JP2023506664A - マルチヘッド押出機を備えた３次元プリンタ及びその内部で使用される組成物 - Google Patents
マルチヘッド押出機を備えた３次元プリンタ及びその内部で使用される組成物 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023506664A JP2023506664A JP2022538294A JP2022538294A JP2023506664A JP 2023506664 A JP2023506664 A JP 2023506664A JP 2022538294 A JP2022538294 A JP 2022538294A JP 2022538294 A JP2022538294 A JP 2022538294A JP 2023506664 A JP2023506664 A JP 2023506664A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- extruder
- composition
- assembly
- filament
- tpa
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 190
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 67
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 56
- ODHXBMXNKOYIBV-UHFFFAOYSA-N triphenylamine Chemical compound C1=CC=CC=C1N(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 ODHXBMXNKOYIBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 87
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 71
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 60
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 41
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 40
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 32
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 31
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 27
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 25
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 claims description 24
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 24
- 208000034530 PLAA-associated neurodevelopmental disease Diseases 0.000 claims description 16
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 10
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 8
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 5
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 239000002956 ash Substances 0.000 description 70
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 32
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 29
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 24
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 22
- 239000004626 polylactic acid Substances 0.000 description 22
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 11
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 9
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 9
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 6
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 238000001723 curing Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 5
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N acrylonitrile butadiene styrene Chemical compound C=CC=C.C=CC#N.C=CC1=CC=CC=C1 XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000010803 wood ash Substances 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 3
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 3
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003848 UV Light-Curing Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000012776 electronic material Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 2
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 239000006247 magnetic powder Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 239000005341 toughened glass Substances 0.000 description 2
- 238000012549 training Methods 0.000 description 2
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 2
- 125000006617 triphenylamine group Chemical group 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 description 1
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 description 1
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 235000002918 Fraxinus excelsior Nutrition 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- YVIMHTIMVIIXBQ-UHFFFAOYSA-N [SnH3][Al] Chemical compound [SnH3][Al] YVIMHTIMVIIXBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 description 1
- 235000013361 beverage Nutrition 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000002508 contact lithography Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000003292 diminished effect Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000006194 liquid suspension Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004482 other powder Substances 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010421 standard material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
- B29C64/205—Means for applying layers
- B29C64/209—Heads; Nozzles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Producing Shaped Articles From Materials (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Abstract
３次元プリンタのための例示的な押出機アセンブリを開示する。押出機アセンブリは、１又は２以上の開口部を有するキャリッジと、複数の押出機と、ファンアセンブリとを含む。各押出機は、１又は２以上の開口部のうちの少なくとも１つを介してキャリッジに取り付けられる。ファンアセンブリは、複数の押出機の周囲に空気流を誘導するように構成される。例示的な３次元印刷法も開示する。さらに、３次元印刷において使用されるフィラメント、及びこのフィラメントの形成方法も開示する。また、このようなフィラメントを使用して製造される電子コンポーネント及びその部品も開示する。【選択図】 なし
Description
〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１９年１０月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／９２３２４４号に対する優先権を主張するものであり、この文献の内容は全体が引用により本明細書に組み入れられる。
