JP2017510713A - 金属材料の３次元印刷 - Google Patents

Abstract

金属オブジェクトを印刷する方法は、印刷するためにオブジェクトのパラメータを提供するステップと、オブジェクトを形成するためにアマルガムを含む流体金属材料の堆積を制御するステップとを含んでなり、流体金属材料の少なくとも外面領域は堆積後に固体領域に変換される。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元印刷、特に、金属材料の３次元印刷に関する。

［関連出願］
本出願は、２０１４年２月３日に出願された米国仮特許出願第６１／９３５０８７号に対する優先権を主張し、その開示は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。

近年、ラピッドプロトタイピングのための３次元（３Ｄ）印刷ツール（付加製造（additive manufacturing）としても知られる）に対する商業的関心が高まってきているが、これらのツールは主にプラスチックに焦点を置く。付加製造ツールは、材料の「ピクセル」を層毎にパターニングして３次元（３Ｄ）オブジェクトを生成する。３Ｄ印刷の魅力は、コンピュータ上で概念化されるオブジェクトを迅速に試作することができるという点である。同様に、コンピュータに３Ｄスキャンされるオブジェクトのレプリカを生成することができる。３Ｄ部品が完成するまで層毎に溶融ポリマーを押出成形する一般的なＭａｋｅｒｂｏｔ（商標）（ニューヨーク州ニューヨーク）を含む、多くの例がある。

大部分の３Ｄプリンタはプラスチックのみを扱う。金属部品は、金属粉末の層を一度に１層、選択的に焼結することにより、３Ｄ印刷することができるが、この方法では、解像度の低い部品を製造するために、金属の（取り散らかる）「粉末」を溶解するように大きい局所的な温度逸脱をもたらすために、高価なレーザライタ又は電子ビームシステムが必要である。これらの機器は、高価でありかつ操作が困難である。金属を３Ｄ印刷することに対して同様の手法は、金属粒子を含む有機材料（例えば、ポリマー）をパターニングし、そして、有機バインダを焼き飛ばし、したがって粒子を焼結する。これらのプロセスはともに共通の特徴を有し、すなわち、高温が必要でありかつ不十分な解像度で粗い部品を製造する。

近年、金属処理において、マクロスケール及びナノスケールの両方での金属部品の迅速製造（rapid fabrication：ラピッドファブリケーション）を可能にする開発がなされた。プロセスは、アモルファス金属合金に刻印するか又はアモルファス金属合金を成形することによって作用する。これらのプロセスは、マクロスケールの形体及びナノスケールの形体の両方を複製することができる。このようなプロセスでは、必要な温度が、従来の金属処理に比較して比較的「低い」が、これらのプロセスは、依然として数百度を必要とし、一般に、３Ｄ印刷とは見なされない。最近では、金属に変換することができる金属−有機インク前駆体を用いて、かつ軟質ポリマー基材によって支持される金属薄膜を直接エンボス加工することによって、金属ナノ構造体をパターニングする開発もなされたが、これらのプロセスには、一般に、３Ｄ印刷の柔軟性及び他の利点がない。水等の溶媒に金属粒子のコロイド分散体を印刷する開発もなされた。溶媒は印刷中に蒸発し、最終的に熱又は光を用いて焼結することができる金属の粒子を残す。

幾つかの実施形態では、金属オブジェクトを印刷する方法は、印刷のためにオブジェクトのパラメータを準備するステップと、オブジェクトを形成するためにアマルガムを含む流体金属材料の堆積を制御するステップとを含む。流体金属材料の少なくとも外面領域は、堆積後に固体領域に変換される。

幾つかの実施形態では、流体金属材料の堆積を制御するステップは、材料の圧力及び／又は流量を制御すると同時に、材料の堆積位置を、堆積した材料がオブジェクトを形成するように制御することを含む。流体金属材料の堆積を制御するステップは、材料の第１の部分を堆積させることと、第１の部分の外面領域が固体領域に変換された後に、第１の部分の上に材料の第２の部分を堆積させることとを含む。流体金属材料の堆積を制御することは、ノズルから流体金属材料の流れを堆積させることを含むことができる。オブジェクトは、流体金属材料の流れによって形成される基材の上の電気的接続部を含むことができる。幾つかの実施形態では、流量を制御すると同時に材料の堆積位置を制御することは、流体金属材料の小滴を堆積させ、それにより３次元構造体を形成することを含む。流体金属材料の小滴を堆積させることは、合わせて３次元オブジェクトを形成する接続された小滴の積層体を堆積させることを含みうる。小滴は、直径が約１マイクロメートルから１ｍｍでありうる。

