分由所述细丝的所述部分移动且不在所述第一层的所述顶表面之上突出。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将所述衬底材料的至少第二层沉积在所述第一层上使得所述细丝的所述部分的全部或部分被所述第二层覆盖的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一层和所述第二层包括第一设计层和第二设计层，并且每个设计层包括一个或多个添加工艺层。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
创建在所述第一层的所述顶表面内的一个或多个几何容差的步骤，其中所述几何容差减小在所述可流动状态中移动的所述衬底材料的所述部分的体积，并在嵌入所述细丝之前增加与所述细丝的所述部分接触的表面积，从而减小充分的嵌入所需的能量；
所述细丝的所述部分随后在所述一个或多个几何容差内被嵌入；
所述一个或多个几何容差包括一个或多个沟槽、一个或多个通道或一个或多个腔；以及
所述一个或多个几何容差具有圆形、正方形、矩形、三角形的横截面。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述细丝的所述部分使用铁丝馈送和切割系统以及用于嵌入所述细丝或细丝网的至少一个能量源嵌在所述第一层内，所述能量源选自包括下列项的组：
用于产生在所述细丝或细丝网的至少一部分和所述衬底之间的摩擦热的超声变幅杆或超声焊极；
用于感应涡电流和因而在所述细丝或细丝网的至少一部分内的焦耳热的感应加热线圈；
用于产生热并通过传导将热转移到所述细丝或细丝网的至少一部分的一个或多个电阻加热元件；
用于使电流通过所述细丝或细丝网的至少一部分并从而产生在所述细丝或细丝网内的焦耳热的电极；
通过强制对流加热来将热传递到所述细丝或细丝网的至少一部分的空气加热和循环设备或系统；以及
将热辐射地传递到所述细丝或细丝网的至少一部分的辐射红外加热源。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层还包括布置在所述第一层上或内的至少第一组件或导体，所述细丝包括导电材料，所述细丝的第一端在所述第一组件或导体近侧，以及还包括将所述细丝的所述第一端附着到所述第一组件或导体的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中使用激光微焊接工艺、引线接合工艺、电阻焊接工艺、超声焊接工艺、锡焊工艺将所述细丝的所述第一端附着到所述第一组件或导体。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第一层还包括布置在所述第一层上或内的至少第二组件或导体，其中所述细丝的第二端在所述第二组件或导体近侧，以及还包括将所述细丝的所述第二端附着到所述第二组件或导体的步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述细丝包括导电材料、不导电材料。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述细丝包括光纤或网丝。
11.如权利要求9所述的方法，其中:
所述导电材料包括金属、金属合金、导电聚合物或铁丝；以及
所述不导电材料包括一个或多个碳纤维或一个或多个Kevlar纤维。
12.如权利要求10所述的方法，其中:
所述网丝包括导电网丝或不导电网丝；
所述导电网丝包括由金属、金属合金、导电聚合物或铁丝制成的一组网丝；以及所述不导电网丝包括一组碳纤维或Kevlar纤维。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述网丝包括热沉、天线、导电平面、机械加固物或电磁屏蔽。
14.如权利要求9或10所述的方法，其中所述细丝提高所述第一层或三维电子、电磁或电机械组件/设备的物理特性、热特性或电特性。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述网丝提高所述第一层或三维电子、电磁或电机械组件/设备的物理特性、热特性或电特性。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底材料包括热塑性材料或填充有另一聚合物材料的热塑性材料、陶瓷材料、金属材料、矿物材料、玻璃陶瓷材料、半导体材料、纳米材料、生物材料、有机材料、无机材料或其任何组合以增强所述衬底的物理、机械、热、介质、磁或电磁特性。
17.如权利要求1所述的方法，其中使用熔融沉积成型(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利用光可固化热塑性塑料的其它光聚合固化添加制造工艺、利用光可固化热塑性的材料喷射工艺或其它添加基于热塑性的3D打印工艺来沉积一个或多个层。
18.一种由一种方法制造的三维结构、结构组件或结构电子、电磁或电机械组件/设备，所述方法包括下列步骤：(a)提供衬底材料的至少第一层，以及(b)通过向细丝应用能量以加热所述细丝并通过施加足以嵌入所述细丝的压力，将细丝的至少一部分嵌在所述衬底材料的第一层内，使得所述细丝的所述部分与所述第一层的顶表面齐平且在可流动状态中的所述衬底材料的一部分由所述细丝的所述部分移动且不在所述第一层的所述顶表面之上突出。
19.一种用于制造三维结构、结构组件或结构电子、电磁或电机械组件/设备的系统，包括:
三维打印设备，其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；以及第一机器，通过向细丝应用能量以加热所述细丝并通过施加足以嵌入所述细丝的压力，其将所述细丝的至少一部分嵌在所述衬底材料的第一层内，使得所述细丝的所述部分与所述第一层的顶表面齐平且在可流动状态中的所述衬底材料的一部分由所述细丝的所述部分移动且不在所述第一层的所述顶表面之上突出。
20.如权利要求19所述的系统，包括熔融沉积成型(FDM)机器或其它材料挤压添加制造机器、选择性激光烧结(SLS)机器或其它粉末层熔合添加制造工艺、层压对象制造(LOM)机器或利用热塑性薄板的其它薄板层压添加制造工艺、光固化立体造型术机器或利用光可固化热塑性塑料的其它光聚合固化添加制造工艺、利用光可固化热塑性的材料喷射机器或其它添加基于热塑性的3D 打印机；以及
所述第一机器包括铁丝馈送和切割系统以及用于嵌入所述细丝或细丝网的、选自包括下列项的组的至少一个能量源：
用于产生在所述细丝或细丝网的至少一部分和所述衬底之间的摩擦热的超声变幅杆或超声焊极；
用于感应涡电流和因而在所述细丝或细丝网的至少一部分内的焦耳热的感应加热线圈；
用于产生热并通过传导将热转移到所述细丝或细丝网的至少一部分的一个或多个电阻加热元件；
用于使电流通过所述细丝或细丝网的至少一部分并从而产生在所述细丝或细丝网内的焦耳热的电极；
通过强制对流加热来将热传递到所述细丝或细丝网的至少一部分的空气加热和循环设备或系统；以及
将热辐射地传递到所述细丝或细丝网的至少一部分的辐射红外加热源。
21.如权利要求19所述的系统，其中所述三维打印设备还将所述衬底材料的至少第二层沉积在所述第一层上，使得所述细丝的所述部分的全部或部分被所述第二层覆盖。
22.如权利要求19所述的系统，还包括：
将第一组件或导体放置在所述第一层上或内的组件放置机器；
所述细丝包括导电材料；
所述细丝的第一端在所述第一组件近侧；以及
将所述细丝的所述第一端附着到所述第一组件的第三机器。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述第三机器包括激光微焊接机器、电阻焊接机器、超声焊接机器、引线接合机器、锡焊机器。