本出願は、２０１９年１０月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／９２３２４４号に対する優先権を主張するものであり、この文献の内容は全体が引用により本明細書に組み入れられる。
本開示は、マルチヘッド押出機を有する３次元プリンタに関する。さらに、本開示は、３次元印刷法、３次元印刷において使用すべきフィラメント及びその形成方法にも関する。また、本開示は、本明細書で説明するこのようなフィラメント組成物を使用して製造される電子コンポーネント及びその部品についても説明する。
３Ｄ印刷は、コンピュータ制御下で材料を接合又は固化して（液体分子又は粉体粒子が融合し合ったような）材料が加わり合った３次元物体を形成する様々なプロセスのいずれかである。３Ｄ印刷は、ラピッドプロトタイピング及び付加製造の両方において使用することができる。通常、物体は、３Ｄモデルからのデジタルモデルデータ、又は付加製造ファイル（ＡＭＦ）などの別の電子データソースを使用して製造される。
付加製造は、これまで従来の製造方法では不可能であった革新的部品及びコンポーネントの生産のコスト削減、品質向上及びスケジュール短縮のための主要方法になりつつある。既知の付加製造技術は、コンピュータ制御された１層ずつの部品構築に基づく。電子コンポーネントの３Ｄ印刷における最近の進歩は、この１層ずつの印刷技術と、埋め込み相互接続されて予め製造された電子コンポーネント（ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｐｒｅ－ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）とを組み合わせて、コスト効率の高い電子装置製造プロセスを創出する。この結果、電子装置の生産は、主に、組み立てられた３Ｄ印刷ケースと予め製造された個々の回路部品との組み合わせである。
３Ｄ印刷エレクトロニクスは、インクジェット印刷プロセスを使用して「直接」電子回路を書き込むことを伴うことができる。電子装置のための既知の３Ｄ印刷プロセスは、３次元での調整が可能な平面のみの印刷（２．５次元印刷）に限定される。エアロゾルジェット印刷技術の発達は、現在のインクジェット印刷プロセスを凌ぐ利点をもたらす。エアロゾルジェット印刷は、配合インクを空気圧又は超音波で霧化して、空気力学的に集束したジェットノズルに移送し、このジェットノズルを通じて基板に移送することによって微細特徴電子印刷を取得できるものである。エアロゾルジェット印刷プロセスは、専用インクを使用して、最大１０ミクロンのシングルパス層厚（ｓｉｎｇｌｅ－ｐａｓｓ ｌａｙｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）で３軸（ｘ，ｙ，ｚ）において小型エレクトロニクスを印刷する。この非接触印刷戦略は、複雑な形状を有する３Ｄ電子コンポーネントの非共形面（ｎｏｎ－ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ）、トレンチ内下方（ｄｏｗｎ ｉｎｔｏ ｔｒｅｎｃｈｅｓ）及びオーバトップ（ｏｖｅｒｔｏｐ）への正確な印刷を可能にする。しかしながら、エアロゾルジェット印刷は、材料に添加された結合剤を除去するために、印刷された製品の後処理用のオーブン又はレーザー処理を必要とする。
オーブン加熱又はレーザー処理などの後処理技術は、付加製造プロセスによって形成された材料の電気的及び機械的特性に悪影響を及ぼす恐れがある。例えば、極端な熱を使用する後処理技術は、材料のヤング率を変化させる可能性がある。過剰な熱によって、ＩＶ（電流－電圧）特性、抵抗率／伝導率又は誘電率などの電気的特性が変化することもある。これにより、電気又は電子回路の所望の性能が大きな影響を受ける恐れがある。既知の高分子結合剤は、１００％ポリラクチドアセトン溶液（ＰＬＡ）及び１００％アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）アセトン溶液を含むことができる。しかしながら、既知の高分子結合剤を使用して印刷された材料は脆弱な場合があり、従って電子装置の３Ｄ印刷には適していない。
半導体ベースの電子回路は、シリコンの基層に様々なドーパントをドープすることによって形成することができる。次に、基層全体（及びドープ部分）を絶縁体化合物（典型的には二酸化シリコン）で覆う。絶縁体化合物をマスクし、マスクされていない絶縁体化合物の部分を除去する。次に、表面全体を導電性材料（例えば、アルミニウム又はポリシリコン）で覆って選択的にマスクする。その後、マスクされていない余分な又は不要な導電性材料層の部分を除去する。必要に応じて絶縁体層及び金属（すなわち、導電性材料）層を繰り返して所望の電子回路を構築することができる。
電子コンポーネントの既存の最先端の３Ｄ印刷技術は、主に導体及び絶縁体の従来の１層ずつの印刷と、埋め込み相互接続されて予め製造された電子コンポーネントとを組み合わせて、コスト効率の高い３次元での電子装置製造を創出する。この結果、電子装置の製造は、３Ｄ印刷キャビティと高導電性ペースト及び予め製造された個々の回路部品との結合アセンブリである。この印刷エレクトロニクスに利用できる直接書き込み技術としては、インクジェット、エアロゾルジェット又はスクリーン印刷が挙げられる。電子回路装置の３Ｄ平面印刷は、ジェット又はスクリーン印刷技術を使用して達成することができるが、全ての技術は熱的又はレーザー後処理を必要とする。
直接３Ｄ印刷は、追加処理を伴わずに材料層を敷設するものである。これらの層は、２次元平面回路とは対照的に、組み合わさって３次元構造を形成することができる。
直接３Ｄ印刷の技術的課題としては、（１）３Ｄ電子装置の所望の電気的特性を実現するために必要なインクベースの印刷材料の調製、（２）３Ｄエレクトロニクスのためのインクベース材料の堆積及びプロセス、及び（３）機能的３Ｄエレクトロニクスを生産するコンピュータ支援設計ソフトウェア制御の複雑さが挙げられる。本開示は、これらの重要な技術的課題に対する直接的な答えを提供するものである。
３Ｄ印刷は、主にプラスチック、高分子、金属、さらにはコンクリートなどの単一材料製造に焦点を当てている。これまでのところ、３Ｄ印刷業界では、絶縁性又は導電性以外の電子特性を有する材料は避けられている。しかしながら、本発明者らは、マルチ材料印刷のいくつかの能力を発見した。
電子特性を有する３Ｄ印刷可能材料を形成するという概念は、長年にわたって研究開発の目標であった。機能的な電子装置を印刷するには、少なくとも６つの材料タイプ、すなわち絶縁性材料、導電性材料、抵抗性材料、容量性材料、ｎ型半導体材料及びｐ型半導体材料を同時に印刷する必要がある。
適切な特性を示すＦＤＭ（熱溶解積層）プリンタを使用して電子装置を３Ｄ印刷するには、プリンタ内に安定して供給できるほど十分な機械的柔軟性を維持するとともに必要な電気的応答を確実にできるほど十分な活性材料を含む混合物が必要である。また、混合物（すなわち、フィラメント）の融点は、印刷装置の動作範囲内にとどまらなければならない。このため、混合物配合における特性のバランスをとることが必要になる。電子特性を高めるために過剰に粉末を加えると、フィラメントが脆弱すぎて印刷できなくなり、又は融点が高すぎて滑らかに印刷できなくなる恐れがある。これとは逆に、容易に印刷できる柔軟なフィラメントは、必要な電子特性を有していない場合がある。
さらに、全体的コスト及び廃棄物を削減することも必要性とされ続けている。従って、別の目的で再利用される、又はいわゆる「アップサイクル」される資源及び製品に対する需要が高まっている。従って、代替フィラメント源は、廃棄されたはずの又は使用されなかったはずの材料をさらなる製造のための原料に変換し、最終的には消費財に変換するというめったにない機会を提示する。本明細書で説明する方法及び組成物を使用すれば、新規のフィラメント組成物を調製して３Ｄ印刷の目的で利用できることが分かった。本明細書で説明するいくつかの実施形態は、例えばいずれかの利用可能な供給源から採取された灰を使用して調製されるフィラメントに関する。
３次元プリンタのための例示的な押出機アセンブリを開示する。押出機アセンブリは、１又は２以上の開口部を有するキャリッジと、各押出機が１又は２以上の開口部のうちの少なくとも１つを介してキャリッジに取り付けられた複数の押出機と、複数の押出機の周囲に空気流を誘導するように構成されたファンアセンブリとを含む。
例示的な３次元プリンタも開示する。３次元プリンタは、ハウジングと、ハウジング内で加工されるコンポーネントを支持し、コンポーネントを加工するためにハウジング内で垂直に移動するように構成されたプラットフォームと、プラットフォーム上のコンポーネントを加工するためにハウジング内で水平に移動するように構成された押出機アセンブリとを含む。
３次元プリンタにおいてコンポーネントを加工する例示的な方法も開示する。３次元プリンタは、ハウジング内に配置された可動プラットフォーム及び可動押出機アセンブリを有する。方法は、３次元プリンタの処理装置において、コンポーネントの印刷中に可動押出機アセンブリから１又は２以上のセンサ測定値を受け取るステップと、処理装置を介して、１又は２以上のセンサ測定値に基づいて押出機アセンブリの１又は２以上の押出機の特性を制御するステップと、処理装置を介して、記憶装置から受け取られた印刷命令に基づいて可動プラットフォーム及び可動押出機アセンブリの少なくとも一方の位置を調整するステップとを含む。
さらに、３Ｄ印刷において使用される組成物も開示する。いくつかの実施形態では、灰を含む組成物も開示する。これらの組成物を使用して物体を３Ｄ印刷することができる。また、これらの組成物を使用して、３Ｄ印刷において使用されるさらなる組成物を調製することもできる。
さらに以下では、電子装置の３Ｄ印刷において使用される組成物の調製方法であって、灰を約０．０１～２００ミクロンの粒子サイズに篩い分けるステップと、ＴＰＡ及び灰を７５～１００℃の温度で１０～９０分にわたって混合するステップと、ＴＰＡ及び灰の混合物を５０～７５℃の温度で押し出すステップと、押し出された混合物及び灰を冷却させるステップと、冷却されて押し出されたＴＰＡ及び灰を巻くステップとを含む方法についても説明する。
さらに、電子装置の３Ｄ印刷において使用される組成物であって、少なくとも灰及びトリフェニルアミン（ＴＰＡ）を含み、このＴＰＡが組成物において粉末結合剤として使用され、組成物が融解して押し出される、組成物についても説明する。
当業者には、同様の参照数字を使用して同様の要素を示す添付図面と共に以下の例示的な実施形態の詳細な説明を読んだ時点で本開示の他の目的及び利点が明らかになるであろう。
３次元プリンタのための例示的な押出機アセンブリを開示する。押出機アセンブリは、１又は２以上の開口部を有するキャリッジと、各押出機が１又は２以上の開口部のうちの少なくとも１つを介してキャリッジに取り付けられた複数の押出機と、複数の押出機の周囲に空気流を誘導するように構成されたファンアセンブリとを含む。
複数の押出機は、処理装置を介して単独で制御することができる。各押出機は、それぞれの開口部を介してキャリッジ内に格納できるように構成される。例示的な実施形態によれば、押出機は、材料汚染を低減するために自動速度及び振動制御を有するスマート装置であるように構成される。押出機アセンブリの最適化された冷却ファン及び精密なノズル開口部は、フィラメントが毎回上質印刷のために摩擦制御システムを通じて排出されることを可能にする。