幾つかの実施形態では、固体領域は、流体金属材料の酸化領域を含む。

幾つかの実施形態では、流体金属材料は約６０℃以下の温度で流体である。

幾つかの実施形態では、流体金属材料は、ガリウム、水銀又はそれらの合金からなる群から選択される。

幾つかの実施形態では、オブジェクトは３次元金属構造体を含み、本方法は、３次元金属構造体に隣接して３次元ポリマー構造体を堆積させるステップを更に含む。

幾つかの実施形態では、流体金属材料は、流体金属材料リザーバと流体金属材料を定量吐出する出口とを有する堆積システムによって堆積する。

幾つかの実施形態では、流体金属材料はアマルガムを含み、この材料は混合要素を用いて堆積する。

幾つかの実施形態では、金属オブジェクトを印刷するシステムは、流体金属材料リザーバとアマルガムを含む流体金属材料を定量吐出する出口とを有する堆積システムと、堆積システムによる流体金属材料の堆積を、固体構造体を形成するように制御し、それによって、流体金属材料の少なくとも外面領域が堆積後に固体領域に変換されるようにするよう構成されたコントローラとを備える。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。

幾つかの実施形態による流体金属材料定量吐出システムの概略図である。 幾つかの実施形態によるシリンジから押出成形される金属ワイヤの画像である。 図３Ａ〜図３Ｇは、幾つかの実施形態による方法を用いて形成される金属構造体の画像である。 幾つかの実施形態による金属ワイヤのワイヤ円周の関数としての引張力のグラフである。 幾つかの実施形態による様々な圧力で形成されたワイヤの像である。 図５Ａ〜図５Ｄは、幾つかの実施形態による可撓性構造体の上に形成されたワイヤの画像である。 幾つかの実施形態による成形されたアマルガムの画像である。 幾つかの実施形態による方法、システム及びコンピュータプログラム製品を示すシステム図である。

これより、本発明について、本発明の実施形態が示される添付図面及び実施例を参照して以下において説明する。しかし、本発明は多くの異なる形態で具現することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。そうではなく、これらの実施形態は、本開示が完全かつ完璧なものになり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供される。

同様の符号が、全体を通して同様の要素を指す。図面において、或る特定のライン、層、構成要素、要素又は特徴の厚みは、明確性のために誇張されている場合がある。

本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とし、本発明の限定を意図するものではない。本明細書において用いられる場合、文脈によりその他の場合が明らかに示される場合を除き、単数形（the singular forms "a", "an" and "the"）は、複数形も包含することを意図される。本明細書において用いられる場合、用語「備える、含む（comprise）」及び／又は「備えている、含んでいる（comprising）」が、述べられている特徴、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外しないことが更に理解されよう。本明細書において用いられる場合、用語「及び／又は（and/or）」は、関連付けられて列挙された項目のうちの１つ又は複数の任意及び全ての組み合わせを含む。本明細書において用いられる場合、「Ｘ〜Ｙ（between X and Y）」及び「約Ｘ〜Ｙ（between about X and Y）」等の句は、Ｘ及びＹを含むと解釈されるべきである。本明細書において用いられる場合、「約Ｘ〜Ｙ（between about X and Y）」等の句は、「約Ｘ〜約Ｙ（between about X and about Y）」を意味する。本明細書において用いられる場合、「約ＸからＹ（from about X to Y）」等の句は、「約Ｘから約Ｙ（from about X to about Y）」を意味する。

他に規定のない限り、本明細書において用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者により一般に理解される意味と同じ意味を有する。一般に用いられる辞書において定義される用語等の用語が、本明細書の文脈及び関連する技術分野での意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において、理想化された、又は過度に形式張った意味で明確に定義される場合を除き、そのような意味で解釈されるべきではないことが更に理解されよう。既知の機能又は構造については、簡潔及び／又は明確にするように詳細に説明しない場合がある。

要素が、別の要素「の上に（on）」、別の要素に「取付けられる（attached）」、別の要素に「接続される（connected）」、別の要素に「結合される（coupled）」、別の要素に「接触する（contacting）」等であるとして参照されるとき、その要素は、他の要素の真上にあり得る、他の要素に直接取付けられ得る、他の要素に直接接続され得る、他の要素に直接結合され得る、若しくは、他の要素に直接接触し得る、又は、介在要素もまた存在することができることが理解されるであろう。対照的に、或る要素が、例えば、別の要素「の真上に（directly on）」、別の要素に「直接取付けられる（directly attached）」、別の要素に「直接接続される（directly connected）」、別の要素に「直接結合される（directly coupled）」、又は、別の要素に「直接接触する（directly contacting）」として参照されるとき、介在要素は全く存在しない。別の特徴部に「隣接して（adjacent）」配設される構造又は特徴部に対する参照は、隣接する特徴部にオーバラップするか又はその下にある部分を有する場合があることも当業者によって認識されるであろう。

