JP6560835B2 - 電子部品を含む熱溶解積層法のためのフィラメント - Google Patents

電子部品を含む熱溶解積層法のためのフィラメント Download PDF

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Description

本発明は、３Ｄ物品の製造方法に関する。
当該分野では、投入材料を伴う３Ｄ印刷が知られている。国際公開第２０１５０７７２６２号は、例えば、分離された層又はセクションを含むフィラメントを含む３Ｄプリンタ投入材料について記載している。特にフィラメントを含む、これらの投入材料は、共押出、ミクロ層共押出又は多成分／フラクタル共押出によって調製され得る。これらの投入材料及び特にフィラメントは、いわゆる３Ｄ印刷プロセス中に１つ以上のノズルによって異なる材料を同時に積層すること又は組み合わせることを可能にする。これらの技術は、より小さな層サイズ（ミリ、マイクロ、及びナノ）の異なる層構成、及び、さもなければ標準的な３Ｄプリンタ法において使用できないであろう材料を採用する可能性を容易にする。
今後１０〜２０年以内に、デジタルファブリケーションは、グローバル製造業の性質をますます変えていくであろう。デジタルファブリケーションの諸態様のうちの１つは、３Ｄ印刷である。現在、セラミックス、金属、及びポリマーなどの様々な材料を使用して、３Ｄ印刷された様々な物体を製造するために、多種多様な技術が開発されている。３Ｄ印刷はまた、金型を製造する際にも使用され得るものであり、この金型は、その後、物体を複製するために使用されることができる。
金型を作製する目的のために、ポリジェット技術の使用が提案されている。この技術は、光重合性材料の層ごとの堆積を利用するものであり、その光重合性材料は、各堆積の後に硬化されて、固体構造を形成する。この技術は、滑らかな表面を作り出すが、光硬化性材料は、さほど安定したものではなく、それらの材料はまた、射出成形用途に関して有用となる熱伝導率も、比較的低い。
最も広く使用される付加製造技術は、熱溶解積層法（Fused Deposition Modeling；ＦＤＭ）として知られるプロセスである。熱溶解積層法（ＦＤＭ）は、モデリング、プロトタイピング、及び生産の用途に関して一般に使用されている、付加製造技術である。ＦＤＭは、材料を層状に配置することによる「付加」原理を対象とし、プラスチックフィラメント又は金属ワイヤがコイルから巻き出され、部品を製造するための材料を供給する。場合により、（例えば、熱可塑性樹脂に関しては）フィラメントは、配置される前に、溶融されて押し出される。ＦＤＭは、高速プロトタイピング技術である。ＦＤＭの他の表現は「融合フィラメント加工」（Fused Filament Fabrication；ＦＦＦ）又は「フィラメント３Ｄ印刷」（Filament 3D Printing；ＦＤＰ）であり、これらはＦＤＭと等しいと考えられる。一般に、ＦＤＭプリンタは、熱可塑性フィラメントを使用するものであり、この熱可塑性フィラメントは、その融点まで加熱され、次いで、一層ずつ（又は、実際には、フィラメントが次々に）押し出されて、３次元の物体を作り出す。ＦＤＭプリンタは、比較的高速であり、複雑な物体を印刷するために使用され得る。
３Ｄ印刷可能材料として特に適格であり得る材料は、金属、ガラス、熱可塑性ポリマー、シリコーンなどから成る群から選択されてもよい。特に、３Ｄ印刷可能材料は、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ナイロン（又はポリアミド）、アセテート（又はセルロース）、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、テレフタレート（ＰＥＴポリエチレンテレフタレートなど）、アクリル（ポリメチルアクリレート、Ｐｅｒｓｐｅｘ、ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ）、ポリプロピレン（又はポリプロペン）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＰＥ（膨張性高衝撃ポリテン（又はポリエテン）、低密度（ＬＤＰＥ）高密度（ＨＤＰＥ）など）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）ポリクロロエテンなどから成る群から選択される（熱可塑性）ポリマーを含む。オプションとして、３Ｄ印刷可能材料は、尿素ホルムアルデヒド、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、メラミンホルムアルデヒド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ゴムなどから成る群から選択される３Ｄ印刷可能材料を含む。オプションとして、３Ｄ印刷可能材料は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、イミド（ポリエーテルイミド）などから成る群から選択される３Ｄ印刷可能材料を含む。
