CN105409335B - 用于在3d结构、结构组件以及具有3d结构的电子、电磁和机电组件/设备中连接层间导体和组件的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是通过在三维结构、三维结构组件或具有三维结构的电子、电磁或机电组件/设备中使用丝线来构建层间机械或电子附着或连接的系统和方法。

Description

用于在3D结构、结构组件以及具有3D结构的电子、电磁和机电 组件/设备中连接层间导体和组件的方法和系统
技术领域
本发明一般涉及制造3D结构以及具有3D结构的电子、电磁和机电组件及设备，并且具体地涉及的是用于连接三维结构、结构组件和具有三维结构的电子、电磁和机电组件/设备中的层间导体和组件的方法和系统。
背景技术
在不对本发明的范围构成限制的情况下，本发明的背景技术是结合用于制造3D物体、结构和具有3D结构的电子、电磁和电子组件和设备的方法而被描述的。
增材制造在3D电子设备方面的应用仍旧处于发展初期。其大规模的采用因为基于低温固化的导电墨水的当前技术的可靠性低、性能差以及成本高而受到限制。[16]结果，传统的印刷电路板(PCB)技术在电子产业中继续处于主导地位。在全世界各地实际只有少量的研究人员在对3D电子设备进行改进，并且大多数的研究人员都致力于导电墨水技术。其中一个例外是模塑互连设备(MID)，所述MID包括一个注塑成型件，并且该注塑成型件被暴露于名为激光直接成型(LDS)的选择性激光蚀刻过程以及后续的无电式电镀处理。这些设备展现出了某种3D自由度，并且已被广泛应用于汽车和个人通信市场；然而，与本发明相比，由于源于电镀过程的导电迹线被限制于易受激光影响的模制件外表面上，并且由此无法展示本发明的嵌入多层性能，因此，此类设备在应用方面受到了限制。此外，这些无电式电镀处理提供的所制造的导线的截面面积有限，由此限制了高电流应用。
因此，在使用增材制造(AM)处理(此类处理是在ASTM 2792-12a中描述和定义的)创建具有3D结构的电子设备的方面，迄今为止所做的工作集中于使用在直接打印(DP)(也被称为直接写入(DW))或其他处理中分配的导电墨水，以便在组件之间提供电互连。分别于2010年2月和2012年8月发布的美国专利7,658,603和8,252,223描述了通过将液体点胶技术与立体光刻和其他AM处理相集成来创建3D电路的细节。这些低温固化墨水在导电性和持续性方面存在缺点[17]，而这会导致使用AM制造的具有3D结构的电子设备仅限于被应用在不会遭受机械冲击、振动、强电流或功率密度、极端温度或是可靠性需求很高的应用的简单设备上。
2003年9月发布的美国专利6,626,364描述了一种通过使用运动控制系统上安装的超声变幅杆以及使用一种通过该变幅杆来将天线用线提供给工作表面的机制而将天线用线快速嵌入薄热塑智能卡的方法。该天线是以超声波的方式嵌入平整光滑的固态塑料片的。
然而，在制造内嵌了电子设备、传感器和致动器的几何结构错综复杂的3D结构的过程中，有必要具有用于在热塑设备中嵌入丝线(例如电线、丝网等等)的方法和系统。此外还需要改进如Ahn等人[18]所述的用AM制造的3D零件的机械性能，其中对于用丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)构成并用熔融沉积成型(FDM)这种众所周知的材料挤压AM处理制造的测试零件来说，其极限抗拉强度约为同材料的模具注塑件(26MPa的UTS)的10-73％。用AM制造的零件与注塑成型件之间的这种差距会将所传递的拉伸性能扩大至包含冲击、弯曲、压缩、蠕变和疲劳性能，并且这些性能共同将使用AM制造的零件限制成应用于原型。
发明内容
本发明提供的是用于在制造几何结构错综复杂的3D结构、结构组件或是内嵌了电子设备、传感器和致动器的结构的过程中将丝线(例如电线，丝网等等)嵌入热塑衬底的系统和方法。此外，该丝线可被嵌入到热塑设备的多个层中。本发明提供了导电性和耐久度能与传统的印刷电路板(PCB)技术相比拟的电互连。
通过使用本发明在层的区域内部或者跨层嵌入丝线或丝网，可以产生一种改善了使用AM制造的零件的机械强度的复合结构。可以观察到的是，与使用FDM制造的已完工的ABS零件相比，在使用了本发明的一个实施例的情况下，用FDM制造并且嵌入了光面钢丝(plain steel wire)的ABS零件将会具有37％的提升。如果在相同聚合物部件内部使用的是用机械性牢固的材料(即不锈钢、铜铬合金)制成的丝网以及多个丝网，那么预计将会得到更进一步的改进。此外，通过在热塑性塑料内部嵌入导热丝网，可以对产生热量且需要散热的设备执行被动式热管理。
本发明提供了一种用于在使用增材制造方式构建的基于热塑性塑料的3D电子系统中创建电互连的高可靠性的方法，由此为该技术提供更大的市场潜力。就目前来说，本发明将会产生具有商业价值的大规模定制的3D打印电子设备(例如智能人造器官，可穿戴电子设备，特定于任务的UAV或卫星等等)——由此为电子设备的制造和分配带来变革。
更具体地说，本发明提供的是一种用于在三维电子、电磁或机电组件/设备中，通过至少提供具有布置在第一层之上或其内部的第一组件或导体的第一衬底材料层以及将第二衬底材料层淀积在所述第一层上来将第一组件或导体连接到第二组件或导体的方法。所述第二层包括一个细长空腔，该空腔具有第一末端和第二末端，以使第一末端布置在第一组件或导体的第一暴露部分之上。丝线或电路的第一末端经由该细长空腔的第一末端附着于第一组件或导体的第一暴露部分。该附着方法可以是激光微型焊接处理，电阻焊接处理，超声波焊接处理，钎焊处理，引线键合处理，或是本领域技术人员熟知的任何附着处理。该丝线的第二末端被置于该细长空腔的第二末端内部，由此将该丝线布置在该细长空腔内部。在第二层上布置了第三衬底材料层，以使与细长空腔的第一末端接近的所述细长空腔的第一部分被第三层覆盖，并且暴露所述细长空腔的第二部分。第二组件或导体被布置在与细长空腔的第二部分接近的第三层之上或其内部。在第三层上布置了第四衬底材料层，由此暴露第二组件或导体的第二部分，以及暴露细长空腔的第二部分。所述丝线的第二末端被从细长空腔的第二部分移除，并且所述丝线的第二部分被附着于第二组件或导体的暴露部分。该附着方法可以是激光微型焊接处理，电阻焊接处理，超声波焊接处理，钎焊处理，引线键合处理，或是本领域技术人员熟知的任何附着处理。该方法可以用于制造三维的电子、电磁或机电组件/设备。此外，该方法可以作为包含在非暂时性计算机可读介质上的计算机程序来实施，其中所述步骤是用一个或多个代码段执行的。
本发明的其他实施例将会使用更加传统的层间连接方法，其中包括电镀通孔(plated vias)。这些电镀通孔可以通过如在激光直接成型(LDS)中使用的电镀或无电式电镀处理来构造。应该指出的是，虽然这里描述的处理针对的是将导体和(或)组件连接在三维电子、电磁或机电组件/设备的多个设计层之间，然而应该理解，本发明还顾及了同一个设计层内部的多个组件的互连。
此外，本发明提供了用于制造包括三维电磁、电磁或机电组件/设备的系统，其中所述组件/设备包括三维打印设备、第一机床和第二机床。该三维打印设备创建第一衬底材料层。第一机床将第一组件或导体放置在第一层之上或是其内部。三维打印机将第二衬底材料层沉积在所述第一层上，其中所述第二层包括一个细长空腔，该细长空腔具有第一末端和第二末端，由此将第一末端布置在第一组件或导体的第一暴露部分。第一机床将丝线的第一末端经由细长空腔的第一末端附着于第一组件或导体的第一暴露部分。该附着方法可以是激光微型焊接处理，电阻焊接处理，超声波焊接处理，钎焊处理，引线键合处理，或是本领域技术人员熟知的任何附着处理。第二机床将丝线的第二末端放置在细长空腔的第二末端内部，由此将丝线布置在细长空腔内部。该三维打印设备将第三衬底材料层淀积在第二层上，以使与细长空腔的第一末端邻近的所述细长空腔的第一部分被第三层覆盖，并且暴露该细长空腔的第二部分。第二机床将第二组件或导体放置在与细长空腔的第二部分接近的第三层上或是其内部。该三维打印设备将第四沉底材料层沉积在第三层上，以便暴露第二组件或导体的第二部分，以及暴露细长空腔的第二部分。所述第二机床从细长空腔的第二部分移除丝线的第二末端，并且将丝线的第二末端放置在与第二组件或导体的暴露部分接近的位置。第一机床将丝线的第二末端附着于第二组件或导体的暴露部分。该附着方法可以是激光微型焊接处理，电阻焊接处理，超声波焊接处理，钎焊处理，引线键合处理，或是本领域技术人员熟知的任何附着处理。