「の下に（under）」、「の下に（below）」、「の下側の（lower）」、「の上に（over）」、「の上側の（upper）」等のような空間的に相対的な用語は、図に示す、１つの要素又は特徴部の、別の要素（複数の場合もある）又は特徴部（複数の場合もある）に対する関係を述べるため、説明の容易さのために本明細書において使用することができる。空間的に相対的な用語は、図に示す向きに加えて、使用中又は動作中の装置の異なる向きを包含することが意図されることが理解されるであろう。例えば、図における装置が反転される場合、他の要素又は特徴部「の下に（under）」又は「の下に（beneath）」として述べられる要素は、他の要素又は特徴部「の上に（over）」向けられることになる。そのため、例示的な用語「の下に（under）」は、「の上に（over）」の向きと「の下に（under）」の向きの両方を含みうる。装置は、その他の方法で（９０度回転して又は他の向きに）向けることができ、本明細書で使用される空間的に相対的な記述語（descriptor）は、相応して解釈される。同様に、用語「上方に（upwardly）」、「下方に（downwardly）」、「垂直な（vertical）」、「水平な（horizontal）」等は、別途特に指示されない限り、説明だけのために本明細書で使用される。

用語「第１の（first）」、「第２の（second）」等は、種々の要素を述べるのに本明細書で使用することができるが、これらの要素は、これらの用語によって制限されるべきでないことが理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素と別の要素とを区別するのに使用されるだけである。そのため、以下で論じる「第１の（first）」要素は、本発明の教示から逸脱することなく、「第２の（second）」要素とも呼ばれ得る。動作（又はステップ）のシーケンスは、別途特に指示しない限り、特許請求の範囲又は図に提示される順序に限定されない。

本発明は、本発明の実施形態による、方法、装置（システム）、及び／又はコンピュータプログラム製品のブロック図及び／又はフローチャート図を参照して以下で述べられる。ブロック図及び／又はフローチャート図の各ブロック、並びにブロック図及び／又はフローチャート図のブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実装することができることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、機械を作り出すように汎用コンピュータ、専用コンピュータ、及び／又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサ又は回路（複数の場合もある）に提供することができ、それにより、コンピュータ及び／又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサによって実行される命令は、ブロック図及び／又は１つ又は複数のフローチャートブロックで指定される機能／行為を実装させる手段を生成する。

これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ可読メモリに記憶することができ、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置に特定の方法で機能するよう指示することができ、それにより、ブロック図及び／又は１つ又は複数のフローチャートブロックで指定された機能／行為を実装する命令を含む、コンピュータ可読メモリに記憶された命令は、製造品を生成する。

コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置上にロードされて、コンピュータ実装式プロセスを生成するように一連のオペレーションステップをコンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実施させることができ、それにより、コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行される命令は、ブロック図及び／又は１つ又は複数のフローチャートブロックで指定される機能／行為を実装するためのステップを提供する。

したがって、本発明は、（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む）ハードウェア及び／又はソフトウェアにより具現化することができる。さらに、本発明の実施形態は、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読の非一時的な記憶媒体上のコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。この非一時的な記憶媒体は、命令実行システムが使用するように又は命令実行システムと接続して使用するようにコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読のプログラムコードが媒体内で具現化されている。

コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読の媒体は、例えば、電子、光、電磁、赤外線、若しくは半導体のシステム、装置、又はデバイスでありうるが、それらに限定されない。コンピュータ可読媒体のより具体的な例（非網羅的なリスト）は、１つ又は複数の配線を有する電気接続、可搬型コンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、光ファイバ、及び、可搬型コンパクトディスク読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）を含みうる。

幾つかの実施形態では、流体金属材料を、３次元構造体を形成するように堆積させる。堆積後、流体金属材料の少なくとも外面領域を固体領域に変換する。

図１に示すように、３次元（３Ｄ）印刷システム１００が示されている。３Ｄ印刷システム１００は、内部に流体を有する流体リザーバ１０４に接続されている流体ディスペンサ１０２を含む。システム１００はまた、堆積基材１０６も含み、ディスペンサ１０２により、基材１０６の上に３Ｄ金属オブジェクト１０８を複数の層１０８Ａ〜１０８Ｃで堆積させることができる。コントローラ１２０が、ｘ−ｙ−ｚ平面における基材１０６に対するディスペンサ１０２の移動を制御して、２次元形状又は３次元形状で材料１０８を定量吐出する。