用語「３Ｄ印刷可能材料」はまた、２つ以上の材料の組み合わせを指す場合がある。一般に、これら（ポリマー）材料は、ガラス転移温度Ｔｇ及び／又は融解温度Ｔｍを有する。３Ｄ印刷可能材料は、ノズルから出て行く前に、３Ｄプリンタによって、少なくともガラス転移温度、一般には、少なくとも融解温度まで加熱されることになる。したがって、特定の実施例において、３Ｄ印刷可能材料は、ガラス転移温度（Ｔｇ）及び／又は融点（Ｔｍ）を有する熱可塑性ポリマーを含み、プリンタヘッドの作用は、受け物品及び受け物品上に堆積された３Ｄ印刷可能材料の１つ以上を、少なくともガラス転移温度、特に少なくとも融点の温度まで加熱することを含む。更に別の実施例において、３Ｄ印刷可能材料は、融点（Ｔｍ）を有する（熱可塑性）ポリマーを含み、プリンタヘッドの作用は、受け物品及び受け物品上に堆積された３Ｄ印刷可能材料の１つ以上を、少なくとも融点の温度まで加熱することを含む。
使用できる材料の特定の例が、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、リグニン、ゴムなどから成る群から選択され得る。
ＦＤＭプリンタは、比較的高速かつ低コストであり、複雑な３Ｄ物体を印刷するために使用することができる。かかるプリンタは、様々なポリマーを用いて様々な形状を印刷する際に使用される。本技術はまた、ＬＥＤ照明器具及び照明ソリューションの製造において更に開発されつつある。しかし、電子部品を含む場合、従来の解決策は、製造プロセスを複雑にし得る。これは、作製中の３Ｄ印刷物体が、電子部品を含めるために印刷ステージを離れる必要があり得るためである。更に、電気的接続のために、伝導性ポリマーが適用される場合があるが、このことは、印刷プロセスを複雑にするようであり、高い伝導性が望まれる場合には比較的高価となり得る。
したがって、本発明の一態様は、上述した欠点の１つ以上を少なくとも部分的に更に取り除くことが好ましい、代替的な３Ｄ印刷方法を提供することである。
国際公開第２０１５／０７７２６２号は、３Ｄプリンタの偏向された出力流を押し出す３Ｄプリンタのノズル又はホットエンドについて記載していると見受けられ、この出力は、電子、光学、磁気、金属、生物、構造、耐久性、熱、医療、太陽光又は医薬の要素などの付加的要素を含む。電子部品は、電子又は電子の関連する場に影響を及ぼすために使用される、電子システム内の任意の基本的な個別デバイス又は物理的エンティティとして定義され得る。特に、電子部品は、（１つの端子のみを有し得るアンテナを除いて）２つ以上の電気端子（又はリード）を有する。
したがって、本明細書では、ＬＥＤなどの個別要素を含む、ＦＤＭプリンタ用のフィラメントの使用が提案される。本明細書では、ＬＥＤ（などの物体）が配置され得る含有物を有する事前構成されたフィラメントの使用が提案される。このために、３Ｄ物体を製造するためにプリンタを駆動するソフトウェアが、物体を所望の位置に配置するようにフィラメントを構成する命令を生成するために使用され得る。
したがって、第１の態様において、本発明は、固体光源などの電子部品を含む３Ｄ物品を製造するための方法であって、熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタ（本明細書では、「３Ｄプリンタ」とも示す）を用いて３Ｄ印刷可能材料を（３Ｄ）印刷して、３Ｄ物品を提供するステップを含み、３Ｄ印刷可能材料が電子部品を含む、方法を提供する。熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタはプリンタノズルを備え、方法は、３Ｄ印刷可能材料のフィラメントをプリンタノズルの上流で供給するステップと、フィラメントと電子部品との集成体をプリンタノズルの上流で作り出すステップとを更に含む。
かかる方法によって、フィラメントと電子部品の両方を１回で印刷することができる。２つ（又はそれよりも多く）のプリンタヘッドが使用されてもよいが、２つのプリンタヘッドを使用する必要はない。更に、作製中の３Ｄ印刷物体をステージから取り外すこと、及び／又は、ステージ上に電子部品を導入するために、例えば別のロボットデバイスを導入することは必要ない。更に、本方法によって、電子デバイスは、３Ｄ印刷物体に十分に埋め込まれることができ、実施例ではまた、方向付けられてもよい。
したがって、１つ以上の電子部品と組み合わされた（ポリマー）フィラメントに基づく本発明によって、かかる１つ以上の電子部品は、フィラメント材料と共に印刷され、すなわち、印刷可能材料として供給され、基材上に、又は基材上の既に３Ｄ印刷された層上に印刷される。
電子部品は、能動電子部品又は受動電子部品を含んでもよい。能動電子部品は、電子の流れを電気的に制御する能力（電気の通電制御）を有する任意の種類の回路部品であってもよい。その例としては、ダイオード、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）が挙げられる。ＬＥＤはまた、本明細書では、より一般的な用語で、固体照明デバイス又は固体光源とも記載される。したがって、実施例において、電子部品は能動電子部品を備える。特に、電子部品は固体光源を備える。能動電子部品の他の例としては、電池などの電源、圧電デバイス、集積回路（ＩＣ）、及びトランジスタが挙げられてもよい。更に他の実施例において、電子部品は、受動電子部品を含んでもよい。別の電気信号によって電流を制御できない部品は、受動デバイスと呼ばれる。抵抗器、コンデンサ、インダクタ、トランスなどは、受動デバイスとみなすことができる。