例示的な３次元プリンタも開示する。３次元プリンタは、ハウジングと、ハウジング内で加工されるコンポーネントを支持し、ハウジング内で垂直方向に動いてコンポーネントを加工するように構成されたプラットフォームと、プラットフォーム上のコンポーネントを加工するためにハウジング内で水平に移動するように構成された押出機アセンブリとを含む。
非限定的な実施形態では、押出機アセンブリが、例えば６つのヘッドなどの複数のヘッドを含む。このような実施形態では、６つのノズルが温度制御され（それぞれ個々にコントローラである）、６つのヒータ、６つのセンサ及び４つのファンが存在し、ファンが中央に位置する。室温から２５０℃までの温度範囲で摂氏１度の温度精度を達成することができる。押出機ブロックはＸ／Ｙ／Ｚ移動を可能にし、一度に１つの材料が押し出される。ブロックの移動は、印刷速度のための同じベルト、移動の複雑さの低減、及び押出機の安定性の向上を可能にする。図１６Ａを参照されたい。
他の実施形態では、例えばブロック上に８つの押出機ヘッドが存在することができる。図１６Ｂを参照されたい。
また、押出機ヘッドを既存の機械で使用できるように計画することもできる。例えば、いくつかの印刷ジョブでは６ヘッドキャリッジを使用し、他のジョブでは８ヘッドキャリッジに交換することができる。図１６Ｃを参照されたい。
本開示の例示的な実施形態によれば、３次元プリンタは、電子材料及び／又はコンポーネント、並びに機械材料及び／又はコンポーネントの両方を印刷することができる。例えば、センサコンポーネントは、温度センサ、圧力センサ、衝撃センサ、振動センサ、光学触覚センサ、化学（例えば、ＣＯ2）センサ、電磁気センサ、高周波（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）センサ、放射線センサ、又は必要に応じて他のいずれかのセンサを含むことができる。
別の例では、３次元プリンタが発光性コンポーネントを印刷することができる。
例示的な実施形態によれば、３次元プリンタは、布地及び回路基板を含む様々な材料基材上に印刷を行うように構成することができる。
例示的な実施形態によれば、印刷可能コンポーネントは、光／太陽コンポーネント、ＰＮダイオード、ＰＮＰ／ＮＰＮトランジスタ、及び増幅器回路を含むこともできる。
本開示の例示的な実施形態による３次元プリンタは、複数（例えば、８つ）の押出機、押出機の格納式スマートノズル及び超大型ビルドプラットフォームを介して完全に機能的なエレクトロニクスを印刷するように構成することができる。印刷されるエレクトロニクス及びコンポーネントは、以下に限定するわけではないが、食品及び飲料、自動化、石油化学、モノのインターネット、ハードウェア、生体医療、遠隔医療及び健康管理、防衛、ホームセキュリティ、航空宇宙、及び物流を含む様々な産業で使用することができる。コンポーネントは、１．３５～２０ミクロンの解像精度、及び８０ｍｍ3／ｓ未満かつ最大１２０ｍｍ／ｓの構築速度で印刷することができる。各押出機は、異なる印刷材料に接続することができる。コンポーネントは、わずか１立方フィートほどの拡張可能な体積、又はこれよりも小さな及び大きな体積で構築することができる。
３次元プリンタの処理装置は、様々なコンポーネント及び／又は装置を印刷するための命令コードを遠隔コンピュータ装置（例えば、サーバ）からネットワーク接続を介して受け取る（例えば、ダウンロードする）オンデマンド印刷のために構成することができる。これらの命令は、３次元プリンタ上に存在するグラフィカルインターフェイスを介して、又は外部コンピュータ装置を通じてサーバ上でアクセスできるダウンロード可能な設計の形態をとることができる。処理装置は、各押出機を個々に制御し、必要に応じてビルドプラットフォームのレベル調整を行うように構成することができる。押出機は、コンポーネントの材料汚染を排除して個々の材料の精密な使用を可能にするために、押出機キャリッジに対して後退及び伸長するように個別に制御することができる。これによって高精度印刷が可能になる。プラットフォームは強化ガラスで形成され、処理装置による加熱及び冷却調整のための自動レベル検出及びＰＩＤセンサを備えることができる。例示的な実施形態によれば、単一のコントロール（例えば、ボタン）を使用して複数の押出機ノズルを作動又は停止させることができる。処理装置は、様々なセンサの使用を通じて、各押出機へのフィラメント材料の自動供給を制御し、３次元プリンタのモータ及び／又はコンポーネントのいずれかにおける電力損失を検出するように構成することができる。
本開示による例示的な３次元プリンタは以下のように構成することができる。
印刷技術：熱溶解積層式（ＦＤＭ）
構築体積：１０．７５”×７．８５”×１１．８”
ノズル（ヘッド）数：８材料
適合材料：６つの電子材料＋３．０ｍｍの標準材料
印刷ファイルタイプ：Ｇｃｏｄｅ
最低ノズル温度：０℃
最高ノズル温度：２６５℃
最高ベッド温度：１２０℃
最低印刷速度：１ｍｍ／ｓ
最高印刷速度：８０ｍｍ／ｓ
構成：アルミニウム、ＰＯＭ、ＰＰ、ＡＢＳ、スチール
構築プレートのレベリング：タッチ画面上での工場レベル＋手動レベル＋ベッドレベルチェック
ノズル機能：８つの格納式ノズル（自動）
電源：１００～２４０Ｖ、５０～６０Ｈｚ
最大出力：３６０Ｗ
電源スイッチ：オン／オフ
ディスプレイ画面：４．３”ＬＣＤタッチ画面
記憶媒体：ＵＳＢ
ＵＳＢ挿入を表すＬＥＤインジケータ：Ｕディスクなし（赤）、Ｕディスク挿入中（緑）
接続性：ＵＳＢ
ＰＩＤ付き強化ガラスベッド：加熱及び冷却を調整
プリンタオペレーティングシステム：Ｗｉｎｄｏｗｓ（例えば、７、８、１０など）、Ｍａｘ ＯＳ Ｘ
サポートされる入力データファイル（スライスソフトウェア）：ＳＴＬ、ＯＢＪ、ＡＭＦ
製品寸法：２９．５”×２３．２”×１９．２”
印刷技術：熱溶解積層式（ＦＤＭ）
構築体積：１０．７５”×７．８５”×１１．８”
ノズル（ヘッド）数：８材料
適合材料：６つの電子材料＋３．０ｍｍの標準材料
印刷ファイルタイプ：Ｇｃｏｄｅ
最低ノズル温度：０℃
最高ノズル温度：２６５℃
最高ベッド温度：１２０℃
最低印刷速度：１ｍｍ／ｓ
最高印刷速度：８０ｍｍ／ｓ
構成：アルミニウム、ＰＯＭ、ＰＰ、ＡＢＳ、スチール
構築プレートのレベリング：タッチ画面上での工場レベル＋手動レベル＋ベッドレベルチェック
ノズル機能：８つの格納式ノズル（自動）
電源：１００～２４０Ｖ、５０～６０Ｈｚ
最大出力：３６０Ｗ
電源スイッチ：オン／オフ
ディスプレイ画面：４．３”ＬＣＤタッチ画面
記憶媒体：ＵＳＢ
ＵＳＢ挿入を表すＬＥＤインジケータ：Ｕディスクなし（赤）、Ｕディスク挿入中（緑）
接続性：ＵＳＢ
ＰＩＤ付き強化ガラスベッド：加熱及び冷却を調整
プリンタオペレーティングシステム：Ｗｉｎｄｏｗｓ（例えば、７、８、１０など）、Ｍａｘ ＯＳ Ｘ
サポートされる入力データファイル（スライスソフトウェア）：ＳＴＬ、ＯＢＪ、ＡＭＦ
製品寸法：２９．５”×２３．２”×１９．２”
３次元プリンタにおいてコンポーネントを加工する例示的な方法を開示する。３次元プリンタは、可動プラットフォームと、ハウジング内に配置された可動押出機アセンブリとを有する。方法は、３次元プリンタの処理装置において、コンポーネントの印刷中に可動押出機アセンブリから１又は２以上のセンサ測定値を受け取るステップと、処理装置を介して、１又は２以上のセンサ測定値に基づいて押出機アセンブリの１又は２以上の押出機の特性を制御するステップと、処理装置を介して、記憶装置から受け取られた印刷命令に基づいて可動プラットフォーム及び可動押出機アセンブリの少なくとも一方の位置を調整するステップとを含む。
本開示の例示的な実施形態は、いずれかの熱的又はレーザー後処理を受ける必要なく完全に機能的な３Ｄ電子回路及び装置を直接印刷して形成するシステム及び方法に関する。これらのシステム及び方法は、粉末結合剤としてＴＰＡを使用することができる。ＴＰＡは、電子装置の３Ｄ印刷において使用される組成物中の粉末結合剤として単独で使用することも、或いは他の材料と組み合わせて使用することもできる。ＴＰＡは、所望の電気的特性を維持しながら組成物を融解させて構造上に押し出すことができるように、組成物の所望の電気的及び機械的特性に基づいて３Ｄ印刷のための１又は２以上の粉末と混合することができる。
別の例では、３次元プリンタが、灰を含むコンポーネント及びその他の物体を印刷することができる。
ある態様では、いずれかの供給源から灰を導出することができる。
いくつかの実施形態では、灰がセルロース含有源から導出される。非限定的なセルロース含有源の例としては、木材、紙、及び／又は樹木、竹、作物又はその他のいずれかの草木などのいずれかの植物が挙げられる。
他の実施形態では、灰がいずれかの有機源から導出される。非限定的な有機源の例としては、木材、石炭、木炭、及び焼却された又は別様に焼けた草木、動物、人間（例えば、火葬された個体）又は他のいずれかの有機体が挙げられる。
以下、例示的な組成物、及びこのような組成物の調製方法を詳細に説明する。
例示的な材料及び組成物
いくつかの実施形態では少なくともトリフェニルアミン（ＴＰＡ）を含む、３Ｄ印刷において使用される組成物を開示する。
いくつかの実施形態では少なくともトリフェニルアミン（ＴＰＡ）を含む、３Ｄ印刷において使用される組成物を開示する。
ＴＰＡは、構造上に又は３次元物体を形成するために融解して押し出される組成物中の粉末結合剤として新規方法で使用することができる。
ＴＰＡは、ポリ乳酸（ＰＬＡ）及びアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）よりも低い融点を有する高分子化合物である。さらに、ＴＰＡの状態は、室温において柔軟かつ可鍛性であることができる。ＴＰＡ材料は、高温に曝されると融解して比較的粘度の高い流体になることができる。融解したＴＰＡの粘度は、温度に逆比例して変化する。ＴＰＡは、単独で又は他の材料と組み合わさった時に、３Ｄ印刷混合物のための結合剤としての使用に適する。ＴＰＡは、その柔軟性に起因して必要な機械的柔軟性の閾値を上回ることができ、従って所望の電気的特性を達成するために必要な１又は２以上の粉末と共に熱材料プリンタ（標準）を使用して印刷を行うことができる。これにより、ＴＰＡを含む組成物を融解させて、破断することなく構造上に押し出すことができる。対照的に、例えばナノ粉末と混合されたＡＢＳを含む組成物を有する３Ｄインクフィラメントは脆弱である。従って、このようなフィラメントは、構造上に押し出された時に容易に破断する恐れがある。また、これらのＡＢＳフィラメントは、その脆弱性に起因して容易に保管及び運搬を行うことができない。
３Ｄ印刷技術では、フィラメントを印刷ノズルに供給して３Ｄ物体を形成する。３Ｄプリンタのためのフィラメントの形成では、電気的特性及び物理的特性という２つの主な検討事項が存在する。３Ｄ印刷された電子装置が所望の電気的及び物理的特性に関して適切に挙動するように、各フィラメントには実質的に固有の粉末対高分子の混合比が必要である。例えば、特定量のＰＬＡ及びグラファイト粉末の混合物は抵抗器の特性を示すことができる。しかしながら、この混合物においてＰＬＡの割合を高めると抵抗特性が失われることがある。グラファイト粉末の割合を高めると、混合物が脆弱になりすぎてフィラメントとして使用できなくなる恐れがある。