本発明による実施形態は、システム１００に関して例示されているが、他の構成を使用することができることを理解するべきである。例えば、コントローラ１２０は、ディスペンサ１０２の移動を制御するものとして示されているが、幾つかの実施形態では、ディスペンサ１０２を固定することができ、３Ｄオブジェクト１０８を定量吐出するために、コントローラ１２０によってディスペンサ１０２に対して基材１０６を移動させることができる。さらに、異なるか又は同様の流体を含む追加の流体リザーバを使用することができる。幾つかの実施形態では、１つ又は複数のリザーバから同じか又は異なる流体を堆積させるために、２つ以上のディスペンサ１０２を採用することができる。例えば、幾つかの実施形態では、ディスペンサ１０２を用いて、本明細書に記載するように金属材料を堆積させることができ、別のディスペンサ（図示せず）を用いて、絶縁材料等、ポリマー又は他の材料を堆積させて、例えば、金属材料用の足場又は支持体を生成することができる。このようなディスペンサを互いに接続して互いに同時に移動させることができ、又は別個に制御可能とすることができる。

幾つかの実施形態では、ディスペンサ１０２は、定量吐出される材料の割合及び／又は量を制御する圧力制御部を備えたシリンジである。シリンジは、同時に基材から引き戻されるニードルから、液体金属を押し出すことができる。金属は、その表面に迅速にかつ自然に発生する薄い（例えば、約１ｎｍ厚さの）酸化物層又は被膜によって機械的に安定化することができる。特定の実施形態では、定量吐出された材料のサイズ及び／又は形状は、定量吐出されている材料の量（それは、体積変位（volumetric displacement）によって、又は所与の長さの時間、材料が定量吐出される圧力を制御することによって、制御することができる）、定量吐出される割合、堆積中のディスペンサ１０２の移動、及び材料自体の特性を制御することによって、制御することができる。インクジェットディスペンサを含む任意の適切なディスペンサを使用することができる。したがって、ディスペンサ１０２によって定量吐出されている材料の量及び／又は割合、及び／又は基材１０６に対するディスペンサ１０２の移動を制御するように、コントローラ１２０を構成することができる。幾つかの実施形態では、コントローラ１２０は、２つ以上のディスペンサ若しくは定量吐出ノズル、及び／又は２つ以上の流体リザーバからの流体流を更に制御して、２種以上の流体材料の堆積を制御することができる。幾つかの実施形態では、例えば形成の速度を上昇させるために、複数のディスペンサを使用することができる。

幾つかの実施形態では、流体リザーバ１０４は、流体金属材料を含む。流体金属材料は、室温より高く加熱される可能性があるが、ガリウム、水銀又はそれらの流体金属合金等、室温で流体である金属材料を使用することができる。

図２は、基材からシリンジが引き戻されると同時にガリウム又は水銀等の液体金属を押し出す、一続きの４枚の画像を示す。金属の表面に酸化物被膜が形成されて、液体金属を安定化させかつ細長い金属構造体を形成する。幾つかの実施形態では、例えば電気回路において、図２に示すように形成される細長い金属構造体を電気接点に接続して金属ワイヤを形成することができる。限定しない例として、直径が約２００μｍである少なくとも１センチメートルの自立構造のワイヤが形成されている。ノズルの直径によってワイヤの直径を決めることができる。約２μｍ／秒〜２００μｍ／秒の延伸速度で、直径が３０μｍ〜２００μｍのワイヤが形成された。

図２におけるワイヤを形成するプロセスは、シリンジの先端に金属のビードを形成することを含む。金属は、圧力下にあるが、酸化物被膜の安定化する影響により、シリンジから流れ出ない。シリンジ内の圧力を上昇又は低下させることなく、金属が基材等の表面と接触するときにワイヤが形成され、シリンジの先端は引き戻る。酸化物被膜はシリンジのノズルから基材にわたるため、ノズルと基材との間の距離を増大させることにより、ワイヤの軸に沿って引張力が発生し、それは、被膜をもたらし、かつワイヤを伸長させる。液体金属の圧力により、不安定化する毛管力が、新たな被膜が形成されるのに十分長く抑制され、それにより、ワイヤが機械的に安定化する。

ワイヤを引き伸ばすのに必要な引張力を測定した。押し出された直線状ワイヤを、均一な厚さの酸化物の薄い半径方向に対称的なシェルでコーティングされた円筒体としてモデル化した。以下の方程式１を用いて、酸化物シェル内の引張応力を近似することができ、式中、Ｆは加えられる力であり、ｒは押し出されたワイヤの最小半径であり、σは引張表面降伏応力である。
方程式１ Ｆ＝２πｒσ

（例えば、３２ゲージニードルの）較正されたカンチレバーのたわみによって、ワイヤの引張力を測定した。カンチレバーの端部において様々なサイズの液滴によってかけられるたわみを測定することによって、力を較正し、そして、ワイヤを引っ張りながら、ニードルのたわみを測定した。図４Ａは、ワイヤの最小円周の関数としての力を示す。当てはめられた直線の勾配は０．７７Ｎ／ｍであり、それは、せん断時に測定された酸化物の臨界表面降伏応力（約０．５Ｎ／ｍ）の事前に報告された値と同様である。この値は、液体の表面積を増大させることに関連する表面張力の影響も含むことができる。台とシリンジとの間の距離を増大させることにより、ワイヤを伸長させる引張力が発生する。

