CN107206668A - 3d机电一体化物体的增材制造的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造具有预定的机电一体化功能的3D机电一体化物体的方法，其作为元件包括至少一个传感器和/或一个执行装置，经由导电通道连接到传感器和/或执行装置的电子线路，该元件位于主机械结构中，并且该机电一体化物体包含具有不同电子和/或电活性性能的多种聚合物，该方法的特征在于其包括如下步骤：‑根据聚合物的熔化温度、化学相容性、电性能和/或电活性性能来确定所述聚合物；‑基于物体的预定的机电一体化功能、所述聚合物的性能以及物体的规格来确定物体的3D数字模型，包括其形状和通道路由；‑根据通过所述熔化聚合物的沉积层所生成的模型，在相同的成型步骤中3D打印出传感器和/或执行装置，电子线路以及主结构，某些沉积层由多个聚合物组成，沉积层通过至少一个用于基础聚合物(1)并且连接到用于在基础聚合物中注入带电颗粒的掺杂装置(2)的沉积头来实现，该掺杂装置(2)通过间隙掺杂的方式来获得不同的聚合物。

Description

3D机电一体化物体的增材制造的方法
技术领域
本发明的领域为制造3D机电一体化物体，其作为组件包括：
-传感器(力量传感器、压力传感器、弯曲传感器等)和/或执行装置(振动器、转换器等)，
-连接到传感器和/或执行装置并且提供有导电通道的电子线路，
位于主机械结构中的各种元件。
背景技术
最常见的实施用于制造3D机电一体化物体的解决方案在于：
-一方面，基于多种材料(介质材料、导电材料等)在平面基底上制造传感器和/或执行装置；
-另一方面，制造用于容纳传感器和/或执行装置的机械结构并且在该机械结构上实现相应的电子线路。
-通过将传感器和/或执行装置转移到结构中来装配所述两个元件并且将元件连接到电子线路中。
今天，增材制造(或者3D打印)技术通过增加材料使得完整的3D物体能够实现。目前存在多种方法用于控制机械性能(例如材料密度、材料类型)或者所打印的物体的外观(例如整体的或者局部的颜色、纹理)。然而，所述这些方法仅能实现没有能力来感知周围环境或者与周围环境相互影响的被动物体。
喷墨3D打印技术的存在用于打印多种电子元件例如电容、场效应晶体管、光电管、有机发光二极管甚至有机发光二极管(OLED)屏幕。为了实现需要柔性基底或者大尺寸基底的电路，例如为了打印柔性的主动矩阵有机发光二极管(AMOLED)屏幕，连续打印技术或者旋转3D打印技术(柔性版印刷、轮转影印、卷绕对位技术等)也在处于研究中。
所述多种打印技术的发展因为有机电子学的出现而成为可能。该电子学的分支使用基于碳化学聚合物成分的导电或者半导电材料。该电子学分支是相当新的，因为第一个导电聚合物在1977年研制出(Heeger,MacDiarmid,Shirakawa因此获得了2000年诺贝尔化学奖)并且第一个使用所述材料的电子元件出现在80年代中期：有机场效应晶体管(Mitsubishi,1986)；有机发光二极管(Kodak,1987)。今天，有机电子使得人们能够实现许多电子元件，从基于有机晶体三极管(OFET)的电化学生物传感器，例如pH或者酶传感器，到基于电活性聚合物(EAPS)的执行装置，例如人工肌肉或者触觉震动执行装置。然而，所述成就使用基础的制造方法，基本元件(电极，连接器等)通过该方法分别地实现，然后再组装以形成整体的电子元件。
目前有多个关注实现某种电子元件的增材制造技术的利用的研究。然而，这些方法仅仅在平面基底上实现元件或者需要额外组装操作的元件。
本发明的目的是克服所述缺陷。
发明内容
所述方法首先基于：
-材料的特别选择；涉及表现出不同机械、电气以及电活性性能的聚合物材料。
-基于物体的机电一体化功能、聚合物的性能以及技术或者人为因素的3D物体模型的自动生成。
-3D打印利用熔融沉积成型(FDM,熔融沉积成型的首字母缩略词)，其根据生成的模型来沉积所选择的聚合物以在相同的成型步骤中制造3D物体，例如，物体的不同元件(传感器、执行装置、电子线路、填料等)。