说明书全文

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

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 本发明允许创建在使用添加制造而制造的基于热塑性的3D电子系统中的电互连的高可靠性方法，允许技术的大得多的市场潜力。本发明将在短期导致商业上可行的、大规模定制的3D打印电子设备(例如智能修复术、穿戴式电子设备、任务特定UAV或卫星等)——彻底变革了电子设备的制造和分布。

[0010] 更具体地，本发明提供通过下列操作来将细丝或网丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法：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(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。该方法可用于制造三维电子、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。注意，第一层不必是用于构建三维电子、电磁或电机械组件/设备的衬底材料的底层、初始层或第一层。此外，单个设计层可涉及多个工艺层(即，可能需要沉积衬底材料的薄层的多个步骤来构建给定厚度的第一或后续设计层)。

[0011] 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。附图说明

[0012] 为了更彻底地理解本发明的特征和优点，现在参考本发明的详细描述连同附图，且其中：

[0013] 图1是根据本发明的一个实施方式的用于将细丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法的流程图；

[0014] 图2A、2B和2C是示出根据本发明的一个实施方式的用于将细丝嵌在衬底中的各种超声变幅杆的图；

[0015] 图3A和3B是示出根据本发明的另一实施方式的旋转超声变幅杆的图；

[0016] 图4是示出根据本发明的嵌在衬底中的细丝的横截面的图；

[0017] 图5是示出根据本发明的一个实施方式的将细丝嵌在具有弯曲表面的衬底中的中空超声变幅杆的图；

[0018] 图6A和6B是示出根据本发明的另一实施方式的将网丝嵌在衬底内的旋转超声变幅杆的图；

[0019] 图7是示出根据本发明的另一实施方式的嵌在衬底中的网丝的图，其中网丝的一部分布置在腔内并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被附着到在前面的过程步骤中敷设的另一细丝或铁丝；

[0020] 图8A-8D是示出根据本发明的另一实施方式的将网丝嵌在衬底内的进展的图；

[0021] 图9A-9C是示出根据本发明的另一实施方式的将具有特定图案的网丝嵌在衬底内的进展的图；

[0022] 图10是根据本发明的一个实施方式的用于将细丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法的流程图；

[0023] 图11A-11D是根据本发明的一个实施方式的被激光微焊到电子组件的导电铁丝的图；

[0024] 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ASTM D638型I测试样品)内的普通碳素钢网丝的图；