一実施例において、電子部品は、ＲＦＩＤ（無線周波数認識）チップを含んでもよい。ＲＦＩＤチップは、受動式であってもよく、又は能動式であってもよい。
特に、電子部品は、固体光源（ＬＥＤなど）、ＲＦＩＤチップ、及びＩＣのうちの１つ以上を含んでもよい。
用語「電子部品」はまた、複数の同様の電子部品又は複数の異なる電子部品を指す場合がある。
電子部品は、電気配線を有していてもよく、又は有していなくてもよい（更に以下も参照）。
本発明による方法を実施するための３Ｄプリンタは、電子部品を含むフィラメントを集成するように構成される。このこと（集成）は、プリンタヘッド（液化器を含む）内、更に言えばプリンタヘッドの上流のように、ノズルの上流で実行されることになる。
一実施例において、フィラメントは、電子部品を受け入れるためのキャビティを含み、方法は、電子部品をプリンタノズルの上流でキャビティ内に配置するステップを更に含む。キャビティ付きのフィラメントが、そのように供給されてもよい。かかる方法を実施するための３Ｄプリンタが、（ノズルの上流で、しかし、一般にフィラメントロールの下流で）フィラメントに窪みを設けるように構成された装置を含んでもよい。
もちろん先の実施例と組み合わされてもよい別の実施例において、電子部品は、オプションとして、電子部品が受けられる箇所でのフィラメントの局所的な加熱と組み合わせて、フィラメントに圧入されてもよい。したがって、方法は、電子部品をプリンタノズルの上流でフィラメントに圧入するステップを更に含んでもよい。上で示したように、このことは、特に、電子部品をフィラメントに圧入する前に、電子部品が配置される位置でフィラメントを局所的に加熱することを更に含んでもよい。したがって、電子部品をフィラメントに圧入する前に、フィラメントは、電子部品が配置される位置で局所的に加熱されてもよい。このために、本発明による方法を実施するための３Ｄプリンタ、特に、３Ｄプリンタに備えられた電子部品供給デバイスが、加熱器を含んでもよい。加熱器は、フィラメントに熱を（局所的に）供給するように構成される。これにより、フィラメントは、局所的に軟化し、このことは、電子部品をフィラメントに圧入することを可能にし得る。
電子部品は、フィラメント表面に対するいくらかの凹部を用いてフィラメントに圧入されてもよい。
電子部品をフィラメント内に実装する前に、電子部品は、導電線（「配線」又は「電気配線」）を備えてもよい（以下も参照）。しかし、オプションとして、電子接続は後で適用されてもよい。したがって、実施例において、方法は、（（３Ｄ印刷可能材料）を３Ｄ印刷した後に）電子部品を導電体と電気的に接続することを更に含んでもよい。例えば、導電体の一部が、（作製中の）３Ｄ印刷物品に圧入され得る。更に、（作製中の）３Ｄ印刷物品は、導電体の導入を可能にするように、かつ、かかる導電体を電子部品と機能的に接触させるように印刷されてもよい。更に別の実施例において、電子接続は、（受動）ＲＦＩＤチップを使用するときのように、無線で実行されてもよい。
既に上で示したように、印刷可能材料は、電子部品との電線接続を既に含んでいてもよい。したがって、３Ｄ印刷可能材料は、電子部品と、（電子部品と機能的に結合された１つ以上の導電体で）電子部品を電気エネルギー供給源と機能的に結合するための１つ以上の導電体とを含んでもよい。ここで、用語「導電体」又は「配線」又は「電気配線」又は「電線」は、電気を運ぶために使用されるワイヤ又はケーブル、すなわち「銅」を特に（少なくとも）指す。ワイヤは、絶縁されてもよく、又は絶縁されなくてもよい。後者の実施例はまた、ポリマー材料が電気絶縁性であるときに適用されてもよい。
電気的に接続された固体光源のチェーンが適用されてもよく、それは、印刷可能材料に埋め込まれてもよい。したがって、導電体で直列又は並列に電気的に接続された複数の固体光源が、特に、導電体がフィラメントの長手方向軸線（Ａ）と平行に構成された状態で、３Ｄ印刷可能材料のフィラメントによって構成されてもよい。したがって、電気的に接続された複数の固体光源は、フィラメント内に数十センチメートル又は数メートルで延在してもよい。
本発明の方法を実施するための３Ｄプリンタは、配線を有する電子部品を含むフィラメントを集成するように構成されてもよい。このことは、プリンタヘッド（液化器を含む）内、更に言えばプリンタヘッドの上流のように、ノズルの上流で実行されることになる。したがって、方法は、（ａ）導電体で直列又は並列に電気的に接続された複数の固体光源、及び（ｂ）フィラメントを供給するステップを含んでもよく、方法は、導電体で直列又は並列に電気的に接続された固体光源、及びフィラメントをプリンタノズルの上流で組み合わせて、導電体で直列又は並列に電気的に接続された複数の固体光源を含む印刷可能材料をプリンタノズルの下流で供給するステップを更に含んでもよい。