本发明的其他实施例将会使用更加传统的层间连接方法，其中包括电镀通孔。这些电镀通孔可以通过如在激光直接成型(LDS)中使用的电镀或无电式电镀处理来构造。应该指出的是，虽然这里描述的处理针对的是将导体和(或)组件连接在三维电子、电磁或机电组件/设备的多个设计层之间，然而应该理解，本发明还顾及了同一个设计层内部的多个组件的互连。
附图说明
为了更完整地理解本发明的特征和优点，现在将对本发明的详细描述以及附图进行参考，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的用于在三维电子、电磁或机电组件/设备中嵌入丝线的方法的流程图；
图2A、2B和2C是显示根据本发明的一个实施例的用于在衬底中嵌入丝线的各种超声波变幅杆的图像；
图3A和3B是显示根据本发明的一个实施例的旋转式超声波变幅杆的图像；
图4是显示根据本发明的嵌入在衬底内部的丝线的横截面的图像；
图5是显示根据本发明的一个实施例的由中空的超声波变幅杆在具有曲面的衬底内部嵌入丝线的图像；
图6A和6B是显示根据本发明的另一个实施例的由旋转式超声波变幅杆在衬底内部嵌入丝网的图像；
图7是显示了根据本发明的另一个实施例的嵌入衬底内部的丝网的图像，其中该丝网的一部分被布置在空腔内部，并且其是通过激光焊接处理、电阻焊接处理、超声波焊接处理、钎焊处理、引线键合处理或是本领域技术人员熟知的任何附着处理而被附着到在先前的处理步骤中放置的另一条丝线或电线上的；
图8A-8D是显示根据本发明的另一个实施例的用于在衬底内部嵌入丝网的进程的图像；
图9A-9C是显示根据本发明的另一个实施例的用于在衬底内部嵌入具有特定图案的丝网的进程的图像；
图10是根据本发明的一个实施例的用于在三维电子、电磁或机电组件/设备中嵌入丝线的方法的流程图；
图11A-11D是根据本发明的一个实施例的通过激光微型焊接附着于电子组件的导线的图像；
图12A-12B是根据本发明的一个实施例的通过使用超声波变幅杆(左边的变幅杆聚焦于很小的工作表面区域(～130mm2)，并且右边的变幅杆聚焦于一个较大的表面区域(～1450mm2))来将光面钢丝网嵌入使用FDM构建的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本)的图像；
图13A-13B是根据本发明的一个实施例的将光面钢丝网嵌入使用FDM构造的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本)的图像；
图14是根据本发明的一个实施例的通过使用FDM技术产生聚合物丝网复合物将ABS材料沉积在光面钢丝网上的图像；
图15A-15B是根据本发明的一个实施例的将平面钢丝网嵌入使用FDM构建的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本)的图像；
图16A-16B是根据本发明的一个实施例的通过将光面钢丝网嵌入使用FDM构造的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本，等距和侧面视图)而产生的聚合物丝网复合物的图像；
图17是根据本发明的一个实施例的超声波线材嵌入处理的图像；
图18A-18B是根据本发明的一个实施例的嵌入PVC零件的平面钢丝网的图像，其中所述PVC零件是用薄片层叠式的增材制造处理构建的(左侧是全视图，右侧是顶视图)；
图19A和19B是显示根据本发明的一个实施例的通过激光焊接处理、电阻焊接处理、超声波焊接处理、钎焊处理、引线键合处理或是本领域技术人员熟知的任何附着处理来将丝线附着到组件的进程的图像：
图20是显示根据本发明的另一个实施例的3D设备的不同的层的图像；
图21是根据本发明的一个实施例的用于在三维电子、电磁或机电组件/设备中将第一组件或导体连接到第二组件或导体的方法的流程图；
图22A-22K是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的进程的图像；
图23A-23G是显示根据本发明的另一个实施例的通过使用丝网平面(与多个电源或接地连接一样)来创建层间连接的另一个进程的图像；
图24A-24G是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的另一个进程的图像；
图25A-25H是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的另一个进程的图像；以及
图26A-26D是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的另一个进程的图像。
具体实施方式
在下文中，在详细论述本发明的不同实施例的制造和使用的同时，应该认识到的是，本发明提供了可以在多种特定环境中实施的众多实用的发明概念。这里论述的具体实施例只对制造和使用本发明的具体方式进行例证，其并未限定本发明的范围。
为了便于理解本发明，在下文中定义了多个术语。这里定义的术语具有本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的含义。诸如“一”、“一个”以及“该”之类的术语并不仅指单数实体，而是包含通用分类，其中所述通用分类的具体示例可被用于例证。这里的术语可用于描述本发明的具体实施例，但是除了权利要求所概述的内容之外，使用这些术语并没有限定本发明。
本发明包括应用一个能量源，以便在丝线或丝网中产生热量和压力，所述热量和压力足以允许嵌入到使用增材制造的方式制造的足以允许其被嵌入到增材制造的热塑衬底中，由此形成3D结构的组件、设备或系统，或者形成3D结构的电子、电磁或机电组件、设备或系统。本发明还包括用于将丝线或丝网连接到其他丝线、丝网、热管理组件、机械组件、电子组件或机电组件(或者连接在其间)的方法。
用于嵌入丝线或丝网的能量源可以是：1)可以在典型的超声波焊接或超声波缝制设备中找到的超声频率范围中的声能量，这种声能量会在压力的作用下直接被应用于丝线或丝网，由此导致在丝线或丝网与衬底材料之间产生摩擦加热；2)可以在感应加热或感应熔化设备中找到的由强烈的时变磁场在导电丝线或丝网中引入的焦耳加热；3)可以在电阻钎焊设备中找到的直接接触(传导)加热；4)可以在通过导电丝线传递足够电流的时候发生的焦耳加热；5)可以在诸如热空气回流焊接系统中找到的强制对流加热；6)可以在诸如红外回流焊接系统中找到的红外辐射加热；7)本领域技术人员熟知的其他任何直接或间接加热方法；或者8)上述各项的任何组合。为了将嵌入丝线所需要的能量降至最低，可以借助切片软件来修改聚合物材料的空间沉积，以使衬底聚合物层是可渗透的。例如，通过使用为材料挤压AM设备预备构建文件的软件，可以增大材料焊珠(material bead)之间的距离，由此提升衬底层的孔隙度。提升的孔隙度不但有助于减少嵌入丝网所需要的能量，而且还会减少可能会从表面上方隆起的聚合材料量。然而应该指出的是，即使衬底材料是固态的，并且将与所嵌入的丝网体积相等的数量的衬底材料位移，大多数的AM技术仍旧应该能在后续的层沉积过程中适应这种位移。
在本发明的一个实施例中，其中使用了定制的工具加工和运动控制硬件以及激光微型焊接、电阻焊接、超声波焊接、钎焊、引线键合或本领域技术人员熟知的任何附着处理来将固态导线沉积并附着在增量制造的热塑衬底内部。本发明使用增材制造处理来构建可以直接在工程设计应用以及具有3D结构的电子、电磁和机电组件及系统中使用的更加牢固的零件，作为示例，所述增材制造处理可以是熔融沉积成型(FDM)或其他材料挤压式增材制造处理，选择性激光烧结(SLS)或其他粉床熔合式增材制造处理，分层实体制造(LOM)或是使用了热塑板的其他薄片层叠式增材制造处理，立体光刻或是使用了可光固化热塑性塑料的其他光固化式增材制造处理，使用可光固化热塑性塑料的材料喷射处理，或是尚在开发的基于热塑性塑料的其他增材技术。初步的实验已经显示了对用于将导线快速嵌入热塑衬底材料以形成电互连的超声波(声学)能量和热能量的有效使用。并且，在使用本发明的一个实施例来嵌入光面钢丝网时，用FDM制造的ABS零件的极限抗拉强度提升了37％。最终，应该指出的是，这里描述的以上的一个或多个步骤可被自动或手动执行，以便实现大致相同的结果。