[0025] 图13A-13B是根据本发明的一个实施方式的在FDM构建的ABS零件(标准ASTM D638型I测试样品)中的嵌入式普通碳素钢网丝的图；

[0026] 图14是根据本发明的一个实施方式的使用FDM技术沉积在嵌入式普通碳素钢网丝之上以产生聚合物网丝复合物的ABS材料的图；

[0027] 图15A-15B是根据本发明的一个实施方式的嵌入FDM构建的ABS零件(标准ASTM D638型I测试样品)中的普通碳素钢网丝的图；

[0028] 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ASTM D638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；

[0029] 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；

[0030] 图18A-18B是根据本发明的一个实施方式的嵌入使用钢层压添加制造工艺构建的PVC零件内的普通碳素钢网丝的图(在左边的全视图，在右边的顶视图)；

[0031] 图19A和19B是根据本发明的另一实施方式的示出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将细丝附着到组件的进展的图；

[0032] 图20是示出根据本发明的另一实施方式的3D设备的各种层的图；

[0033] 图21是根据本发明的一个实施方式的用于将在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的第一组件或导体连接到第二组件或导体的方法的流程图；

[0034] 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；

[0035] 图23A-23G是示出根据本发明的另一实施方式的使用铁丝网平面(如同多个电源或接地连接一样)创建层间连接的另一进展的图；

[0036] 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；

[0037] 图25A-25H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；以及

[0038] 图26A-26D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。

具体实施方式

[0039] 虽然下面详细讨论了本发明的各种实施方式的制造和使用，应认识到，本发明提供可体现在各种特定的上下文中的很多可应用的创造性概念。本文讨论的特定实施方式仅仅说明制造和使用本发明的特定方式且并不限定本发明的范围。

[0040] 为了便于本发明的理解，下面定义多个术语。在本文定义的术语具有如与本发明相关的领域中的普通技术人员通常理解的含义。术语例如“一”、“一个”和“该”并不意欲指仅仅单个实体，而是包括一般类别，其特定的例子可用于说明。本文的术语用于描述本发明的特定实施方式，但它们的使用并不限定本发明，除了如在权利要求中的概述的。

[0041] 本发明涉及能量源的应用以产生在细丝或细丝网中的热和足以允许它嵌入添加制造的热塑性衬底内以形成3D结构组件、设备或系统或形成3D结构电子、电磁或电机械组件、设备或系统的压力。本发明还涉及用于将细丝或细丝网连接到其它细丝、网丝、热管理组件、机械组件、电子组件或电机组件(或之间)的附着方法。

[0042] 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。

[0043] 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。

[0044] 在结构内引入的铁丝或丝网可用作1)电互连，2)天线，3)电源或接地平面，4)电磁屏蔽，5)热沉，或6)作为加固物以机械地加强被制造的设备——都在逐层添加制造(AM)的上下文中。本发明的一个实施方式涉及中断AM构建工艺以允许细丝或细丝网在需要的场合被嵌入并附着到其它细丝、网丝或组件，并然后继续AM工艺。然而应注意，本发明不限于在添加制造的热塑性衬底的内部内的细丝和网丝的嵌入，而是扩展到其在添加制造的热塑性衬底的外表面上的嵌入。为了允许后续层构建在嵌入的铁丝或丝网上，表面和铁丝必须一起被维持在尺寸上顺应的状态中(即，齐平)，意味着铁丝必须被充分嵌入，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必须被控制，以便不在表面之上突出到禁止连续逐层构建工艺的程度。可选地，铁丝不必充分嵌入以阻止所有突出物(铁丝和/或衬底材料)，如果工艺能够通过修改沉积在突出物之上的层来检测并适应突出物。从一些AM工艺——例如但不限于熔融沉积成型(FDM)或其它材料挤压添加制造工艺和选择性激光烧结(SLS)或其它粉末层熔合添加制造工艺——产生的纹理化表面对维持这个顺应性是有益的，因为在可流动状态(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在铁丝嵌入过程期间被移动并被允许横向(在X-Y平面中)流动而不是在工作表面之上突出。而且，AM的3D制造自由度允许对具有圆形、正方形或三角形或其它形状的横截面的几何容差(即，沟槽、通道、腔等)，在这些形状可对分层AM工艺合理地被近似的程度上，以减小移动的材料的体积(帮助维持平面化)以及增加超声焊接的表面积以进一步提高粘合。注意，多个工艺层可能必须被沉积以形成单个设计层的几何容差。最后且在有适当的运动控制的情况下，本发明允许铁丝或网丝嵌在不规则和弯曲表面上，如可能在结构、结构组件中或在3D结构电子应用中所需的。

[0045] 现在参考图1，示出了根据本发明的一个实施方式的用于将细丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法100的流程图。在块102中提供衬底材料的第一层。可使用熔融沉积成型(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的其它添加基于热塑性的技术来沉积一个或多个层。注意，第一层不必是用于构建三维电子、电磁或电机械组件/设备的衬底材料的底层、初始层或第一层。此外，单个设计层可涉及多个工艺层(即，可能需要沉积衬底材料的薄层的多个步骤来构建给定厚度的第一或后续设计层)。

