JP2019518633A - ３次元印刷によりメカトロニックシステムを製造する方法および装置 - Google Patents

３次元印刷によりメカトロニックシステムを製造する方法および装置 Download PDF

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Abstract

メカトロニックシステムの製造方法であって、
− 少なくとも１個の第１の電気絶縁材料（Ｍ１）の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により機械構造（ＳＭ）を製造するステップと、
− 前記機械構造の少なくとも１個の要素に接触し、且つ固定された少なくとも１個の電気部品（ＣＥ）を製造するステップとを含む方法において、
少なくとも１個の電気部品を製造する前記ステップが、機械構造の前記要素に直接接触する導電性または抵抗性の少なくとも１個の第２の材料（Ｍ２）の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により実行されることを特徴とする方法。上述の方法を実行する装置。上述の方法により製造可能なメカトロニックシステム。

Description

本発明は、メカトロニックシステムを製造する方法、そのような方法を用いて得られるメカトロニックシステム、およびそのような方法の実行に適した製造装置に関する。本発明は、付加製造技術とも呼ばれる３次元（３Ｄ）印刷技術に基づいている。本発明は極めて多くの用途、例えば、
− 着用可能な生理または活性センサ（心拍数、血中ブドウ糖等）、
− 理学療法装置、
− ２または３次元対話インターフェース、
− 接続された物体、
− その他、の製造に利用可能である。
今日、付加製造技術（または３Ｄ印刷）技術は様々な分野で顕著に成長しており、産業界、また個人の消費挙動に再び革命を起こそうとしている。広範な機械物体および構造を設計すべく、近年各種の方法が開発されてきた。これらの方法により、物体の局所的または大域的な機械特性、更には見栄え（例：色またはテクスチャ）をも制御することが可能になる。しかしこれらの方法は、環境を認識したり、環境に働きかけたりする機能を欠いた受動的な物体しか製造できない。
これらの物体を能動的にするには、現在は別個に製造されている電子部品および機能を、本質的に減殺法により当該物体に組み込み、次いで最終物体を製造する工業製造ラインで機械構造に組み立てる必要がある。電子機能を組み立て無しで非平面機械構造に組み込むことは困難である。
近年、多くの関係者が、いわゆる可撓または有機電子素子の製造にポリマー材料を利用することを提唱している。この方式の電子材料は比較的最近、すなわち１９７７年に最初の導電性ポリマーが開発され、１９８０年代中頃にこれらの材料を用いた最初の電子部品が現れて以降のものである。今日、有機エレクトロニクスにより、有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）、有機薄膜太陽電池（ＯＰＶ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、電気化学バイオセンサ、更には電気活性ポリマー（ＥＡＰＳ）を利用したアクチュエータ等、多くの電子部品の製造が可能になっている。このような電子部品を製造すべく、新たな方法が開発されており、現在そのいくつかが連続ストリップまたは回転印刷（フレキソ印刷、グラビア印刷等）のような工業規模で用いられている。３Ｄ印刷方法の一部を構成するインクジェット印刷（ＩＪＰ）およびエアゾールインクジェット印刷（ＡＪＰ）により、いくつかの有機電子材料、特にセンサを製造することが可能になり、現在この分野で注力されている研究テーマである［Ｍｕｔｈ，２０１４；Ｓｉｔｔｈｉ−Ａｍｏｒｎ，２０１５］。
しかし上述の方法は、平面基板上の部品または追加的な組み立て動作を要する部品しか製造せず［Ｒｏｓｓｉｔｅｒ，２００９］、従って、完全なメカトロニック３Ｄ構造の設計を考慮していない。最近、溶融フィラメント堆積（ＦＤＭ、「溶融堆積モデリング」）による３Ｄ印刷方法で導電性ポリマーを用いて３Ｄ物体上に圧力センサを印刷することが提案されている［Ｌｅｉｇｈ，２０１２］。また、アンテナ等の基本部品の印刷に機能性熱可塑性プラスチックを用いることも提案されている［Ｏ’Ｂｒｉｅｎ，２０１５］。
センサおよびアクチュエータ等、多くの用途のポリマーマトリクス複合材料の潜在的可能性が既に示されている［Ｃｏｉａｉ，２０１５］、［Ｄｅｎｇ，２０１４］。更に、ナノ複合材料、ナノ粒子（陽イオン性ナノクレイ、陰イオン性ナノクレイ、貴金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ等）の研究により、これらの材料の合成方法に対する理解が深まると共に当該方法の制御が向上している。特に、カーボン充填材が組み込まれた熱可塑性プラスチックは、例えば変形、力、温度、電気化学的（液体またはガス検出）センサ、および他の同様のセンサの製造に有望である。歪みゲージを製造可能にする、ＦＤＭプリンタで成長して一体化された金属芯（例えば銅）を有する複合材料および熱可塑性マトリクスも公知である（米国特許出願公開第２０１４／３２８９６４号明細書参照）。
しかし、現時点では３Ｄ印刷を用いて完全なメカトロニックシステムを製造することは不可能である。これは現在複合的な方法により可能であるが、潜在的可能性は限定的である。これらのうち最先端のものは、ハーバード大学からのスピンオフが開発した、物体の構造用のＦＤＭ、回路の導電トラック用の金属インク、および離散的な部品位置調整システムを組み合わせたＶｏｘｅｌ８プラットフォーム（ｗｗｗ．ｖｏｘｅｌ８．ｃｏ）である。
文献米国特許出願公開第２０１５／１７３，２０３号明細書は、電気部品を含むメカトロニックシステムを製造する方法を開示している。しかしながら、当該電気部品はトランスデューサではない。文献米国特許出願公開第２０１５／１７３，２０３号明細書はまた、前記方法を実行する３個の固定された印刷ヘッドを含む装置をも開示している。
文献国際公開第２０１４／２０９，９９４号パンフレットにおいても、溶融フィラメント堆積に依らない方法を実行する、独立に駆動可能な複数の印刷ヘッドを含む装置が公知である。
本発明は、従来技術の上述の短所および限界を克服することを意図している。より具体的には、単体として、且つ同一の３Ｄ印刷方法により、メカトロニックシステムの機械サブシステムおよび当該電気サブシステムの少なくとも一部を製造可能にすることを意図している。用語「電気的」は、電子および／または電磁気、更には光電子的機能を含む広義に解釈すべきである。
本発明によれば、上述の目的は、機械構造および前記構造に固定された、例えば当該構造の表面に配置された、少なくとも１個の電気部品（導電性トラック、抵抗器、センサ等）の両方を製造すべく溶融フィラメント堆積による３次元印刷技術を用いて実現される。これには少なくとも２種類の別々の材料、すなわち構造の印刷に用いる電気絶縁性の第１の材料、および電気部品または部品群の印刷に用いる導電性または抵抗性の少なくとも第２の材料を用いる必要がある。従って複合技術の短所、すなわち組み立て工程、機械的脆弱性、嵩高等に起因する損失オーバーヘッドが回避される。
従って本発明の一主題は、メカトロニックシステムの製造方法であって、
− 少なくとも１個の第１の電気絶縁材料の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により機械構造を製造するステップと、
− 前記機械構造の少なくとも１個の要素に接触し、且つ固定された少なくとも１個の電気部品を製造するステップとを含み、
少なくとも１個の電気部品を製造する前記ステップにおいて、機械構造の前記要素に直接接触する導電性または抵抗性の少なくとも１個の第２の材料の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により実行され、前記電気部品または１個の前記電気部品がトランスデューサであることを特徴とする。
本発明の別の主題は、電気絶縁機械構造および前記機械構造の少なくとも１個の要素に接触するように配置および固定された少なくとも１個の電気部品を含むメカトロニックシステムであって、当該機械構造および電気部品が、前記機械構造を形成する少なくとも１個の第１の電気絶縁材料および前記電気部品を形成する少なくとも１個の第２の導電性または抵抗性材料の３次元印刷により単一ブロックで製造され、前記電気部品または１個の前記電気部品がトランスデューサであることを特徴とする。