引入结构内部的丝线或丝网可以充当1)电互连，2)天线，3)电源或接地平面，4)电磁屏蔽，5)散热器，或者6)用于在机械方面强化所要制造的设备的加固材料——并且所有这些都处于逐层增材制造(AM)的上下文中。本发明的一个实施例包括：在需要的时候通过中断AM建造过程，以允许将丝线或丝网嵌入并附着到其他丝线、丝网或组件，然后继续执行该AM过程。然而应该指出的是，本发明并不局限于将丝线和丝网嵌入增材制造的热塑衬底内部，但是可以扩展至将丝线或丝网嵌入增材制造的热塑衬底的外表面上。为了允许在所嵌入的线材或丝网上构建后续的层，所述表面和线材必须一起保持处于维度相符的状态(即，齐平)，这意味着线材必须足够嵌入，并且必须对处于可流动状态的衬底材料部分(也就是其橡胶，橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)进行控制，以免其从表面上隆起的程度抑制继续进行的逐层构建过程。作为替换，如果该处理能够检测到隆起并且能够通过修改沉积在该隆起物上的层来适应这种隆起，那么将不必通过充分地嵌入线材来防止所有隆起(线材和/或衬底材料)。由于处于可流动状态的衬底材料部分(即其橡胶，橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)会在嵌线过程中被位移且允许横向流动(在X-Y平面上)，而不是从工作表面上隆起，因此，用一些AM处理制成的网纹表面有益于保持这种顺应性，作为示例而不是限制，所述AM处理可以是熔融沉积成型(FDM)或其他材料挤压增材制造处理，以及选择性激光烧结(SLS)或其他粉床熔合增材制造处理。此外，AM的3D制造自由度顾及了横截面为圆形、方形、三角形或其他形状的几何容差(geometricalallowance)(即，沟槽，通道，空腔等等)，在一定程度上，这些形状可以用分层的AM处理合理近似，以便减少发生位移的材料的总量(有助于保持平面化)以及增大超声波焊接的表面面积，从而进一步提升结合性。应该指出的是，有必要沉积多个处理层来形成单个设计层的几何容差。最终，在进行了恰当的运动控制的情况下，本发明允许将线材或丝网嵌入到结构、结构组件或是3D结构的电子设备应用中可能需要的不规则曲面上。
现在参考图1，其所显示的是用根据本发明的一个实施例的用于在三维的电子、电磁或机电组件/设备中嵌入丝线的方法100的流程图。第一衬底材料层是在方框102中提供的。所述一个或多个层可以用以下处理沉积：熔融沉积成型(FDM)或其他材料挤压式增材制造处理，选择性激光烧结(SLS)或其他粉床熔合式增材制造处理，分层实体制造(LOM)或是使用了热塑板的其他薄片层叠式增材制造处理，立体光刻或是使用了可光固化热塑性塑料的其他光固化式增材制造处理，使用可光固化热塑性塑料的材料喷射处理，或是尚在开发的基于热塑性塑料的其他增材技术。应该指出的是，所述第一层不必是用于构建三维电子、电磁或机电组件/设备的底部、初始或第一衬底材料层。此外，单个设计层可以包含多个处理层(也就是说，要想构建具有指定厚度的第一设计层或后续设计层，有可能需要执行多个沉积薄衬底材料层的步骤)。
在本发明的一个优选实施例中，至少一部分丝线是嵌入第一衬底材料层的，由此，这部分丝线与第一层的顶面是基本齐平的，并且在方框104，处于可流动状态的衬底材料部分(也就是其橡胶，橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)会被这部分丝线所取代，并且不会明显从第一层的顶面上隆起。应该指出的是，如果该处理能够检测到隆起，并且可以通过修改沉积在隆起物上的层(例如，调节孔隙率、厚度等等)来适应这种隆起，那么基本齐平不意味着必须充分地嵌入丝线来防止所有隆起(线材和/或衬底材料)。这种修改可以借助于现场监视、测试和/或质量控制过程并使用软件来完成。这部分丝线可以通过使用馈线和切线系统以及若干种可能的能量源之一而被嵌入第一层内部，其中该能量源包括：超声波(声学)，感应加热，电阻加热，焦耳加热，强制对流加热、辐射式红外加热或是本领域技术人员熟知的其他加热方法。该丝线可以是导电材料(例如，金属，合金，导电聚合物，电线等等)，非导电材料(例如，一个或多个碳纤维，一个或多个凯芙拉纤维等等)，光纤，导电丝网(例如，用金属、合金、导线聚合物、电线等等制成的一组丝线)，或是非导电丝网(例如，一组碳纤维、凯芙拉纤维等等)。作为示例，所述丝网可以是不锈钢网，铝网，铜网，黄铜网，钢网，铜铬网，或铜镍合金网。为了减小或消除衬底聚合物的热损伤或炭化，在超声变幅杆与丝网之间可以放置一个与衬底聚合物相比显现出更高的熔融温度或玻璃化温度的单独的聚合物板。此外，丝网还可以被预先切割成某种几何形状。由此，通过嵌入丝网，可以使用多步骤处理(参见图6A-6B)或单个处理步骤(参见图9A-9C)来形成散热器，天线，导电平面，电磁屏蔽层，或是构成机械加固物的聚合物-丝网复合材料。包括嵌入丝网在内的丝线可以用于改善所述第一层或是三维结构、三维结构组件或是具有三维结构的电子、电磁或机电组件/设备的物理特性、机械特性、热特性或电特性。
该方法可以用于制造具有三维结构的电子、电磁或机电组件/设备。此外，该方法可以作为包含在非暂时性计算机可读介质上的计算机程序来实施，其中所述步骤是用一个或多个代码段执行的。
衬底材料可以是热塑材料或是通过填充以下材料来增强机械、热、电介质、磁、或电磁特性的热塑材料：别的聚合物材料，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，无机材料或是这些材料的任何组合。该热塑材料可以是丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)、ABSi、ABSplus、ABS-M30、ABS-M30i、ABS-ESD7、聚碳酸酯(PC)、PC-ABS、PC-ISO、聚苯砜(PPSF/PPSU)、ULTEM 9085或是其任何组合，以及在熔融沉积成型(FDM)或其他材料挤压式热塑增材制造处理中商用的任何当前或未来的材料。该材料可以是聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龙、聚芳醚酮或是其任何组合，以及在激光烧结或粉床熔合式的增材制造处理中商用的任何现在或未来的材料。别的聚合物材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚烯烃、LL-PE、HDPE、多乙酸乙烯酯、聚酯、聚醚、聚酰亚胺、聚酮、聚醚醚酮(PEEK)、聚丁二烯、ZEONEX RS420、Eccostock HIK-TPO、前述各项的共聚体和嵌段共聚体，或是其任何组合。
在少量材料发生位移时，AM处理所固有的空隙和间隙能使处于可流动状态的衬底材料部分(即，其橡胶，橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)流动，但不会使其在表面上隆起。此外，嵌入了该部分丝线的第一层的顶面的至少一部分包含不规则形状的表面或曲面。三维衬底的一个或多个附加层可以是通过用逐层处理将衬底材料沉积在第二层上而被创建的。
在本发明的一个优选实施例中，以超声波的方式将线材、丝网或其他丝线嵌入热塑衬底的处理包括应用在工业上被广泛用于塑料封装和包含热塑材料的织物结合的超声波焊接技术。此外它还被用于焊接包括导线线材在内的金属材料。超声波焊接包括使用转换器(也被称为换能器)来将处于超声波频率范围(通常是20kHz到75kHz)的电能转换成振动能量，其中所述转换器要么将能量直接传送到变幅杆(也被称为超声波发生器(sonotrode))，要么先将其通过增幅器传送，由此超声波振动的幅度会依照应用需求而被增大(放大)或减小(衰减)。最终，振动能量通过直接接触而被从变幅杆传送到所要焊接的材料。该能量会导致被焊接或以其他方式接合的热塑材料中产生振动。这种振动会导致快速地摩擦加热处于所要接合的区域中的热塑材料。这种加热会导致热塑衬底材料达到并超过非晶态或半晶态聚合物的玻璃化温度，以使其经过可流动状态(也就是其橡胶、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)，而这将会导致产生允许流动的软化，在该流动中，整个分子的平移运动和扩散都是被允许的，并且该热塑材料将可以位移。对于晶体聚合物来说，相同的行为是在熔融温度之上实现的。伴随着施加于变幅杆的压力，处于可流动状态的衬底材料(也就是其橡胶、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)将会导致这些材料接合。就本发明而言，振动(声学)能量和压力被直接应用于电线、丝网或其他丝线(其中任何一个都充当了导能器)，由此导致将热塑衬底材料局部摩擦加热至可流动的状态(也就是其橡胶、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)，并且允许在压力的作用下以及在所述电线、丝网或其他丝线被在其冷却至不再可以流动的温度的时候将其固定在衬底材料内部的恰当位置。