[0046] 在本发明的优选实施方式中，在块104中，细丝的至少一部分超声地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。注意，实质上齐平并不意指细丝必须充分嵌入以阻止所有突出物(铁丝和/或衬底材料)，如果工艺能够通过修改沉积在突出物之上的层(调节多孔性、厚度等)来检测并适应突出物。可在软件中经由原位监控、测试和/或质量控制过程来做出这样的修改。可使用铁丝馈送和切割系统和几个可能的能量源之一——包括超声(声)、感应加热、电阻加热、焦耳加热、强制对流加热、红外辐射加热或本领域中的技术人员公知的其它加热方法来将细丝的该部分嵌在第一层内。细丝可以是导电材料(例如金属、金属合金、导电聚合物、铁丝等)、非导电材料(例如一个或多个碳纤维、一个或多个Kevlar纤维等)、光纤、导电网丝(例如由金属、金属合金、导电聚合物、铁丝等制成的一组细丝)或非导电网丝(例如由碳纤维、Kevlar纤维等制成的一组细丝)。例如，网丝可以是不锈钢网丝、铝网丝、铜网丝、黄铜网丝、钢网丝、铜铬网丝或铜镍合金网丝。为了减少或消除衬底聚合物的热损坏或烧焦，当与衬底聚合物的熔化温度或玻璃过渡温度比较时展示更高的熔化温度或玻璃过渡温度的单独聚合物薄板可放置在超声变幅杆和网丝之间。而且，网丝可被预切割成几何形状。作为结果，网丝可被嵌入以形成热沉、天线、导电平面、电磁屏蔽或使用多步骤过程(见图6A-6B)或单步骤过程(见图9A-9C)形成机械加固物的聚合物网丝复合材料。细丝——包括嵌入的网丝——可用于提高第一层或三维结构、结构组件或结构电子、电磁或电机械组件/设备的物理特性、机械特性、热特性或电特性。

[0047] 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。

[0048] 衬底材料可以是热塑性材料、或填充有另一聚合物材料的热塑性材料、陶瓷材料、金属材料、矿物材料、玻璃陶瓷材料、半导体材料、纳米材料、生物材料、有机材料、无机材料或其任何组合以增强机械、热、介质、磁或电磁特性。热塑性材料可以是丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(ABS)、ABSi、ABSplus、ABS-M30、ABS-M30i、ABS-ESD7、聚碳酸酯(PC)、PC-ABS、PC-ISO、聚亚苯基砜(PPSF/PPSU)、ULTEM 9085或其任何组合和在熔融沉积成型或其它材料挤压热塑性添加制造工艺中在商业上使用的任何当前或未来的材料。材料也可以是聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龙、聚芳醚酮或其任何组合和在激光烧结或粉末层熔合添加制造工艺中使用的任何当前或未来的材料。另一聚合物材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚烯烃、LL-PE、HDPE、聚乙酸乙烯酯、聚酯、聚醚、聚酰亚胺、聚酮、聚醚醚酮、聚丁二烯、聚乳酸、聚巳酸内酯、聚对苯二甲酸乙二酯、液晶聚合物(LCP)、聚氯乙烯(PVC)、聚氟乙烯、polydifluoroethylene、聚四氟乙烯、ZEONEX RS420、Eccos tock HIK-TPO、共聚物和以前的块共聚物或其任何组合。

[0049] 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。

[0050] 在本发明的优选实施方式中，将铁丝、铁丝网或其它细丝超声地嵌入热塑性衬底内的工艺涉及在用于塑料封装和用于连接包含热塑性塑料的织物的工业中广泛使用的超声焊接技术的应用。它也用于包括导电铁丝的焊接金属材料。超声焊接涉及通过使用转换器(也被称为换能器)将在超声频率范围(一般20kHz到75kHz)内的电能转换成振动能，转换器然后将能量直接转移到变幅杆(也被称为超声焊极)或首先通过增压器，由此，超声振动的振幅根据应用要求而增加(放大)或减小(衰减)。最后，振动能量通过与被焊接的材料的直接接触而转移到变幅杆或超声焊极。这个能量引起在被焊接或以另外方式连接的热塑性材料中的振动。振动导致在待连接的区中的热塑性材料的快速摩擦加热。这个加热使热塑性衬底材料达到并超过非晶形或半晶体材料的玻璃转变温度，使得它贯穿可流动状态(即它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)前进，这导致允许流动的软化，其中整个分子和扩散的转移运动被实现，且热塑性塑料可变成移动的。对于晶体聚合物，这个相同的行为在熔化温度之外实现。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)中的这个衬底材料连同施加到变幅杆的压力使材料变成连接的。对本发明特有的，振动(声)能和压力直接施加到铁丝、铁丝网或其它细丝(其中任一个充当能量导向器)以引起热塑性衬底材料到可流动状态(即它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)的局部摩擦加热并允许在压力下的铁丝、铁丝网或其它细丝变得固定在衬底材料内的适当位置上，当它冷却到它不再可流动的温度时。