したがって、図２のワイヤを形成するために、酸化物被膜は、概して、ワイヤを伸長させる引張モードで降伏し、液体金属は、伸長中に液体が崩壊するのを低減させるか又は防止するために圧力下にあり、ワイヤ内部の圧力は、ファイバが半径方向に隆起するほど高いものであるべきではない。金属がネッキングを発生させるか、隆起するか、又は安定したワイヤ形成する圧力の範囲を求めた。図４Ｂは、加えられる圧力の関数として液体金属ワイヤの機械的安定性を示す（円形：ネッキング、三角形：安定したワイヤ、矩形：隆起）。挿入画像は、ネッキングが発生した、安定化した、隆起したワイヤを形成するガラス毛細管を示す。低圧では、ワイヤはネッキングを発生し、より高い圧力では、ワイヤは隆起する。ワイヤは、約５ｋＰａの圧力、又は製作されたワイヤの半径に対する酸化物被膜の降伏応力値で、隆起を開始する。最小の正圧を使用することができ、それは、酸化物被膜が迅速に再形成され、毛管力に対してワイヤを安定化することを意味する。これらの例示的なパラメータは、特定のシステム及びワイヤの組に対して特定とすることができ、他のシステムに関して他のパラメータを使用することができることを理解するべきである。さらに、下にある基材に対して垂直であり、又は基材表面に対して平面にある（平行である）ワイヤを形成することができる。例えば、電気部品を異なる高さで接続するように、或る角度で延在するワイヤ接続部を作製することもできる。

ワイヤを押出成形することに加えて、１）金属を迅速に放出して安定した液体金属フィラメントを形成し、２）液滴を積層し、３）マイクロチャネル内に金属を注入し、任意選択的にチャネルを化学的に除去することにより、自立構造の液体金属構造体及び微細構造体を形成することができる。例えば、３Ｄ印刷されたポリマーチャネル等のチャネル内に、金属を注入するか又は堆積させることができる。金属がそのままである間に、チャネルを溶解するか又は化学的に除去することができる。

図３Ａ〜図３Ｇは、本明細書に記載するように直描パターニングすることができる自立構造の液体金属構造体の画像を示す。図３Ａ〜図３Ｃに、シリンジからの液体金属の迅速押出成形によって形成された金属ファイバを示す。図３Ａ及び図３Ｂは、（数１０ミリ秒に対して約６０ｋＰａの圧力のような）圧力のバーストを用いてシリンジから金属を迅速に放出することによって形成されている。任意の適切な圧力及びバーストのタイミングを使用することができることを理解すべきである。ファイバはまた、より大きい圧力で形成されるが、基材に達するときに破断する危険がある可能性がある。図３Ａにおいて、ファイバは、マイクロシリンジのニードルの先端から基材までわたり、図３Ｂに示すように、ファイバは、間隙の上に吊るされるのに十分強い。図３Ｃに示すように、アーチ構造体を形成することができる。このようなアーチ構造体は、例えば、電気回路におけるワイヤボンドとして使用することができる。図３Ａにおけるファイバは、表面に衝突すると自然にビードを形成し、それは、コンタクトパッドを形成するのに有用であり得る。

図３Ｃの構造体は、図２に示すものと同様に形成されるが、基材又は台の動きを用いてアーチに曲げられる。このプロセスを用いて、ワイヤ、アーチ及びブリッジ等、液体金属の３Ｄ微細構造体を製造することができる。

幾つかの実施形態では、液滴又は小滴を連続的に堆積させて３次元層を形成することができる。図３Ｄ〜図３Ｆは、３Ｄ構造体を印刷するために使用することができる小滴の積層体を示す。図３Ｆに示すように、アーチ構造体を形成することができる。図３Ｇは、本明細書に記載するようにディスペンサを用いて堆積させることができる線のアレイを示す。液滴は、（例えば、１ミリ秒〜２ミリ秒で２０ｋＰａ〜６０ｋＰａなどの）短いバーストの圧力を用いて形成され、別の液滴と接触するまで（例えば、背圧下で）シリンジの先端から吊り下げられたままである。液滴は、互いに接触すると、合体して１つのより大きい液滴になることなく物理的接点及び電気的接点を形成するように融合する。

液体金属の注入の後にマイクロ流体モールドを化学エッチングすることは、自立構造の導電性微細構造体を製造する別の方法を提供する。２００μｍの幅及び高さである１０巻のコイル状ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロチャネルに液体金属を注入した後、１．０Ｍテトラブチルアンモニウムフルオリド（ＴＢＡＦ）／ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）の溶液が、図３Ｇに示すように化学エッチングを介してＰＤＭＳを除去した。残っているパターニングされた金属線は、ポリマーケーシング（casing）を除去した後であっても、酸化物被膜により機械的安定性を維持したままである。したがって、ポリマー、エラストマー及びセラミック等の他の材料を用いる自立構造の液体金属構造体の封入を使用することができる。