虽然使用超声波频率范围中的声能来产生用于嵌入处理的摩擦热量代表了本发明的优选实施例，但在嵌入过程中，对丝线或丝网施加热能和压力同样显示出是非常有效的，并且由此成为了本发明的另一个实施例。与使用摩擦加热不同，热能方法需要将丝线或丝网加热至超出致使衬底材料达到可流动状态(也就是其橡胶、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)所需要的温度。这种热量是通过以下方式产生的：与感应加热或感应熔化设备一样的由强烈时变磁场所感应的焦耳加热，与电阻钎焊一样的导电加热，与热空气回流钎焊系统一样的强制对流加热，或是与红外回流钎焊系统一样的辐射式红外加热。然后，热量被从丝线或丝网传导至衬底材料，由此导致其快速达到可流动状态(也就是其橡胶态、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)，由此允许衬底材料在施加压力的时候位移，以便实现满足需要的嵌入处理，据此在丝线或丝网冷却时不再可以流动的温度的时候将其固定在衬底内部。为了将嵌入丝网所需要的能量减至最小，可以通过借助于切片软件修改聚合物材料的空间沉积而使沉底材料层是可渗透的。例如，通过使用为材料挤压AM机床预备构建文件的软件，可以增大材料焊珠之间的距离，由此增大衬底层的孔隙率。孔隙率的增大不但有助于减小嵌入丝网所需要的能量，而且还有助于减小可能在表面上隆起的聚合物材料数量。
这些实施例旨在应用于热塑增材制造处理过程，例如熔融沉积成型(FDM)或其他材料挤压式增材制造处理，选择性激光烧结(SLS)或其他粉床熔合式增材制造处理，分层实体制造(LOM)或是使用了热塑板的其他薄片层叠式增材制造处理，立体光刻或是使用了可光固化热塑性塑料的其他光固化式增材制造处理，使用了可光固化热塑性塑料的材料喷射处理，或是为了创建3D结构、结构组件以及具有3D结构的电子、电磁或机电系统或组件而开发的基于热塑性塑料的其他增材技术。
此外，本发明提供了用于制造三维结构、结构组件和/或3D结构的电子、电磁或机电组件/设备的系统，其中包括三维打印设备以及第一机床。三维打印设备通过以逐层的方式沉积衬底材料来创建一个或多个三维衬底层。该三维打印设备可以是熔融沉积成型(FDM)机床或是其他材料挤压增材制造处理，选择性的激光烧结(SLS)机床或其他粉床熔合式增材制造处理，分层实体制造(LOM)机床或是其他薄片层叠式增材制造处理，立体光刻机床或是使用了可光固化热塑性塑料的其他光固化式增材制造处理，使用可光固化热塑性塑料的材料喷射机床，或是待开发的其他那些基于热塑性塑料的增材3D打印机。第一机床至少将丝线的一部分嵌入第一衬底材料层，以使这部分丝线与第一层的顶面基本齐平，处于可流动状态的衬底材料部分(也就是其橡胶，橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)将被这部分丝线位移，并且不会明显地从第一层的顶面上隆起。
第一机床可以是一个馈线和切线系统，并且可以是以下各项之一：中空的超声波变幅杆、固态超声波变幅杆、旋转式超声波变幅杆或是其他适当的超声波变幅杆或超声波发生器，以及必要的电源和处理控制设备。
在本发明的另一个实施例中，第一机床可以是一个馈线和切线系统，以及一个丝线或丝网加热设备，其中该设备具有允许在嵌入处理过程中将压力应用于丝线或丝网的夹具，并且包括以下的任何一项：1)用于在待嵌入的丝线或丝网内部感生电流并且由此感生焦耳加热的感应线圈；2)包含了如石墨、镍铬或其他电阻材料之类的材料、用于产生热量以及通过传导将热量传送至丝线或丝网的电阻加热部件；3)用于将电流施加于正被嵌入的丝线或丝网的至少一部分，以便产生嵌入处理所需要的焦耳加热的电极(电接触)；4)通过强制对流加热来快速加热被嵌入的丝线或丝网的至少一部分的空气加热循环设备或系统；或者5)用于快速加热被嵌入的丝线或丝网的至少一部分的辐射式红外加热源。第一机床还会包含必要的电源和处理控制电路。
该系统还可以包括在第一层的顶面内部创建一个或多个几何容差(例如沟槽、通道、空腔等等)的第二机床，所述几何容差减小了在可流动状态中被位移的衬底材料(也就是其橡胶态、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)，并且在嵌入丝线之前增大了与该部分丝线接触的面积。应该指出的是，为了形成单个设计层的几何容差，有可能必须沉积多个处理层。随后，丝线部分将被嵌入一个或多个几何容差内部。所述一个或多个几何容差可以是一个或多个沟槽、一个或多个通道或者一个或多个空腔。此外，所述一个或多个几何容差的截面的形状可以是圆形、方形、矩形、三角形，或者可以具有其他任何适当的形状，其中在一定程度上，该形状能用分层的AM处理来合理近似。第二机床可以是微加工机床，CNC微加工机床，CNC或常规加工机床，微细放电加工机床，电化学加工机床，直写质子微加工机床，激光烧蚀机床，辐射源，超声波切割机床，热线切割机床，水射流机床，蚀刻机床，深层反应离子蚀刻机床，等离子蚀刻机床，晶体去向相关蚀刻机床，溼法体型微细加工机床，UV光刻或X射线光刻(LIGA)机床，化学辅助离子研磨机床，喷砂机或切割机。
该系统还可以包括一个至少将第一组件放置在第一层之上或其内部的组件置放机，其中丝线是导电材料，丝线的第一末端接近于第一组件，以及第三机床将丝线的第一末端附着于第一组件。该第三机床可以是激光微型焊接机床，电阻焊接机床，超声波焊接机床，引线键合机床，钎焊机床，或是本领域技术人员熟知的任何附着机床或设备。此外，该系统可以包括一个将三维衬底传送至每一个机床的滑动、传送或机器人设备。应该指出的是，所有机床都可以集成在单个机床中，或者可以作为单独的处理而被操作。
基于本发明，可以对美国专利申请13/343,651中描述的系统进行修改，以便实施本发明，其中该申请在这里全部引入以作为参考。
该嵌入处理可以采用多种方式来完成。每一种嵌入方法都会需要：1)将线材、丝网或其他丝线馈送至预期位置以进行嵌入的装置；以及2)在该处理的不同步骤中切割线材、丝网或其他丝线的装置；3)将线材或丝网接合到其他导体、热组件、机械组件、电子组件、或机电组件的装置；以及4)将线材或丝网连接在3D电子设备的层与层之间的装置。线材和丝线处理可以通过一个自动馈线和切线系统来完成(商用或定制硬件)。丝网既可以基于设计需要而被预先切割，也可以以带状的形式分发至预期的嵌入位置。在嵌入处理过程中会使用运动控制系统来防止超声波变幅杆、丝线或丝网加热设备、线材处理系统以及热塑衬底，其中作为示例，该运动控制系统可以是吊架(gantry)、工作台(stage)、气动或线性致动器、或是机械臂。在某些情况下，线材、丝网或其他丝线有必要在嵌入之前被手动放置。
为了嵌入单个线材或丝线，在该处理中可以使用具有用于线材或丝线的进入点的中空超声波变幅杆(超声波发生器)。图2A和2B是显示了根据本发明的一个实施例的用于在衬底中嵌入丝线的中空超声波变幅杆(超声波发生器)的图像。作为替换，所使用的可以是通过整形或成型来促成该线材嵌入处理的固态超声波变幅杆。图2C显示了根据本发明的一个实施例的用于在衬底中嵌入丝线的固态超声波变幅杆(超声波发生器)。
在纺织工业被广泛用于连接包含合成材料的织物的旋转式变幅杆或超声波发生器同样可以用于线材或丝线的超声波嵌入处理。图3A和3B是显示根据本发明的一个实施例的用于在衬底中嵌入丝线的旋转式超声波变幅杆的图像。
为了允许在被嵌入的线材上构建后续的层，有必要将表面和线材保持处于维度相符的状态(即齐平)，这意味着线材必须充分嵌入，并且处于可流动状态的衬底材料的一部分(也就是其橡胶态、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)必须受到控制，以便其在表面上隆起的程度抑制了层构建处理继续提供的层。作为替换，如果该处理能够检测这种隆起，并且能够通过修改沉积在该隆起之上的层来适应这种隆起，那么将不必通过充分嵌入线材来防止所有隆起(线材和/或衬底材料)。图4是显示了嵌入衬底的丝线的截面的图像，其中丝线与层的顶面基本齐平，处于可流动状态的衬底部分(也就是其橡胶态、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)将被这部分丝线位移，并且基本上不会在层的顶面上隆起。
本发明允许将丝线嵌入图5所示的不规则形状的表面或曲面。
