KR20190019076A - 3차원 프린팅에 의한 메카트로닉 시스템을 제조하는 프로세스 및 장치 - Google Patents

Abstract

메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 프로세스 및 장치로서, 프로세스는,

- 적어도 하나의 전기 절연성 제 1 재료 (M1) 의 용융된 와이어를 디포짓함으로써 3차원 프린팅에 의해 기계적 구조 (SM) 를 제조하는 단계; 및

- 상기 기계적 구조의 적어도 하나의 엘리먼트와 접촉하고 그것과 체결 고정되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트 (CE) 를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 제조하는 단계는 기계적 구조의 상기 엘리먼트와 직접 접촉하는, 적어도 하나의 도전성 또는 저항성의 제 2 재료 (M2) 의 용융된 와이어를 디포짓함으로써 3D 프린팅에 의해 구현된다. 그러한 프로세스에 의해 제조될 수 있는 메카트로닉 시스템이 제시된다.

Description

3차원 프린팅에 의한 메카트로닉 시스템을 제조하는 프로세스 및 장치

본 발명은 메카트로닉 시스템을 제조하는 방법, 그러한 방법을 사용하여 획득될 수 있는 메카트로닉 시스템, 및 그러한 방법을 구현하기 위해 적합한 제조 장치에 관한 것이다. 본 발명은 적층 제조로도 불리는 3차원 (3D) 프린팅 기법들에 기초한다. 그것은 예를 들어:

- 착용가능한 생리학적 또는 활동 센서들 (심박수, 혈당 등);

- 물리치료 디바이스들;

- 2차원 또는 3차원 상호작용 인터페이스들;

- 연결된 오브젝트들;

- 등

의 제조와 같은 매우 많은 애플리케이션들에 그 자신을 제공한다.

요즘, 적층 제조 (또는 3D 프린팅) 기법들은 여러 분야들에서 상당한 성장을 경험하고 있고, 산업 분야, 및 또한 개개인들 사이의 소비 관행들을 막 변혁시키려 하고 있다. 여러 방법들이 다양한 기계적 오브젝트들 및 구조들을 설계하기 위해 최근에 개발되었다. 그것들은 로컬 또는 글로벌 기계적 특성들 또는 심지어 오브젝트들의 외모 (예를 들어, 컬러 또는 텍스쳐들) 를 제어하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이들 방법들은 환경을 감지하거나 그것에 따라 행동하는 능력 없이 단지 수동적인 오브젝트들만을 생산한다.

이들 오브젝트들을 능동적이게 만들기 위해, 본질적으로 서브트랙티브법들에 의해, 현재 개별적으로 제조되고, 그 후 최종 오브젝트를 생산하기 위해 산업 생산 라인들에서 기계적 구조와 조립되는 전자 컴포넌트들 및 기능들을 그것들 안에 통합시키는 것이 필요하다. 비평면 기계 구조에 그리고 조립 없이 전자 기능들의 통합은 도전이다.

최근에, 다수의 회사들은 소위 유연성 또는 유기적 전자 장치들의 생산을 위해 폴리머 재료들의 사용을 다루었다. 이러한 분야의 전자 장치들은 첫번째 전도성 폴리머들이 1977 년에 개발되었고 이들 재료들을 사용하는 첫번째 전자 컴포넌트들이 1980 년대 중반에 출현된 이래로 상대적으로 최근이다. 요즘, 유기적 전자 장치들은 유기 전계 효과 트랜지스터들 (OFET), 유기 광전지들 (OPV), 유기 발광 다이오드들 (OLED), 전기화학 바이오센서들, 심지어 전기활성 폴리머들 (EAPS) 에 기초한 액츄에이터들과 같은 다수의 전자 컴포넌트들을 생산하는 것을 가능하게 한다. 그러한 전자 장치들을 생산하기 위해, 새로운 방법들이 개발되어 왔고, 일부는 이제 연속적 스트립 또는 회전 프린팅 (플렉소그래피, 포토그라비어 등) 과 같은 산업적 규모로 사용된다. 3D 프린팅 방법들의 부분을 형성하는 인크젯 프린팅 (IJP) 및 에어로졸 제트 프린팅 (AJP) 은 일부 유기 전자 컴포넌트들, 특히 센서들을 생산하는 것을 가능하게 하고 [Muth, 2014; Sitthi-Amorn, 2015], 현재 이러한 영역에서 집중적인 연구들의 주제이다.