本発明の更に別の主題は、独立に起動可能であって２個の異なる材料を堆積させるべく適合された少なくとも２個の別々の押出ヘッドを有する溶融フィラメント堆積方式の３次元プリンタを含む、上述の方法を実行する装置であって、前記押出ヘッドが同一の押出方向に横並びに配置され、且つ同時移動を保証する同一印刷キャリッジにより支持されていて、印刷ヘッドはまた、前記押出ヘッドまたは他の１個の前記押出ヘッドが稼働中の場合に休止中の押出ヘッドを前記押出方向から遠ざかる方向に移動させる機構を含んでいる。
本発明の他の特徴、詳細事項、および利点はそれぞれ、例として示す添付図面を参照しながら以下の記述を精査すれば理解されよう。
本発明の一実施形態による装置の機能図である。 本発明の一実施形態による製造方法の局所アニーリング工程の模式的表現である。 本発明の一実施形態による製造方法の局所アニーリング工程の模式的表現である。 本発明の一実施形態による製造方法の局所アニーリング工程の模式的表現である。 本発明の一実施形態による製造方法で用いる接着促進剤を噴霧するノズルである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる導電パターンである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる導電パターンである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる導電パターンである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる導電パターンである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる導電パターンである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる抵抗パターンの抵抗の傾向を、それらの形状パラメータの関数として示すグラフである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる抵抗パターンの抵抗の傾向を、それらの形状パラメータの関数として示すグラフである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された異なる抵抗パターンの抵抗の傾向を、それらの形状パラメータの関数として示すグラフである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された、単軸歪みゲージを備えた引張試験標本である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された、単軸歪みゲージを備えた引張試験標本である。 図６Ａ、６Ｂで示す種類の試験標本に対する引張試験中に実行された測定の結果を示すグラフである。 図６Ａ、６Ｂで示す種類の試験標本に対する引張試験中に実行された測定の結果を示すグラフである。 図６Ａ、６Ｂで示す種類の試験標本に対する引張試験中に実行された測定の結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された２次元曲げセンサである。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された多軸力センサの製造シーケンス、および当該センサの側面図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された多軸力センサの製造シーケンス、および当該センサの側面図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された多軸力センサの製造シーケンス、および当該センサの側面図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された多軸力センサの製造シーケンス、および当該センサの側面図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された多軸力センサの製造シーケンス、および当該センサの側面図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された多軸力センサの製造シーケンス、および当該センサの側面図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された音響センサの断面図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された電気抵抗器の印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。 表面充填の概念図である。 表面充填の概念図である。 表面充填の概念図である。 本発明の一実施形態による製造方法により製造された圧電抵抗変形ゲージの印刷ファイルを生成するアルゴリズムを示すフロー図である。
図１に、本発明の一実施形態による３次元メカトロニック物体を製造する装置を模式的に示す。これらの物体は、溶融フィラメント堆積および特に機能熱可塑性プラスチックの堆積により製造され、恐らくは多関節の機械構造、および受動部品（抵抗器、コンデンサ、アンテナ等）、センサ、およびアクチュエータ等の電子部品を含んでいる。図１の装置により、環境またはユーザーとの対話能力を備えた複雑な３Ｄ物体の印刷が可能になり、設計および製造サイクルが短縮され、コストが削減され、且つ物体の形状およびその利用法が大幅に柔軟になる。
本装置は基本的に、本発明による方法の実行に適した溶融フィラメント堆積方式すなわちＦＤＭ方式の３次元プリンタＩ３Ｄを含んでいる。本装置はまた、印刷された電気／電子部品を設計するためのインターフェースを含んでいてよい。当該インターフェースは、機能熱可塑性プラスチックを用いて３次元印刷により製造された電子部品およびトランスデューサのライブラリをこれらの挙動モデルと共に含むハードディスク等のコンピュータ可読媒体に保存されたデータベースＢＤＭを含んでいてよい。当該インターフェースはまた、電気部品に要求される電気的および形状的特性をユーザー端末および恐らくはグラフィックインターフェースを介した入力として受信して、データベースのモデルを用いて、適切に設計された電気装置をプリンタＩ３Ｄが製造可能にする全ての命令を含む印刷ファイルＦＩを生成すべく構成されたＳＧＦコンピュータシステム（典型的にはコンピュータ）を含んでいてよい。ファイルＦＩの生成において重要なステップについて図１１Ａ〜１１Ｈおよび１３を参照しながら本明細書で後述する。
図１に示すように、３次元プリンタＩ３Ｄは、横並びに配置され、同一印刷キャリッジＣＩにより支持されていてコンピュータシステム（コンピュータまたはマイクロコントローラカード）ＳＩＰにより駆動される移動機構ＭＤ（従前方式であるため構造の詳細は図示せず）を用いて３直交方向ｘ、ｙ、ｚ（ｚ方向は２個の押出ヘッドの押出方向に対応）に移動可能な少なくとも２個の押出ヘッドＴＥ１、ＴＥ２を含んでいる。２個の別々の押出ヘッドを用いることで、少なくとも２個の異なる熱可塑性材料、すなわちメカトロニックシステムの機械構造ＳＭの製造に用いる絶縁材料Ｍ１、および少なくとも１個の電気部品ＣＥの製造に用いる機能材料（導電性または抵抗性）Ｍ２の堆積が容易になる。これらの材料の性質について以下により詳細に述べる。一般に、これらは多くの場合熱可塑性ポリマーマトリクスを有する熱可塑性ポリマー材料または複合材料である。少なくとも材料Ｍ２は一般に、例えば導電化されることで自身の電気特性に影響を及ぼすフィルタを含んでいる。
２種類より多くの材料を含む複雑なシステムの製造に、２個より多くのヘッドを用いることが可能になる。同一のヘッドを用いて複数種類の異なる材料を堆積させることができるが、本方法の実行が遅く（ノズルに供給する材料の変更が必要）なって汚染のリスクが生じる。
起動機構ＡＴＶにより、各ヘッドの他ヘッドに対する（ｚ方向における）相対垂直位置を調整することが可能になる。これは特に、複雑な構造の製造中に休止ヘッドを持ち上げることを可能にするため、押出ヘッドと既に印刷された要素とが衝突するリスクが増す。単純な１層ずつの印刷の場合であっても、休止ヘッドに存在する残渣が意図せず且つ制御されない仕方で堆積されて、最終物体の美的特性（色、テクスチャ等）および特に機能特性に影響を及ぼす恐れがある。これは例えば、導電トラック間の短絡につながる。