这种嵌入丝网的处理提供了无法在其他3D电子产品制造处理中看到的益处。在本发明之前，由于缺少构成整体所需的导电平面和/或电磁屏蔽，因此，使用增材制造处理构建的3D电子系统或组件在应用方面是受到限制的。结果，此类系统或组件会受到电气噪声和电磁干扰(EMI)这些不良作用的影响。此外，如果在需要时没有用于针对每个电子组件的电源和接地连接且需要导电平面的额外布线，那么将会导致更容易受到电子噪声和串扰的影响，并且会导致设计工作和制造时间过量。嵌入的丝网提供了针对这其中的每一个问题的解决方案。可以看到的是，丝网已经在屏蔽应用中被广泛使用，并且已经显示出其在高达10GHz的频率上是非常有效的，由此，与在本发明之前使用增材制造处理制造的3D电子设备中可以具有的射频应用相比，其允许提供数量更多的射频应用。由于可以在分层处理内部以及3D电子组件、设备或系统的外表面上根据需要来嵌入丝网，因此可以在需要时为用电源和接地连接提供屏蔽和导电平面，由此提供了简化的设计以及更快的制造过程。还要指出的是，被嵌入的丝网与热塑衬底形成了一个极强的粘合，并且由此可以用于创建聚合物金属复合物，以便强化使用增材制造方式生产的组件、设备或系统。与注塑成型的零件相比，使用AM制造的零件以往已经显现出了机械特性(即张力、压缩、冲击、弯曲、蠕变和疲劳)差距，这些差距使用AM制造的零件限制成只应用于原型。根据ahn等人的报告，使用熔融沉积成型(FDM)生产的ABS零件显现出的极限抗拉强度等于注塑成型零件的10-73％。通过使用本发明，丝线和丝网(导电和非导电)可以用于强化层的内部或是跨越层的区域。初步结果已经显示出，使用光面丝网的本发明可以将使用FDM生产的零件的极限抗拉强度提升37％。如果使用的是用机械性牢固的材料(即不锈钢、铜铬合金)制成的丝网并且在聚合物零件内部使用多个丝网，那么预计将会具有更进一步的提升。此外，在嵌入之前可以预先加载和嵌入处于这样的状态的丝线或丝网，以便产生具有增强的机械特性以及可预测/可控的偏差的预加应力的聚合物复合结构。还应该指出的是，如果嵌入的是用凯芙拉之类的材料制成的非导电丝网，那么不但可以提供强度方面的提升，而且还可以提升强度-重量比，由此有益于轻量型应用。
以超声波的方式嵌入丝网的处理可以采用多种方式来完成。如图6A和6B所示，旋转式变幅杆能在平面或曲面衬底上嵌入丝网。此外，如图7所示，丝网可被嵌入衬底内部，其中所述丝网的一部分被布置在空腔内部，随后则会通过使用激光微型焊接、电阻焊接、超声波焊接、钎焊、引线键合或是本领域技术人员熟知的任何附着处理而被附着于前一个层中的导体。
图8A-8D是显示以超声波的方式将丝网嵌入使用熔融沉积成型(FDM)生产的聚碳酸酯衬底的进程的图像。这里显示的丝网是不锈钢，但是该处理也适用于其他材料，作为示例，该材料可以是铜、铝、黄铜、钢、铜铬合金以及通镍合金，但其并不局限于此。此外还可以看到，该方法能够成功地与非导电丝网和纤维结合使用。
某些电子或机械设计需求可能需要使用预先切割的丝网图案。这些丝网图案可以用旋转式变幅杆或是固态变幅杆来嵌入。图9A-9C显示了通过使用固态的方形变幅杆来将丝网图案嵌入平面衬底的进程。在本范例中，预先切割的图案被预置预期的位置，通过启动超声波变幅杆来嵌入丝网图案，并且最终从该表面上抬起变幅杆，以便结束该过程。
应该指出的是，作为超声波变幅杆或超声波发生器的替换，通过使用在这里结合恰当的夹具/工具描述的热能来源，可以获得每一个(导电)丝网嵌入示例的类似结果，由此其代表了本发明的另一个实施例。
现在参考图10，其所显示的是根据本发明的一个实施例的用于在三维电子、电磁或机电组件/设备中嵌入丝线的方法1000的流程图。在方框102中提供第一衬底材料层。在方框1002中，在所述第一层的顶面内部创建一个或多个几何容差。这些几何容差减小了处于可流动状态(也就是其橡胶态、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)且发生位移的衬底材料的体积，并且增大了在嵌入丝线之前与丝线部分相接触的表面面积，由此只需要较少的能量既可以实现充分的嵌入，据此将丝线牢固地保持在衬底中的恰当位置，并且与衬底的顶面基本齐平。作为替换，如果该处理能够检测这种隆起，并且能够通过修改沉积在该隆起之上的层来适应这种隆起，那么将不必通过充分嵌入线材来防止所有隆起(线材和/或衬底材料)。所述一个或多个几何容差可以是一个或多个沟槽、一个或多个通道或者一个或多个空腔。应该指出的是，为了形成单个设计层的几何容差，有可能必须沉积多个处理层。此外，所述一个或多个几何容差的截面的形状可以是圆形、方形、矩形、三角形，或者可以具有其他任何适当的形状，其中在一定程度上，该形状能用分层的AM处理来合理近似。在方框1004，丝线的至少一部分被嵌入再第一衬底材料层的一个或多个几何容差内部，以使这部分丝线与第一层的顶面基本齐平，而处于可流动状态的衬底材料部分(也就是其橡胶态、橡胶状流动或是具有粘弹行为的液体流动区域等等)则会被这部分丝线位移，并且基本上不会在层的顶面上隆起。在方框1006，丝线的一端被放置在接近于组件或导体的位置，并且丝线的这一端附着于所述组件或导体。丝线的第一末端是用激光微型焊接处理、电阻焊接处理、超声波焊接处理、引线键合处理、钎焊处理或是本领域技术人员熟知的任何附着处理附着于第一组件或导体的。在一些实施例中，第一层至少还可以包括布置在第一层之上或其内部的第二组件或导体，其中丝线的第二末端接近于所述第二组件或导体。于是，所述丝线的第二末端附着于第二组件或导体。在方框1008，在第一层上至少沉积了第二衬底材料层，以使这部分丝线全部或部分被所述第二层覆盖。
所述组件或导体可以是电子组件、静电组件，气动组件，电声组件，微型机电系统(MEMS)，生物医学组件，电化学组件，机电组件，电磁组件，机械组件，超材料组件，光学组件，光激性组件，热组件，热管理组件，丝网，嵌入式导体，线材，导电板，导电端子，导电迹线，连至别的层或连接器的通孔。该电子组件可以是集成电路，电阻器，电容器，电感器，晶体管，热敏电阻，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。该电子组件可以手动放置，或者可以使用组件置放机来放置，其中组件置放机包括一个抓取式设备，机器人处理或其他自动组件置放技术。
该方法可以用于制造三维结构或是电磁、电磁或机电组件/设备。此外，该方法可以作为非暂时性计算机可读介质中包含的计算机程序来实施，其中所述步骤是用一个或多个代码段执行的。
虽然可以使用多种方法来将嵌入的线材和丝网相互接合或是接合到电子组件，但是优选的方法是采用激光微型焊接。现有技术的绿色激光系统提供了有效焊接一系列的线号的能力，并且其对于焊接诸如铜和金之类的“红色”金属而言尤其有效。一种这样的系统是由Miyachi Unitek公司提供的。该绿色激光技术显现出可以在包括电子设备在内的多种微型焊接应用中被有效利用。
图11A-11D是根据本发明的一个实施例的通过激光微型焊接而被连接到电子组件的导线的图像。
实验显示，这种激光微型焊接系统可以有效地将铜线焊接到多种不同的表面贴装的电子组件。作为可行性研究的一部分，若干种组件与各种标准尺寸的铜线通过激光焊接而被连接在一起。结果显示，该系统可被适配成向大多数的可用电子组件提供可接受的电子和机械连接。该方法提供了一种无接触的接合方法，其消除了对于焊锡、导电环氧树脂或导电墨水之类的填充材料的需要。该处理还会构建最小的受热处理影响的区域，由此几乎不会对敏感的电子组件和传感器产生热冲击。由于所产生的焊接是自生的(这意味着其仅仅是从被焊接的两个金属部分形成，其中没有使用填充材料)，因此，与锡焊连接相比，这种焊接本身会更加牢固。图19A和19B是显示根据本发明的另一个实施例的用于将丝线附着于组件的进程的图像。
图12A-12B是根据本发明的一个实施例的通过使用超声波变幅杆(左边的变幅杆聚焦于很小的工作表面区域(ˉ130mm2)，并且右边的变幅杆聚焦于一个较大的表面区域(ˉ1450mm2))来将光面钢丝网嵌入使用FDM构建的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本)的图像。
图13A-13B是根据本发明的一个实施例的将光面钢丝网嵌入使用FDM构造的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本)的图像。
图14是根据本发明的一个实施例的通过使用FDM技术产生聚合物丝网复合物将ABS材料沉积在光面钢丝网上的图像。