그러나, 이들 방법들은 평면 기판들 상의 컴포넌트들 [Rossiter, 2009] 또는 추가적인 조립 동작들을 요구하는 컴포넌트들만을 생산하며, 따라서 완전한 메카트로닉 3D 구조들의 설계를 허용하지 않는다. 최근, 3D 오브젝트들상에 압력 센서들을 프린팅하기 위해 용융된 필라멘트 디포지션 (FDM, "Fused Deposition Modelling") 에 의한 3D 프린팅 방법과 함께 도전성 폴리머들을 사용하는 것이 제안되었다 [Leigh, 2012]. 안테나들과 같은 기본적인 컴포넌트들의 프린팅을 위해 기능형 열가소성 플라스틱들을 사용하는 것이 또한 제안되었다 [O'Brien, 2015].

센서들 및 액츄에이터들과 같은 다수의 애플리케이션들에 대한 폴리머 매트릭스 합성물들의 잠재성은 이미 입증되었다 [Coiai, 2015], [Deng, 2014]. 또한, 나노합성물들 및 나노입자들 (양이온성 나노클레이들, 음이온성 나노클레이들, 귀금속의 나노입자들, 탄소 나노튜브들 등) 의 과학은 이들 재료들을 합성하기 위한 방법들에 대한 더 양호한 이해 및 더 양호한 제어를 허용했다. 특히, 탄소 필러들을 포함하는 열가소성 플라스틱들은 센서들, 예를 들어, 변형, 힘, 온도, 전기화학 (액체 또는 기체 검출), 및 다른 그러한 센서들의 제조를 위해 유망하다. 스트레인 게이지들을 제조하는 것을 가능하게 하는, FDM 프린터상에서 개발 및 통합된 금속 코어 (예를 들어, 구리) 및 열가소성 플라스틱 매트릭스를 갖는 합성물들이 또한 알려져 있다 (US 2014/328964 참조).

현재, 그러나, 완전한 메카트로닉 시스템들을 제조하기 위해 3D 프린팅을 사용하는 것은 가능하지 않다. 하이브리드 방법들은 현재 제한된 가능성을 가지고서만 그것을 허용한다. 그들 중에서 가장 진보된 것들은 Voxel8 플랫폼 (www.voxel8.co), 오브젝트의 구조에 대해 FDM 을 결합하는, 하버드 대학교로부터의 스핀-오프 (spin-off), 회로의 도전성 트랙들을 위한 금속 잉크, 및 이산 컴포넌트 포지셔닝 시스템이다.

문서 US 2015/173,203 은 전기 컴포넌트를 포함하는 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법을 개시한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 전기 컴포넌트는 트랜스듀서가 아니다. 문서 US 2015/173,203 은 또한 3 개의 고정된 프린트 헤드들을 포함하는 상기 방법을 구현하기 위한 장치를 개시한다.

수개의 독립적으로 구동가능한 프린트 헤드들을 포함하는 용융된 필라멘트 디포지션이 없는 방법을 구현하기 위한 장치가 또한 문서 WO 2014/209,994 로부터 알려져 있다.

본 발명은 종래의 기술의 상술된 단점 및 제한들을 극복하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 메카트로닉 시스템의 기계적 서브시스템 및 전기적 서브시스템의 적어도 부분을, 단일의 피스로 및 하나의 동일한 3D 프린팅 방법으로, 제조하는 것을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 용어 "전기적" 은 전자적 및/또는 전자기적, 심지어 광전자적 타입의 기능성들을 포함하여, 넓은 의미에서 해석되어야 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 기계적 구조 및 상기 구조에 고정되는, 예를 들어 그것의 표면에 배열되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트 (도전성 트랙, 저항기, 센서 등) 양자 모두를 제조하기 위해 용융된 필라멘트 디포지션에 의한 3차원 프린팅 기법을 사용함으로써 달성된다. 그것은 적어도 두개의 별개의 재료들: 구조를 프린팅하기 위해 사용되는, 전기 절연성인 제 1 재료, 및 전기 컴포넌트 또는 컴포넌트들을 프린팅하기 위해 사용되는, 도전성 또는 저항성인 적어도 하나의 제 2 재료의 사용을 요구한다. 하이브리드 기법들의 단점들이 따라서 회피된다: 조립 단계들에 기인한 손실된 오버헤드들, 기계적 취약성, 벌크 등.

본 발명의 주제는 따라서:

- 적어도 하나의 제 1 전기 절연 재료의 용융된 필라멘트 디포지션에 의한 3차원 프린팅에 의해 기계적 구조를 제조하는 단계; 및

- 상기 기계적 구조의 적어도 하나의 엘리먼트와 접촉하고 그것과 고정되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 제조하는 단계를 포함하고,

여기서 상기 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 제조하는 단계는 기계적 구조의 상기 엘리먼트와 직접 접촉하는, 도전성 또는 저항성의 적어도 하나의 제 2 재료의 용융된 필라멘트 디포지션에 의한 3차원 프린팅에 의해 구현되고;

상기 또는 하나의 상기 전기 컴포넌트는 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법이다.