対照的に、ＴＰＡベースの高分子とグラファイト及び／又はその他の粉末との混合物は、粉末の割合を高めると、温度ベースのプリンタ押出機において機能するフィラメントにとって十分に柔軟でありながら様々な電気的特性を可能にできるほど十分に可鍛性であるという予想外の特性をもたらすことができる。
本開示の例示的な組成物は、複数の電気的特性のうちのいずれかを望む通りに示すことができる。例えば、例示的な組成物は、電流の流れを制限又は遮断する絶縁電気特性を示す混合物で形成することができる。また、例示的な組成物は、自由に電流を伝える導電電気特性を有するように形成することもできる。例示的な組成物は、電流の流れを抑えるが完全には妨げない抵抗電気特性を有するように形成することもできる。例示的な組成物は、電荷を貯蔵できる容量電気特性を有するように形成することもできる。さらに、例示的な材料は、その電位に応じて電流の抑制又は伝導が可能な半導体電気特性を有するように形成することもできる。本明細書で説明する電気的特性は、組成物のＴＰＡ及びその他の成分の割合に基づいて材料内で実現し、強化し及び／又は減退させることができる。
例示的な実施形態では、ＴＰＡが材料の約９９重量％を形成する場合、組成物は絶縁性であることができる。
例示的な実施形態では、ＴＰＡが材料の約２５重量％を形成してＰＬＡが約７５重量％を形成する場合、組成物は絶縁性であることができる。
例示的な実施形態では、グラフェンが組成物の少なくとも約５重量％を形成し、銀（Ａｇ）が組成物の少なくとも約１５重量％を形成することによって、グラフェン及びＡｇが約１００ｎｍ～約１００，０００ｎｍの粒径の粉末形態をとることができる場合、組成物は導電性であることができる。
例示的な実施形態では、グラファイトが組成物の少なくとも約２５重量％を形成し、銀（Ａｇ）が組成物の少なくとも約１０重量％を形成することによって、グラファイト及びＡｇが約１００ｎｍ～約１００，０００ｎｍの粒径の粉末形態をとることができる場合、組成物は抵抗性であることができる。
例示的な実施形態では、ＰＬＡが組成物の少なくとも約２５重量％を形成し、グラファイトが組成物の少なくとも約２５重量％を形成し、銀（Ａｇ）が組成物の少なくとも約１０重量％を形成することによって、グラファイト及びＡｇが約１００ｎｍ～約１００，０００ｎｍの粒径の粉末形態をとることができる場合、組成物は抵抗性であることができる。
例示的な実施形態では、二酸化チタン（ＴｉＯ2）が組成物の少なくとも約３５重量％を形成することによって、ＴｉＯ2が約１００ｎｍ～約１００，０００ｎｍの粒径の粉末形態をとることができる場合、組成物は容量性とすることができる。
例示的な実施形態では、ＰＬＡが組成物の少なくとも約３０重量％を形成し、二酸化チタン（ＴｉＯ2）が組成物の少なくとも約３５重量％を形成することによって、ＴｉＯ2が約１００ｎｍ～約１００，０００ｎｍの粒径の粉末形態をとることができる場合、組成物は容量性であることができる。
例示的な実施形態では、銀（Ａｇ）が組成物の少なくとも約５重量％を形成し、ｎ型シリコン半導体（Ｓｉ－Ｎ）が組成物の少なくとも約５０重量％を形成することによって、Ｓｉ－Ｎが約１００ｕｍの粒径のウエハ形態をとることができる場合、組成物は半導体であることができる。
例示的な実施形態では、銀（Ａｇ）が組成物の少なくとも約５重量％を形成し、ｐ型シリコン半導体（Ｓｉ－Ｐ）が組成物の少なくとも約５０重量％を形成することによって、Ｓｉ－Ｐが約１００ｕｍの粒径のウエハ形態をとることができる場合、組成物は半導体であることができる。
半導体粒子の重量分率は、半導体インクベースの材料の電気的特性に影響を与えることができ、本開示の様々な態様において変化することができる。半導体インクベースの組成物は、噴射後に半導体性かつ自己支持性であることができ、比較的低い粘度を有することができる。半導体インクにおいて使用される粉末の粒径は、高精度なインク分注のために、１０ミクロン以下のサイズを有する非常に微細なものであることができる。
本開示の別の例示的な実施形態は、３Ｄ印刷組成物の製造プロセスを提供する。このプロセスは、ＴＰＡを密閉容器内で少なくとも約１４０℃の温度で少なくとも約１５分にわたって融解させるステップと、容器に１又は２以上の粉末を添加し、均質にするために約２時間にわたって撹拌して温度を約１００℃に低下させるステップと、容器にフィラメントキャップを適用して特定の直径の所定の長さのフィラメントを押し出すステップと、フィラメントを冷却して、電子装置の３Ｄ印刷において使用されるロール状にするステップとを含むことができる。
半導体インクは、最初は液体懸濁液の状態で分注される。インクは、インジェクタから分注されると急速に固化（硬化）して自己支持型機械構造になる。インクは、噴射後に既に堆積している３Ｄ印刷層及び隣接する材料とシームレスに融合できるほど十分に湿ったままであるように前処理することができる。例示的な半導体インクはほぼ室温で印刷することができ、従って著しい熱制御は不要である。或いは、半導体インクは、室温よりも高い又は低い様々な温度で印刷することもできる。
ＵＶ硬化性液状エポキシを使用する第２の実施形態
液状エポキシは、半導体インクの導電性に影響を与えることができ、本開示の様々な態様において変化することができる。ＵＶ硬化強度及び硬化時間も、半導体インクベースの組成物の電気的特性に影響を与えることができ、本開示の様々な態様において変化することができる。
液状エポキシは、半導体インクの導電性に影響を与えることができ、本開示の様々な態様において変化することができる。ＵＶ硬化強度及び硬化時間も、半導体インクベースの組成物の電気的特性に影響を与えることができ、本開示の様々な態様において変化することができる。
本開示の例示的な実施形態は、紫外線（ＵＶ）硬化性液状エポキシを使用して電子装置を製造するプロセスに関する。このプロセスは、ＵＶ硬化性液状エポキシを少なくとも１つのナノ粉末と混合して混合物を形成するステップと、混合物を非導電性ガラス面上に分注するステップと、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を使用して、分注された混合物を硬化させるステップと、硬化した混合物を融解させて半液状にし、これを印刷ヘッドから押し出して装置を形成するステップとを含むことができる。ＬＥＤ光源は約１６ＭＷ／ｃｍ2の最大強度を有することができ、硬化のための持続時間は約２０秒～約１２０秒とすることができる。
本開示の別の例示的な実施形態は、ＴＰＡと紫外線（ＵＶ）硬化性液状エポキシとの組み合わせを使用して電子装置を製造するプロセスに関する。このプロセスは、ＵＶ硬化性液状エポキシをＴＰＡ及び少なくとも１つのナノ粉末と混合して混合物を形成するステップと、混合物を非導電性ガラス面上に分注するステップと、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を使用して、分注された混合物を硬化させるステップと、硬化した混合物を融解させて半液状にし、これを印刷ヘッドから押し出して装置を形成するステップとを含むことができる。ＬＥＤ光源は約１６ＭＷ／ｃｍ２の最大強度を有することができ、硬化のための持続時間は約２０秒～約１２０秒とすることができる。
液状エポキシは、エレクトロニクス産業の主要材料であり、モータ、発電機、変圧器、開閉装置、ブッシング及び絶縁体に幅広く採用されている。ほとんどの液状エポキシは、硬化のために長い自然時間又は熱処理が規定されており、このことが液状エポキシを３Ｄ印刷のインク溶剤及び結合剤として使用することを妨げている。しかしながら、高速ＵＶ硬化性液状エポキシは例外であり、ＵＶ光活性化の下での短い硬化時間（通常数秒）が規定されているため予想外の特性を有する。例えば、高速ＵＶ硬化性液状エポキシは、予想外の特性をもたらす独特な一液形低粘度ＵＶ硬化性液状接着剤である。このようなエポキシの粘度は２００～４５０ｃＰｓであり、インクベース材料の印刷に適する。高速ＵＶ硬化性液状エポキシは、その優れた接着性及びＵＶ光下での高速硬化特性により、適切なナノ粉末材料と混合して様々な基本電子インクを形成することができる。
３Ｄ印刷のための半導体インクベース材料を形成するプロセスは、粘度の異なるナノ粉末と液状エポキシとを高速混合動作によって混合して均一に結合させることを伴う。混合前には、液状エポキシ及び選択されたナノ粉末を約０．００１グラムの精度で正確に測定して適切な重量比を形成する。混合物は、高速遠心ミキサを使用して短期間混合プロセス（一般的には約６０秒）で生成することができる。例示的な混合装置（例えば、ミキサ）は、材料を保持する容器が時計回りに回転して容器自体が反時計回りに回転する機構を有する自転公転攪拌機（ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｍｉｘｅｒ）とすることができる。この自転公転攪拌機は、材料を剪断せずに優しく混合することができ、材料の固相特性を維持しながら均一な混合を可能にする。この例示的な混合装置は、少量のナノ粉末と液状エポキシとを反復使用のために効率的に混合することができる。
従って、半導体インクを形成するプロセスは、少なくとも１）ＵＶ硬化性エポキシは電気絶縁体のように挙動する場合があり、従ってエポキシ液の修正が必要である、２）液状半導体インク混合物は、半導体粒子を密着させるために完全に硬化させるべきである、及び３）ＩＶ曲線測定技術は、電圧プローブ間にショートを生じることなく硬化混合物の薄層に対応できるべきである、といった検討事項を含むことができる。液状エポキシの特性は、導電性銀ナノ粉末を添加することによって修正することができる。この混合の結果、エポキシが絶縁体として機能することを可能にして半導体粒子を密着させる高速ＵＶ硬化性エポキシが得られる。
応用例－灰ベースのフィラメント
いずれかの有機源から導出された灰の再利用は、廃棄物全体をリサイクル／アップサイクルして削減する新規アプローチを表すものである。
いずれかの有機源から導出された灰の再利用は、廃棄物全体をリサイクル／アップサイクルして削減する新規アプローチを表すものである。