图15A-15B是根据本发明的一个实施例的将平面钢丝网嵌入使用FDM构建的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本)的图像。其中一个ABS层是沉积在钢丝网上的(左侧是全视图，右侧是光学显微镜图像)。
图16A-16B是根据本发明的一个实施例的通过将光面钢丝网嵌入使用FDM构造的ABS零件(标准的ASTM D638类型I的测试样本，等距和侧面视图)而产生的聚合物丝网复合物的图像；
图17是根据本发明的一个实施例的超声波线材嵌入处理的图像。
图18A-18B是根据本发明的一个实施例的嵌入PVC零件的平面钢丝网的图像，其中所述PVC零件是用薄片层叠式的增材制造处理构建的(左侧是全视图，右侧是顶视图)。
图20是显示根据本发明的另一个实施例的3D设备的不同的层的图像。
对于在3D电子设备中嵌入导线和丝网的系统来说，有必要具有一种用于在增材制造处理过程中创建层间连接的方法。
作为该问题的解决方案，所提出的是一种“锁眼”通孔。名称“锁眼”源于在该方法中使用的几何图形。图22A-22K显示了在创建这种层间连接的过程中包含的步骤。由于大体积的铜具有至少当前无法被导电环氧树脂或墨水实现的优秀的连接强度和导电性，因此，与使用导电环氧树脂相比，以这种方式形成的层间连接更为优选。在该处理中形成的自然的应变消除环路会在发生机械冲击或振动的过程中确保连接的可靠性。这种锁孔处理会保持顺应(或齐平)的表面，由此允许继续以分层的方式施加衬底材料并完成电子电路的嵌入处理。
现在参考图21，其所显示的是根据本发明的一个实施例的用于在三维电子、电磁或机电组件/设备中将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。在方框2102，至少提供第一衬底材料层，其中在所述第一层上或是其内部布置了第一组件或导体。在方框2104，在第一层上沉积第二衬底材料层。所述第二层包括一个细长空腔，该空腔具有第一末端和第二末端，并使所述第一末端布置在第一组件或导体的第一暴露部分之上。在方框2106，丝线的第一末端经由细长空腔的第一末端附着于第一组件或导体的第一暴露部分。该附着是通过激光微型焊接处理、电阻焊接处理、超声波焊接处理、钎焊处理、引线键合处理或是本领域技术人员熟知的任何附着处理完成的。在方框2108，丝线的第二末端被放置在该细长空腔的第二末端内部，由此将丝线沉积在细长空腔内部。在方框2110，在第二层上沉积第三衬底材料层，以使与细长空腔的第一末端接近的细长空腔的第一部分被所述第三层覆盖，以及暴露该细长空腔的第二部分。在方框2112，在第三层上或是其内部靠近细长空腔第二部分的位置沉积第二组件或导体。在方框2114，在第三层上沉积第四衬底材料层，以便暴露第二组件或导体的第二部分，以及暴露细长空腔的第二部分。在方框2116，从细长空腔的第二部分移除丝线的第二末端，并且将其附着于第二组件或导体的暴露部分。该附着是通过激光微型焊接处理、电阻焊接处理、超声波焊接处理、钎焊处理、引线键合处理或是本领域技术人员熟知的任何附着处理完成的。应该指出的是，虽然这里描述的处理针对的是将导体和(或)组件连接在三维电子、电磁或机电组件/设备的多个设计层之间，然而应该理解，本发明还顾及了同一个设计层内部的多个组件的互连。该方法可以用于制造三维电子、电磁或机电组件/设备。此外，该方法可以作为非暂时性计算机可读介质中包含的计算机程序来实施，其中所述步骤是用一个或多个代码段执行的。
此外，本发明提供了一种用于制造三维电子、电磁或机电组件/设备的系统，其中包括三维打印设备，第一机床，和第二机床。所述三维打印设备创建第一衬底材料层。第一机床将第一组件或导体放置在第一层之上或是其内部。三维打印机将第二衬底材料层沉积在所述第一层上，其中所述第二层包括一个细长空腔，该细长空腔具有第一末端和第二末端，由此将第一末端布置在第一组件或导体的第一暴露部分。第一机床将丝线的第一末端经由细长空腔的第一末端附着于第一组件或导体的第一暴露部分。该附着方法是通过激光微型焊接处理，电阻焊接处理，超声波焊接处理，钎焊处理，引线键合处理，或是本领域技术人员熟知的任何附着处理完成的。第二机床将丝线的第二末端放置在细长空腔的第二末端内部，由此将丝线布置在细长空腔的内部。三维打印设备将第三衬底材料层淀积在第二层上，以使与细长空腔的第一末端接近的所述细长空腔的第二第一部分被第三层覆盖，并且暴露所述细长空腔的第二部分。第二机床将第二组件或导体放置在与细长空腔的第二部分接近的第三层上或是其内部。该三维打印设备将第四沉底材料层沉积在第三层上，以便暴露第二组件或导体的第二部分，以及暴露细长空腔的第二部分。所述第二机床从细长空腔的第二部分移除丝线的第二末端，并且将丝线的第二末端放置在与第二组件或导体的暴露部分接近的位置。第一机床将丝线的第二末端附着于第二组件或导体的暴露部分。该附着可以通过激光微型焊接处理，电阻焊接处理，超声波焊接处理，钎焊处理，引线键合处理，或是本领域技术人员熟知的任何附着处理来完成。应该指出的是，虽然这里描述的处理针对的是将导体和(或)组件连接在三维电子、电磁或机电组件/设备的多个设计层之间，然而应该理解，本发明还顾及了同一个设计层内部的多个组件的互连。
图22A-22K是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的进程的图像。
图23A-23G是显示根据本发明的另一个实施例的通过使用丝网平面(与多个电源或接地连接一样)来创建层间连接的另一个进程的图像。
图24A-24G是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的另一个进程的图像。
图25A-25H是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的另一个进程的图像。在图25A中，第一导体被嵌入衬底。在图25B中，附加的衬底层被添加了螺旋容差(或浮雕(rel ief))。在图25C中，第二导体被放置在螺旋浮雕之中并且附着于第一导体。在图25D中添加了附加的衬底层。在图25E中，工具被移动到所述浮雕上方的适当位置，并且在图25F中，该工具被下降到所述浮雕内部。在图25G中，该工具从浮雕中取出第二导体的空闲端(loose end)，并且在图25H中，第二导体的空闲端被嵌入衬底的顶层并根据需要而被附着。
图26A-26D是显示根据本发明的另一个实施例的用于创建层间连接的另一个进程的图像。在图26A中，第一导体将被嵌入，其中存在一个浮雕。在图26B中，添加附加的衬底材料层。在图26C中，第二导体被嵌入顶部衬底层，其被放置在浮雕中并与第一导体接触。在图26D中，第二导体被附着于第一导体。
这里描述的技术的组合代表的是用于产生能在不良的现场条件和环境中运作的高可靠性的电子、电磁和机电系统的能力。此外，所嵌入的丝线或丝网产生了一种能够提升使用AM制造的零件、结构或结构组件的机械特性的复合物，由此能使其不仅仅被用于原型。可以为基于热塑性材料的增材制造处理提供的材料与空间和海洋应用相兼容，而且与陆地上的压球苛刻的应用相兼容。这种在衬底材料中充分嵌入电子设备的能力可以提供能够潜水的系统，以及在易爆或挥发性化学物环境中的工作所必需的本质安全。预计能用这种技术生产的产品包括小型卫星系统，小型军用硬件，生物可移植设备，船用传感器，无人驾驶飞行器(UAV)，车辆组件等等。
如前所述，使用本发明生产的零件会在多种应用中使用，其中包括但不局限于：(1)通过在结构组件内部提供嵌入了传感器、通信和电子设备的空气动力学零件，或者通过直接将其制造在UAS和UAV表面上，可以在无人机系统(UAS)和无人驾驶飞行器(UAV)中使用；(2)定制的任务专用的一次性电子设备；3)改善通信的真实的3D天线和光激性设备；4)海军舰艇以及其他防卫、商用和生物医学应用上的多种系统的替换组件；5)量身定做的海员背负或士兵背负的电子设备和通信系统；6)一次性的浮动深度专用传感器系统；7)生物医学系统；以及8)超材料结构。
应该理解的是，这里描述的具体实施例是作为例证显示的，其并未对本发明构成限制。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的基本特征是可以在不同的实施例中使用的。本领域技术人员仅仅使用例行试验即可认识或者能够确定这里描述的具体过程的众多等价物。此类等价物被认为处于本发明的范围以内，并且为权利要求所覆盖。