본 발명의 다른 주제는 전기 절연성 기계적 구조 및 상기 기계적 구조의 적어도 하나의 엘리먼트와 접촉하여 배열되고 및 그것과 고정되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 포함하는 메카트로닉 시스템이고, 여기서 기계적 구조 및 전기 컴포넌트는 상기 기계적 구조를 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 절연성 재료 및 상기 전기 컴포넌트를 형성하는 적어도 하나의 제 2 도전성 또는 저항성 재료의 3차원 프린팅에 의해 단일의 블록으로 제조되며; 상기 또는 하나의 상기 전기 컴포넌트는 트랜스듀서인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 주제는 독립적으로 활성화되고 2 개의 상이한 재료들을 디포짓하도록 구성될 수 있는 적어도 2 개의 별개의 압출 헤드들을 갖는 용융된 필라멘트 디포지션 타입의 3차원 프린터를 포함하는, 상술된 바와 같은 방법을 구현하기 위한 장치이고, 상기 압출 헤드들은 압출의 동일한 방향과 나란히 배열되고 동일한 프린트 캐리지에 의해 지탱되어 그들의 동시적인 변위를 보장하며, 프린트 헤드는 또한 상기 또는 하나의 다른 상기 압출 헤드가 활성일 때 압출의 상기 방향으로부터 멀어지는 방향으로 비활성 압출 헤드를 변위하기 위한 메커니즘을 포함한다.

본 발명의 다른 특징들, 상세들 및 이점들은 예시로써 주어진 첨부된 도면들을 참조하여 제공된 설명을 읽은 때에 나타날 것이다.
- 도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 기능 블록도이다.
- 도 2a 내지 도 2c 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법의 로컬 어닐링 단계의 개략적 표현이다.
- 도 3 은 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에서 사용되는 접착 증진제를 분사하는 노즐이다.
- 도 4a 내지 도 4e 는 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성된 상이한 도전성 패턴들이다.
- 도 5a 내지 도 5c 는 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성된 상이한 저항성 패턴들의 저항의 경향을, 그들의 기하학적 파라미터들의 함수로서 도시하는 그래프들이다.
- 도 6a 및 도 6b 는 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성되는 단일축 스트레인 게이지들이 구비된 인장시험 시편들이다.
- 도 7a 내지 도 7c 는 도 6a 및 도 6b 에 도시된 타입의 시편들에 대한 인장 시험들 동안 수행된 측정들의 결과들을 도시하는 그래프들이다.
- 도 8 은 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성된 2차원 굴곡 센서이다.
- 도 9a 내지 도 9e 는 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성된 다축 힘 센서에 대한 제조 시퀀스이고, 도 9f 는 이러한 센서의 측면도이다.
- 도 10 은 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성된 음향 센서의 단면도이다.
- 도 11a 내지 도 11h 는 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성된 전기 저항기에 대한 프린트 파일을 생성하기 위한 알고리즘을 도시하는 흐름도들이다.
- 도 12a 내지 도 12c 는 표면의 충전의 개념의 도면들이다.
- 도 13 은 본 발명의 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 생성된 압전 저항형 변형 게이지에 대한 프리트 파일을 생성하기 위한 알고리즘을 도시하는 흐름도이다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 3차원 메카트로닉 오브젝트들을 제조하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다. 용융된 필라멘트 디포지션 및 특히 기능형 열가소성 플라스틱들의 디포지션에 의해 제조된 이들 오브젝트들은, 가능하게는 연접식인 (articulated) 기계적 구조, 및 수동 컴포넌트들 (저항기, 커패시터, 안테나 등), 센서들 및 액츄에이터들과 같은 전자 컴포넌트들을 포함한다. 도 1 의 장치는 단축된 설계 및 제조 사이클들, 감소된 비용들, 오브젝트들 및 그들의 사용의 형태에서의 큰 유연성으로 그들의 환경 또는 사용자와의 상호작용의 능력들이 제공된 복잡한 3D 오브젝트들을 프린팅하는 것을 가능하게 한다.