印刷時には、プリンタヘッドにおいていくらかの押し出しが生じてもよい。本発明の観点では、この押出機能は、（実施例では）抑制されてもよく、又は無くてもよい。代わりに又は加えて、押出効果に対処するために、電気配線は、フィラメント（及び電気配線）の延伸を可能にする弾性ユニットを含んでもよい。したがって、実施例において、熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタに供給される１つ以上の導電体が、１つ以上の導電体の長手方向（軸線）と平行な伸長を少なくとも可能にするバネ状セグメントを有する。
本明細書に記載の方法を実行するように構成された３Ｄプリンタは、（ａ）プリンタノズルを備える第１のプリンタヘッドと、（ｂ）第１のプリンタヘッドにフィラメントを供給するように構成されたフィラメント供給デバイスと、オプションとして、（ｃ）フィラメント又は第１のプリンタヘッドに電子部品を供給するように構成された電子部品供給デバイスとを備える。フィラメント供給デバイスは、１つ以上のフィラメントローラ、又は１つ以上のフィラメントローラ用の受容器を含んでもよい。ローラ上のフィラメントは、電子部品、及び、オプションとして、電気的接続（ワイヤ）を含むかかる電子部品を既に含んでいてもよい。用語「３Ｄプリンタ」は、３Ｄプリンタシステムを指す場合がある。
電子部品を含む、又は電気的接続（ワイヤ）を含むかかる電子部品を含む、フィラメント又は印刷可能材料が、３Ｄプリンタにおいて集成されてもよい。したがって、実施例において、３Ｄプリンタは、フィラメント又は第１のプリンタヘッドに電子部品を供給するように構成された電子部品供給デバイスを含んでもよい。
特に、電子部品が電気配線を含まない場合、電子部品供給デバイスは、フィラメントの空洞に圧入及び／又は一体化することなどにより、フィラメントに電子部品を供給するように構成されてもよい。特に、電子部品がまた電気配線を含む場合、電子部品供給デバイスは、（電気配線と機能的に結合された）電子部品を第１のプリンタヘッドに供給するように構成されてもよい。プリンタヘッドにおいて、（電気配線と機能的に結合された）電子部品を含む印刷可能材料が集成されることで、ノズルの下流の印刷可能材料が、（よって）（電気配線と機能的に結合された）電子部品を含む印刷可能材料を含む。
いくつかの事例において、３Ｄ物品内の電気部品の向きが重要となる場合がある。したがって、方法及び／又は装置はまた、電子部品を方向付けるための手段を含んでもよい。例えば、実施例において、熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタは、非円形のプリンタノズルを有する。例えば、電子部品が１とは異なるアスペクト比を有する場合、このことは、電子デバイスの方向付けを支援し得る。例えば、楕円形ノズル開口及びプレート状電子部品を想定すると、かかるノズル開口は、プレート状電子部品の平面を、楕円の長軸と平行に方向付けることを支援してもよい。代わりに又は加えて、実施例において、（プリンタノズルを備える）第１のプリンタヘッドの少なくとも一部が、プリンタノズルのノズル開口の平面と垂直な軸線に沿って少なくとも部分的に回転可能である。例えば、プリンタヘッドの全体が、（３Ｄプリンタに対して）回転可能であってもよい。
例えば、３Ｄ印刷された材料の大部分から少なくとも部分的に独立して、電子部品を印刷することが望ましい場合がある。このために、３Ｄプリンタは、２つ以上のプリンタヘッドを含んでもよい。したがって、実施例において、３Ｄプリンタは、電子部品を含まない印刷可能材料を３Ｄ印刷するように構成された第２のプリンタヘッドを更に備える。
本明細書に記載の方法によって得られる及び／又は本明細書に記載の方法を実行するように構成された３Ｄプリンタによって製造された、３Ｄ印刷物品は、（ａ）３Ｄ印刷された材料であって、電子部品が埋め込まれた３Ｄ印刷された材料と、オプションとして、（ｃ）３Ｄ印刷された材料に埋め込まれ、電子部品と機能的に結合された導電体とを備え、特定の実施例では、導電体がバネ状セグメントを有する。デバイスは、かかる３Ｄ印刷物品を含んでもよく、又は、かかる３Ｄ印刷物品を複数含んでもよく、それらは、オプションとして、機能的に結合されてもよい。３Ｄ印刷された材料に埋め込まれた導電体はまた、電気部品、又は３Ｄ印刷された材料の外部（すなわち、３Ｄ印刷物品の外部）の電気エネルギー供給源との電気的接続などのために、３Ｄ印刷された材料から部分的に突出してもよい。
ここで、本発明の実施形態が、添付の概略図面を参照して例としてのみ説明され、図面中、対応する参照記号は、対応する部分を示す。
３Ｄプリンタのいくつかの一般的な態様を模式的に示す。 ３Ｄプリンタのいくつかの一般的な態様を模式的に示す。 ３Ｄプリンタのいくつかの一般的な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 方法及び／又は３Ｄプリンタの様々な態様を模式的に示す。 ３Ｄプリンタを模式的に示す。 これらの概略図面は、必ずしも正しい縮尺ではない。