更具体的，本发明的主题是制造具有预定的机电一体化功能的3D机电一体化物体的方法，其作为元件包括至少一个传感器和/或一个执行装置，经由导电通道连接到传感器和/或执行装置的电子线路，所述元件位于主机械结构中；所述机电一体化物体包括多种具有不同电子和/或电活性性能的聚合物。所述方法的主要特征在于其包括如下步骤：
-根据所述聚合物的熔化温度、化学相容性、电气的和/或电活性性能来确定所述聚合物；
-基于物体的预定的机电一体化功能、所述聚合物的性能以及物体的规格来确定物体的3D数字模型，包括其形状和通道路由；
-根据生成的模型在相同的成型步骤中通过沉积出熔化聚合物的层，3D打印出传感器和/或执行装置、电子线路以及主结构，这里，某些层由多种聚合物制成，层的沉积通过至少一个指定用于基础聚合物并且连接到掺杂装置的头来实现，该掺杂装置能够通过间隙掺杂的方式向基础聚合物中注入带电颗粒以获得不同的聚合物。
所述方法允许：
-实现不依靠组装操作并且因此不具有组装所固有缺陷(密封性、使用期限和接口的膨胀控制)的完整的机电一体化物体；
-通过不同计划，最优地集成元件：
·空间的：减少体积；
·机械的：执行装置/传感器嵌入在结构中，改进的热机械传递/接触；
·电气的：最优的电子路由，具有3D结构的电子线路；
-根据结构和功能，简单定制机电一体化物体；
-从几分钟到几小时的非常短的制造时间；
-使用便宜材料(可能掺入的聚合物)。
融化的聚合物层可以通过多个沉积头来沉积，每个头用于不同的聚合物。例如，至少一个头用于介电聚合物并且至少另一个头用于导电聚合物。
本发明还涉及包含代码指令的计算机程序，该代码指令使得当所述程序在计算机上运行时能够执行所述方法的步骤。
附图说明
通过阅读以下作为非限制性示例并且参照所附附图给出的具体描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，在所述附图中：
图1图示地说明了应用于电子聚合物(图1a)和离子聚合物(图1b)的电场所引起的尺寸的变化。
图2图示地展示了连接到掺杂装置的沉积头。
从一个示意图到另一个示意图，相同的附图标记表示相同的元素。
具体实施方式
要制造的3D机电一体化物体由其机电一体化功能来定义，所述机电一体化功能通过元件来实施，例如传感器和/或执行装置，电子线路以及包括具有不同电子或者机电性能的多种聚合物的主机械结构。主机械结构可以包括能够控制的连接器。
制造该物体的方法包括如下步骤：
-根据聚合物的性能(例如熔化温度、化学相容性、电气性能或者机电性能)来确定用于制造该物体的聚合物；
-确定物体的3D数字模型，特别是其形状、电通道的路由以及机电一体化元件的结构和组成。模型的定义要考虑物体的预定的机电一体化功能、聚合物的性能以及物体的预定的规格。
-通过将熔融材料沉积为层，在相同的成型步骤中3D出打印传感器和/或执行装置、电子线路以及主结构，某些层由多个聚合物构成。
该方法基于聚合物的使用。所述材料是优越的因为其重量轻，可以在低温合成，在工业范围内易于使用，便宜并且适合于熔融沉积成型。
聚合物首先因为其介电性能而被熟知。研究显示出某些聚合物的导电的能力。在过去的数十年中看到被称为“智能材料”的聚合物的出现。在物理刺激(例如灯光、酸度、加热、磁场或者电场)的影响下，这些聚合物显示出不同的行为，例如机械的或者电致发光的行为。至于对电场的反应，涉及电活性聚合物。这些聚合物能够将电能转化为机械能，例如通过变形(弯曲、压缩、膨胀等)。该性能适合于实现多种机电换能器，例如执行装置或者传感器。
不同的性能(绝缘、导电、机电换能)用于实现机电一体化物体的多种被动的和主动的元件。
在所述方法中使用的主要的三类聚合物为：
-介电聚合物；
-导电聚合物；
-电活性聚合物。
I)介电聚合物
介电聚合物为热塑材料，其用于构造物体的主机械结构并且在不同的电子元件和结构的实现中充当绝缘体。表现不同的物理性能的热塑材料存在大范围的变化。材料的选择取决于希望给予物体或者物体的某些部分或者物体的元件的性能，例如：
·介电性能(元件载体、绝缘体/电容器、元件外壳等)：介电强度、损耗角、静电等。
·整体机械性能(机械组织)和局部机械性能(输入/接触区域、力量/弯曲传感器、机械传递等)：体积密度、硬度、柔韧性、弹性、抗压力/弯曲/扭曲等。