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请指示的是本发明所属领域的技术人员的技能等级。在这里引入了所有这些出版物、专利和专利申请以作为参考，如同具体并且单独地指示将每一份单独的出版物、专利或专利申请引入以作为参考一样。
在与权利要求和/或说明书中的术语“包括”结合使用的时候，使用单词“一”或“一个”可以是指“一个”，但其同样符合“一个或多个”、“至少一个”以及“一个或一个以上”的含义。除非被显性指示成仅仅引用互斥选择或者替换物相互排斥，否则权利要求中使用的术语“或”可用于指示“和/或”，但是本公开支持只引用互斥选择以及“和/或”的定义。在本申请中，术语“关于”被用于指示某个值包含了设备固有的误差变化、用于确定所述值的方法或是在研究对象中存在的变化。
本说明书以及一个或多个权利要求中使用的单词“包含”(以及任何包含形式，例如“包含”和“含有”)、“具有”(以及任何具有形式，例如“拥有”、“带有”)、包含(以及任何包含形式，例如“包括”和“含有”)或是“包括”(以及任何包括形式，例如“包含”和“含有”)都是包含性或开放性的，其并不排除附加的未列举的部件或方法步骤。
这里使用的术语“或是其组合”指的是在该术语之前列举的项目的所有排列和组合。例如“A、B、C或是其组合”旨在包括以下的至少一项：A、B、C、AB、AC、BC或ABC，如果在特定上文中，顺序是很重要的，那么其还包括BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。继续本示例，明确包含的组合包括一或多个项目或术语的重复，例如BB、AAA、AB、BBC、AABCCCC、CBBAAA、CABABB等等。本领域技术人员将会理解，除非从上下文中可以用别的方式清楚了解，否则任一组合中的项目或术语的数量通常是不受限制的。
这里公开和请求保护的所有构造和/或方法都可以根据本公开而在不进行过度实验的情况下被制造和执行。虽然本发明的构造和方法是依照优选实施例描述的，但是本领域技术人员可以清楚了解，在不脱离本发明的概念、实质和范围的情况下，针对这里描述的结构和/或方法以及步骤或步骤顺序的各种变化都是可行的。所有这些能被本领域技术人员清楚了解的类似的替换物和修都被视为处于附加权利要求所限定的本发明的实质、范围和概念以内。
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Claims (38)

1.一种在三维电子、电磁或机电组件/设备中将第一组件或导体连接到第二组件或导体的方法，包括以下步骤：
至少提供衬底材料的第一层，在所述第一层上或是其内部布置了所述第一组件或导体；
在所述第一层上沉积所述衬底材料的第二层，其中所述第二层包括一个细长空腔，所述细长空腔具有第一末端和第二末端，以使所述第一末端布置在所述第一组件或导体的第一暴露部分之上；
将丝线的第一末端经由所述细长空腔的所述第一末端附着于所述第一组件或导体的所述第一暴露部分；
将所述丝线的第二末端放置在所述细长空腔的所述第二末端内部，以便将所述丝线部布置在所述细长空腔内部；
在所述第二层上沉积所述衬底材料的第三层，以使与所述细长空腔的所述第一末端接近的所述细长空腔的第一部分被所述第三层覆盖，以及暴露所述细长空腔的第二部分；
在所述第三层之上或是其内部接近所述细长空腔的所述第二部分的位置沉积所述第二组件或导体；
在所述第三层上沉积所述衬底材料的第四层，以便暴露所述第二组件或导体的第二部分，以及暴露所述细长空腔的所述第二部分；以及
从所述细长空腔的所述第二部分移除所述丝线的所述第二末端，并且将所述丝线的所述第二末端附着于所述第二组件或导体的暴露部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述细长空腔的所述第二末端长于所述细长空腔的所述第一末端。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述细长空腔包括锁孔形状的空腔或是螺旋形状的空腔或浮雕。
4.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在将所述丝线置于所述细长空腔内部之后，用所述衬底材料覆盖所述细长空腔的所述第一末端。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述细长空腔是在将所述衬底材料的所述第二层沉积在所述第一层上的时候形成的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述细长空腔是通过移除所述衬底材料的一部分创建的。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述衬底材料的所述部分是用以下各项移除的：微加工机床，CNC微加工机床，微放电加工机床，电化学加工机床，直写质子微加工机床，激光烧蚀机床，辐射源，超声波切割机床，热线切割机床，水射流机床，蚀刻机床，深层反应离子蚀刻机床，等离子蚀刻机床，依赖于晶体取向的蚀刻机床，湿法体型微细加工机床，UV光刻或X射线光刻(LIGA)机床，热压印光刻机，精密机械锯床，化学辅助离子研磨机床，喷砂机或切割机。
8.如权利要求1所述的方法，其中通过使用激光微型焊接处理，所述丝线的所述第一末端附着于所述第一组件或导体，并且所述丝线的所述第二末端附着于所述第二组件导体。
9.如权利要求1所述的方法，其中通过使用引线键合机床、电阻焊接机床、超声波焊接机床或钎焊机床，所述丝线的所述第一末端被附着于所述第一组件或导体，并且所述丝线的所述第二末端附着于所述第二组件或导体。
10.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：通过在逐层处理过程中在所述第二层上沉积所述衬底材料来创建三维衬底中的一个或多个附加层。
11.如权利要求1所述的方法，其中嵌入了所述丝线的所述第一层的至少一部分不是平的。
12.如权利要求1所述的方法，其中丝线包括导电材料，非导电材料，光纤或丝网。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述导电材料包括金属，金属合金，导电聚合物或电线；
所述非导电材料包括一个或多个碳纤维或是一个或多个凯芙拉纤维；
所述丝网包括导电丝网和非导电丝网；
所述导电丝网包括一组用金属、金属合金，导电聚合物或电线制成的丝线；以及
所述非导电丝网包括一组碳纤维或凯芙拉纤维。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述丝网包括不锈钢丝网，铝丝网，铜丝网，黄铜丝网，钢丝网，铜铬丝网，或是通镍合金丝网。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述丝网包括几何形状。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述丝网包括散热器，天线，导电平面，机械加固材料，或是电磁屏蔽。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述丝网被嵌入所述第一层，以便形成聚合物丝网复合材料。
18.如权利要求12所述的方法，其中通过使用多步骤处理来以一次一部分的方式将所述丝网嵌入所述第一层。
19.如权利要求12所述的方法，其中所述丝网是在单个处理步骤中被嵌入所述第一层的。
20.如权利要求12所述的方法，其中所述第一层包括空腔，并且所述丝网的一部分被布置在所述空腔内部。
21.如权利要求12所述的方法，其中所述丝网提升了所述第一层或是所述三维结构、结构组件或结构电子、电磁或机电组件/设备的物理特性，热特性或电特性。
22.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层包括空腔，并且所述丝线的一部分被布置在所述空腔中。
23.如权利要求1所述的方法，其中所述丝线提升了所述第一层的物理特性、热特性或电特性。