[0051] 虽然使用超声频率范围内的声能以在嵌入过程中产生摩擦热代表本发明的优选实施方式，但是，在嵌入过程期间施加热能和压力到细丝或细丝网也被示为是有效的且因此是本发明的另一实施方式。不是利用摩擦加热，热能方法要求细丝或细丝网被加热到使衬底材料达到可流动状态(即它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)所必需的温度之上。这个热通过如对感应加热或感应熔化设备的由密集的时变磁场引起的焦耳加热、通过如对电阻焊接设备的传导加热、通过由通过使足够的电流穿过细丝或细丝网络而引起的焦耳加热、通过如对热空气回流焊接系统的强制对流加热或使用如对红外回流焊接系统的辐射红外加热来产生。热然后从细丝或细丝网传导到衬底材料，使它快速达到可流动状态(即它的橡胶、橡胶状流动或粘弹性行为的液体流动区等)，当压力被施加时允许衬底材料移动以实现充分的嵌入，由此，铁丝、铁丝网或其它细丝被固定在衬底材料内的适当位置上，当它冷却到它不再可流动的温度时。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材料的层变得多孔。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。

[0052] 这些嵌入过程旨在热塑性添加制造工艺中的应用，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3D结构、结构组件和3D结构电子、电磁和电机械系统和组件的其它添加基于热塑性的技术。

[0053] 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结构、结构组件和/或3D结构电子、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。三维打印设备可以是熔融沉积成型(FDM)机器或其它材料挤压添加制造工艺、选择性激光烧结(SLS)机器或其它粉末层熔合添加制造工艺、层压对象制造(LOM)机器或利用热塑性薄板的其它薄板层压添加制造工艺、光固化立体造型术机器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、利用光可固化热塑性的材料喷射机器或还没有发展的其它添加基于热塑性的3D打印。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。

[0054] 第一机器可以是铁丝馈送(wire-feed)和切割系统、和中空超声变幅杆、固体超声变幅杆或旋转超声变幅杆或其它适当的超声变幅杆或超声焊极，以及必要的电源和过程控制设备之一。

[0055] 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。

[0056] 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。

[0057] 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。

[0058] 可基于本公开来修改如在通过引用被全部并入的美国专利申请序列号13/343,651中描述的系统以实现本发明。

[0059] 可以用几种方式实现嵌入。每种嵌入方法将需要：1)将铁丝、铁丝网或其它细丝送入到期望位置用于嵌入的手段；以及2)在过程的各种步骤期间切割铁丝、铁丝网或其它细丝的手段；3)将铁丝或网丝连接到其它导体、终端组件、机械组件、电气组件或电机械组件的手段；以及4)将铁丝或铁丝网连接在3D电子设备中的层之间的手段。可通过自动铁丝馈送和切割系统(市场上可买到的或定制的硬件)实现铁丝和细丝操纵。铁丝网可基于设计要求被预切割成特定的图案或可以以带形式被分配到期望嵌入位置。运动控制系统例如托台、平台、气动或线性致动器或机器人臂将用于在嵌入过程期间定位超声变幅杆、细丝或细丝网加热设备、铁丝操纵系统和热塑性衬底。在某些情况下，在嵌入之前手动地放置铁丝、铁丝网或其细丝可能是必要的。

[0060] 为了嵌入单个铁丝或细丝，具有铁丝或细丝的进入点的中空超声变幅杆(超声焊极)可用于该过程。图2A和2B是示出根据本发明的一个实施方式的用于将细丝嵌在衬底中的中空超声变幅杆(超声焊极)的图。可选地，可使用被成形或轮廓化以便于铁丝嵌入过程的固体超声变幅杆。图2C示出根据本发明的一个实施方式的用于将细丝嵌在衬底中的中空超声变幅杆(超声焊极)的图。

[0061] 看到在用于连接包含合成材料的纤维的织物中的广泛使用的旋转变幅杆或超声焊极也可应用于铁丝和细丝的超声嵌入。图3A和3B是示出根据本发明的另一实施方式的用于将细丝嵌在衬底中的旋转超声变幅杆的图。