図１ａは、本明細書に記載の方法を実行するように構成された３Ｄプリンタのいくつかの態様を模式的に示している。参照符号５００は、３Ｄプリンタを示す。参照符号５３０は、３Ｄ印刷、特にＦＤＭ３Ｄ印刷を行うように構成された機能ユニットを示す。この参照符号はまた、３Ｄ印刷ステージユニットを示してもよい。この図では、ＦＤＭ３Ｄプリンタヘッドなどの３Ｄ印刷される材料を供給するためのプリンタヘッドのみが、概略的に示されている。参照符号５０１は、プリンタヘッドを示す。本発明の３Ｄプリンタは、特に、複数のプリンタヘッドを含んでもよいが、他の実施例もまた可能である。参照符号５０２は、プリンタノズルを示す。本発明の３Ｄプリンタは、特に、複数のプリンタノズルを含んでもよいが、他の実施形態もまた可能である。参照符号３２０は、印刷可能な（上述のものなどの）３Ｄ印刷可能材料のフィラメントを示す。明瞭性のために、３Ｄプリンタの全ての特徴部は示されておらず、本発明に特に関連する特徴部（以下を更に参照されたい）のみが示されている。３Ｄプリンタ５００は、実施例では少なくとも一時的に冷却されてもよい受け物品５５０上に複数のフィラメント３２０を堆積させることにより、３Ｄ物品１０を生成するように構成されており、各フィラメント２０は、融点Ｔｍを有するような３Ｄ印刷可能材料を含む。３Ｄプリンタ５００は、プリンタノズル５０２の上流でフィラメント材料を加熱するように構成されている。このことは、例えば、押出機能及び／又は加熱機能のうちの１つ以上を有するデバイスで行われ得る。そのようなデバイスは、参照符号５７３で示されており、プリンタノズル５０２の上流に（すなわち、フィラメント材料がプリンタノズル５０２から出て行く時点よりも前に）配置されている。プリンタヘッド５０１は、液化器又は加熱器を含んでもよい。参照符号２０１は、印刷可能材料を示す。堆積されると、この材料は、（３Ｄ）印刷された材料として、参照符号２０２で示される。
参照符号５７２は、特にワイヤの形態の材料を有するスプール又はローラを示す。３Ｄプリンタ５００は、このワイヤをフィラメント又はファイバ３２０に変換する。フィラメントを１つずつ順に重ね合わせて配置することにより、３Ｄ物品１０が形成されてもよい。参照符号５７５は、フィラメント供給デバイスを示し、このデバイスは、ここではとりわけ、参照符号５７６で示されるスプール又はローラ及び駆動輪を含む。
図１ｂは、作製中の３Ｄ物品１０の印刷をより詳細に３Ｄで模式的に示している。ここで、この模式図面では、単一平面内のフィラメント３２０の端が相互接続されていないが、現実に、実施例では、このようであってもよい。
図１ｃは、いくつかの更なる態様をより詳細に模式的に示している。
以下では、電子部品４０の例として特にＬＥＤが与えられる。しかし、特に指定しない限り、又は当業者にとって記載から明らかである限り、ＬＥＤの代わりに別の電子部品もまた適用され得る。
ここで、ＬＥＤなどの個別要素を含む、ＦＤＭプリンタ用のフィラメントが提案される。とりわけ、ＬＥＤ（などの物体）が配置され得る含有物を有する事前構成されたフィラメントの使用が提案される（図２ａ）。図２ａ及び図２ｂには、例えば、ピックアンドプレースデバイス（電子部品供給デバイスの例）を用いてＬＥＤがフィラメントの含有物に挿入され得ることが示されている。フィラメント３２０は、電子部品４０を受け入れるためのキャビティ３３１を含む。電子部品４０は、プリンタノズル５０２の上流でキャビティ３３１内に配置される。参照符号１４１は、電子部品４０の一例としての固体光源を示す。参照符号５８０は、電子部品４０をフィラメント３２０に挿入するために使用され得る、ロボットアームなどの電子部品供給デバイスを模式的に示す。実施例において、キャビティ３３１は、部品４０より深いなど、部品４０より大きくてもよい。
ＬＥＤはまた、ＬＥＤをフィラメントに圧入することにより、フィラメントに挿入されてもよい（図２ｃ）。好ましい実施例において、フィラメント及び／又はＬＥＤは、ＬＥＤをフィラメント３２０に圧入することが容易となるように局所的に加熱される。電子部品４０をフィラメント３２０に圧入する前に、フィラメント３２０は、電子部品４０が配置される位置３３２で局所的に加熱されてもよい。模式的に、加熱器３３３が示されている。
これを行うために、３Ｄ物体を生成するようにプリンタを駆動するソフトウェアが、物体を所望の位置に配置するようにフィラメントを構成するための命令を生成するために使用されてもよい。
別の構成では、第１の熱可塑性フィラメント及び第２の熱可塑性フィラメントを受容できるプリンタヘッド５０１（又は液化器）が提案される。第１の熱可塑性フィラメントは、ＬＥＤ（などの物体）を含み得る含有物を含む。第２の熱可塑性フィラメントは、含有物を含まず、よってＬＥＤ（などの物体）を含まない。フィラメントが液化器に押し込まれる速度を制御することにより、ＬＥＤ（などの物体）が、３Ｄ印刷された構造内の所望の位置に配置されてもよい（図２ｄ）。もちろん、３Ｄプリンタ５００はまた、第１のＬＥＤを含む第１の熱可塑性フィラメント、及び第２のＬＥＤを含む第２の熱可塑性フィラメントを受容してもよい。ＬＥＤは、異なるピッチで配置されてもよく、異なるフィラメント中のＬＥＤは、同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
更に別の実施例において、２つの印刷ヘッドなどの１よりも多い印刷ヘッド（以下も更に参照されたい）を備える３Ｄプリンタが提案される。第１の印刷ヘッドは、熱可塑性材料内のＬＥＤを印刷してもよく、第２のヘッドは、熱可塑性材料のみを印刷してもよい。２つ以上の印刷ヘッドのための熱可塑性材料は、実施例では、同じ材料であってもよい。