図５Ａ〜図５Ｄは、伸長している及び／又は曲げられている間に機能することができる伸縮性電子回路用の液体金属ワイヤの応用を示す。ワイヤは、ＰＤＭＳに埋め込まれ、ワイヤのマイクログラフ（図５Ａ、挿入画）は、５ｍｍ分離された２つの表面実装ＬＥＤを接続する液体金属液滴から構成されたワイヤボンドを示す。ＬＥＤを接続する液体金属ブリッジは、その電気的連続性を喪失することなく、曲げられている間に（図５Ｃ及び図５Ｄ）ＰＤＭＳのひずみ限界（図５Ｂ、約３５％ひずみ）まで機能する。鋳造可能プラスチック、セラミック、樹脂及びゲル等、他のタイプの封入材料を使用することができることを理解されたい。さらに、幾つかの実施形態では、金属構造体と合わせて、従来のポリマー３Ｄ印刷構造体等、非金属構造体を形成することができる。

幾つかの実施形態では、リザーバ１０４内の流体金属材料は、例えば、直径が１ｎｍと１００マイクロメートルとの間である、ガリウム及び／又は水銀と混合される、銅、銀、クロム、金、白金、鉄及び／又はニッケル等の固体金属粒子を含みうる。このような金属材料は、アマルガムと呼ぶことができ、金属ペーストのコンシステンシを有することができる。このようなアマルガムは、堆積後に経時的に完全固体構造体を形成することができる。例えば、ガリウムは、経時的に金属粒子（例えば、金属ナノ粒子又はマイクロ粒子）と相互に拡散し、剛性の、硬質の固体金属構造体を形成することができる。幾つかの実施形態では、アマルガムにわずかな量の熱を加えることにより、堆積中に液体を形成することができる。例えば、アマルガム材料は、周囲室温で又はそれよりわずかに超える温度から最大約６０℃又は７０℃又は８０℃以上に維持することができる。材料の材料特性は、組成、電位、温度、圧力及び温度等の変量を用いて制御することができる。

図３Ａ〜図３Ｇに示す金属材料は、相対的に（水の約２倍の）低粘度であるガリウムの液体金属合金であり、室温で成形して扱うことができ、そして、新たな合金の動的形成を介して硬化させることができる。金属の表面における薄い酸化物層により、重力及び液体の表面張力に対抗するのに十分強力な機械的に安定した構造体の形成を可能にすることができる。いかなる特定の理論にも拘束されることを望まずに、液体金属構造体を合わせて保持するのに役立つように、金属の外側に酸化物を形成することができる。そして、金属は、例えば、固体への液体の拡散及び／又は液体への固体の拡散によって、固体になり、新たな合金を形成することができる。堆積後に材料の凝固点（freezing point：氷点）未満まで金属を冷却することにより、金属を固体として形成することもできる。

図６は、成形の後に凝固する銀粒子と混合されたガリウムを含む成形アマルガムを示す。図６に見ることができるように、アマルガム材料の優れた解像度を達成することができる。幾つかの実施形態では、アマルガム材料は、本明細書に記載するように３次元で印刷することができる。特定の実施形態では、基材の上に所望の量の材料を物理的に押し出すように、材料の体積変位によってアマルガム材料を堆積させることができる。アマルガム材料の層毎の堆積を用いて、本明細書に記載するように３Ｄ印刷オブジェクトを形成することができる。

アマルガム材料は、通常、液体と混合される金属粉末から形成される。適切な粉末及び液体の例としては、液体ガリウム及び／又は水銀と混合される、銅、銀、クロム、金、白金、鉄及び／又はニッケルの粉末が挙げられる。特定の実施形態では、堆積中にアマルガムを形成することができる。例えば、基材の上に金属粉末を堆積させた後、アマルガムの液体成分を堆積させ、それにより、金属粉末及び液体成分の混合と空気への暴露とにより固体アマルガムが形成される。過剰な金属粉末は、除去することができる。３Ｄオブジェクトを形成するために、液体成分の層毎の堆積中に、基材に更なる金属粉末を追加することができる。

幾つかの実施形態では、堆積システムは、堆積中に液体材料内に金属粒子の混合物を維持するために、ディスペンサニードル又はリザーバ内に配置されるオーガ（ロッド又はらせん状の細長い要素）等、ミキサを使用することができる。オーガ等の混合要素を用いて、堆積中の分離問題を低減させるか又はなくすことができる。