さらに、死んだペットなどの有機体の灰に関しては、火葬した有機体から導出されるフィラメントで形成された形見又はその他の証又は物体を製造及び／又は販売することが可能である。例えば、米国では年間約１９０万件のペット葬儀が行われており、この数は増加していると推定される。また、ペットの飼い主の約９９％がペットの死に際して火葬を選択するとも推定される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、約０．０１～２００ミクロン、又は約１～１７５ミクロン、又は約１０～１５０ミクロンの粒径に混合及び／又は篩い分けされた灰を使用して調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、約１～２５０ミクロン、又は約１～１７５ミクロン、又は約１～１５０ミクロン、又は約１～１００ミクロンの粒径に混合及び／又は篩い分けされた灰を使用して調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、約０．１～２５ミクロン、又は約０．５～１５ミクロン、又は約１～１０ミクロンの粒径に混合及び／又は篩い分けされた灰を使用して調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％の灰、又は０．１重量％～５０重量％の灰、又は１重量％～４０重量％の灰を含む。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％のＴＰＡ、又は０．１重量％～６５重量％のＴＰＡ、又は１重量％～５５重量％の灰を含む。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく少なくとも５０重量％のＴＰＡを含む。他の実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく約５０重量％のＴＰＡを含む。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％のＴｉＯ、又は０．１重量％～５０重量％のＴｉＯ、又は１重量％～４０重量％のＴｉＯをさらに含む。いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％のＴｉＯ2、又は０．１重量％～５０重量％のＴｉＯ2、又は１重量％～４０重量％のＴｉＯ2をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％の銀、又は０．１重量％～５０重量％の銀、又は１重量％～４０重量％の銀をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％のグラファイト、又は０．１重量％～５０重量％のグラファイト、又は１重量％～４０重量％のグラファイトをさらに含む。いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％のグラフェン、又は０．１重量％～５０重量％のグラフェン、又は１重量％～４０重量％のグラフェンをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、フィラメント組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％の銀、又は０．１重量％～５０重量％の銀、又は１重量％～４０重量％の銀をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡと混合することによって調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ及びグラファイト及び／又はグラフェンと混合することによって調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ及び銀と混合することによって調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ及びＴｉＯ2と混合することによって調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ及びＴｉＯと混合することによって調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ、ＴｉＯ及びグラファイト及び／又はグラフェンと混合することによって調製される。いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ、ＴｉＯ2及びグラファイト及び／又はグラフェンと混合することによって調製される。いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ、ＴｉＯ、ＴｉＯ2及びグラファイト及び／又はグラフェンと混合することによって調製される。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明する灰ベースのフィラメントが、灰をＴＰＡ、並びにＴｉＯ2及び／又はＴｉＯ及び／又は銀及び／又はグラファイト及び／又はグラフェン及び／又はその他の（単複の）粉末のうちの１つ又は２つ以上と混合することによって調製される。
いくつかの実施形態では、上述した灰ベースのフィラメント組成物を、最初に灰を所望の粒径に篩い分けし、次に少なくともＴＰＡ及び灰を７５～１００℃の温度で１０～９０分にわたって混合し、次にこの灰含有混合物を５０～７５℃の温度で押し出し、次にこの押し出された灰含有混合物を冷却し、最後にこの冷却されて押し出されたＴＰＡ及び灰を巻くことによって調製することができる。
好ましい実施形態では、ＴＰＡ及び灰が、ＴｉＯ2及び／又はＴｉＯ及び／又は銀及び／又はグラファイト及び／又はグラフェン及び／又はその他の（単複の）粉末のうちの１つ又は２つ以上と混合される。この混合は、１０～９０分、又は１５～８０分、又は２０～７５分、又は２５～６０分、又は約３０分にわたって行われることが好ましい。
好ましい実施形態では、混合が、７５～１００℃、又は７５～９５℃、又は７５～９０℃、又は７５～８５℃、又は約８０℃の温度で行われる。
好ましい実施形態では、押出しが、５０～７５℃、又は５５～７５℃、又は５５～７０℃、又は５５～６５℃、又は約６０℃の温度で行われる。
応用例－エレクトロニクス製造
この機能的エレクトロニクスの３Ｄ印刷（３Ｄｅ）のための技術は、数多くの技術分野全体を通じてエレクトロニクスの設計、生産及び実装を行う方法に変革をもたらす能力を有することができる。例えば、長期にわたる宇宙輸送では、飛行中に電子コンポーネントが故障して交換が必要になった場合にエレクトロニクスのオンデマンド３Ｄ印刷が極めて重要になる。また、付加製造の応用は、火星などの宇宙空間で一時的又は恒久的に運用される人間関連システム又は施設に影響及び恩恵をもたらすこともできる。
この機能的エレクトロニクスの３Ｄ印刷（３Ｄｅ）のための技術は、数多くの技術分野全体を通じてエレクトロニクスの設計、生産及び実装を行う方法に変革をもたらす能力を有することができる。例えば、長期にわたる宇宙輸送では、飛行中に電子コンポーネントが故障して交換が必要になった場合にエレクトロニクスのオンデマンド３Ｄ印刷が極めて重要になる。また、付加製造の応用は、火星などの宇宙空間で一時的又は恒久的に運用される人間関連システム又は施設に影響及び恩恵をもたらすこともできる。
本開示の例示的な実施形態は、プリンタ、詰め替え式材料カートリッジ、制御ソフトウェア、設計ソフトウェア、及び会員制ユーザ開発コミュニティポータルにも関する。一般に、システムは、ユーザが様々な３Ｄ電子回路を数多くの形状因子で設計し、レイアウトし、印刷することを可能にし、従って特定の時点で特定のニーズを満たすオンデマンド式の特注生産を提供する。例示的なシステム及び方法は、例えばセンサ及び生体医療検出器を形成する用途、回路レイアウト及び設計、並びに現場生産を行う用途、教育及び訓練ツールとして使用される用途、並びに研究開発、玩具、ゲーム、強化電子コンポーネント、交換部品、通信装置、計算設備、家庭用電子コンポーネント、産業用電子コンポーネント、陸上電子コンポーネント、航空宇宙電子コンポーネント、航海用電子コンポーネント、スポーツ設備、建設設備、ロボット設備、ネットワーク装置、Ｗｉ－Ｆｉ装置、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ装置、装飾部品、照明設備、オーディオ設備、衛星コンポーネント、宇宙船コンポーネント、人工知能を利用する装置、モバイル装置、軍事設備、ウェアラブル技術、ブロックチェーン技術を利用する装置、金融、銀行業務及び監視技術を利用する装置、電子宝石類、電子計時装置、モノのインターネット（ＩｏＴ）装置における用途、或いは他のいずれかの望む通りの用途又は実装などの様々な用途において使用することができる。
本明細書に開示する例示的な実施形態は、本明細書で説明する例示的なプロセスに基づいて混合されたいずれかの原材料を様々な３Ｄ印刷プロセスの使用を通じた３Ｄ電子コンポーネントの形成のために堆積すべき幅広い電子インクに変換するようなナノ電子材料開発のためのものとすることができる。結果として得られた半導体ベースのインクをその後に堆積させる方法における駆動変数は、その目的用途及び流体粘度の範囲によって決定される。３Ｄエアロゾルジェット印刷技術を使用して、粘度が約１～１，０００センチポアズの半導体インクを正確に堆積させる。インク粘度が約１，０００～１０，０００センチポアズの範囲内で上昇する場合には、より高粘度の空気圧噴霧法又は分注法に移行する方が望ましい。
半導体材料は、材料を加圧リザーバ内に保持し、材料の分注を調整するためにコンピュータソフトウェアを通じてオン及びオフに制御される空気圧噴霧ヘッドに送達できる、噴霧法を使用して堆積することができる。噴霧能力は、様々な電子塗料、接着剤及び樹脂を印刷して表面に対する部品の保護カプセル化及び接着を行うことができる大量堆積プロセスを提供することができる。より小さな微細特徴の堆積が望ましい場合には、インク及び厚膜ペーストの空気圧分注によって、制御度合いの高い直接書き込み手法を提供する。
本開示の例示的な実施形態は、スクリーン印刷の実践を採用して様々な電子厚膜装置を製造する厚膜材料開発プロセスを適用する上で、既知の印刷技術を凌ぐ大きな利点を提供することができる。スクリーン印刷は、この分野におけるプロトタイピング及び概念実証作業のために、反復性の高い電子回路の高速平面印刷を提供する。スクリーン印刷は、電子エポキシ及びペーストの超高固形物負荷が多層方式で堆積されることも可能にする。
機能的エレクトロニクスの３Ｄ印刷（３Ｄｅ）の別の例は、導電性、容量性、絶縁性の３つの材料を使用して印刷できるインソール感知装置（ｉｎ－ｓｏｌｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）である。この感知装置は、表面を横切って導電性ワイヤによって接続された個々の容量性素子及び導電性素子で形成されたマトリクス状の圧力及び温度センサとすることができる。表面は、いずれかの所望の形状に形成することができる。この場合、様々な長さ及び幅の足の形状が望ましい。装着者によって加わる圧力によるセンサ素子の形状の変化によって圧力を感知することができる。形状の変化によって容量が変化することができ、これによってセンサ素子に加わる電圧がさらに変化することができる。著しい温度の変化が生じた場合には、導電性材料の抵抗率の変化によって温度を感知することもできる。材料にわたる抵抗の変化によって電圧の変化を生じることもできる。
機能的エレクトロニクスの３Ｄ印刷（３Ｄｅ）のさらに別の例は、絶縁体混合物、容量性混合物及び導電性／低抵抗性混合物の組み合わせを使用して印刷できる、図１４Ｂに示すような圧力センサアレイである。センサアレイは、頂部及び底部において導電線によって接続された個々の格子状の容量性素子で形成することができる。このセンサアレイを、足底の形状の絶縁性ハウジングで取り囲むことができる。アレイに圧力が加わると、圧力の近傍の素子が変形し、従ってこれらの素子の容量値が変化する。これらの変化を接続部の電圧によって感知することができる。
機能的エレクトロニクスの３Ｄ印刷（３Ｄｅ）のさらに別の例は、図１４Ａに示すようなフットボールヘルメット衝撃センサである。このヘルメット衝撃センサは、容量性混合物、抵抗性混合物及び絶縁性混合物の組み合わせを使用して３Ｄ印刷された容量性圧力センサアレイを使用して概念化される。前部、側部、後部又はいずれかの局所領域への衝撃を測定し、サーバにアップロードして、力及び圧力に関する複数のリアルタイム選手データを提供することができる。
他の用途としては、例えば、センサ及び生体医療検出器を形成する用途、回路レイアウト及び設計、並びに現場生産を行う用途、教育及び訓練ツールとして使用される用途、並びに研究開発、玩具、ゲーム、強化電子コンポーネント、交換部品、通信装置、計算設備における用途、或いは他のいずれかの望む通りの用途又は実装などを挙げることができる。