更に別の実施例において、３Ｄプリンタは、少なくとも第１及び第２の印刷ヘッド（以下も参照されたい）を備えてもよい。第１の印刷ヘッドは、ＬＥＤを有する第１のフィラメントを含み、第２の印刷ヘッドは、ＬＥＤを有する第２のフィラメントを含む。第１及び第２のフィラメントは、実施例では、同じ熱可塑性材料であってもよいが、ＬＥＤ及び／又はＬＥＤピッチが異なっていてもよい。
異なる種類のＬＥＤ、例えば、異なる波長で光を発するＬＥＤが、フィラメント内に使用されてもよい。ＬＥＤは、フィラメントの表面の近くに配置されてもよく、又はフィラメントのコアにより近く配置されてもよい。ＬＥＤは、フィラメント内部の含有物内、又はキャビティ内に配置されてもよい（上も参照されたい）。
実施例において、フィラメントは、例えば一緒にクリック止めできる部品から成ってもよい。これにより、フィラメントを形成する部品の列が供給されてもよい。各部品は、別の部品のキャビティを閉鎖してもよい。
ＬＥＤは、フィラメントの長手方向と平行に方向付けられてもよい。しかし、ＬＥＤはまた、フィラメントの長手方向と垂直に方向付けられてもよい。更に他の実施例において、ＬＥＤは、フィラメントの長手方向に対して１０〜８０°などの角度で配置されてもよい。ここで、配置は、ＬＥＤの発光面を基準とする。ここで、特にドームを有していないＬＥＤが適用されてもよい。しかし、ドームを有するＬＥＤもまた適用されてもよい。
印刷中にＬＥＤの向きの制御を向上させることが可能であってもよい。空の含有物が、充填材料で充填されてもよい。充填材料は、フィラメントと同じ材料から作られることが好ましい。空の含有物が、充填要素で充填されてもよい。充填要素は、フィラメントと同じ材料から作られた材料で作られてもよい。充填材料又は充填材要素はまた、含有物内のＬＥＤの上に付加されてもよい。含有物は、ＬＥＤ（などの物体）がフィラメント内に固定されるように形作られてもよい。
本明細書では電子部品供給デバイス５８０としても示される、ピックアンドプレース機械又はデバイスは、実施例では、例えば、異なるリール又はローラ（図示せず）から、異なるＬＥＤを選択可能であってもよい。
電子部品は、電池、光電池、センサ、又は任意の他の小型電子要素などの電子デバイスであってもよい。発光材料を含む要素、光学材料、又は、散乱、回折、屈折若しくは反射性の光学材料若しくは要素などの他の要素もまた、加えて含まれてもよい。
フィラメント自体はまた、ＹＡＧ：Ｃｅ又はＬｕＡｇ：Ｃｅ発光材料の粒子などの無機蛍光体などの蛍光体材料を含んでもよい。フィラメントはまた、有機蛍光体及び／又は量子ドットを含んでもよい。フィラメント自体はまた、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及び／又はＢａＳＯ４粒子などの散乱材料を含んでもよい。
電子部品は、電気接触要素６０１を含んでもよい。かかる手段により、電線が接触されてもよい。電気接触要素６０１は、印刷後に電子部品が容易に接触され得るように設計されてもよい（図２ｅ）。例えば、３Ｄ印刷後に、（鋭い）導電性ピン６０２が、電子部品の電気接触要素同士を接続するために使用されてもよい。例えば、３Ｄ印刷後に、一部の材料が、例えば、３Ｄ印刷された構造を局所的に熱にさらすことによって除去された後に、電子部品の電気接触要素同士をワイヤ又は導電性ピン６０２を介して接続してもよい（図２ｆ）。
電子部品は、方向付け手段によって方向付けられてもよい。例えば、フィラメント３２０は、印刷中に方向付けられ得るように設計されてもよい（図２ｈ）。例えば、フィラメント３２０は、ノッチなどの方向付け手段を備えてもよい。ノッチは、フィラメントがプリンタ内で方向付けられたままとなるように使用されてもよい。電子部品４０はまた、磁場（を発生させるように構成されたデバイス）などの外部手段によって方向付けられてもよい（図２ｉ）。
ＦＤＭプリンタを用いて印刷可能であり、フィラメントに組み入れられた、電線付きＬＥＤなどの電線付き電子部品を含む、フィラメント３２０を作ることができることが更に望ましい場合がある（図３ａ）。参照符号Ａは、長手方向軸線を示す。
ここで、印刷中の接点破損などの問題を防止しながら、ポリマーに埋め込まれた電線付き（すなわち、接続された）ＬＥＤの３Ｄ印刷を可能にする、様々な構成、手段、及び材料が提供される。
一実施例において、液化器又はプリンタヘッド５０１の入口５０３の直径ｄ１が、ノズル入口５０２の直径ｄ２と実質的に同じであることが提案される（図３ｂ）。例えば、ｄ１＝ｄ２＋／−（１／１０＊ｄ１）。
別の実施例において、ＬＥＤを接続するワイヤは、可撓性を許容するように形作られる（図３ｃ）。例えば、（導電性）バネ状要素５２が提供されてもよい。実施例において、ＬＥＤを接続するワイヤ５２は、コーティングで保護される。更に別の実施例において、複数の（伝導性）ワイヤが使用されてもよい。使用できる熱可塑性材料としては、熱可塑性材料ＡＢＳ、ＡＢＳｉ、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＦ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、及びＵｌｔｅｍ ９０８５が挙げられるがこれらに限定されない。