24.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是填充了以下材料以增强机械、热、电介质、磁、或电磁特性的热塑性材料：别的聚合物材料，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，无机材料或是这些材料的任何组合。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述热塑性材料包括：丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)、ABSi、ABSplus、ABS-M30、ABS-M30i、ABS-ESD7、聚碳酸酯(PC)、PC-ABS、PC-ISO、聚苯砜(PPSF/PPSU)、ULTEM 9085或是其任何组合，以及在熔融沉积成型(FDM)或其他材料挤压式热塑增材制造处理中商用的任何当前或未来的材料，所述材料可以是聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龙、聚芳醚酮或是其任何组合，以及在激光烧结或粉床熔合式的增材制造处理中商用的任何现在或未来的材料。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述别的聚合物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯、聚烯烃、LL-PE、HDPE、多乙酸乙烯酯、聚酯、聚醚、聚酰胺、尼龙、聚酰亚胺、聚酮、聚醚醚酮(PEEK)、聚丁二烯、聚乳酸、聚已内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶聚合物(LCP)、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、ZEONEX RS420、EccostockHIK-TPO、前述各项的共聚体和嵌段共聚体，或是其任何组合。
27.如权利要求1所述的方法，其中一个或多个层是使用以下处理沉积的：熔融沉积成型(FDM)或其他材料挤压式增材制造处理，选择性激光烧结(SLS)或其他粉床熔合式增材制造处理，分层实体制造(LOM)或是使用了热塑板的其他薄片层叠式增材制造处理，立体光刻或是使用了可光固化热塑性塑料的其他光固化式增材制造处理，使用可光固化热塑性塑料的材料喷射处理，或是其他基于热塑性材料的增材3D打印处理。
28.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组件或导体以及所述第二组件或导体包括：电子组件、静电组件，气动组件，电声组件，微型机电系统(MEMS)，生物医学组件，电化学组件，机电组件，电磁组件，机械组件，超材料组件，光学组件，光激性组件，热组件，热管理组件，丝网，嵌入式导体，线材，导电板，导电端子，导电迹线，连至别的层或连接器的通孔。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述电子组件包括集成电路，电阻器，电容器，电感器，晶体管，热敏电阻，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。
30.如权利要求28所述的方法，其中所述电子组件是手动放置或是使用组件置放机来放置，其中所述组件置放机包括抓取式设备，机器人处理或其他自动组件置放技术。
31.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组件或导体以及所述第二组件或导体包括嵌入式导体。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述嵌入式导体是用馈线和切线系统以及从包含以下各项的群组中选出的用于嵌入丝线或所述丝线的丝网的至少一个能量源放置的：
用于在所述丝线或所述丝网的至少一部分与所述衬底之间产生摩擦热的超声波变幅杆或超声波发生器；
用于在所述丝线或所述丝网的至少一部分内部感生涡流并且由此感生焦耳热的感应加热线圈；
用于产生热量并且通过传导来将热量传递到所述丝线或所述丝网的至少一部分的一个或多个电阻加热部件；
用于使电流流经所述丝线或所述丝网的至少一部分并且由此在所述丝线或所述丝网内部产生焦耳热的电极；
用于通过强制对流加热来将热量传递至所述丝线或所述丝网的至少一部分的空气加热和循环设备或系统；
用于以辐射的方式将热量传递至所述丝线或所述丝网的至少一部分的辐射式红外热源。
33.一种三维结构、三维结构组件或具有三维结构的电子、电磁或机电组件/设备，所述组件/设备是用包含以下步骤的方法制成的：(a)至少提供衬底材料的第一层，在所述第一层上或是其内部布置了第一组件或导体；(b)在所述第一层上沉积衬底材料的第二层，其中所述第二层包括一个细长空腔，所述细长空腔具有第一末端和第二末端，以使所述第一末端布置在所述第一组件或导体的第一暴露部分之上；(c)将丝线的第一末端经由所述细长空腔的所述第一末端附着于所述第一组件或导体的所述第一暴露部分；(d)将所述丝线的第二末端放置在所述细长空腔的所述第二末端内部，以便将所述丝线部布置在所述细长空腔内部；(e)在所述第二层上沉积所述衬底材料的第三层，以使与所述细长空腔的所述第一末端接近的所述细长空腔的第一部分被第三层覆盖，以及暴露所述细长空腔的第二部分；(f)在所述第三层之上或是其内部接近所述细长空腔的所述第二部分的位置沉积第二组件或导体；(g)在所述第三层上沉积所述衬底材料的第四层，以便暴露所述第二组件或导体的第二部分，以及暴露所述细长空腔的所述第二部分；以及(h)从所述细长空腔的所述第二部分移除所述丝线的所述第二末端，并且将所述丝线的所述第二末端附着于所述第二组件或导体的暴露部分。
34.一种用于制造三维结构、三维结构组件或是具有三维结构的电子、电磁或机电组件/设备的系统，包括：
三维打印设备；
第一机床；
第二机床；以及
其中(a)所述三维打印设备创建衬底材料的第一层；(b)所述第一机床将第一组件或导体置于所述第一层之上或是其内部；(b)所述三维打印机在所述第一层上沉积所述衬底材料的第二层，其中所述第二层包括细长空腔，所述细长空腔具有第一末端和第二末端，以使所述第一末端布置在所述第一组件或导体的第一暴露部分之上；(c)所述第一机床将丝线的第一末端经由所述细长空腔的所述第一末端附着于所述第一组件或导体的所述第一暴露部分；(d)所述第二机床将所述丝线的第二末端放置在所述细长空腔的所述第二末端内部，以便将所述丝线部布置在所述细长空腔内部；(e)所述三维打印设备在所述第二层上沉积所述衬底材料的第三层，以使与所述细长空腔的所述第一末端接近的所述细长空腔的第一部分被第三层覆盖，以及暴露所述细长空腔的第二部分；(f)所述第二机床在所述第三层之上或是其内部接近所述细长空腔的所述第二部分的位置沉积第二组件或导体；(g)所述三维打印机在所述第三层上沉积所述衬底材料的第四层，以便暴露所述第二组件或导体的第二部分，以及暴露所述细长空腔的所述第二部分；(h)所述第二机床从所述细长空腔的所述第二部分移除所述丝线的所述第二末端，并且将所述丝线的所述第二末端附着于靠近所述第二组件或导体的暴露部分的位置；以及(i)所述第一机床将所述丝线的所述第二末端附着于所述第二组件或导体的暴露部分。
35.如权利要求34所述的系统，其中：
所述三维打印设备包括熔融沉积成型(FDM)机床或其他材料挤压增材制造机床，选择性激光烧结(SLS)机床或其他粉床熔合式增材制造机床处理，分层实体制造(LOM)机床或是其他薄片层叠式增材制造处理，立体光刻机床或是使用了可光固化热塑性塑料的其他光固化式增材制造处理，使用可光固化热塑性塑料的材料喷射机床，或是其他基于热塑性塑料的增材3D打印机；
所述第二机床包括激光微型焊接机床，电阻焊接机床，超声波焊接机床，引线键合基床，或是钎焊机床；
第三机床包括组件置放机。
36.如权利要求34所述的系统，其中所述第一组件或导体或是所述第二组件或导体包括嵌入式导体。
37.如权利要求36所述的系统，其中所述嵌入式导体是用馈线和切线系统以及从包含以下各项的群组中选出的用于嵌入所述丝线或所述丝线的丝网的至少一个能量源放置的：
用于在所述丝线或所述丝网的至少一部分与所述衬底之间产生摩擦热的超声波变幅杆或超声波发生器；
用于在所述丝线或丝网的至少一部分内部感生涡流并且由此感生焦耳热的感应加热线圈；
用于产生热量并且通过传导来将热量传递到所述丝线或丝网的至少一部分的一个或多个电阻加热部件；
用于使电流流经丝线或丝网的至少一部分并且由此在所述丝线或丝网内部产生焦耳热的电极；
用于通过强制对流加热来将热量传递至所述丝线或丝网的至少一部分的空气加热和循环设备或系统；
用于以辐射的方式将热量传递至所述丝线或丝网的至少一部分的辐射式红外热源。
38.如权利要求34所述的系统，还包括将所述三维衬底传输到每一个机床的滑动、传送或机器人设备。
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