従来、各押出ヘッドＴＥ１、ＴＥ２は、加熱端を有する押出ノズルおよび当該ノズルに堆積させる熱可塑性材料Ｍ１、Ｍ２のフィラメントを送るコイルを含んでいる。典型的には、各ノズルは、熱伝導により熱を押出端へ伝達するヒートブロック上に載置されている。ノズルの加熱端に接触するフィラメントの終端は溶融し、溶融した材料は、ピストンとして作用するフィラメントの未溶融部分により生じた圧力の作用でノズルから放出される。
プリンタによる材料の量の制御は、フィラメントの密度、支持スプールの重量（標準であるが自身の寸法および組成材料の密度から推論可能）、およびフィラメントの直径が既知ならば重量の単純な制御により行うことができる。重量は単純な圧力センサ、または自身が３Ｄ印刷から製造できるより複雑な力センサにより測定可能である。
精度の観点から、センサによる重量の実時間測定を、接触センサを用いてスプールの回転数を測定する従来方式で補完することができる。各回転でカウンタ値を１刻みで増やす。完全な回転に費す長さは、スプールの周長に等しいため、この長さにフィラメントの断片の長さおよび密度を乗算することにより堆積させる材料の量が得られる。
多材料且つ機能的な構造の印刷の信頼性は特に、異なる押出ヘッドの位置決めの精度に依存する。信頼性は基本的に、押出ヘッドと（ｚ方向における）印刷プラテンＰＬＩとの間隔、およびプラテンの平面（ｘ，ｙ）内でのヘッドの位置の自動較正プロシージャに基づいている。
押出ヘッドとプラテン高方向（ｚ）との間隔、およびプラテンの平坦さの較正は一般に、移動終了センサおよびプラテンのコーナー調整により行われる。しかし、表面積が大きい（例えば２０ｃｍ×２０ｃｍ以上のオーダー）プラテンを用いる場合、その平坦さを保証することが困難になり、従って移動終了センサを使用するだけでは充分でない。このため、本発明の一実施形態による装置は好適には、印刷キャリッジに固定された容量センサＣＣを含んでいる。容量センサを用いることで、複数箇所でプラテンを接触することなく較正して、サーボモータに一般に用いられる機械式移動終了センサに固有の機械的不正確さを回避することが可能になる。容量センサは、非接触スイッチとして作用する。誘導センサとは異なり、容量センサはガラス、木材、皮膚等の非鉄材料を検出する。当該センサは実際に、印刷キャリッジに直接設置されることにより、移動終了接触を極めて単純に代替する。
プラテンの平面ｘｙ内における押出ヘッドの位置の較正は、異なるヘッドにより製造された構造の部分を正しく整列配置するために重要である。
第１層（例えば機械構造の表面の製造）の場合、接地電極と一体化された容量センサＣＣ、およびプラテンのコーナーに配置された金属接地電極（図１のＥＥＴ１、ＥＥＴ２参照）を用いて初期較正が実行される。実際に、センサとプラテンとの距離が一定である前提で、プラテンの絶縁コーティングまたは材料よりもセンサの２個の電極間の金属部分で測定される静電容量の方が大きい。
後続層に対して、特に複数の印刷ヘッドが用いられ、従って複数の熱可塑性材料が印刷される場合、先行層との、および別の材料で印刷された部分との整列配置を、画像処理システムＳＴＩ（図１の実施形態では駆動コンピュータシステムＳＩＰと同一）に接続されたカメラＣＥを実装する視覚サーボ制御を用いて検証する必要がある。視覚サーボ制御は以下のように実行される。すなわち、
− 材料の少なくとも１個の層が堆積された印刷表面上の画像をカメラＣＥにより取得し、恐らくは信号対ノイズ差を改善すべく複数の画像を取得して平均化でき、
− 画像上の基準点を自動または手動（ユーザーの介入）に選択し、
− カメラが撮像した画像上の当該基準点の位置を、既にプリンタのメモリに保存されている最終堆積層のモデルの位置と比較し、
− 軸ｘ、ｙにおける印刷キャリッジの位置を計算してメモリに保存し、
− 上位層の印刷はこれらの可能なシフトを考慮する。
好適には、図１の場合、較正カメラＣＥはキャリッジに固定されていて、押出ヘッドに対する相対位置が公知である。一変型例において、カメラは固定されていてよく、印刷キャリッジに固定された視覚マーカーを用いて画像上の基準点に対する当該カメラの相対位置を決定することができる。
本発明による方法は必然的に、重なり合う層に堆積された少なくとも２個の異なる材料を生成する。ここで、異種層間の接着は必ずしも充分でない。このため、本発明の好適な一実施形態によれば、元の位置での局所アニーリングを層の堆積と同時に、または後で実行する。この局所アニーリングの目的は、物体の２種類の組成材料同士の接着を補強すべく熱エネルギーを与えることであり、また、使用する熱可塑性機能材料に固有の特性を向上させることもできる。
現行のＦＤＭ技術は、隣接する、または他方の上にあるポリマーの層の単純な押出に依存しており、加熱プレートの支援の有無に依らず、押出潜熱を用いて隣接層を溶融して溶着させる。本方法は、層の不完全且つ不均一な溶着を引き起こし、結果的に、層同士の層剥離に起因する機械特性が、特に層の表面またはフィラメントの堆積方向に直角に負荷が印加される場合に低下する。これは更に、２種類の材料間の濡れが部分的であり得る２種類の異なる材料間の界面にあてはまる。第１の材料の層の上に第２のフィラメントが堆積されたならば、第２の材料のフィラメントは溶融状態にあり、第１の材料の層の表面の濡れは、２種類の材料の物理化学的パラメータ、例えば２個の標本表面張力、第１の材料の表面粗さおよび第２の材料の粘性等に依存する。当該部分の製造に続いて冷却がなされたならば、接触面の減少、接着力が弱過ぎること、および２種類の材料間の熱膨張率の差に起因して当該層の層剥離が生じ得る。
本発明を実施する間に実行されるアニーリングは、材料のマトリクス（同図のＭＭ１、ＭＭ２）に組み込まれていて１個以上の所与の波長の放射電磁ビームを吸収可能なナノ充填材（図２Ｂ、２ＣのＣＭ１、ＣＭ２）を介して堆積された材料の局所的加熱に依存する。図１の実施形態において、電磁放射源ＳＲＲ、例えば赤外線レーザーが印刷キャリッジに固定されていて、参照符号ＦＬは、放射源（ここではレーザービーム、但し別の種類の放射、例えば国際公開第２０１５１３０４０１号パンフレットに記述されているマイクロ波、または無線周波数であってもよい）により生成された電磁ビームを指す。
アニーリングは、注目する層を印刷する間に、以下のような異なる構成に従い実行可能である。すなわち、
− ビームを稼働中の押出ヘッドの後側を通過させると共に、堆積された最終層に作用させ（図２Ａに示す構成において参照符号ΔＴは局所化された加熱を記号的に表す）、
− ビームを独立に通過させる（押出ヘッドは休止）と共に、均質な材料の場合は堆積された最終層または層群、使用波長を透過させる第２の材料を通過する伝導により第２の材料の下にある第１の材料の最終層または層群に作用する。
アニーリングシステムが図１、２Ａに極めて模式的に示されている。実際には、アニーリングシステムは放射線放出源、集光システム（恐らくは放射源に組みこまれた）、およびビームを衝突位置へ誘導するシステム、典型的には光ファイバーを含んでいる。図２Ａの実施形態において、アニーリング放射源ＳＲＲは印刷キャリッジに固定されているが、他の実施形態では独立していてもよい。
放射を吸収するナノ充填材は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超磁性ナノ粒子、磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、量子ドット、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリスチレンスルホン酸ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択されてよい。この選択は、複合材料に伝達されるそれらの機能（例えば導電率）だけでなく、フィルタの最大吸光度、従って最小力での最適加熱に対応する放射波長にも基づいて行われる。例えば、例えば金属、酸化物、カーボン（特にカーボンナノチューブ「ＣＮＴ」）、および導電性ポリマー（例えばポリピロール）等、多くの充填材が高いマイクロ波吸収性を有している。この点で高周波放射（１０ＭＨｚ程度のオーダー）の使用は、ＳｉＣ、ＺｎＯ、またはＴｉＯ２等のセラミック充填材に適していることが分かる。赤外線レーザーの使用は、充填材無しの、またはファイバー（例えばカーボンファイバー）で充填されたマトリクスに対して特に効果的である。放射を吸収する充填材は、既に溶融フィラメントに存在しても、または懸濁液の噴霧により堆積されてもよい。