材料特性の検査
３Ｄプリンタによって印刷された各材料は、その材料の形状に応じて複雑な電気装置における所望の挙動及び所望の使用を規定する特定の電気的特性を有する。
３Ｄプリンタによって印刷された各材料は、その材料の形状に応じて複雑な電気装置における所望の挙動及び所望の使用を規定する特定の電気的特性を有する。
導電性材料では、ｍｈｏ／メートルで測定される導電率（抵抗率の逆数）が高い必要がある。導電率は、既知の形状の線を作製して全抵抗を測定することによって測定することができる。コンダクタンスは抵抗の逆である。
絶縁性材料では、ｏｈｍ／メートルで測定できる抵抗率（導電率の逆数）が高い必要がある。抵抗性材料では、抵抗率が中から高まで変化すべきである。抵抗率は、既知の形状の線を作製して全抵抗を測定することによって測定することができる。
容量性材料では、比誘電率（無単位）が１よりも大きい必要がある。この誘電率は、その構造において利用可能な容量に正比例する。誘電率は、既知の幾何のサンプルを作製した後に既知の周波数の正弦波信号を通すことによって測定することができる。信号の位相及び振幅の変動は、容量と機能的に関連する。
半導体材料では、材料が、加わる電圧又は流れる電流に応じてその全抵抗を変化させるスイッチとして機能することが望ましい。低電圧では抵抗が高く、高電圧では抵抗が低い。半導体材料の電気的応答又は挙動は、典型的には印加電圧に依存する指数関数的挙動を有するＩＶ曲線の形態で捉えることができる。重要な尺度は、ターンオン電圧及び飽和電流である。
これらの材料は、電気的特性に加えて、その組成に起因する機械的特性も有する。これらの材料は、組成物の基礎が高分子系であるため、高分子系に依存する応力／歪み特性を有する。また、材料の融点も高分子系に大きく依存する。応力及び歪みは、材料が破壊までにどれだけの変形に耐えられるかを示す尺度である。古典的な応力／歪み曲線が存在する。
電流（Ｉ）－電圧（Ｖ）特性曲線（ＩＶ）は、電子装置を流れる電流とその端子に加わる電圧との関係を定める。固定値抵抗器では、ＩＶ曲線は概ね直線である。しかしながら、半導体材料のＩＶ曲線は線形ではない。電流値はゼロの印加電圧から開始して増加するが、振幅は極めて小さい。半導体を通過する電流は、「キックオフ」電圧に達すると、わずかな電圧の増分で急速に増加する。
例示的な実施形態によれば、フィラメントは、導電性、絶縁性、容量性、抵抗性、Ｎ型半導体特性及びＰ型半導体特性を含むことができる。
混合物の仕様
以下の表１に、本開示の様々な３Ｄ印刷エレクトロニクスを形成するための例示的なベース混合物を概算的な相対量と共に示す。これらは本開示を例示するものにすぎず、当業者には、本開示を読んだ時点で本開示に含まれる多くの変形例及び同等物が明らかになると思われるので、決して本開示の範囲を限定するものとして解釈すべきでない。
表１
以下の表１に、本開示の様々な３Ｄ印刷エレクトロニクスを形成するための例示的なベース混合物を概算的な相対量と共に示す。これらは本開示を例示するものにすぎず、当業者には、本開示を読んだ時点で本開示に含まれる多くの変形例及び同等物が明らかになると思われるので、決して本開示の範囲を限定するものとして解釈すべきでない。
表１
以下の表２及び表３には、本開示の様々な３Ｄ印刷エレクトロニクスを形成するためのさらなる例示的な混合物を概算量（グラム単位）と共に示しており、これにはＡＢＳは含まれていない。これらは本開示を例示するものにすぎず、当業者には、本開示を読んだ時点で本開示に含まれる多くの変形例及び同等物が明らかになると思われるので、決して本開示の範囲を限定するものとして解釈すべきでない。
表２
表３
表２
また、本開示は、電子コンポーネント及び電子コンポーネントの部品の印刷に有用なフィラメント組成物も提供する。非限定的な例としては、抵抗器及びその部品、キャパシタ及びその部品、ｎ型半導体及びその部品、ｐ型半導体及びその部品、絶縁体及びその部品、並びに磁性部品及びその部品が挙げられる。また、灰ベースのコンポーネント又は物体を印刷することもできる。
本明細書で説明するフィラメント組成物のいくつかの実施形態は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸アセトン溶液（ＰＬＡ）、トリフェニルアミン（ＴＰＡ）、グラファイト、グラフェン、ＴｉＯ2、ＴｉＯ、ｎ型シリコン、ｐ型シリコン、銀（Ａｇ）、Ｓｎ／Ａｌ、磁石粉末及び／又は灰のうちの１つ又は２つ以上を含む。
あらゆるタイプの灰又は灰の供給源を使用することができる。いくつかの実施形態では、灰が木灰である。
本明細書で説明する配合物では、いずれかのタイプの磁石粉末を使用することができる。
本明細書で使用する「Ｓｎ／Ａｌ」は、スズ又はアルミニウム単独、いずれかの比率で組み合わせたスズ及びアルミニウム、及び／又はいずれかのスズ－アルミニウム合金を意味する。
本明細書で説明する配合物は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸アセトン溶液（ＰＬＡ）、トリフェニルアミン（ＴＰＡ）、グラファイト、グラフェン、ＴｉＯ、ＴｉＯ2、ｎ型シリコン、ｐ型シリコン、銀（Ａｇ）、Ｓｎ／Ａｌ、磁石粉末、及び／又は灰のうちの１つ又は２つ以上をいずれかの量又は比率で含むことができる。
本明細書で説明する特定の好ましい配合物は、ＰＬＡ、ＴＰＡ、又はＰＬＡ及びＴＰＡの両方を含む。
いくつかの実施形態では、フィラメント組成物が、Ｓｎ／Ａｌ、ＰＬＡ及びＴＰＡ、ＰＬＡ及びグラファイト、ＰＬＡ及びグラフェン、ＰＬＡ及びＴｉＯ、ＰＬＡ及びＴｉＯ２、ＰＬＡ、ＴｉＯ及びＴｉＯ2、ＰＬＡ及びｎ型シリコン、ＰＬＡ及びｐ型シリコン、ＰＬＡ及び銀、ＰＬＡ及びＳｎ／Ａｌ、ＰＬＡ及び磁石粉末、ＰＬＡ及び木灰、ＰＬＡ、ｎ型シリコン及び銀、ＰＬＡ、ｐ型シリコン及び銀、ＰＬＡ、グラファイト及びグラフェン、ＰＬＡ、グラファイト及び銀、ＰＬＡ、グラフェン及び銀、ＴＰＡ及びＴｉＯ、ＴＰＡ及びＴｉＯ2、ＴＰＡ、ＴｉＯ及びＴｉＯ2、ＴＰＡ及びグラファイト、ＴＰＡ及びグラフェン、ＴＰＡ及び銀、ＴＰＡ及びｎ型シリコン、ＴＰＡ及びｐ型シリコン、ＴＰＡ、ｎ型シリコン及び銀、ＴＰＡ、ｐ型シリコン及び銀、ＴＰＡ及び磁石粉末、ＴＰＡ及び木灰、ＴＰＡ、グラファイト及び銀、ＴＰＡ、グラフェン及び銀、ＰＬＡ、ＴＰＡ及びＴｉＯ2、ＰＬＡ、ＴＰＡ及びＴｉＯ、ＰＬＡ、ＴＰＡ、ＴｉＯ及びＴｉＯ2、ＰＬＡ、ＴＰＡ、ｎ型シリコン及び銀、ＰＬＡ、ＴＰＡ、ｐ型シリコン及び銀、ＴＰＡ、ｎ型シリコン及び銀、ＴＰＡ、ｐ型シリコン及び銀、又はＰＬＡ、ＴＰＡ及び木灰を含む。
また、本明細書では、本明細書で説明するフィラメント配合物を用いた３Ｄ印刷によって全体的又は部分的に形成される半導体（ｎ型及びｐ型の両方）、キャパシタ、抵抗器、絶縁体、ダイオード、磁性コンポーネント及びその部品、並びにその他の電気コンポーネント及びその部品も提供する。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のＰＬＡを含むことができる。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のＴＰＡを含むことができる。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％の磁性粉末を含むことができる。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のグラファイトを含むことができる。いくつかの実施形態では、グラファイトが組成物の０～５０重量％の量で存在する。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のグラフェンを含むことができる。いくつかの実施形態では、グラフェンが組成物の０～５０重量％の量で存在する。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のＴｉＯを含むことができる。いくつかの実施形態では、ＴｉＯが組成物の０～６６重量％の量で存在する。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のＴｉＯ2を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＴｉＯ2が組成物の０～６６重量％の量で存在する。
ＴｉＯ及びＴｉＯ2の両方を含む実施形態では、ＴｉＯ＋ＴｉＯ2の総量をいずれかの量とすることができる。いくつかの実施形態では、ＴｉＯ＋ＴｉＯ2の総量が組成物の総重量の０～６６％である。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のシリコン（ｎ型）を含むことができる。いくつかの実施形態では、シリコン（ｎ型）が組成物の０～６６重量％の量で存在する。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のシリコン（ｐ型）を含むことができる。いくつかの実施形態では、シリコン（ｐ型）が組成物の０～６６重量％の量で存在する。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％の銀を含むことができる。いくつかの実施形態では、銀が組成物の０～５０重量％又は組成物の０～２５重量％の量で存在する。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％のＳｎ／Ａｌを含むことができる。
本明細書で説明する組成物は、いずれかの量の、すなわち組成物の０～１００重量％の灰を含むことができる。いくつかの実施形態では、灰が組成物の０～３３重量％の量で存在する。
上述した成分のうちの２つを含むいくつかの実施形態では、これらの２つの成分がいずれかの質量比で存在することができる。
灰ベースのフィラメントを調製する例示的な方法
本明細書で説明する方法に従って調製される灰ベースのフィラメント組成物の例示的な実施形態では、灰を１００ミクロンの小サイズに篩い分けた。
本明細書で説明する方法に従って調製される灰ベースのフィラメント組成物の例示的な実施形態では、灰を１００ミクロンの小サイズに篩い分けた。
その後、以下の表４に示すように、約２５グラムの灰を８０℃で３０分にわたってＴＰＡ及びＴｉＯと混合した。
表４
表４
混合後に、フィラメントを６０℃で押し出して冷却した。
冷却後に灰ベースのフィラメントを巻き、その後に検査した。この結果を図１５Ｃに示す。
当業者であれば、本開示は、その趣旨又は本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具体化することもできると理解するであろう。
従って、現在開示している実施形態は、全ての点において例示的なものであって限定されるものではないとみなされる。
本開示の範囲は、上記の説明ではなくむしろ添付の特許請求の範囲によって示されており、その意味、範囲及び等価性に該当する全ての変更がこの範囲内に受け入れられるように意図される。
Claims (54)
- ３次元プリンタにおいて使用される押出機アセンブリであって、
１又は２以上の開口部を有するキャリッジと、
複数の押出機であって、各押出機が前記１又は２以上の開口部のうちの少なくとも１つを介してキャリッジに取り付けられるとともに、処理装置と通信するための少なくとも１つのポートを含む、複数の押出機と、