장치는 본질적으로 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위해 적합한 용융된 필라멘트 디포지션 타입 - 또는 FDM 타입 - 의 3차원 프린터 (I3D) 를 포함한다. 그것은 또한 프린팅된 전기/전자 컴포넌트들을 설계하기 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 이러한 인터페이스는 그들의 거동 모델들과 함께, 기능형 열가소성 플라스틱들을 사용함으로써 3차원 프린팅에 의해 생성된 전자 컴포넌트들 및 트랜스듀서들의 라이브러리를 포함하는, 하드 디스크와 같은 컴퓨터 판독가능 매체상에 저장된 데이터베이스 (BDM) 를 포함할 수 있다. 그것은 또한 전기 컴포넌트에 대해 원해지는 전기적 및 기하학적 특성들을, 사용자 단말기 및 가능하게는 그래픽 인터페이스를 통해 입력으로서, 수신하도록 구성되고, 프린터 (I3D) 가 적절하게 설계된 전기 디바이스를 제조하는 것을 가능하게 하는 모든 명령들을 포함하는 프린트 파일 (FI) 을 생성하기 위해 데이터 베이스의 모델들을 사용하는 SGF 컴퓨팅 시스템 (통상적으로 컴퓨터) 을 포함할 수 있다. 파일 (FI) 의 생성에서 절정에 달하는 단계들은 도 11a 내지 도 11h 및 도 13 을 참조하여 본 문서에서 이하에 기술된다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 3차원 프린터 (I3D) 는 컴퓨터 시스템 (컴퓨터 또는 마이크로제어기 카드) (SIP) 에 의해 구동되는, 그것이 종래적이기 때문에 그 구조가 상세하게 표현되지 않는 변위 메커니즘 (MD) 을 사용하여 3 개의 직교 방향들 (x, y 및 z) - 방향 z 는 2 개의 압출 헤드들의 압축의 방향에 대응 - 에서 이동하는 동일한 프린트 캐리지 (CI) 에 의해 지탱되는, 나란히 배열된 적어도 2 개의 압출 헤드들 (TE1, TE2) 을 포함한다. 2 개의 별개의 압출 헤드들의 사용은 적어도 2 개의 상이한 열가소성 플라스틱 재료들의 디포지션을 용이하게 한다: 메카트로닉 시스템의 기계적 구조 (SM) 를 제조하기 위해 사용되는 절연성 재료 (M1), 및 적어도 하나의 전기 컴포넌트 (CE) 를 제조하기 위해 사용되는 기능성 재료 (전도성 또는 저항성) (M2). 이들 재료들의 특성은 이하에 상세히 설명될 것이다. 일반적으로, 그들은 열가소성 플라스틱 폴리머 재료들 또는 열가소성 플라스틱 폴리머 매트릭스를 갖는 합성물들인 경우가 많을 것이다. 적어도 재료 (M2) 는 일반적으로 예를 들어 그것을 도전성으로 제작함으로써 그것의 전기적 특성들에 영향을 주는 필터들을 포함할 것이다.

3 개 이상의 재료들을 포함하는 복잡한 시스템들의 생성을 위해, 3 개 이상의 헤드들을 사용하는 것이 가능할 것이다; 하나의 동일한 헤드가 수개의 상이한 재료들을 디포짓하기 위해 사용될 수 있지만, 그것은 방법의 속도를 감소시키고 (노즐에 피딩하는 재료의 변경들이 행해져야 함) 오염의 위험을 도입한다.

작동 메커니즘 (ATV) 은 다른 헤드들에 대해 각각의 헤드의 (z 에서의) 상대적 수직 위치를 조정하는 것을 가능하게 한다. 그것은 특히 복잡한 구조들의 생성 동안 비활성 헤드들을 상승시키는 것을 가능하게 하며, 여기서 압출 헤드들과 이미 프린팅된 엘리먼트들 사이의 충돌의 위험이 상당하게 된다. 심지어 간단한 층상 (layer-by-layer) 프린팅의 경우에, 비활성 헤드들상에 존재하는 레지듀들 (residues) 은 우연하게 그리고 제어되지 않은 방식으로 디포짓되고, 이것은 최종 오브젝트의 심미적 특성들 (컬러, 텍스쳐 등) 및 위의 모든 기능적 특성들에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 그것은 도전성 트랙들 사이에 단락들 (short-circuits) 을 야기할 수도 있다.

종래에, 각각의 압출 헤드 (TE1, TE2) 는 가열 에지들을 갖는 압출 노즐 및 디포짓될 열가소성 플라스틱 재료 (M1, M2) 의 필라멘트를 이러한 노즐에 전달하는 코일을 포함한다. 통상, 각 노즐은 열 전도에 의해 압출 에지들로 열을 전달하는 가열 블록상에 장착된다. 노즐의 가열 에지들과 접촉하는 필라멘트의 종단은 용융되고, 그 용융된 재료는 피스톤으로서 작용하는, 필라멘트의 아직 용융되지 않은 부분에 의해 가해진 압력의 영향 하에 노즐로부터 배출된다.