アニーリングにより、隣接層（図２Ｃ）間のマトリクスのポリマー連鎖の相互拡散が、残りの部分の加熱を制限しながら、従って特にクリープおよび熱循環による寸法の変化を顕著に抑えながら可能になる。
堆積されたフィラメント内における機能化充填材ＣＭ２の分布および割り当ては、押出工程を行う間に変更可能、すなわち最初は最適でなくてもよい。元の位置における局所アニーリングによっても、マトリクスのボリューム内での充填材の割り当てを均等化して、パーコレーションネットワーク（充填材の性質に応じて導電性、半導電性、または誘電性）の全体を改良し、従って最終構造の複合材料の機能特性を向上させることが可能になる。これを図２Ｂに模式的に示す。
異なる熱可塑性プラスチックからなる２個の部分間の界面における、特に複合材料の場合の異なるマトリクスとの接着促進剤の堆積を、放射ビームによるアニーリングに代えて、または追加的に用いて、当該２部分間の接着度合を向上させることができる。この堆積は、液滴を噴霧するノズル、例えば噴霧空気、制御および液体接着促進用の空気の取り入れ口を有するバルブを用いて実行される。このような装置を図３に極めて模式的に示しており、当該装置を参照符号ＢＰで示し、参照符号ＡＰＡは、接着促進剤の噴射を示す。
表面への接着促進剤の噴霧による堆積の断面がガウス曲線であって、噴霧器に対向する位置に中心があることは公知である。なるべく均一な濃度プロファイルを得るには噴霧ノズル用の通路を設けることが最良である。接着促進剤は、ナノまたはマイクロメートルオーダーの粒子の均質な液体または懸濁液であってよい。懸濁液の場合、その準備を行う間に、特に超音波処理、次いで遠心分離工程を経ることにより予め均質な懸濁液を有することを保証する必要がある。全てのケースにおいて、接着促進剤の界面との反応および／または溶媒の蒸発により、最終的に固体の接着層が得られなければならない。また、噴霧装置が吸収性粒子を堆積できるようにし、当該噴霧装置が同種の熱可塑性プラスチックまたは２種類の異なる熱可塑性プラスチックの２個の層の間に挟まれたならば、上述のビームに照射されて接着具合をこのように向上させることが可能になる。
上述のように、本発明によるメカトロニック物体の構造材料Ｍ１は電気絶縁材料である。当該構造材料は、ポリマー、例えば熱可塑性プラスチック、熱可塑性エラストマ、セラミック、または熱可塑性またはセラミックマトリクスとの複合材料であってよい。熱可塑性マトリクスは、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニルスルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびこれらの混合物を含むがこれらに限定されないグループの一部を形成することが可能である。セラミックは、酸化物、カーバイド、ホウ化物、窒化物、およびシリサイドを含むグループから選択可能である。例えば、互換セラミックとして、窒化ケイ素、ＰＺＴ、アルミニウム酸化物、またはヒドロキシアパタイトが含まれる。使用する複合材料には、その機械特性および熱特性を変更および調整可能にするセラミックまたは金属充填材、ガラスまたはカーボンファイバー、あるいはカーボン粒子等、任意の種類の充填材が組み込まれていてよい。
電気部品または部品群は、一般に良好な導電性および／または圧電抵抗または圧電性および／または良好な熱伝導性および／または高い誘電係数等の特性を有する複合材料である少なくとも１個の熱可塑性機能材料Ｍ２で製造されている。例えば、導電性熱可塑性プラスチックに対して、充填材はカーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブを含むカーボン粒子のグループの一部を形成していてよい。良好な熱伝導性を得るために金属充填材またはナノチューブが組み込まれていてよい。当該材料は、ＦＤＭを介した形成に適した特性、すなわち構造材料または材料群の融点に近く且つ３００℃未満の融点および溶融ゾーンにおいて充分低い粘性を有することが必要になる。このため、解決策の一つは、可能な限り、構造材料Ｍ１のポリマーマトリクスと同一または同様のポリマーマトリクスを用いるものである。単独で用いるにせよ、機能性の有無によらず別の熱可塑性プラスチックと共に用いるにせよ、機能熱可塑性Ｍ２は、受動部品（抵抗器、コンデンサ、アンテナ等）、センサ、またはアクチュエータ等の電気または電子部品の製造に関与する。
本発明による装置および方法の有利な特徴を全面的に活用すべく、電子部品、センサ、およびアクチュエータを製造可能にする機能特性を有する新規の熱可塑性材料を開発して組み込むことが可能である。
上述の材料の組み込みは、３Ｄメカトロニック物体における最適機能性を保証すべく調整されるパラメータを識別するために網羅的な電気および機械的特性の評価を必要とする。このため、発明者は特に以下の複合熱可塑性プラスチック、すなわち
− 材料１：マトリクスＡＢＳ／充填材ＣＢ（カーボンブラック）
− 材料２：マトリクスＰＬＡ／充填材ＣＢ
− 材料３：マトリクスＰＩ−ＥＴＰＵ（ポリイミド／エンジニアリング熱可塑性ポリウレタン）／充填材ＣＢ
− 材料４：マトリクスＰＬＡ／充填材ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）
− 材料５：マトリクスＰＬＡ／充填材グラフェンに注目した。
上述の特性評価研究の対象であった材料は、高い固有導電性を有するカーボン粒子で充填された熱可塑性プラスチックである。これらの複合材料は、充填材の性質だけでなく熱可塑性マトリクスにおける濃度および分布にも依存する導電性を有している。充填材の濃度は、導電またはパーコレーション経路の形成が可能な程度に充分でなければならないが、フィラメントの粘性は３００℃未満の温度範囲で溶融フィラメントの連続押出が可能な程度に充分低くなければならない。複合フィラメント内での充填材の分布は、複合フィラメントを形成する（単一または二重スクリュー押出）方法、工程パラメータの制御、およびポテンシャル面が機能化された粒子の準備に依存する。充填材の均一な分布および割当により、パーコレーション経路を増やし、従って複合材料の導電性を向上させることが可能になる。しかし、最終的には、複合材料の電気特性はまた、ＦＤＭによる３Ｄ物体の印刷に用いる工程および形状パラメータにより較正される。
上述のように、調べた５種類の複合材料の粘性、柔軟性、および硬度は、マトリクス、充填材、および形成の仕方が異なるため、同一ではない。このため、工程パラメータはフィラメントの連続押出を可能にすべく適合されなければならない。調べた材料の場合、押出温度は主に使用した熱可塑性マトリクスに依存する。すなわち充填されたＰＬＡの場合は２１０〜２２０℃、充填されたＡＢＳの場合は２３０℃、および充填されたＰＩ−ＥＴＰＵの場合は２２０℃である。しかし、これらの値が製造業者により、特に充填材の適切な濃度を採用することにより最適化されたことは明らかである。
印刷中のノズルの移動速度、すなわち印刷速度は粘性以外のパラメータにより制御される。
フィラメントの押出は固定輪と移動輪の間に挟まれたフィラメントを噛合わせることにより可能になり、フィラメントの上側の固体部分は下側の液体部分の上にピストンを形成する。可撓性フィラメントには、フィラメントの横方向の移動を制限可能にする押出ヘッドの設計にもかかわらず、圧縮応力の影響を受けて曲がる傾向がある。速度を典型的には２０ｍｍ／ｓに低下させることにより、溶融フィラメントの押出時間を短縮して、可撓性フィラメントのクリープ限度の制約を超えない状態を維持できる。
カーボンナノ粒子、例えばＣＮＴおよびグラフェンは、良好な電気導体であるだけではなく、良好な熱伝導体でもある。印刷速度が極端に遅い場合、端が熱いノズルと接触していても溶融フィラメントの芯が内部熱伝導により冷却されるリスクがある。この現象のためノズル内でのフィラメントの移動時間をフィラメントが液化できる程度に充分長く、且つ芯の再固化を防水する程度に充分短く制限することが必要になる。この場合、典型的には８０ｍｍ／ｓの速い印刷速度により連続押出が行ってノズルの詰まりが回避できるようになる。
熱可塑性マトリクスの性質および溶融状態における挙動の機能として考慮すべき最後の１個のパラメータは、ノズルと第１層のプラテンの距離である。実際に、高い粘性および弾力は、第１のケースのＰＬＡと比較してＡＢＳで、および第２のケースのＰＬＡと比較してＰＩ−ＥＴＰＵでより大きい間隔を必要とする。