前記複数の押出機の周囲に空気流を誘導するように構成されたファンアセンブリと、
を備える押出機アセンブリ。 - 各押出機は、押出機本体と、押出機先端部と、押出機キャップとを含む、
請求項１に記載の押出機アセンブリ。 - 前記押出機本体は、フィラメント材料を融解させるための加熱素子を含む、
請求項２に記載の押出機アセンブリ。 - 前記押出機本体は、温度センサ、フィラメントチェックセンサ、加熱素子センサ及び押出機センサのうちの少なくとも１つを含む、
請求項２に記載の押出機アセンブリ。 - 前記押出機キャップは、前記押出機本体に着脱自在に接続されて前記キャリッジの上側に接触する、
請求項１に記載の押出機アセンブリ。 - 前記押出機本体の一端が前記キャリッジの下側に接触する、
請求項５に記載の押出機アセンブリ。 - 前記押出機先端部は、前記押出機本体の第２の端部に着脱自在に接続される、
請求項６に記載の押出機アセンブリ。 - 前記押出機キャップは、固体フィラメント材料を受け取るための開口部を含む、
請求項２に記載の押出機アセンブリ。 - 前記複数の押出機は、前記キャリッジ上に１又は２以上の横列で配置される、
請求項１に記載の押出機アセンブリ。 - 前記ファンアセンブリは、前記複数の押出機の隣接する前記横列間に延びる、
請求項９に記載の押出機アセンブリ。 - 前記ファンアセンブリは、前記複数の押出機の隣接する前記横列の各端部において横方向に延びるファンを含む、
請求項１０に記載の押出機アセンブリ。 - ３次元プリンタであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内で加工されるコンポーネントを支持し、前記コンポーネントを加工するために前記ハウジング内で垂直に移動するように構成されたプラットフォームと、
前記プラットフォーム上の前記コンポーネントを加工するために前記ハウジング内で水平に移動するように構成された、請求項１に記載の押出機アセンブリと、
を備える３次元プリンタ。 - ベルト駆動部を有する押出機フレームアセンブリを備え、
前記押出機アセンブリは、前記ベルト駆動部が前記プラットフォーム又は前記プラットフォーム上のコンポーネントの位置に対して前記押出機アセンブリを水平に動かすように、前記押出機フレームアセンブリに取り付けられる、
請求項１２に記載の３次元プリンタ。 - 前記プラットフォームは複数の層を含む、
請求項１２に記載の３次元プリンタ。 - 前記プラットフォームは、前記複数の層のうちの１つ又は２つ以上で構成された加熱素子を含む、
請求項１４に記載の３次元プリンタ。 - 前記ハウジングの表面に取り付けられた複数のフィラメントスプールと、
複数のステッパモータであって、各ステッパモータがそれぞれのフィラメントスプールを駆動するように構成された複数のステッパモータと、
を備える、請求項１３に記載の３次元プリンタ。 - 前記コンポーネントを加工するために前記プラットフォーム及び前記押出機アセンブリの動きを制御する処理装置を備える、
請求項１３に記載の３次元プリンタ。 - 前記押出機アセンブリは、複数の押出機を含み、各押出機は、加熱素子と、温度センサ、フィラメントチェックセンサ、加熱素子センサ及び押出機センサのうちの少なくとも１つとを含み、
前記処理装置は、前記温度センサ、前記フィラメントチェックセンサ、前記加熱素子センサ及び前記押出機センサのうちの少なくとも１つから測定値を受け取り、前記測定値に基づいて前記プラットフォーム及び前記押出機アセンブリを制御するように構成される、
請求項１７に記載の３次元プリンタ。 - 前記処理装置は、前記加熱素子から受け取られた測定値に基づいて前記加熱素子の温度を調整するように構成される、
請求項１８に記載の３次元プリンタ。 - 可動プラットフォームと可動押出機アセンブリとを含むハウジングを有する３次元プリンタにおいてコンポーネントを加工する方法であって、
前記３次元プリンタの処理装置において、コンポーネントの印刷中に前記可動押出機アセンブリから１又は２以上のセンサ測定値を受け取るステップと、
前記処理装置を介して、前記１又は２以上のセンサ測定値に基づいて前記可動押出機アセンブリの１又は２以上の押出機の動作を制御するステップと、
前記処理装置を介して、前記１又は２以上のセンサ測定値及び記憶装置から受け取られた印刷命令の少なくとも一方に基づいて前記可動プラットフォーム及び前記可動押出機アセンブリの少なくとも一方の位置を調整するステップと、
を含む方法。 - 前記３次元プリンタは、前記可動押出機アセンブリが取り付けられた押出機フレ―ムアセンブリを含み、前記可動押出機アセンブリの位置を調整する前記ステップは、
前記処理装置を介して、前記可動プラットフォームに関して前記可動押出機アセンブリを水平に動かすように前記押出機フレームアセンブリのベルト駆動部を制御するステップを含む、
請求項２０に記載の方法。 - 前記３次元プリンタは、前記ハウジングに取り付けられた電気モータを含み、前記可動プラットフォームの位置を調整する前記ステップは、
前記処理装置を介して、前記可動プラットフォームを前記可動押出機アセンブリに関して垂直方向に動かすように前記電気モータを制御するステップを含む、
請求項２０に記載の方法。 - 前記３次元プリンタは、前記ハウジングに取り付けられた関連するステッパモータと共に複数のフィラメントスプールを含み、前記方法は、
前記処理装置を介して、関連するフィラメントスプールを駆動する１又は２以上のステッパモータを、前記押出機アセンブリの前記１又は２以上のセンサから受け取られた測定値及び記憶装置から受け取られた印刷命令の少なくとも一方に基づいて、前記可動押出機アセンブリにフィラメントを供給するように制御するステップを含む、
請求項２０に記載の方法。 - 前記可動プラットフォームは加熱素子を含み、前記方法は、
前記処理装置を介して、前記可動プラットフォームの１又は２以上のセンサから受け取られた測定値に基づいて、前記可動プラットフォームの前記加熱素子を制御するステップを含む、
請求項２０に記載の方法。 - 前記３次元プリンタは、前記可動押出機アセンブリに取り付けられたファンアセンブリを含み、前記方法は、
前記処理装置を介して、前記可動押出機アセンブリの前記１又は２以上のセンサから受け取られた測定値に基づいて、前記可動押出機アセンブリの前記１又は２以上の押出機の周囲に空気流を誘導するように前記ファンアセンブリを制御するステップを含む、
請求項２０に記載の方法。 - 前記押出機アセンブリの前記１又は２以上の押出機の動作を制御するステップは、
前記処理装置を介して、押出機キャリッジに対して後退又は伸長して前記可動プラットフォーム上に材料を堆積させるように各押出機を個別に制御するステップを含む、
請求項２０に記載の方法。 - 前記処理装置を介して、前記コンポーネントの印刷中の指定された瞬間に前記可動プラットフォーム上に材料を放出するように前記１又は２以上の押出機の各押出機先端部を個別に制御するステップを含む、
請求項２６に記載の方法。 - 電子装置の３Ｄ印刷において使用される組成物であって、
少なくとも灰及びトリフェニルアミン（ＴＰＡ）を含み、
前記ＴＰＡは、前記組成物において粉末結合剤として使用され、
前記組成物は、融解して押し出される、
組成物。 - ＴＰＡは、前記組成物の総重量に基づく０．１重量％～６５重量％の量で存在する、
請求項２８に記載の組成物。 - 灰は、前記組成物の総重量に基づく０．１重量％～５０重量％の量で存在する、
請求項２８又は２９に記載の組成物。 - 前記灰は、約０．０１～２００ミクロンの粒径を有する、
請求項２８から３０のいずれかに記載の組成物。 - 銀をさらに含む、
請求項２８から３１のいずれかに記載の組成物。 - 銀は、前記組成物の総重量に基づく０．１重量％～５０重量％の量で存在する、
請求項２８から３２のいずれかに記載の組成物。 - グラファイトをさらに含む、
請求項２８から３３のいずれかに記載の組成物。 - グラファイトは、前記組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％の量で存在する、
請求項２８から３４のいずれかに記載の組成物。 - グラフェンをさらに含む、
請求項２８から３５のいずれかに記載の組成物。 - グラフェンは、前記組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％の量で存在する、
請求項２８から３６のいずれかに記載の組成物。 - ＴｉＯをさらに含む、
請求項２８から３７のいずれかに記載の組成物。 - ＴｉＯは、前記組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％の量で存在する、
請求項２８から３８のいずれかに記載の組成物。 - ＴｉＯ2をさらに含む、
請求項２８から３９のいずれかに記載の組成物。 - ＴｉＯ2は、前記組成物の総重量に基づく０．０１重量％～７５重量％の量で存在する、
請求項２８から４０のいずれかに記載の組成物。 - 電子装置の３Ｄ印刷において使用される組成物の調製方法であって、
（ａ）灰を約０．０１～２００ミクロンの粒子サイズに篩い分けるステップと、
（ｂ）ＴＰＡ及び灰を７５～１００℃の温度で１０～９０分にわたって混合するステップと、
（ｃ）前記ＴＰＡ及び灰の混合物を５０～７５℃の温度で押し出すステップと、
（ｄ）前記押し出された混合物及び灰を冷却させるステップと、
（ｅ）前記冷却されて押し出されたＴＰＡ及び灰を巻くステップと、
を含む方法。 - （ｂ）において、銀、グラファイト、グラフェン、ＴｉＯ及び／又はＴｉＯ2のうちの１つ又は２つ以上がＴＰＡ及び灰と混合される、
請求項４２に記載の方法。 - ３Ｄ印刷において使用されるフィラメント組成物であって、
（ａ）ポリラクチドアセトン溶液（ＰＬＡ）及び／又はトリフェニルアミン（ＴＰＡ）と、
（ｂ）グラファイト、グラフェン、ＴｉＯ、ＴｉＯ2、ｎ型シリコン、ｐ型シリコン、銀（Ａｇ）、Ｓｎ／Ａｌ、磁石粉末及び／又は灰から成る群から選択された少なくとも１つと、
を含むフィラメント組成物。 - ＰＬＡと、ＴｉＯ及びＴｉＯ2の少なくとも一方とを含む、
請求項４４に記載のフィラメント組成物。 - ＴＰＡと、ＴｉＯ及びＴｉＯ2の少なくとも一方とを含む、
請求項４４に記載のフィラメント組成物。 - ＰＬＡと、グラファイト及びグラフェンの少なくとも一方とを含む、
請求項４４に記載のフィラメント組成物。 - ＴＰＡと、グラファイト及びグラフェンの少なくとも一方とを含む、
請求項４４に記載のフィラメント組成物。 - ＰＬＡと、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンの少なくとも一方とを含む、
請求項４４に記載のフィラメント組成物。 - ＴＰＡと、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンの少なくとも一方とを含む、
請求項４４に記載のフィラメント組成物。 - 銀をさらに含む、
請求項４７に記載のフィラメント組成物。 - 銀をさらに含む、
請求項４８に記載のフィラメント組成物。 - 銀をさらに含む、
請求項４９に記載のフィラメント組成物。 - 銀をさらに含む、
請求項５０に記載のフィラメント組成物。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201962923244P | 2019-10-18 | 2019-10-18 | |