프린터에 의한 재료의 양의 제어는 필라멘트의 밀도, 지지 스풀의 중량 (표준, 그러나 그것의 치수들로부터 및 구성 재료의 밀도로부터 도출될 수 있음) 및 필라멘트의 직경을 알 때, 중량의 간단한 제어에 의해 생성될 수 있다. 중량은 그 자체가 3D 프린팅으로부터 기원할 수 있을 수 있는 간단한 압력 센서, 또는 더 복잡한 힘 센서에 의해 측정될 수 있다.

정확성의 관점들에서, 센서에 의한 중량의 실시간 측정은 스풀에 의해 수행되는 회전들의 수를 측정하기 위해 접촉 센서를 사용하는 것에 있는 더 종래적인 접근에 의해 보완될 수 있다. 각각의 턴에서, 카운터는 1 씩 증분된다. 완전한 턴에 대해 소비된 길이는 스풀의 외주와 동일하다; 이러한 길이에 필라멘트의 섹션 및 그것의 밀도를 승산함으로써, 디포짓되는 재료의 양이 획득된다.

다중-재료 및 기능성 구조들의 프린팅의 신뢰성은 특히 상이한 압출 헤드들의 포지셔닝의 정확성에 의존한다. 그 신뢰성은 주로 압출 헤드들과 (방향 z 에서의) 프린트 압반 (PLI) 사이의 간격에 대한, 및 압반의 평면 (x,y) 에서의 헤드들의 위치에 대한 자동 교정 절차에 기초한다.

높이 기반 (z) 의 압출 헤드들과 압반 사이의 간격, 및 압반의 편평도의 교정은 일반적으로 이동종료 (end-of-travel) 센서 및 압반의 코너들의 조정을 사용하여 행해진다. 그러나, (예를 들어 20 cm x 20 cm 이상의 정도의) 큰 표면적의 압반들을 사용할 때, 그것이 편평도를 보장하는 것이 어렵게 되고, 따라서 이동종료 센서의 사용은 만족스럽지 않다. 이것이 본 발명의 실시형태에 따른 장치가 바람직하게는 프린트 캐리지에 고정된 용량성 센서 (CC) 를 포함하는 이유이다. 용량성 센서의 사용은 그것과 접촉하지 않고 수개의 포인트들에서 압반을 교정하고 서보모터들상에서 통상 사용되는 기계적 이동종료 센서들에서 고유한 기계적 부정확성들을 회피하는 것을 가능하게 한다. 용량성 센서는 무접촉 스위치로서 작용한다. 유도성 센서와 달리, 그것은 유리, 나무, 피부 등과 같은 비철 재료들을 검출한다. 이러한 센서는 사실 꽤 간단히 프린트 캐리지상에 직접 설치됨으로써 이동종료 콘택을 대체할 것이다.

압반의 평면 (xy) 에서의 압출 헤드들의 위치의 교정은 상이한 헤드들로 제조된 구조의 부분들을 올바르게 정렬하기 위해 중요하다.

(예를 들어 기계적 구조의 표면을 생성하는) 제 1 층의 경우, 초기 교정은 통합된 그라운드 전극, 및 압반의 코너들에 배치된 금속 그라운드 전극들 (도 1 에서 참조부호들 EET1, EET2) 을 갖는 용량성 센서 (CC) 를 사용하여 수행된다. 사실상, 센서와 압반 사이에 일정한 거리가 주어지면, 측정된 커패시턴스는 압반의 절연성 코팅 또는 재료와보다는 센서의 2 개의 전극들 사이의 금속 부분과에서 더 클 것이다.

후속 층들의 경우, 특히 수개의 프린트 헤드들이 사용되고, 따라서 수개의 열가소성 플라스틱 재료들이 프린팅되는 경우, 선행하는 층과 그리고 다른 재료로 프린팅된 부분과의 정렬은 (도 1 의 실시형태에서, 구동 컴퓨터 시스템 (SIP) 과 일치하는) 이미지 프로세싱 시스템 (STI) 에 링크된 카메라 (CE) 를 구현하는 비쥬얼 서보 제어를 사용하여 검증되어야 한다. 비쥬얼 서보 제어는 다음과 같이 구현된다:

- 재료의 적어도 하나의 층이 디포짓된 프린트 표면의 이미지가 카메라 (CE) 에 의해 획득된다; 아마도 수개의 이미지들이 신호대 잡음 차이를 개선하기 위해 획득 및 평균될 수 있다;

- 참조 포인트가 자동적으로 또는 수동으로 (사용자의 개입) 이미지상에서 선택된다;

- 카메라에 의해 취해진 이미지상의 이러한 참조 포인트의 위치가 프린터 내의 메모리 내의 이미 디포짓된 마지막 층의 모델상의 그것의 위치와 비교된다;

- 축들 x 및 y 상의 프린트 캐리지의 위치가 컴퓨팅되고 메모리에 저장된다;

- 상위층의 프린팅은 이들 가능한 시프트들을 고려한다.