本発明に従い製造可能な電気部品の数学モデルを生成すべく、長方形の棒状のパターンは、上述の５種類の材料から製造されて特性が評価された。これらのパターンは、長さＬ（図４Ａ）、幅Ｗ（図４Ｂ）、全体の厚さＨ（図４Ｃ）、個々の層または「階層」の厚さｅ（図４Ｄ）、および印刷方向（図４Ｅ）が異なっている。網羅的な電気特性評価により、材料を導電率の関数として分類し、パターンの抵抗を上述の形状パラメータに関連付ける法則を確立することが可能になる。
図５Ａに、長方形の棒（Ｗ＝２０ｍｍ、Ｈ＝４００μｍ、棒の長さに対する印刷方向＝０°、Ｔ＝２００μｍ）からの抵抗の傾向を、調べた５種類の材料について当該棒の長さＬの関数として示す。導電率が最も高い材料は容易に識別可能である。材料の指数が１から５まで増加したならば導電率は低下する。図５Ｂに、棒（Ｌ＝５０ｍｍ、Ｈ＝０．４ｍｍ、棒の長さに対する印刷方向＝０°、Ｔ＝２００μｍ）の平均的相対的な抵抗の傾向を、調べた５種類の材料について当該棒の幅の関数として示す。平均相対抵抗は（Ｒ−Ｒ０）／Ｒ０で与えられ、Ｒは考慮する棒の抵抗であり、Ｒ０は１０ｍｍに等しい長さを有する基準棒の抵抗である。逆法則の傾向は全ておいて妥当であり、オームの法則に従う挙動を示す。図５Ｃに、材料４について、棒の平均相対抵抗の傾向を、当該棒の幅（Ｌ＝５０ｍｍ、Ｈ＝０．４ｍｍ、棒の長さに対する印刷方向＝０°、Ｔ＝２００μｍ）および当該棒の高さ（Ｌ＝５０ｍｍ、Ｗ＝２０ｍｍ、棒の長さに対する印刷方向＝０°、Ｔ＝２００μｍ）の関数として示す。単位電力当たりの抵抗は棒の幅および高さに反比例する。
パターンの抵抗Ｒの、幅Ｗ、高さＨ、および長さＬの関数としての相対的な変化は、５種類の複合材料について実質的に同一である。定性的には、図５Ａ〜Ｃにおいても、充填された熱可塑性プラスチックが、印刷されたならば、オームの法則に従う導体のように挙動し、抵抗は以下の一般式に従う点に注意されたい。
Figure 2019518633
 ここに、ρは長さについて測定された棒の抵抗である。このオームの法則に従う挙動は更に、製造された異なるサンプルで生じた多数の電流／電圧特性により支持される。
抵抗は印刷方向の関数としても変化し、上述の法則に従い変化する。当該変化を印刷パターンの固有抵抗、すなわちその微細構造に経験的に紐付けることができる。得られた結果を以下の表１に再現する。印刷方向が０°から４５°次いで９０°まで変化すると棒の抵抗が増大する。この角度を棒の長さに関して評価する。
Figure 2019518633
しかし、抵抗の上に印刷される階層の厚さ「ｅ」の影響は材料３を除く大多数の材料では殆ど無視できる。材料３についてｅが１００〜３００μｍの間で変化する場合に抵抗が２．５倍減少することは、潜在的にパーコレーション経路が増大し得る層間の垂直連続性（均質な層間界面）により説明できよう。この場合、本発明で説明したように、局所アニーリングを用いることで、層間界面で新たなパーコレーション経路の形成が可能になり、印刷パターンの導電率が大幅に向上する。
圧電抵抗の特徴評価を行うべく、材料１〜５を用いて、ＦＤＭにより印刷されたダンベル形状の単軸引張試験標本を製造する。
これらの試験標本は、印刷方向の関数としての、およびＡＳＴＭ Ｄ６３８標準に準拠する寸法を有する抵抗力の差を利用することにより設計された。すなわち有用な部分として、Ｌ＝５０ｍｍ、Ｗ＝１０ｍｍ、Ｈ＝３００μｍである。各材料について、複製が印刷方向全体にわたり印刷され、０°、４５°または９０°の試験標本の長さに対して測定された。製造された試験標本の例ＥＴ１（０°）、ＥＴ２（９０°）を図６Ａ、６Ｂに示す。
引張応力はサンプルの底部から垂直に吊り下げられた錘を用いて掛けられ、一方で顎部を介してサンプルの高さをフレームに固定されている。吊り下げられた錘は１００ｇ、２００ｇ、５００ｇ、１ｋｇであった。試験標本に欠陥が無いと仮定して、圧力は有用な部分に集中され、印加される圧力は３〜３３ＭＰａの間で変化する。
試験の結果を図７Ａ〜７Ｃに示す。
図７Ａに、材料２内における引張試験標本の電気抵抗Ｒの傾向を、垂直に吊り下げられた錘の質量Ｍの関数として示す。充填率は１００％、従って試験標本は固体である。
図７Ｂに、機械的荷重／除荷サイクル中における、０または１００ｇの荷重の下での引張試験標本の電気抵抗の傾向を示す。ここで考慮する試験標本の充填率は８０％であり、約２０％が空き空間からなる試験標本の本体を形成するフィラメントまたは線条同士に隙間があることを意味する。
図７Ｂに、時間ｔにおける、１００ｇの荷重の除去に続く引張試験標本の電気抵抗の傾向を示す。抵抗は、突発的に増大した後で徐々に安静値まで低下する。
調べた材料のうち、材料３は、図７Ａで報告したように試験標本が９０°で印刷された場合に閾値効果を伴う圧電挙動を示した。抵抗変化が現れる閾値は、ＦＤＭによる印刷での充填率を低下させることにより、すなわち線条との接触の質を変更することにより下げることができる。充填率が高い場合、隣接する線条同士が重なり合っている。押出物の厚さが一定のまま速度が遅くなるほど、重なりがある箇所が少なくなって、隣接する線条同士の界面に穴または小孔が現れ、そこに空気が閉じ込められる。従って多孔度が印刷パターンの抵抗および圧電抵抗閾値を制御可能にする重要なパラメータである。バーンインサイクル（初回使用時に生じる弱い経路の破損であり、安定化フェーズに移る前の電気特性の急激な変化につながる）の後、充填率が８０％の棒への１００ｇの荷重から抵抗変化が現れ、少なくとも１０サイクルにわたり良好な反復性およびの持続性を示す点に注意されたい（図７Ｂ参照）。
材料５の試験標本の長さに対して９０°の印刷角度で印刷された線条を有する試験標本について同一の圧電挙動が観察される。しかし、荷重または除荷に続くエラストママトリクスの解放の現象が観察される。除荷の場合、この現象は、安静値までの対数関数的減少に先立つ抵抗の突発的増加を誘発する（図７Ｃ参照）。この時間的反応は従って、測定の信頼性およびセンサを製造におけるその使用において無視できない問題である。
材料２の圧電抵抗について確立された、および導電熱可塑性プラスチックの抵抗性について確立された挙動モデルおよび法則により、これらの特性を利用するセンサの製造が可能になる。
図８に、３種類の異なる熱可塑性材料を用いてＦＤＭにより完全に印刷された機能的２次元曲げセンサＣＦ２Ｄを示す。当該部品は実際、絶縁熱可塑性プラスチック（ＡＢＳ）、導電熱可塑性プラスチック（材料４）の４個の接触電極ＥＬＣ１、ＥＬＣ２、ＥＬＣ３、ＥＬＣ４の構造ＳＭと、圧電抵抗挙動を示し、直交印刷方向に従い印刷されて、歪みゲージを形成し、機械構造ＳＭにより支持されていて、感度軸（印刷方向、従って組成フィラメントの整列配置により決定される）が互いに直交する、充填された熱可塑性プラスチックの２個の中心部分ＪＣ１、ＪＣ２（材料２）とを含んでいる。
コイル交換に要する無駄時間を回避すべく、３個の押出ヘッドを各材料に１個ずつを用いてセンサが印刷された。接着促進剤の薄い層が異相界面に堆積された。
センサの中心部分は各々、６００μｍの厚さを有する、０°で印刷された材料２の長方形ＪＣ１および９０°で印刷された材料２の長方形ＪＣ２である。特性評価結果によれば、引張応力の方向に直角な印刷方向の長方形だけが抵抗の変化を生じさせる。他方のブロックは同一の抵抗を保持する。従ってこれら２ブロックの並置により、軸ｘまたは軸ｙに沿った歪み、更には２軸張力歪みの測定が可能になる。
ＡＢＳの基板に曲げ歪みが生じた場合、その上面に引張応力が掛かる。当該応力は、界面での剪断により材料２のブロックへ伝達される。当該センサで得られた結果、およびその機能の表示を以下の表２に示す。
Figure 2019518633
本方法が許す形状の自由度および導電性且つ圧電抵抗性の熱可塑性プラスチックの入手可能性により多次元力センサの製造が可能になる。図９Ｆに、このようなセンサの側面図を、中心コネクタおよびその部品ｘ、ｙに印加される負荷を伝達できるミニジョイスティック形式で示す。当該センサは、絶縁材料の環状基板ＳＡ、支持柱ＰＳ、および中心プラットフォームＰＴＣと、犠牲的な、例えば可溶な、ポリマーの印刷された支持部を用いて製造される架橋を形成する圧電抵抗素子ＰＺＲ１〜ＰＺＲ４と、接触電極ＥＣ１〜ＥＣ５と、中心ジョイスティックＪＣと、コネクタを取り付けるための導電柱ＰＣ１〜ＰＣ４とを含む絶縁機械構造を有している。図９Ａ〜９Ｆにこれらの異なる素子を別々に示す。
図１０に、同じく本発明による印刷方法で製造された圧電抵抗式の音響センサを示す。当該センサは、絶縁機械構造ＳＭ、導電熱可塑性プラスチックの２個の接触電極ＥＬＣ１、ＥＬＣ２、コンデンサの２個のホイルを形成する同じく導電熱可塑性プラスチックの２個の導電率膜ＭＣ１、ＭＣ２、および各接触電極および導電率膜ＭＣ１に各々接続された歪みゲージＪＣ１、ＪＣ２を含んでいる。歪みゲージにより、音響波の効果下にある膜ＭＣ１の変形を測定することが可能になる。