[0062] 为了允许后续层构建在嵌入的铁丝之上，表面和铁丝一起必须维持在尺寸顺应状态(即齐平)中，意味着铁丝必须充分嵌入，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必须被控制，以便不在第一层的顶表面之上突出到它通过层构建过程抑制连续层的程度。可选地，铁丝不必充分嵌入以阻止所有突出物(铁丝和/或衬底材料)，如果该过程能够通过修改沉积在突出物之上的层来检测并适应突出物。图4是示出嵌在衬底内的细丝的横截面的图，其中细丝实质上与该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该层的顶表面之上突出。

[0063] 本发明允许细丝嵌在具有不规则成形的表面或弯曲表面中，如在图5中的示出的。

[0064] 铁丝网的嵌入提供在其它3D电子设备制造工艺中没有看到的益处。在本发明之前，使用添加制造工艺创建的3D电子系统或组件由于这个整体导电平面和/或电磁屏蔽的缺乏而在应用中被限制。作为结果，这样的系统或组件受到电噪声和电磁干扰(EMI)的有害效应。此外，导电平面的缺乏需要在需要的场合到每个电气组件的电源和接地连接的额外布线，进一步引起对电噪声和串扰的敏感性并导致过多的设计工作和制造时间。嵌入的铁丝网提供对这些问题中的每个的解决方案。铁丝网看到在屏蔽应用中的广泛使用并显示在高达10GHz的频率下是有效的，允许比在使用在本发明之前的添加制造而制造的3D电子设备中可能的多得多数量的射频应用。因为铁丝网可如所需要的在分层过程内以及在3D电子组件、设备或系统的外表面上被嵌入，用于连接到电源和地的屏蔽和导电平面可在需要的场合变得可用，允许简化的设计和更快的制造。也注意，嵌入的铁丝网形成与热塑性衬底的极强粘合，且因此可用于产生聚合物-金属复合物以加强额外生产的组件、设备或系统。当与限制AM生产的零件对原型的应用的注塑件比较时，AM生产的零件从历史角度展示机械特性(即抗张、压缩、冲击、弯曲、蠕动和疲劳)间隙。Ahn等人报导，使用熔融沉积成型(FDM)生产的ABS零件显示等于注塑件的10-73％的最终抗张强度。使用本发明，细丝和网丝(导电和不导电)可用于加强在一层内或在多层当中的区。初步结果表明，使用普通碳素钢网丝的本发明可将FDM生产的零件的最终抗张强度增加37％。在使用由机械鲁棒材料(即，不锈钢、铜铬合金)制造的网丝和在同一聚合物零件内的多个网丝的情况下预期进一步的提高。此外，在嵌入之前，细丝或网丝可被预加载和嵌入这样的状态中，以便生产具有增强的机械特性和可预测/可控制的偏转的预加应力的聚合物-复合物结构。也应注意，使用诸如Kevlar的材料制成的不导电网丝的嵌入不仅可提供在强度方面而且在强度重量比方的提高，对轻量应用提供益处。

[0065] 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。

[0066] 图8A-8D是示出使用熔融沉积成型(FDM)将铁丝网超声地嵌在聚碳酸酯衬底内的进展的图。这里所示的丝网是不锈钢，虽然该过程可应用于其它材料，例如但不限于铜、铝、黄铜、铜铬合金和铜镍合金。也对不导电网丝和纤维成功地使用该方法。

[0067] 某些电气或机械设计要求可能需要预切割的铁丝网图案的使用。这些网丝图案可被嵌有旋转变幅杆或实心变幅杆。图9A-9C示出使用实心正方形变幅杆将网丝图案嵌在平坦衬底中的进展的图。在这种情况下，在需要的场合放置预切割图案，启动超声变幅杆，使铁丝网图案被嵌入，且最后从表面提升变幅杆以完成该过程。

[0068] 应注意，可通过使用如本文所述的热能源连同作为超声变幅杆或超声焊极的备选方案的适当固定物/加工工具来得到(导电)网丝嵌入的每个例子的可比较的结果，从而代表本发明的另一实施方式。

[0069] 现在参考图10，示出根据本发明的一个实施方式的用于将细丝嵌在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的方法1000的流程图。在块102中提供衬底材料的第一层。在块1002中在第一层的顶表面内产生一个或多个几何容差。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)中的所移动的衬底材料的体积，并在嵌入细丝之前增加与细丝的该部分接触的表面积，需要更少的能量来实现充分的嵌入，由此，细丝固定地被保持在衬底中的适当位置上并实质上与衬底的顶表面齐平。可选地，铁丝不必充分嵌入以阻止所有突出物(铁丝和/或衬底材料)，如果该过程能够通过修改沉积在突出物之上的层来检测并适应突出物。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。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。
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。在块1004中，细丝的至少一部分在一个或多个几何容差内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。
在块1006中，细丝的一端放置在组件或导体近侧，且细丝的该端附着到组件或导体。细丝的第一端使用激光微焊接工艺、电阻焊接工艺、超声焊接工艺、引线接合工艺、锡焊工艺或本领域中的技术人员公知的任何附着工艺附着到第一组件或导体。在一些实施方式中，第一层也可包括布置在第一层上或内的至少第二组件或导体，其中细丝的第二端在第二组件或导体近侧。细丝的第二端然后附着到第二组件或导体。在块1008中，衬底材料的至少第二层沉积在第一层上，使得细丝的该部分的全部或部分由第二层覆盖。