바람직하게는, 도 1 의 경우에서와 같이, 교정 카메라 (CE) 는 알려져 있는 압출 헤드들에 대해 상대적 위치를 가지고, 캐리지에 고정된다. 일 변형에서, 카메라는 고정되고 프린트 캐리지에 고정된 비쥬얼 마커를 사용하여 이미지상의 참조의 포인트에 대한 후자의 상대적인 위치를 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 반드시 중첩된 층들에 디포짓된 적어도 2 개의 상이한 재료들을 구현한다. 지금, 이종의 층들 사이의 접착은 항상 만족스럽지는 않다. 이러한 이유로, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 인-시츄 로컬 어닐링이 층의 디포지션과 동시에 또는 그 이후에 수행된다. 이러한 로컬 어닐링의 역할은 오브젝트의 2 개의 구성 재료들 사이의 접착을 강화하기 위해 열 에너지를 제공하는 것이다; 또한, 그것은 또한 사용된 기능성 열가소성 플라스틱 재료들의 고유 특성들을 개선하는 것을 가능하게 할 수 있다.

현재의 FDM 기술은 인접한 또는 다른 것 위에 하나의 폴리머들의 층들의 간단한 압출에 의존하고, 인접한 층들을 용융 및 용접하기 위해, 가열 플레이트의 도움으로 또는 그러한 도움 없이, 잠재하는 압출 열을 사용한다. 이러한 방법은 층들의 불완전하고 불균일한 용접을 유도하고, 결과적으로 특히 층의 표면 또는 필라멘트의 디포지션의 방향에 대해 직각으로 인가된 부하의 경우에, 층들 사이의 박리로 인해 기계적 특성들을 감소시킨다. 이것은 2 개의 재료들 사이의 습윤이 부분적일 수도 있는 경우에, 2 개의 상이한 재료들 사이의 계면들에 대해 더욱 더 사실이다. 제 1 재료의 층 위의 제 2 재료의 필라멘트의 디포지션 시에, 제 2 재료의 필라멘트는 용융된 상태에 있고, 제 1 재료의 층의 표면의 습윤은 2 개의 종들의 표면 장력들, 제 1 재료의 표면 거칠기 및 제 2 재료의 점성과 같은, 2 개의 재료들의 물리 화학적 파라미터들에 의존한다. 부분의 냉각이 후속되는 제조 시에, 층들의 박리는 그 후 감소된 접촉 표면들, 너무 약한 접착력들, 및 2 개의 재료들의 열 팽창 계수들 사이의 차이들로 인해 발생할 수도 있다.

본 발명의 구현 동안 수행되는 어닐링은 재료들의 매트릭스들 (도 2b 및 도 2c 에서의 MM1, MM2) 에 포함되고 하나 이상의 주어진 파장들의 조사 전자기 빔을 흡수할 수 있는 나노필러들 (도 2b 및 도 2c 에서의 CM1, CM2) 을 통해 디포짓된 재료들의 국소적 가열에 의존한다. 도 1 의 실시형태에서, 전자기 방사 소스 (SRR), 예를 들어 적외선 레이저는 프린트 캐리지에 고정된다; 참조 부호 FL 은 그 소스에 의해 생성된 전자기 빔 (여기서는 레이저 빔, 그러나 그것은 또한 다른 타입의 방사선, 예를 들어 마이크로웨이브들, 예를 들어 WO2015130401 을 참조, 또는 라디오 주파수들일 수 있을 것이다) 을 나타낸다.

어닐링은 상이한 구성들에 따라, 관계된 층의 프린팅 동안 수행될 수 있다:

- 활성 압출 헤드 뒤의 빔의 통과 및 디포짓된 마지막 층상의 작용 (도 2a 에 도시된 구성; 여기서 참조 부호 ΔT 는 국소화된 가열을 상징적으로 나타낸다);

- 동종 재료의 경우에 디포짓된 마지막 층 또는 층들; 제 2 재료 아래에 위치된 제 1 재료의 마지막 층 또는 층들에 대한, 사용된 파장에 투명한, 후자를 통한 투과에 의한 작용과 독립적으로 (압출 헤드 비활성) 빔의 통과.