更に別の実施例において、フィラメントは、印刷中の接点破損などの問題を一層防止し易いように形作られる。図３ｃは、印刷前のフィラメント３２０、又は印刷後のフィラメント、すなわち印刷された３Ｄ材料２０２を模式的に指す場合がある。
実施例において、プリンタヘッドのノズル５０２は、矩形又は楕円などの非円形形状を有してもよい（図３ｄも参照されたい）。参照符号Ａ１は、プリンタヘッドが周りを回転可能であり得る軸線を示す。この回転可能性は、円形又は非円形のノズルを有する印刷ヘッドに適用されてもよい。
実施例において、ＬＥＤは好適な向きを有してもよい。かかる向きは、形状に応じてＬＥＤが方向付けられるような形状のワイヤを用いることによって得られ得る（図３ｅ）。図３ｅは、印刷前のフィラメント３２０、又は印刷後のフィラメント、すなわち印刷された３Ｄ材料２０２を模式的に指す場合がある。
実施例において、ノズルは、ＬＥＤを基材上で同じ方向に印刷するために異なる方向に回転されてもよい（図３ｆ）。ＬＥＤはまた、印刷された構造から均質な照明を得るために様々な角度に方向付けられてもよい（図３ｇ）。図３ｇは、印刷前のフィラメント３２０、又は印刷後のフィラメント、すなわち印刷された３Ｄ材料２０２を模式的に指す場合がある。実施例において、ＬＥＤは異なる色を発してもよい。このために、３Ｄプリンタ５００は、回転可能なプリンタヘッド５０１を含んでもよい。
ポリマー材料は、銀又はアルミニウムフレークなどの光反射材料を含んでもよい。ポリマー材料は、ＹＡＧ：Ｃｅ又はＬｕＡｇ：Ｃｅの粒子などの光変換（すなわち発光）材料を含んでもよい。
電線付きＬＥＤを有するフィラメントは、異なる特性を有する異なる（３Ｄ印刷可能な又は３Ｄ印刷された）材料の異なる部分（Ｓ）を含んでもよい。例えば、ＬＥＤの位置する部分は、他の部分に比べて透過性が高い材料を含んでもよい。例えば、第１の部分が散乱粒子を含まなくてもよい一方で、第２の部分が散乱粒子を含む。異なる部分は、参照符号Ｓ１及びＳ２で示される。
別の例では、ＬＥＤの位置する部分は、他の部分に比べて発光密度が高い材料を含んでもよい（図３ｈ）。例えば、第１の部分が蛍光粒子を含んでもよい一方で、第２の部分が蛍光粒子を含まない。図３ｈは、印刷前のフィラメント３２０、又は印刷後のフィラメント、すなわち印刷された３Ｄ材料２０２を模式的に指す場合がある。
図３ｉは、電線５１で接続された電気部品４０の組合体であって、プリンタヘッド５０１においてフィラメント３２０と組み合わされ、ノズル５０１の下流で印刷可能材料２０１として供給される、組合体を模式的に示している。ここで、電子部品供給デバイス５００は、電線５１を介して電気的に接続された電子部品を供給する。
上で示したように、３Ｄプリンタは、２つの印刷ヘッドを有してもよい。１つは、電線付きＬＥＤを印刷するためのものであり、１つは、電線付きＬＥＤを有していないポリマー材料を印刷するためのものである。このことは、図４に模式的に示されている。
このようにして、電線付きＬＥＤを有するフィラメントを含む部分と、電線付きＬＥＤを有するフィラメントを含まない部分とから成る３Ｄ構造の印刷が可能である。電線付きＬＥＤなどを有する多重フィラメントを有する３Ｄ構造の印刷が可能であってもよい。
「実質的になる」などでの、本明細書の用語「実質的に」は、当業者によって理解されるであろう。用語「実質的に（substantially）」はまた、「全体的に（entirely）」、「完全に（completely）」、「全て（all）」などを伴う実施形態も含み得る。それゆえ、実施形態では、この形容詞はまた、実質的に削除される場合もある。適用可能な場合、用語「実質的に」はまた、１００％を含めた、９５％以上、特に９９％以上、更に特に９９．５％以上などの、９０％以上にも関連し得る。用語「含む（comprise）」は、用語「含む（comprise）」が「から成る（consists of）」を意味する実施形態もまた含む。用語「及び／又は」は、特に、その「及び／又は」の前後で言及された項目のうちの１つ以上に関連する。例えば、語句「項目１及び／又は項目２」、及び同様の語句は、項目１及び項目２のうちの１つ以上に関連し得る。用語「含む（comprising）」は、一実施形態では、「から成る（consisting of）」を指す場合もあるが、別の実施形態ではまた、「少なくとも定義されている種、及びオプションとして１つ以上の他の種を包含する」も指す場合がある。
更には、明細書本文及び請求項での、第１、第２、第３などの用語は、類似の要素を区別するために使用されるものであり、必ずしも、連続的又は時系列的な順序を説明するために使用されるものではない。そのように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書で説明される本発明の実施形態は、本明細書で説明又は図示されるもの以外の、他の順序での動作が可能である点を理解されたい。
本明細書のデバイスは、とりわけ、動作中について説明されている。当業者には明らかとなるように、本発明は、動作の方法又は動作時のデバイスに限定されるものではない。