[0070] 组件或导体可以是电子组件、静电组件、气动组件、电声组件、微电机系统(MEMS)、生物医学组件、电机械组件、电机组件、电磁组件、机械组件、超材料组件、光学组件、光子组件、热组件、热管理组件、网、嵌入式导体、铁丝、导电焊盘、导电端子、导电迹线、到另一层的通孔或连接器。电子组件可以是集成电路、电阻器、电容器、电感器、晶体管、热变电阻器、晶闸管、传感器、处理器、存储器、接口设备、显示器、电源、能量转换设备或天线。可用手或使用组件放置机器来放置电子组件，其中组件放置机器包括抓放机器、机器人工艺或其它自动组件放置技术。

[0071] 该方法可用于制造三维结构或电子、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。

[0072] 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Miyachi Unitek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。

[0073] 图11A-11D是根据本发明的一个实施方式的被激光微焊到电子组件的导电铁丝的图。

[0074] 实验表明，这个激光微焊接系统可有效地将铜线焊接到各种表面安装电气组件。作为可行性研究的部分。将几个组件与各种标准直径的铜线激光焊接。结果表明，系统可适合于提供到大部分可用电子组件的可接受的电和机械连接。该方法提供非接触连接方法，其消除了过滤材料例如焊料、导电环氧树脂类或导电油墨的需要。该过程还产生最小热影响的区，导致实质上没有对敏感性电子组件和传感器的热冲击。因为因而产生的焊接部是自然发生的(意味着它们只从被焊接的两个金属零件形成且没有填充材料)，焊接部内在地比锡焊的连接强。图19A和19B是示出根据本发明的另一实施方式的将细丝附着到组件的进展的图。

[0075] 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ASTM D638型I测试样品)内的普通碳素钢网丝的图。

[0076] 图13A-13B是根据本发明的一个实施方式的在FDM构建的ABS零件(标准ASTM D638型I测试样品)中的嵌入式普通碳素钢网丝的图。

[0077] 图14是根据本发明的一个实施方式的使用FDM技术沉积在嵌入式普通碳素钢网丝之上以产生聚合物网丝复合物的ABS材料的图。

[0078] 图15A-15B是根据本发明的一个实施方式的嵌入FDM构建的ABS零件(标准ASTM D638型I测试样品)内的普通碳素钢网丝的图。一层ABS沉积在钢网丝上(在左边的全视图，在右边的光学显微镜图)。

[0079] 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ASTM D638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。

[0080] 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。

[0081] 图18A-18B是根据本发明的一个实施方式的嵌入使用钢层压添加制造工艺构建的PVC零件内的普通碳素钢网丝的图(在左边的全视图，在右边的顶视图)。

[0082] 图20是示出根据本发明的另一实施方式的3D设备的各种层的图。

[0083] 使用用于在3D电子设备中嵌入导电铁丝和铁丝网的系统，在添加制造工艺中创建在层之间的连接的方法变得必要。提出“锁眼”通孔作为对这个问题的解决方案。名称“锁眼”从在该方法中使用的几何结构得到。图22A-22K示出在创建这个层间连接中涉及的步骤。由于大块铜的优良的连接强度和导电性——其在目前的时间使用导电环氧树脂类或油墨不可实现，以这种方式系形成的层间连接相对于使用导电环氧树脂类是优选的。在该过程中形成的固有应变消除回路将确保在机械冲击和振动期间的连接的可靠性。锁眼工艺维持顺应(或齐平的)表面，允许衬底材料和连续分层应用和电子电路的完全嵌入。

[0084] 现在参考图21，示出根据本发明的一个实施方式的用于将在三维电子、电磁或电机械组件/设备中的第一组件或导体连接到第二组件或导体的方法2100的流程图。在块2102中，提供具有布置在第一层上或内的第一组件或导体的衬底材料的至少第一层。在块
2104中，衬底材料的第二层沉积在第一层上。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。在块2106中，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。在块2108中，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。在块2110中，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。在块2112中，第二组件或导体沉积在细长腔的第二部分近侧的第三层上或内。在块2114中，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。在块2116中，细丝的第二端从细长腔的第二部分移除并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。该方法可用于制造三维电子、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。