어닐링 시스템은 도 1 및 도 2a 에서 매우 개략적으로 표현되었다; 실제로, 그것은 방사선 방출 소스, (아마도 그 소스에 통합된) 포커싱 시스템 및 빔을 충돌의 포인트로 안내하기 위한 시스템, 통상 광섬유를 포함할 것이다. 도 2a 의 실시형태에서, 어닐링 방사 소스 (SRR) 는 프린트 캐리지에 고정되지만, 다른 실시형태들에서 그것은 독립적일 수 있다.

방사선들을 흡수하는 나노필러들은 탄소 나노튜브들, 카본 블랙, 버키볼들, 그래핀, 슈퍼마그네틱 나노입자들, 자기 나노입자들, 금속 나노와이어들, 초전도 나노와이어들, 퀀텀 도트들, 폴리아닐린 (PANI), 폴리3,4-에틸렌디옥시티오펜 폴리스티렌술포네이트 및 그들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 그것의 선택은 합성물로 전달된 그들의 기능성 (예를 들어 전기 전도성) 에 기초할 뿐아니라 필터의 최대 최적 흡수성 및 따라서 최소 전력에 대한 최적의 가열에 대응하는 방사선의 파장에 기초하여 행해질 것이다. 예를 들어, 다수의 필러들, 예를 들어 금속들, 산화물들, 탄소 (특히 탄소 나노튜브들 "CNT") 및 전도성 폴리머들 (예를 들어 폴리피롤) 은 마이크로웨이브들에 대한 높은 흡수성을 갖는다. 그것의 부분에 대한 (10 Mhz 쯤의 정도의) 라디오주파수 방사선들의 사용은 SiC, ZnO 또는 TiO₂ 와 같은 세라믹 필러들에 대해 적합한 것으로 증명된다. 적외선 레이저의 사용은 필러가 없거나 섬유들 (예를 들어 탄소 섬유들) 로 채워진 매트릭스들에 대해 특히 효과적이다. 방사선들을 흡수하는 필러들은 이미 용융된 필라멘트에 존재할 수도 있거나, 현탁액을 분사함으로써 디포짓될 수도 있다.

어닐링은 부분의 나머지의 가열을 제한하면서 및 따라서 특히 크리이프 (creep) 및 열 사이클링에 의한, 그것의 치수들의 변경을 상당히 감소시키면서, 인접한 층들 (도 2c) 사이의 매트릭스들의 폴리머 체인들의 상호확산을 허용한다.

디포짓된 필라멘트들에서의 기능화 필러들 (CM2) 의 분포 및 할당은 압출 프로세스 동안 변경될 수 있거나, 처음에는 최적이 아닐 수 있다. 인-시츄 로컬 어닐링은 또한 매트릭스의 볼륨 내의 필러들의 할당을 균질화하는 것, 퍼콜레이션 네트워크들 (percolation networks) (필러들의 특성에 따라 도전성, 반도전성 또는 유전성) 의 최대값을 리포밍하는 것, 및 따라서 최종 구조 내의 합성물의 기능적 특성들을 개선하는 것을 가능하게 한다. 이것은 도 2b 에 개략적으로 도시된다.

특히 합성물들의 경우에 상이한 매트릭스들을 갖는, 상이한 열가소성 플라스틱들로 구성된 2 개의 부분들 사이의 계면에서의 접착 증진제의 디포지션이 방사빔에 의해 및 이들 2 개의 부분들 사이의 접착을 개선하기 위해 어닐링 대신에 또는 어닐링에 더하여 사용될 수 있다. 이러한 디포지션은 액적들을 분사하는 노즐, 예를 들어 원자화 공기, 제어용 공기를 위한 입구들을 갖는 밸브를 사용하여 그리고 액체 접착을 증진시키기 위해 수행된다. 그러한 디바이스는 도 3 에 매우 개략적으로 표현되며, 여기서 그것은 참조 부호 BP 에 의해 식별되며; 참조 부호 APA 는 접착 증진제의 제트를 나타낸다.