上述の実施形態は、本発明を限定するものではなく、むしろ例示するものであり、当業者は、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、多くの代替的実施形態を設計することが可能となる点に留意されたい。請求項では、括弧内のいかなる参照符号も、その請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。動詞「含む（to comprise）」及びその活用形の使用は、請求項に記述されたもの以外の要素又はステップが存在することを排除するものではない。要素に先行する冠詞「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」は、複数のそのような要素が存在することを排除するものではない。本発明は、いくつかの個別要素を含むハードウェアによって、及び、好適にプログラムされたコンピュータによって実装されてもよい。いくつかの手段を列挙するデバイスの請求項では、これらの手段のうちのいくつかは、１つの同一のハードウェア物品によって具現化されてもよい。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。
本発明は更に、明細書本文で説明される特徴及び／又は添付図面に示される特徴のうちの１つ以上を含む、デバイスに適用される。本発明は更に、明細書本文で説明される特徴及び／又は添付図面に示される特徴のうちの１つ以上を含む、方法あるいはプロセスに関する。
本特許で論じられている様々な態様は、更なる利点をもたらすために組み合わされることも可能である。更には、当業者は、実施形態が組み合わされることも可能であり、また、３つ以上の実施形態が組み合わされることも可能である点を理解するであろう。更には、特徴のうちのいくつかは、１つ以上の分割出願のための基礎を形成し得るものである。

Claims (10)

  1. 電子部品を含む３Ｄ物品を製造するための方法であって、前記方法は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタを用いて３Ｄ印刷可能材料を印刷して、前記３Ｄ物品を提供するステップを含み、前記３Ｄ印刷可能材料が前記電子部品を含み、前記熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタがプリンタノズルを備え、前記方法は、３Ｄ印刷可能材料のフィラメントを前記プリンタノズルの上流で供給するステップと、前記フィラメントと前記電子部品との集成体を前記プリンタノズルの上流で作り出すステップとを更に含む、方法。
  2. 前記電子部品が能動電子部品を備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記電子部品が固体光源を備える、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記フィラメントが、前記電子部品を受け入れるためのキャビティを含み、前記方法は、前記電子部品を前記プリンタノズルの上流で前記キャビティ内に配置するステップを更に含む、請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
  5. 前記方法は、前記電子部品を前記プリンタノズルの上流で前記フィラメントに圧入するステップを更に含み、前記電子部品を前記フィラメントに圧入する前に、前記電子部品が配置される位置で前記フィラメントが局所的に加熱される、請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
  6. 前記電子部品を導電体と電気的に接続するステップを更に含む、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
  7. 前記３Ｄ印刷可能材料が、前記電子部品と、前記電子部品を電気エネルギー供給源と機能的に結合するための１つ以上の導電体とを含む、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法。
  8. 導電体で直列又は並列に電気的に接続された複数の固体光源が、前記導電体が前記フィラメントの長手方向軸線（Ａ）と平行に構成された状態で、３Ｄ印刷可能材料のフィラメントに含まれている、請求項７に記載の方法。
  9. 前記熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタがプリンタノズルを備え、前記方法は、（ａ）前記導電体で直列又は並列に電気的に接続された前記複数の固体光源、及び（ｂ）フィラメントを供給するステップを含み、前記方法は、前記導電体で直列又は並列に電気的に接続された前記固体光源、及び前記フィラメントを前記プリンタノズルの上流で組み合わせて、前記導電体で直列又は並列に電気的に接続された前記複数の固体光源を含む印刷可能材料を前記プリンタノズルの下流で供給するステップを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記熱溶解積層法（ＦＤＭ）３Ｄプリンタに供給される１つ以上の導電体が、前記１つ以上の導電体の長手方向と平行な伸長を少なくとも可能にするバネ状セグメントを有する、請求項７乃至９の何れか一項に記載の方法。
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