図７は、例えば図１における３Ｄプリンタシステム１００を制御するために、本発明の幾つかの実施形態によって動作する装置に含めることができる例示的なデータ処理システムを示す。図７に示すように、動作を実行するか又は指示するために使用することができるデータ処理システム２００は、プロセッサ２１６、メモリ２３６及び入出力回路２４６を含む。データ処理システム２００は、ポータブル通信デバイス、及び／又はサーバ等のネットワークの他のコンポーネントに組み込むことができる。プロセッサ２１６は、アドレス／データバス２４８を介してメモリ２３６と通信し、アドレス／データバス２４９を介して入出力回路２４６及び／又は３Ｄ印刷システム１００と通信する。入出力回路２４６を用いて、メモリ（メモリ及び／又は記憶媒体）２３６と３Ｄ印刷システム１００等の別のコンポーネントとの間で情報を転送することができる。これらのコンポーネントは、本明細書に記載するように動作するように構成することができる、多くの従来のデータ処理システムで使用されるもの等の従来のコンポーネントでありうる。

特に、プロセッサ２１６は、市販又はカスタムマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ等でありうる。メモリ２３６は、本発明の実施形態に従って使用される機能回路又はモジュールを実装するために使用されるソフトウェア及びデータを収容する任意のメモリデバイス及び／又は記憶媒体を含みうる。メモリ２３６は、限定されないが、以下のタイプのデバイス、すなわち、キャッシュ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ及び磁気ディスクを含みうる。本発明の幾つかの実施形態では、メモリ２３６は、連想メモリ（ＣＡＭ）でありうる。

図７に更に示すように、メモリ（及び／又は記憶媒体）２３６は、データ処理システムで使用されるソフトウェア及びデータの幾つかのカテゴリ、すなわち、オペレーティングシステム２５２、アプリケーションプログラム２５４、入出力デバイス回路２４６及びデータ２５６を含みうる。当業者には理解されるように、オペレーティングシステム２５２は、ＩＢＭ（商標）、ＯＳ／２（商標）、ＡＩＸ（商標）若しくはｚＯＳ（商標）オペレーティングシステム又はＭｉｃｒｏｓｏｆｔ（商標）Ｗｉｎｄｏｗｓ（商標）オペレーティングシステム、Ｕｎｉｘ又はＬｉｎｕｘ（登録商標）等、データ処理システムと使用するのに適している任意のオペレーティングシステムとすることができる。入出力デバイス回路２４６は、通常、様々なデバイスと通信するためにアプリケーションプログラム２５４によってオペレーティングシステム２５２を通してアクセスされるソフトウェアルーチンを含む。アプリケーションプログラム２５４は、本発明の幾つかの実施形態による回路及びモジュールの様々な機能を実装するプログラムの例示的なものである。最後に、データ２５６は、メモリ２３６に常駐することができるアプリケーションプログラム２５４、オペレーティングシステム２５２、入出力デバイス回路２４６及び他のソフトウェアプログラムによって使用される静的データ及び動的データを表す。

データ処理システム２００は、３Ｄプリンタコントローラ２２０等を含む幾つかの回路又はモジュールを含みうる。モジュールは、３Ｄプリンタシステム１００を制御するために本明細書に記載した動作を実施するように他の方法で構成された単一モジュール又は追加のモジュールとして構成することができる。データ２５６は、形状データ２２６及び／又は例えば３Ｄプリンタシステム１００を制御するために使用することができる他のデータを含みうる。例えば、形状データは、オブジェクトに対して特定の形状を形成するための様々な流体圧力、移動等を含みうる。

図７では、本発明を３Ｄプリンタコントローラ２２０及び形状データ２２６に関して例示しているが、当業者には理解されるように、他の構成が本発明の範囲内にある。例えば、アプリケーションプログラム２５４であるのではなく、これらの回路及びモジュールは、オペレーティングシステム２５２、又はデータ処理システムの他のこうした論理区分に組み込むこともできる。さらに、図７における３Ｄプリンタコントローラ２２０は、単一のデータ処理システムで示されているが、当業者には理解されるように、このような機能は、１つ又は複数のデータ処理システムにわたって分散させることができ、及び／又は３Ｄ印刷システム１００と一体化することができる。したがって、本発明は、図７に示す構成に限定されるものとして解釈されるべきではなく、データ処理システム間の機能の他の配置及び／又は区分によって提供することができる。例えば、図７は様々な回路及びモジュールを有するものとして示されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの回路又はモジュールのうちの１つ又は複数を結合するか又は更に分離することができる。

上述した金属堆積技法を用いて、基板上の電気部品、ワイヤ、アンテナ、メタマテリアル、プラズモニック構造体、電極、ミラー、センサ及び機械的な補強要素の間の相互接続を形成することができることを理解されたい。