[0085] 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。

[0086] 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。

[0087] 图23A-23G是示出根据本发明的另一实施方式的使用铁丝网平面(如同多个电源或接地连接一样)创建层间连接的另一进展的图。

[0088] 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。

[0089] 图25A-25H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。第一导体嵌在图25A的衬底中。在图25B中，额外的衬底层被加有螺旋容差(或浮雕)。在图
25C中，第二导体放置在螺旋浮雕中并附着到第一导体。在图25D中，添加额外的衬底层。在图25E中，加工工具移动到浮雕之上的适当位置，而在图25F中，加工工具下降到浮雕内。在图25G中加工工具从浮雕抽出第二导体的松弛端，且在图25H中第二导体的松弛端嵌在衬底的顶层中并如所需的被附着。

[0090] 图26A-26D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。在图26A中，第一导体被嵌入，其中浮雕存在。在图26B中，添加衬底的额外层。在图26C中，第二导体嵌在顶部衬底层中并放置在与第一导体接触的浮雕中。在图26D中，第二导体附着到第一导体。

[0091] 本文所述的技术的组合代表生产能够在不利的现场条件和环境中操作的高可靠性功能电子、电磁和电机械系统的能力。此外，嵌入的细丝或网丝产生能够提高AM制造的零件、结构或结构组件的机械特性的复合物，使它们能够不仅仅用于原型。可用于基于热塑性的添加制造工艺的材料与太空和海洋应用以及在陆地上的苛刻应用兼容。将电子设备完全嵌在衬底材料中的能力可提供可潜水的系统以及在爆炸或挥发性化学环境中的操作所需的内在安全性。被预期使用这种技术生产的产品包括小卫星系统、紧凑军事硬件、生物可植入设备、海洋传感器、无人驾驶飞行器(UAV)、车辆组件等。

[0092] 如前面提到的，将在各种应用中使用由本发明生产的零件，这些应用包括但不限于：1)通过提供具有嵌入式传感器、在结构组件内的通信和电子设备的空气动力学零件或通过直接制造到UAS和UAV表面内的无人驾驶航空系统(UAS)和无人驾驶飞行器(UAV)；2)定制的任务特定的和可能一次性的电子设备；3)提高通信的真实3D天线和光子设备；4)在海军船舰以及其它防御、商业和生物医学应用上的多个电子系统的替代组件；5)定制配合的水手携带的或士兵携带的电子设备和通信系统；6)一次性漂行深度特定的传感器系统；7)生物医学设备；以及8)超材料结构。

[0093] 可理解，本文所述的特定实施方式仅作为例证而不是作为本发明的限制被示出。可在各种实施方式中使用本发明的主要特征而不偏离本发明的范围。本领域中的技术人员将认识到或能够确定使用仅仅例程实验——本文所述的特定工艺的很多等效形式。这样的等效形式被考虑为在本发明的范围内并被权利要求涵盖。

[0094] 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。

[0095] 词“一”或“一个”当结合在权利要求中和/或说明书中的术语“包括”被使用时的使用可意指“一个”，但也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。在权利要求中的术语“或”的使用用于意指“和/或”，除非明确地指示仅指可选形式或可选形式是相互排他的，虽然本公开支持仅指可选形式和“和/或”的定义。在整个这个申请中，术语“大约”用于指示值包括设备的错误的内在变形、用于确定值的方法或在研究主体当中存在的变形。

[0096] 如在本说明书和一个或多个权利要求中使用的，词“包括(comprising)”(和comprising的任何形式，例如“comprise”和“comprises”)、词“具有(having)”(和包括的任何形式，例如“have”和“has”)、词“包括(including)”(和including的任何形式，例如“includes”和“include”)或词“包含(containing)”(和containing的任何形式，例如“contains”和“contain”)是包括界限的或开放式的，且不排除额外的未详述和元件或方法步骤。

[0097] 如在本文所述的术语“或其组合”指在术语前面列出的术语的所有置换和组合。例如，A、B、C或其组合意欲包括A、B、C、AB、AC、BC、或ABC中的至少一个，且如果顺序在特定的上下文中是重要的，也有BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。继续这个例子，明确包括的是包含一个或多个项目或术语的重复，例如BB、AAA、AB、BBC、AAABCCCC、CBBAAA、CABABB等。技术人员将理解，一般在任何组合中对项目或术语的数量没有限制，除非另外从上下文明显。

[0098] 按照本公开，在本文公开和主张的所有组成物和/或方法可被制造和执行而没有不适当的实验。虽然从优选实施方式方面描述了本发明的组成物和方法，对本领域中的技术人员可以明显，变形可应用于组成物和/或方法和在本文所述的方法的步骤中或步骤的序列中而不偏离本发明的概念、精神和范围。对本领域中的技术人员明显的所有这样的类似情况和修改被认为在如由所附权利要求限定的本发明的精神、范围和概念内。

[0099] 参考资料

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