·热性能：热容量、热导率等。
·生物学性能：化学惰性/反应，毒性等。
·视觉性能：透明度/不透明度，颜色，光泽度/粗糙度等。
·人体工程学性能：接触舒适度、表面粗糙度、纹理等。
另一个引导材料选择的重点为：介电聚合物的熔点和物体的制造中所包含的其他聚合物(导电聚合物，机电聚合物等)的熔点。特别地，必须使用具有相似熔点的材料以便不会熔化与沉积的材料相接触的已经打印的部分。
下面的表格显示出一些适合于熔融沉积3D打印的介电聚合物。
II)导电聚合物
导电材料参与机电一体化物体的不同元件的实现：
-导电通道和元件的连接器
-电子元件：电容电极、电阻、电感线等。
-换能器
·机械换能器(传感器)：接触传感器、压力传感器、弯曲传感器等
·热换能器(执行装置)：加热元件
-热导体：热刺激，冷却等。
有两种主要类型的导电聚合物：
A)本征导电聚合物(PCI)，其导电性必须通过掺杂给电子体或者受主原子(化学掺杂，电化学掺杂等)来提高。目前，在显示出良好的化学稳定性和良好的机械性能的掺杂的本征导电聚合物中，我们可以引用：聚对苯、聚噻吩、聚吡咯或者聚苯胺。然而，这些材料不适合于熔融沉积成型，因为熔化温度部分地或者完全地改变了其电气或者机械性能。
B)间隙掺杂导电聚合物：其为复合聚合物，包括为了提高复合聚合物的导电性而掺杂了导电填料的非传导性聚合物。掺杂在于向液体状态的介电聚合物加入带电颗粒。在掺杂期间或者在掺杂后，两种材料之间不发生化学反应。复合聚合物的机械性能接近于非传导性聚合物的机械性能，并且其电气性能接近于导电填料的电气性能。必须使用适合熔融沉积成型的温度的材料用于非传导性聚合物和导电填料。降解温度，即熔点是有必要的。
复合聚合物的导电性的产生取决于：
-导电填料的导电性；
-导电填料在聚合物基体中的比例；
-导电填料的形状；
-导电填料的空间分布；
-聚合物/导电填料结构和电气的相互作用。
根据导电填料的形状和分布，可以定义“填料因子”(F),其表示复合材料中填料的体积比例。
Vchar:填料所占据的体积
Vcom:复合材料所占据的体积
该因子F定义复合材料的多种性能和参数：
-导电性(S/m)
-渗流阈值
-机械性能
-热性能。
下面的表格显示了导电填料的一些类型和所产生的复合聚合物的一些性能：
也可以使用其他类型的导电填料：
-金属纤维
-金属化的矿物颗粒
-本征导电聚合物颗粒。
除了控制复合聚合物的导电性，导电填料的材料还可以影响复合聚合物的某些机械性能或者热性能并且使其更结实(碳纤维)或者使其成为更好的热导体(金属填料)。导电填料的材料还可以提供给复合聚合物新的功能(见下文的电活性)，例如压电效应(陶瓷)或者压电电阻效应(炭黑)。
III)电活性聚合物
该材料可以实现电活性元件，该电活性元件是特别需要提供给要制造的具有机械感知和执行能力的物体的。可以实现两大类型元件：
1)传感器(接触传感器，压力传感器等)；和/或
2)执行装置(触觉震动执行装置、弯曲执行装置、线性执行装置等)。
根据本发明的方法特别地使用电活性聚合物(EAPS)作为机电换能器。轻的并且柔性的聚合物可以通过改变尺寸和形状来响应电刺激(执行装置模式)。也可以在机械应变的作用下将电活性聚合物极化(传感器模式)。
有两种主要类型的电活性聚合物：电子类型和离子类型。
A)电子聚合物(电子EAPS)由外部电场激活。通常，电子聚合物位于两个电极之间(例如基于导电聚合物)，以便在其中应用电场，例如为了测量其极化或者电压。电场使得电子聚合物受到电极化所产生的力(内力)并且受到施加在电极上的库仑力(外力)。所述两种力导致尺寸的变化(横向收缩＝>纵向扩张)，如图1a所示。
电子聚合物类型包括显示出不同内在电气性能和激活过程的子类型。
-铁电聚合物
-驻极体
-介电弹性体
-接枝电致伸缩弹性体(Elastomère électrostrictif greffé)
-电活性纸(Papier électroactif)
-电粘弹性弹性体(Elastomère électroviscoélastique)
-液晶弹性体LCE(liquid cristal elastomer)