上記は、本発明の例示であり、限定として解釈されるべきではない。本発明の幾つかの例示的な実施形態について説明したが、本発明の新規の教示及び利点から実質的に逸脱せずに、多くの変更が例示的な実施形態において可能なことを当業者であれば容易に理解するであろう。したがって、全てのそのような変更は、特許請求の範囲において定義される本発明の範囲内に含まれることが意図される。したがって、上記が本発明の例示であり、開示された特定の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、開示された実施形態への変更並びに他の実施形態が、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。本発明は、均等物を含む以下の特許請求の範囲により定義される。

Claims (27)

1. 金属オブジェクトを印刷する方法であって、
   印刷のためにオブジェクトのパラメータを準備するステップと、
   前記オブジェクトを形成するためにアマルガムを含む流体金属材料の堆積を制御するステップと
   を含んでなり、
   前記流体金属材料の少なくとも外面領域が堆積後に固体領域に変換されるものである、方法。
2. 前記流体金属材料の堆積を制御するステップは、前記材料の圧力及び／又は流量を制御すると同時に、前記材料の堆積位置を、堆積した材料が前記オブジェクトを形成するように制御することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記流体金属材料の堆積を制御するステップは、前記材料の第１の部分を堆積させることと、該第１の部分の外面領域が固体領域に変換された後に、該第１の部分の上に前記材料の第２の部分を堆積させることとを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記流体金属材料の堆積を制御するステップは、ノズルから該流体金属材料の流れを堆積させることを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記オブジェクトは、前記流体金属材料の前記流れによって形成される基材の上の電気的接続部を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記流量を制御すると同時に前記材料の堆積位置を制御することは、前記流体金属材料の小滴を堆積させ、それにより３次元構造体を形成することを含む、請求項２に記載の方法。
7. 前記流体金属材料の小滴を堆積させることは、合わせて３次元オブジェクトを形成する接続された小滴の積層体を堆積させることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記小滴は、直径が１マイクロメートルから１ｍｍである、請求項７に記載の方法。
9. 前記固体領域は、前記流体金属材料の酸化領域を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記流体金属材料は６０℃以下の温度で流体である、請求項１に記載の方法。
11. 前記流体金属材料は、ガリウム、水銀又はそれらの合金からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
12. 前記オブジェクトは３次元金属構造体を含み、該方法は、該３次元金属構造体に隣接して３次元ポリマー構造体を堆積させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記流体金属材料は、流体金属材料リザーバと該流体金属材料を定量吐出する出口とを有する堆積システムによって堆積する、請求項１に記載の方法。
14. 前記流体金属材料は、混合要素を用いて堆積する、請求項１に記載の方法。
15. 金属オブジェクトを印刷するシステムであって、
    流体金属材料リザーバとアマルガムを含む流体金属材料を定量吐出する出口とを有する堆積システムと、
    前記流体金属材料の前記堆積を、固体構造体を形成するように制御し、それによって、前記流体金属材料の少なくとも外面領域が堆積後に固体領域に変換されるようにするよう構成されたコントローラと
    を備えてなるシステム。
16. 前記コントローラは、前記流体金属材料の圧力及び／又は流量を制御すると同時に、堆積した材料が前記オブジェクトを形成するように前記出口の堆積位置を制御することにより、該材料の堆積を制御するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記コントローラは、前記流体金属材料の第１の部分を堆積させ、該第１の部分の外面領域が固体領域に変換された後、該第１の部分の上に前記材料の第２の部分を堆積させるように、該材料の堆積を制御するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記コントローラは、ノズルから前記流体金属材料の流れを堆積させるように該流体金属材料の堆積を制御するように構成されている、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記オブジェクトは、前記流体金属材料の前記流れによって形成される基材の上の電気的接続部を含む、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記コントローラは、前記流量を制御すると同時に前記材料の堆積位置を制御して、前記流体金属材料の小滴を堆積させ、それにより前記３次元構造体を形成するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
21. 前記コントローラは、合わせて３次元オブジェクトを形成する接続された小滴の積層体で前記流体金属材料の小滴を堆積させるように構成されている、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記小滴は直径が１マイクロメートルから１ｍｍである、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記固体領域は、前記流体金属材料の酸化領域を含む、請求項１５に記載のシステム。
24. 前記流体金属材料は６０℃以下の温度で流体である、請求項１５に記載のシステム。
25. 前記流体金属材料は、ガリウム、水銀又はそれらの合金からなる群から選択されている、請求項１５に記載のシステム。
26. 前記オブジェクトは３次元金属構造体を含み、前記コントローラは、該３次元金属構造体に隣接して３次元ポリマー構造体の堆積を制御するように更に構成されている、請求項１５に記載のシステム。
27. 前記堆積システムは、堆積前に前記流体金属材料を混合するように構成された混合要素を更に備える、請求項１５に記載のシステム。