上述のように、有利な特徴として設計インターフェースが印刷電気部品の設計を容易にすべく設けられている。当該インターフェースは、所望の電気特性、接触点の位置、機械構造内でまたはその表面上での位置等、製造したい電気部品のパラメータを入力として受信し、適当なアルゴリズムの適用を通じて、３次元プリンタを駆動可能にする印刷ファイル（典型的にはＧＣｏｄｅフォーマット）を出力端へ送るべくプログラムされたコンピュータシステム（コンピュータ、コンピュータネットワーク、マイクロプロセッサカード等）である。
図１１Ａ〜１１Ｈのフロー図に、非限定的な例として、簡単な電気部品、具体的には絶縁基板に堆積された抵抗器に関する印刷ファイルを生成可能にするアルゴリズムを示す。図１３に、同じく非限定的な例として、軸変形ゲージの印刷ファイルを取得可能するアルゴリズムを示す。
３次元印刷により製造された抵抗器は２次元（すなわち表面に堆積されて平坦）であっても、または３次元であって非同一平面上に設けられた点を通過してもよい。２次元抵抗器の場合、低い抵抗値には直線形状、またはより高い抵抗値にはジグザクまたは蛇行形状を採用することが可能である。これらの三つの異なるケースでは異なる設計アルゴリズムを要する。従って、図１１Ａに示すように、本発明による設計インターフェースのユーザーは最初に、特性が既知でモデルデータベースＢＤＭに保存されている使用熱可塑性材料（ステップＥＡ１）および到達すべき抵抗値Ｒ＿ｕｓｅｒ（ステップＥＡ２）を決定する、次いで（ＥＡ３）ユーザーは抵抗器が３次元であるか否かを示すか、または設定された点の通過を観察しなければならない。「Ｙｅｓ」である場合、設計インターフェースは、図１１Ｇ、１１Ｈに示す３次元抵抗器設計アルゴリズムを適用する。「Ｎｏ」である場合、システムは、直線形状（例えば、Ｒ＿ｕｓｅｒが所定の閾値Ｒ＿ｔｈを下回る場合）の製造が適当であるか否かを値Ｒ＿ｕｓｅｒの関数として独立に決定し（ＥＡ４）、この場合、図１１Ｂに示すアルゴリズム、またはジグザク形状（例えばＲ＿ｕｓｅｒがＲ＿ｔｈ以上である場合）を適用し、この場合、図１１Ｃ〜１１Ｆに示すアルゴリズムを適用する。直線またはジグザクの形状の選択はまた、例えば占有面積等の他のパラメータを考慮に入れてもよく、またはユーザーの評価に任せられる。
選択された形状に依らず、適用された設計アルゴリズムは製造する抵抗器のボリュームを決定する（ＥＡ５）。次いで（ステップＥＡ６）、（コンピュータ支援設計）モデラーＣＡＯが、三角形状の当該ボリュームの三角形メッシュをで生成し、典型的にはＳＴＬフォーマットの立体リソグラフィファイルの形式で保存する。次いで（ステップＥＡ７）、ＳＴＬファイルにより決定されたボリュームをスライスすることにより、押出ヘッドにより堆積される材料の各スライスを決定し、これに印刷ヘッドの移動軌道を関連付けることが可能になる。スライシングは、プリンタに応じて公知のソフトウェアにより行われるため、好適には、特にノズルの端の温度、充填の速度または角度等を決定することにより、スライシングをパラメータ化することも可能になる。
ノズルの移動および機械パラメータの全てが印刷ファイルＦＩに、例えばＧＣｏｄｅフォーマットで保存される。
図１１Ｂのフロー図は、直線抵抗器の設計アルゴリズムを示す。
最初に、ユーザーはコンピュータシステムへの入力として、抵抗器を含む長方形と仮定される領域の幅Ｘｍａｘ（ＥＢ１）および長さＹｍａｘ（ＥＢ２）を与え、点の位置は当該領域で定義される基準フレームの原点（ＥＢ３）であり、当該基準フレーム内における抵抗器の接触点Ａ、Ｂの座標（ＥＢ４、ＥＢ５）であり、これらの点は一般に任意のケースで当該長方形領域の辺に位置しており、以下では常にそうである。コンピュータシステムは次いで、区間ＡＢの長さＬを計算し（ＥＢ６）、次いで、所望の抵抗を得るのに必要な区間Ｓ＝ρ・Ｌ／Ｒ＿ｕｓｅｒを計算する（ＥＢ７）。ρはデータベースＢＤＭから抽出された材料の抵抗である。
区間Ｓは、抵抗器の幅Ｗに厚さＨを乗算した積であるため、これら二つの量を決定する必要がある。抵抗器の厚さＨは、押出ヘッドにより堆積された材料のスライスの厚さｅの整数倍であるのに対し、幅Ｗは、押出ヘッドの関数である最小値Ｗｍｉｎと抵抗器の許容可能な幅Ｗｍａｘとの間にある。最初にＨ＝ｅと仮定して対応する幅Ｗ＝Ｓ／Ｈを計算する。許容可能な最大幅Ｗｍａｘよりも大きい値が得られたならば、Ｈを値ｅだけ増分し、以下同様である。図示していないが、Ｈ＝ｅの場合でもＷ＜Ｗｍａｘを得ることができる。これはＲ＿ｕｓｅｒが大き過ぎることを意味する。従って、一方（または両方）の接触点を移動させることにより長さＬを増大させるか、材料を変えるか、あるいはジグザク形状を用いる必要がある。原理的に、図１１Ａのアルゴリズムにより線形形状が自動的に選択されたならば、この状況は生じない。これらの動作はステップＥＢ８を構成する。
次に（ＥＢ９）、値Ｒ＝ＲＨＯ・Ｌ／Ｓが実際にＲ＿ｕｓｅｒに等しいか否かを調べる。等しくない場合、ユーザーは使用する材料の変更を選択することができ、その場合アルゴリズムはステップＥＢ７から再開される。ユーザーがこれを望まない場合、コンピュータシステムは、点Ａ、Ｂの一方（または両方）を移動させてＲ＝Ｒ＿ｕｓｅｒとなるまで長さＬを変更する（ＥＢ１０）。
ジグザク抵抗器の設計アルゴリズムを図１１Ｃ〜１１Ｆに示す。
直線抵抗器の場合と同様に、ユーザーはコンピュータシステムへの入力として、抵抗器を含む長方形と仮定される領域の幅Ｗｍａｘ（ＥＣ１）および長さＹｍａｘ（ＥＣ２）、並びに基準フレーム（ＥＣ３）の原点の座標を与える。ユーザーはまた、ジグザクパターン（ＥＣ４、ＥＣ５）を形成する抵抗「導線」の幅Ｗおよび厚さＨをも与え、これによりシステムは当該導線の長さＬ＝Ｒ＿ｕｓｅｒ・Ｗ・Ｈ／ＲＨＯ（ＥＣ６）を計算することができる。次いで、ユーザーは入力として抵抗器（ＥＣ７、ＥＣ８）の接触点Ａ、Ｂの座標を与え、これによりシステムは、これらの点が長方形領域の対向する辺、同じ辺、または隣接（および直交）する辺に位置するか否かを判定することができる。これら三つの特定のケースは、図１１Ｄ、１１Ｅ、および１１Ｆに各々示す３個の異なる対応アルゴリズムを有している。
点ＢがＡ（図１１Ｄ）に対向する位置にある場合、導電線の経路は、点Ａから出発（ステップＥＤ１）して、Ｂが位置する辺まで、且つＡが位置する辺に直角に、長さＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎの所定のピッチ（抵抗器を含む長方形領域の寸法よりも小さいが、導線の幅Ｗよりも大きい）だけ移動することにより決定される（ＥＤ２）。次いで、Ａから最も遠い辺の頂点の方向に、Ａの辺に平行に移動し、安全マージンを保つべく、長方形領域の端から距離ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎで停止する（ＥＤ３）。次いで、Ｂが位置する辺まで、且つＡが位置する辺に直角に、長さＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎだけ別途移動する（ＥＤ４）。出発点から移動した距離が次いで記憶され、変数ｄｉｓｔ＿ｐに保存される（ＥＤ５）。この時点で、Ｂに達すべく直線移動すべき残りの最短距離が計算される（ＥＤ６）。ｄｉｓｔ＿ｐと当該最短距離との和が（ステップＥＣ６で計算された）Ｌを上回る場合、目標値のジグザク抵抗器が製造不可能であることを意味する。従って材料を変更する必要がある。さもなければ、システムは点Ａ、Ｂが方向ｘまたは方向ｙを向いているか否かを判定する。以下、第１のケースだけを考える（ステップＥＤ７、ＥＤ８、ＥＤ９）。逆のケースで実行される動作はあらゆる点で同様である（ステップＥＤ７’、ＥＤ８’、ＥＤ９’）。
ジグザクの抵抗器は本質的に、Ａ、Ｂを含む辺に直角な方向（ここで考慮する例では方向ｘ）を向く長さｄの短い線により形成された特定個数ｎｂ＿ｐのパターン（蛇行）、および直角な方向を向く長さＤの長い線に加え、Ａの辺から長さｄｉｓｔ＿ｐ、およびＢの辺から計算される長さの２個の終端区間からなる。ステップＥＤ７において、（未知数が３個に対して不等式は２個しかないため）Ｄの値について仮定を行うことにより、次式を解くことを試みる。
ｎｂ＿ｐ・（ｄ＋Ｄ）≦Ｌ−ｄｉｓｔ＿ｐ
ｎｂ＿ｐ・ｄ≦Ｘｍａｘ−２・ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎ
初期の仮定はＤ＝Ｙｍａｘ−２・ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎである。