B)离子聚合物(离子EAPS)是基于电场所引起的离子材料或者分子材料中的扩散的。该离子扩散或者分子扩散引起材料尺寸上的变化(电极的收缩/扩张＝>整体结构的弯曲)如图1b所示。使用此类聚合物的执行装置包括两个由固体(或者液体)聚合物电解质相分离的电极，在两个电极之间应用电压(例如基于导电聚合物)。
离子聚合物类型也包括利用不同物理或者化学原理的子类型。
-离子凝胶
-离子复合材料(异丙基氯化汞(IPMC))
-离子导电聚合物(CP)
-碳纳米管
-电流变液。
所述两种电活性聚合物的类型显示出不同的机电性能，其决定了电活性聚合物的性能：
-机电耦合系数，其显示了将电能转化为机械能的能力；
-激活电场，其为促使尺寸改变的最小电场；
-最大形变，其显示了(纵向)尺寸上的最大变化；
-聚合物能够应用的最大压力；
-杨氏模量，其显示了材料的刚度/弹性；
-能量密度，其显示了材料的每周期和每单位体积的最大机械能；
-响应时间；
-使用期限。
下面的表格总结了每个类型的主要优点和缺点。
下面的表格为电活性聚合物的每个种类型和部分电活性聚合物子类型提供了适合熔融沉积成型的材料示例。
用于实现电极的材料的选择也很重要。为了提供在用于电场的最优化应用的导电性与伴随机电一体化聚合物的尺寸变化所需要的弹性之间的最佳折中，我们使用掺杂了导电填料的弹性体聚合物(参看导电聚合物章节)。
例如，可以利用位于两个用HDPE聚合物实现的导电电极之间的AFC或者MFC聚合物来实现触摸执行装置(振动器)。
一旦在制造过程中要用的聚合物被选择，下一步即为通过软件自动生成3D物体模型。
模型的产生基于：
-预定的要实现的物体的机电一体化功能；
-聚合物的选择；以及
-用户以用户界面的方式来输入的基本规格。用户输入的基本信息的类型：手环、触觉震动、手腕的尺寸等。
软件然后负责建议主机械结构以及计算电子线路和其他元件的尺寸并且定位电子线路和其他元件。
元件尺寸的测定与所使用的聚合物的机械、电气、和电活性性能，人为因素(精神物理因素，感觉阈值等)以及用户所规定的功能有关。
物体制造过程中多种电子元件的同时使用，要求电通道的最佳路由。除了电气性能，软件也考虑物体的机械和结构性能(弯曲点，刚度等)。
设计软件经过下面的流程：
-通过考虑工效学因素来定位执行装置/传感器：物体的外部结构(手环，要扣紧的物体等)，用户的形态(身高，体型等)，刺激区域，敏感度(触摸)，相对的和绝对的知觉阈值等。
-通过考虑精神物理和机电因素来测定执行装置/传感器的尺寸；
-通过考虑机械的、机电的和工效学因素来测定主机械结构的尺寸和塑造主机械结构：机械和热传递，形变/振动强度，结构整合等。
-通过考虑电子和电气因素来选择电路由：通道/电极的导电性、通道之间的影响、电通道的路由选择。
例如，为了给手环增加触觉震动功能，软件考虑最小的并且相对于手腕的触觉感知阈值。根据阈值，软件确定振动元件所应该应用的感知强度。软件然后测定中间聚合物(如图1a和1b所示放置于电极之间的聚合物)的尺寸，例如AFC或者MFC，以及刺激电极以产生需要的压力。然后将整体自动放置在手环的内表面以便与用户的手臂相接触。
为了给小物体增加触觉压力传感器，所述软件考虑所应用的接触位置和力量范围以便利用压电导电聚合物(HDPE或PMMA)在物体表面上生成2D图案。图案的变形导致导体电阻率的变化，该电阻率允许测量作用力。
因此而获得的3D物体的模型发送到特殊的打印机，该打印机将其切片并且将聚合物逐层沉积以获得最终的3D物体。根据本发明，某些层包括如图2所示的多种聚合物(掺杂区域，无掺杂区域)并且可以是有缝隙的(表面不是完全覆盖的)。
3D打印利用熔融沉积成型(FDM)。值得一提的是成型过程在于熔化聚合物纤维以续供到温度加热到160℃至270℃之间的沉积头(或者喷嘴或者挤压器)。直径大约为0.1毫米的熔化的聚合物的细流由此输出。该细流沉积为线并且通过再次熔化结合在先前的沉积物上面。
可以利用两个熔融沉积策略来实现机电物体。