| US62/923,244 | 2019-10-18 | ||
| PCT/US2020/056333 WO2021077087A1 (en) | 2019-10-18 | 2020-10-19 | Three-dimensional printer with multihead extruder and compositions for use therein |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023506664A true JP2023506664A (ja) | 2023-02-17 |
Family
ID=75537547
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022538294A Pending JP2023506664A (ja) | 2019-10-18 | 2020-10-19 | マルチヘッド押出機を備えた３次元プリンタ及びその内部で使用される組成物 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4045294A1 (ja) |
| JP (1) | JP2023506664A (ja) |
| WO (1) | WO2021077087A1 (ja) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN205202190U (zh) * | 2015-11-20 | 2016-05-04 | 广州市阳铭新材料科技有限公司 | 一种双喷头3d打印机 |
| JP2017528340A (ja) * | 2014-07-22 | 2017-09-28 | ストラタシス，インコーポレイテッド | 積層造形システム用の歯車式液化アセンブリ及びその使用方法 |
| EP3505329A1 (en) * | 2016-08-23 | 2019-07-03 | Rokit Healthcare Inc. | Three-dimensional printer of fused deposition modeling method |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8663533B2 (en) * | 2010-12-22 | 2014-03-04 | Stratasys, Inc. | Method of using print head assembly in fused deposition modeling system |
| US9565159B2 (en) * | 2011-12-21 | 2017-02-07 | Juniper Networks, Inc. | Methods and apparatus for a distributed fibre channel control plane |
| US9409174B2 (en) * | 2013-06-21 | 2016-08-09 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Microfluidic system with fluid pickups |
| US20170232680A1 (en) * | 2014-08-28 | 2017-08-17 | Simen Svale SKOGSRUD | 3d printer |
| DE102015220168A1 (de) * | 2014-12-03 | 2016-06-23 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Riementrieb und zugehöriger elektromechanischer Aktuator |
| US10703044B2 (en) * | 2017-07-27 | 2020-07-07 | Robert Bosch Tool Corporation | Removable build plate with evenly heated build surface of 3D printer |
| GB2578713A (en) * | 2018-04-05 | 2020-05-27 | Rd Holdings Ltd | 3D printer |
-
2020
- 2020-10-19 JP JP2022538294A patent/JP2023506664A/ja active Pending
- 2020-10-19 EP EP20877009.9A patent/EP4045294A1/en not_active Withdrawn
- 2020-10-19 WO PCT/US2020/056333 patent/WO2021077087A1/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017528340A (ja) * | 2014-07-22 | 2017-09-28 | ストラタシス，インコーポレイテッド | 積層造形システム用の歯車式液化アセンブリ及びその使用方法 |
| CN205202190U (zh) * | 2015-11-20 | 2016-05-04 | 广州市阳铭新材料科技有限公司 | 一种双喷头3d打印机 |
| EP3505329A1 (en) * | 2016-08-23 | 2019-07-03 | Rokit Healthcare Inc. | Three-dimensional printer of fused deposition modeling method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4045294A1 (en) | 2022-08-24 |
| WO2021077087A1 (en) | 2021-04-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10286601B2 (en) | Color or multi-material three-dimensional (3D) printing | |
| US10462907B2 (en) | Printed three-dimensional (3D) functional part and method of making | |
| KR101965519B1 (ko) | 3차원 물체의 생성 | |
| Nassar et al. | Multi-material 3D printed bendable smart sensing structures | |
| US20220195222A1 (en) | Systems and methods of additive printing of functional electronic circuits | |
| US20030032214A1 (en) | Direct write method for polarized materials | |
| US20160031141A1 (en) | Hand-held three-dimensional drawing device | |
| CN107206677A (zh) | 通过层施工技术生产三维模制件的方法和装置 | |
| DE102015104803A1 (de) | 3-D Drucker mit Bewegungssensoren | |
| AU2017230818A1 (en) | Apparatuses, systems and methods for generating three-dimensional objects with adjustable properties | |
| CN107336435A (zh) | 一种使用热塑性高分子材料的3d打印机 | |
| CN108501365A (zh) | 三维造型物制造用组合物以及三维造型物的制造方法 | |
| Wittkopf et al. | 3D printed electronics with multi jet fusion | |
| JP2023506664A (ja) | マルチヘッド押出機を備えた３次元プリンタ及びその内部で使用される組成物 | |
| Perez et al. | Design considerations for hybridizing additive manufacturing and direct write technologies | |
| Cox et al. | Fiber encapsulation additive manufacturing: technology and applications update | |
| EP3052301B1 (en) | Color or multi-material three-dimensional (3d) printing | |
| Buga et al. | Inkjet printing of functional inks for smart products | |
| US11097488B2 (en) | Printer having print assembly | |
| Xia et al. | Fiber encapsulation additive manufacturing: Materials for electrical junction fabrication | |
| Bahr et al. | Additive manufacturing techniques for origami inspired 4D printed RF components and modules | |
| Kovac et al. | Analysis of Polylactic Acid Conductive Filament’s Properties | |
| Barbosa et al. | Development of an open-source large 3D printer for PLA and ABS | |
| KR20230156181A (ko) | 3d 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 및 그 제조 방법 | |
| EP4096897A1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum herstellen eines bauteils mittels eines additiven fertigungsverfahrens |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220617 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230301 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20230601 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20230801 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20231023 |