ステップＥＤ８において、見つかった解が条件ｄ＞ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎを満たすか否かを調べる。満たさない場合、Ｄの値をＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎ（ＥＤ９）だけ減分し、ステップＥＤ７を再び実行する。
最終区間は、最終パターンの終端をＢ（ＥＤ１０）に接続する最短経路からなる。一般に、Ｌに等しい全長を得るには、最終的な長い線の長さを調整することが必要となろう（抵抗器の最後から２番目の区間、従って必ずしもＤに等しいとは限らない）。このように決定された移動から抵抗のボリュームを構築するには導線の幅Ｗ（ＥＤ１１）を適用するだけでよい。
点ＢがＡ（図１１Ｅ）と同じ辺に位置する場合、導電線の移動は、点Ａ（ステップＥＥ１）から出発して、点ＡおよびＢが位置する（ＥＥ２）辺に直角な方向に、長さがＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎ（抵抗器を含む長方形領域の寸法よりも小さいが導線の幅Ｗよりも大きい）の所定の１ピッチだけ移動することにより決定される。次いで（ＥＥ３）、出発した辺に直角な辺から安全な距離ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎを残して、当該辺と平行であってＢとは逆向きに移動する。次いで、第１の移動方向、すなわちＡおよびＢを含む辺に直角な方向に距離ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎだけ更に移動する（ＥＥ４）。以降のステップ、すなわちＥＥ７、ＥＥ８〜ＥＥ１０、ＥＥ８’〜ＥＥ１０’、ＥＥ１１、ＥＥ１２は、上述のステップＥＤ６、ＥＤ７〜ＥＤ９およびＥＤ７’〜ＥＤ９’、ＥＤ１０およびＥＤ１１と同一である。
点Ｂが、点Ａを含む辺（図１１Ｆ）に隣接する、従って直角な辺に位置する場合、導電線の移動は、点Ａ（ステップＥＦ１）から出発して、点Ａが位置する（ＥＦ２）辺に直角な方向に、長さＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎ（抵抗器を含む長方形領域の寸法よりも小さいが導線の幅Ｗよりも大きい）の所定のピッチだけ移動することにより決定され、次いで、当該辺と平行であって点Ｂを含む辺とは反対側の辺に向かって、点Ｂから安全な距離ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎ離れた位置まで移動する（ＥＦ３）。次に、Ａの辺とは反対側の辺から安全な距離ＤＥＬＴＡ＿ｍｉｎを残して、当該辺に平行に移動する（ＥＦ４）。残り（ステップＥＦ５〜ＥＦ１１）は先のケースと同一である。
３次元抵抗器の最後の特定のケースは、図１１Ｇ、１１Ｈの主題である。最初に、ユーザーは、抵抗器が画定されるボリューム、出発点（Ａ）、および到達点（Ｂ）、および通過の中間点（ＥＧ１）も決定する必要がある。ＦＤＭ３次元印刷技術において、ボリュームは、所定の厚さの積層の形状をなす点に注意することが重要である。点の位置は従って、当該点が属する層を識別して、当該層内で当該点の２次元座標を与えることにより画定することができる。抵抗器の移動の決定は、点Ａから出発して（ＥＧ２）、通過する次の点のＡを含む層への射影ｐｔ＿ｓ、またはより一般に、現在の点ｐｔ＿ｃを識別（ＥＧ３）し、当該射影に到達するまでに移動する距離（ＥＧ４）、および現在の点の層と次の点の層の高さの差を決定する（ＥＧ５）。点ｐｔ＿ｃとｐｔ＿ｓとの距離Ｌ＿ｃｓは、ステップＥＧ３で決定された平面内での距離と、高さの差との和である（ＥＧ６）。当該距離は記憶される。次いで、次の位置への遷移があり、点Ｂに到達するまで繰り返す。Ｌ＿ｃａｌｃ、すなわち長さＬ＿ｃｓの和が次いで計算される（ＥＧ７）。材料の抵抗ＲＨＯに関する知識により、抵抗パターンの区間Ｓを計算することが可能になる（ＥＧ８）。当該区間に関する知識から、図１１Ｂの直線的ケースに関して説明したように、厚さおよび幅が計算される（ステップＥＧ９）。次いで、このように取得された抵抗（Ｒ＿ｃａｌｃ）が、所望の値Ｒ＿ｕｓｅｒ（ＥＧ１０）を有しているか否かを調べる。Ｒ＿ｃａｌｃ＜Ｒ＿ｕｓｅｒであって且つユーザーが材料を変えたくない場合、同一の層内の２個の連続的な通過点を接続する直線区間の少なくとも一部をジグザグで代替する必要がある。これを行うため、各中間区間の長さをＬ＿ｃａｌｃ（ＥＧ１１）の百分率で表し、Ｒ＿ｕｓｅｒの同一百分率に対応する、到達すべき抵抗が割り当てられる（ＥＧ１２）。処理は次いで、図１１Ｄのケースと同様に進み、ステップＥＧ１３〜ＥＧ１６はステップＥＤ２〜ＥＤ５に対応し、ステップＥＧ１７、ＥＧ１８、ＥＧ１９はステップＥＤ７〜ＥＤ９およびＥＤ７’〜ＥＤ９’に対応し、ステップＥＤ２０、ＥＤ２１はステップＥＤ１０、ＥＤ１１に対応している。
本発明による３次元印刷により製造可能な電気部品、およびプログラミングインターフェースを用いることにより容易になり得る製造の別の例は、圧電抵抗性の一軸変形（またはひずみ）ゲージである。
静止抵抗Ｒ０を示す圧電抵抗素子の抵抗の相対変化ΔＲは以下の値を有し、
ΔＲ／Ｒ０＝ｋ・ε
ここに、ｋは圧電抵抗感度、ｅは変形であり、ε＝ΔＬ／Ｌ０、ΔＬは長さの変化、およびＬは静止時の素子の長さである。センサを設計する場合、初期長さ（従って抵抗）はセンサのボリュームの充填率の関数である。
ＦＤＭ３次元印刷により製造された任意の素子と同様に、圧電抵抗センサはフィラメントまたは細片により形成されており、当該構造を図１２Ａに示す。センサは、ひずみの影響下で細片の収縮または分離により機能する。実際、細片が互いに近づけられた場合、微細接触が生じることにより抵抗が低下する。逆に、細片が互いに遠ざけられた場合、循環流の強度が低下する。変形に対する感度が、主軸Ｄと平行な変形よりも図１２Ａのｄで示す小さい充填軸と平行な変形においてはるかに大きいことが理解されよう。
充填率が１００％に等しい、すなわち細片が完全に連続していて、その全長にわたり互いに接触している場合、抵抗変化は測定不可能である。同じことが、極端に低い充填率の場合にあてはまる。経験的に、４０〜７０％の充填率が、考慮する大多数の材料で完全に受容可能な結果を与えることが分かっている。
図１２Ａと１２Ｂの比較により、４０％の充填（図１２Ａ）が、７０％の充填（図１２Ｂ）よりも短いフィラメント長を示唆することが分かる。充填率が７０％のオーダーのセンサにおいて、導電率は電流のパーコレーションに、すなわち蛇行経路を互いに接続する導電微細経路の存在に顕著に依存する。これらの微細経路は、構造の僅かな変形により容易に中断され得る。これはすなわち、充填率が高い、しかし高過ぎない、例えば７０％のオーダーのセンサの方が充填率が４０％しかないセンサよりも小さい変形を検出可能であることを意味する。しかし、このようなセンサはまた、製造欠陥、例えば汚れた押出ヘッドにより生じる短絡に対してより敏感でもある。図１２Ａおよび１２Ｂの例では、抵抗性材料の複数の層が直角の堆積角度で堆積されており、等方性圧電抵抗感度をもたらす点に注意されたい。
図１３のフロー図は、圧電抵抗圧力センサの設計ステップを示す。最初は（ステップＥＰ１）である。
ユーザーは、ＣＡＤソフトウェアで自身が望む形式を作成してＳＴＬフォーマット（ボリュームの三角形分割）で取り込む。次いで、センサが充分に柔軟且つ頑丈であることを保証すべく、高さＨを所定の値、例えば印刷の厚さｅの３倍に設定する（ＥＰ２）。
最終層がセンサとして機能する。他の層は例えば、一般に６０〜１００％、例えば７０％の一定の充填率を有する絶縁材料で製造することにより、センサを幾分柔軟にすることができる（ＥＰ３）。一変型例として、ひずみセンサとして機能する層の下に別の機能を有する導電または抵抗層が存在してもよい。
ユーザーは、センサの層の上に電極の位置を決定（ＥＰ４）して、自身に提示されたリスト（ＥＰ５）から抵抗性材料、並びに可能な値のリスト（ＥＰ６）からも所望の感度を選択する。充填は、一般に長方形モード（ＥＰ７）で実行され、充填の主方向は、２個の電極（ＥＰ８）により画定される軸と直角をなす。
事前較正ステップで生成され、本方法を実行するコンピュータのメモリに保存された表により、選択された材料および所望の形状を前提に、所望の感度を実現可能にする充填率を見出すことが可能になる（ＥＰ９）。