第一个沉积策略在于利用常见的熔融沉积成型3D打印机，但是使用多个沉积头(也称为喷嘴)而不是只有一个，每个头用于不同聚合物的沉积。两个沉积头中最小的一个需要沉积导电材料和绝热材料。该配置可以实现机械结构和被动元件(导电通道，电阻式压力传感器/接触传感器等)。另一个沉积头的增加允许沉积电活性聚合物以实现主动换能器例如触觉震动执行装置或者弯曲执行装置。每个沉积头的运行温度取决于沉积的聚合物的熔点。因此必须选择一组具有相似熔点的聚合物(介电的、导电的和电活性的聚合物)。
第二个沉积策略在于利用基础模版(即基础介电聚合物)并且在沉积时用带电颗粒将其填充。根据注入颗粒的本性，聚合物获得各种导电或者机电性能。该方法使得更好地控制了掺杂过程并且因此更好地控制了沉积材料的电气(电导率、电阻率)、机械(刚度/弹性)、热(传导性)以及机电性能(机电耦合系数等)。该方法的优点是利用相同的基础聚合物以实现物体的整体，其可以避免化学相容性以及不同聚合物之间的不同熔点的问题。特别地，相对于掺杂物的机械性能，基础聚合物的机械性能保持优势。
为此，我们使用装备有沉积头的熔融沉积成型3D打印机。单独的沉积头1在测量中是足够的，在该测量中沉积头1与如图2所示的用颗粒掺杂或者填充的装置2相连接；其为间隙掺杂以便在相同的层上获得不同的聚合物。该装置为位于主沉积头的加热装置的前面或者后面的颗粒的喷头(例如利用压力)。
可以使用连接到各自的掺杂装置的多种掺杂头以便注入不同类型的颗粒。
通过这种方式在可以制造的机电一体化物体中，我们可以举例：刚性的或者柔韧的机械结构(手环)、电路板、传感器(例如应变计)、皮肤电电感传感器、热探针、执行装置(例如扬声器、振动器、线性执行装置)或者电子元件(例如电阻、电容或者电感)。
所述制造方法可以特别地利用材料元素和/或软件来实施。该制造方法可以作为计算机程序产品来使用，该计算机程序包含执行制造方法的步骤的代码指令。该程序记录在计算机可读介质中。所述介质可以是电子的、磁性的、光学的、电磁的或者可以是红外型传播介质。这种介质的示例为半导体存储器(随机存取存储器RAM、只读存储器ROM)、磁带、软盘或者磁性或光盘(光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读取/写入(CD-R/W)以及DVD)。
尽管本发明结合特定的实施方案来描述，显而易见的是并非旨在限制本发明并且本发明包括所有与所描述方法同等的技术，以及其组合如果后者属于本发明的范围。

Claims (6)

1.一种制造具有预定的机电一体化功能的3D机电一体化物体的方法，其作为元件包括至少一个传感器和/或一个执行装置，经由导电通道连接到传感器和/或执行装置的电子线路，所述元件位于主机械结构中，并且该机电一体化物体包含具有不同电子和/或电活性性能的多种聚合物，所述方法的特征在于其包括如下步骤：
-根据聚合物的熔化温度、化学相容性、电性能和/或电活性性能来确定所述聚合物；
-基于物体的预定的机电一体化功能、所述聚合物的性能以及物体的规格来确定物体的3D数字模型，包括其形状和通道路由；
-根据生成的模型，在相同的成型步骤中，通过沉积出熔化聚合物层的方式，3D打印出传感器和/或执行装置、电子线路以及主结构，所述层由多种聚合物制成，所述层的沉积通过至少一个用于基础聚合物(1)并且连接到掺杂装置(2)的头来实现，该掺杂装置(2)能够通过间隙掺杂的方式向基础聚合物中注入带电颗粒以获得不同的聚合物。
2.根据前述的权利要求所述的制造3D机电一体化物体的方法，其特征在于熔化的聚合物层通过多个沉积头的方式来沉积，每个头用于不同的聚合物。
3.根据前述的权利要求所述的制造3D机电一体化物体的方法，其特征在于至少一个头用于介电聚合物并且至少另一个头用于导电聚合物。
4.根据前述的权利要求中的一项所述的制造3D机电一体化物体的方法，其特征在于主机械结构包括连接器。
5.根据前述的权利要求所述的制造3D机电一体化物体的方法，其特征在于连接器可以控制。
6.一种计算机程序产品，所述计算机程序包括代码指令，其使得当所述程序在计算机上执行时能够执行根据权利要求1至6的其中一项所述的方法的步骤。
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