印刷速度（ＥＰ１０）を、典型的には較正により生成された別の参照表により同じく決定された充填率の関数として決定することができる。例えば、フィラメントの残渣がノズルに付着したまま、印刷中に時々剥がれる際に生じ得る短絡を回避すべく、充填率が高い場合には低印刷速度を選択することができる。充填率がより低い場合、通過するラインが分離している、従ってノズルの通過に際して物質が存在しないことが残渣の付着を回避するのに充分である。従ってより高速な、例えば６０ｍｍ／ｓでの印刷が可能である。一変型例において、充填率とは独立に比較的低い印刷速度（例えば３０ｍｍ／ｓ）を用いることができる。
本発明について、圧電抵抗センサを含むメカトロニックシステムに関して記述してきた。しかし、本発明は上述の特定のケースに限定されない。実際、特に熱可塑性マトリクスに含まれる充填材を適切に選択することにより、熱、光、化学センサを得るべく、温度、光、化学薬品等に影響されやすい材料をＦＬＭにより印刷することが可能である。更に、導電および絶縁材料から、容量または誘導センサや送信および／または受信に使用可能なアンテナを製造することも可能である。また、熱、静電、磁気（強磁性充填材を用いた）または圧電アクチュエータを製造することも可能である。ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）および／または有機薄膜太陽電池を印刷することも可能である。
いくつかのケースにおいて、本発明により完全印刷メカトロニックシステムの製造が可能になる。他のケースでは、このようなシステムの電気／電子サブアセンブリの一部だけが印刷される（センサ、導電線、アクチュエータ等）のに対し、他の部品、例えば、複雑な電子機能を実行する集積回路を加えることができる。後者の場合であっても、本発明により、組み立て動作の回数が減り、従ってメカトロニックシステムをより高速且つ安価に製造することができる。
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Claims (14)

  1. メカトロニックシステムの製造方法であって、
    − 少なくとも１個の第１の電気絶縁材料（Ｍ１）の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により機械構造（ＳＭ）を製造するステップと、
    − 前記機械構造の少なくとも１個の要素に接触し、且つ固定された少なくとも１個の電気部品（ＣＥ）を製造するステップとを含み、
    少なくとも１個の電気部品を製造する前記ステップが、前記機械構造の前記要素に直接接触する導電性または抵抗性の少なくとも１個の第２の材料（Ｍ２）の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により実行される方法において、前記電気部品または１個の前記電気部品がトランスデューサ（ＪＣ１、ＪＣ２）であることを特徴とする方法。
  2. 前記トランスデューサ（ＪＣ１、ＪＣ２）が圧電抵抗センサである、請求項１に記載の方法。
  3. 導電性または抵抗性である、前記第２の材料が、熱可塑性プラスチック絶縁マトリクス（ＭＭ２）内で分散した導電充填材（ＣＭ２）を含んでいる、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記堆積に相応の、前記第１の材料または前記第２の材料の層の堆積中または堆積後に実行される局所アニーリングステップをも含んでいる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記表面への異なる材料の層の堆積に先立つ製造の間に、前記メカトロニックシステムの表面への接着促進剤（ＡＰＡ）の堆積ステップをも含んでいる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記第１の材料および前記第２の材料の堆積に、少なくとも２個の別個の押出ヘッド（ＴＥ１、ＴＥ２）の使用を含んでいる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 少なくとも１個の前記電気部品を製造するための印刷ファイル（ＦＩ）の生成ステップをも含み、前記ステップがコンピュータにより実行され、且つ
    − １個以上の接触点の位置と、前記部品の製造に要する空間領域と、前記部品の少なくとも１個の電気特性とを示すデータを前記コンピュータに提供するサブステップと、
    − 所定の数学モデルを前記データに適用することにより前記部品のジオメトリを計算するサブステップと、
    − 導電性または抵抗性の前記第２の材料または少なくとも１個の前記第２の材料の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により前記ジオメトリを製造可能にする前記印刷ファイルを生成するサブステップとを含んでいる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 電気絶縁機械構造（ＳＭ）および前記機械構造の少なくとも１個の要素に接触するように配置および固定された少なくとも１個の電気部品（ＣＥ）を含むメカトロニックシステム（ＣＦ２Ｄ）であって、前記機械構造および前記電気部品が、前記機械構造を形成する少なくとも１個の第１の電気絶縁材料（Ｍ１）および前記電気部品を形成する少なくとも１個の第２の導電性または抵抗性材料（Ｍ２）の３次元印刷により単一ブロックで製造されるシステム（ＣＦ２Ｄ）において、前記電気部品または１個の前記電気部品がトランスデューサ（ＪＣ１、ＪＣ２）であることを特徴とするシステム（ＣＦ２Ｄ）。
  9. 独立に起動可能であり、２個の異なる材料を堆積させるべく適合された少なくとも２個の別々の押出ヘッド（ＴＥ１、ＴＥ２）を有する溶融フィラメント堆積方式の３次元プリンタ（Ｉ３Ｄ）を含んでいる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を実行する装置であって、前記押出ヘッドが同一の押出方向に横並びに配置され、且つ同時移動を保証する同一印刷キャリッジ（ＣＩ）により支持されていて、前記印刷ヘッドがまた、前記押出ヘッドまたは他の１個の前記押出ヘッドが稼働中の場合に休止中の押出ヘッドを前記押出方向から遠ざかる方向に移動させる機構（ＡＴＶ）を含む装置。
  10. 前記印刷キャリッジが、印刷表面からの距離を測定すべく構成された容量センサ（ＣＣ）を備えている、請求項９に記載の装置。
  11. 前記印刷キャリッジが上を移動する印刷プラテン（ＰＬＩ）をも含み、前記プラテンが、前記容量センサにより検出可能な金属電極（ＥＥＴ１、ＥＥＴ２）を備えていることにより、前記センサが前記プラテンに相対的な前記印刷キャリッジの位置を較正することが可能になる、請求項１０に記載の装置。
  12. − ３次元プリンタにより堆積された材料の層の画像を取得すべく構成されたカメラ（ＣＥ）と、
    − 前記画像をコンピュータメモリに保存された３次元モデルと比較し、そこから前記印刷キャリッジの位置誤差を推定すべく構成された画像処理システム（ＳＴＩ）と、
    − 材料の連続的な層が堆積されたならば、前記位置誤差を訂正すべく構成された、前記キャリッジ用のコンピュータ駆動システム（ＳＩＰ）と、
    を備えている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
  13. 電気部品を製造すべく前記３次元プリンタを駆動する印刷ファイル（ＦＩ）を生成するコンピュータシステム（ＳＧＦ）をも含み、前記コンピュータシステムが、
    − １個以上の接触点の位置と、前記部品の製造に要する空間領域と、前記部品の少なくとも１個の電気特性とを示すデータを入力データとして受信すること、
    − 所定の数学モデルを前記データに適用することにより前記部品のジオメトリを計算すること、および
    − 少なくとも１個の導電性または抵抗性の材料の溶融フィラメント堆積による３次元印刷により前記ジオメトリを製造可能にする印刷ファイルを生成することを行うべく構成されている、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の装置。
  14. 電磁放射ビームの生成器（ＳＲＲ）をも含み、前記生成器が、前記３次元プリンタの印刷表面に堆積された材料の局所加熱を行うべく構成されている、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の装置。
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