표면상으로 접착 증진제를 분사하는 것에 의한 디포지션의 프로파일은 가우시안이고 분사기와 대향하는 포인트에 중심이 맞춰진다. 가능한 가장 균일한 농도 프로파일을 획득하기 위해, 분사 노즐에 대한 통로들을 프로그래밍하는 것이 따라서 최선이다. 접착 증진제는 균질 액체이거나 나노 또는 마이크로메트릭 입자들의 현탁액일 수 있다. 후자의 경우에, 특히 음파처리 그 후 원심분리 단계들의 사용에 의해, 그것의 준비 동안, 미리 균질 현탁액을 갖는 것을 보장하는 것이 물론 필요할 것이다. 모든 경우들에서, 계면들과의 접착 증진제의 반응 및/또는 용매의 기화는 긍극적으로 고체 접착층을 남기는 것을 가능하게 해야 한다. 또한, 일단 동일한 열가소성 플라스틱 또는 2 개의 상이한 열가소성 플라스틱들의 2 개의 층들 사이에 샌드위치되면, 이전에 기술된 빔으로 조사될 수 있고 이러한 방식으로 접착을 개선하는 것을 가능하게 할 흡수성 입자들을 디포짓하는 것을 가능하게 할 수 있기 위해 분사 디바이스에 대한 프로비젼 (provision) 이 행해진다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 메카트로닉 오브젝트의 구조 재료 (M1) 는 전기 절연 재료이다. 구조 재료는 열가소성 플라스틱, 열가소성 엘라스토머, 세라믹, 또는 열가소성 플라스틱 또는 세라믹 매트릭스와의 합성물과 같은 폴리머일 수 있을 것이다. 열가소성 플라스틱 매트릭스는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS), 폴리락틱 애시드 (PLA), 폴리아미드 (나일론), 폴리이미드 (PI), 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP), 폴리스티렌 (PS), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐클로라이드 (PVC), 폴리우레탄 (PU), 폴리카보네이트 (PC), 폴리페닐실폰 (PPSU), 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK) 및 이들의 혼합물들을 포함하는 그룹의 부분을 형성할 수 있을 것이지만, 그뿐만이 아니다. 세라믹은 산화물들, 탄화물들, 붕화물, 질화물들, 규화물들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있을 것이다. 예를 들어, 양립가능한 세라믹들은 실리콘 니트라이드, PZT, 알루미늄 옥사이드 또는 하이드록시아파타이트를 포함한다. 사용된 합성물들은 세라믹 또는 금속 필러들, 유리 또는 탄소 섬유들, 또는 심지어 탄소 입자들과 같은 그것의 기계적 및 열적 특성들을 변경 및 조정하는 것을 가능하게 하는 임의의 타입의 필러를 포함할 수 있다.

전기 컴포넌트 또는 컴포넌트들은 일반적으로 양호한 전기 전도성 및/또는 피에조저항 또는 피에조전기 및/또는 양호한 열 전도성 및/또는 높은 유전 계수 등과 같은 특성들을 갖는 합성물인 적어도 하나의 기능성 열가소성 플라스틱 재료 (M2) 에서 생성된다. 예를 들어, 전기 전도성 열가소성 플라스틱의 경우, 필러들은 카본 블랙을 포함하는 탄소 입자들, 그래핀, 탄소 나노뉴브들의 그룹의 부분을 형성할 수 있다. 양호한 열 전도성을 획득하기 위해, 금속 필러들 또는 나노 튜브들이 포함될 수 있다. 이러한 재료는 FDM 을 통해 형성하기에 적절한 특성들, 즉 구조 재료 또는 재료들의 녹는점에 가까운 그리고 300 ℃ 보다 낮은 녹는점, 및 용융 구역에서 충분히 낮은 점성을 가질 필요가 있을 것이다. 그것을 위해, 하나의 히결책은, 그것이 가능한 정도로, 구조 재료 (M1) 의 그것과 동일하거나 유사한 폴리머 매트릭스를 사용하는 것이다. 단독으로 또는, 기능성이든 아니든, 다른 열가소성 플라스틱과 연관되어 사용되는 경우, 기능성 열가소성 플라스틱 (M2) 은 수동 컴포넌트 (저항기, 커패시터, 안테나 등), 센서 또는 액츄에이터와 같은 전기 또는 전자 컴포넌트의 제조에 수반된다.

본 발명에 따른 디바이스 및 방법의 이로운 특징들을 완전히 활용하기 위해, 전자 컴포넌트들, 센서들 및 액츄에이터들을 생성하는 것을 가능하게 하는 기능적 특성들을 갖는 새로운 열가소성 플라스틱 재료들을 개발 및 포함하는 것이 가능하다.

이들 재료들의 포함은, 3D 메카트로닉 오브젝트에서 최적의 기능성을 보장하도록 조정될 파라미터들을 식별하기 위해, 철저한 전기적 및 기계적 특성화를 요구한다. 그것을 위해, 발명자들은 특히 다음의 합성 열가소성 플라스틱들에 초점을 맞췄다:

- 재료 1: 매트릭스 ABS/필러들 CB (카본 블랙)

- 재료 2: 매트릭스 PLA/필러들 CB

- 재료 3: 매트릭스 PI-ETPU (폴리이미드/엔지니어링 열가소성 플라스틱 폴리우레탄)/필러들 CB

- 재료 4: 매트릭스 PLA/필러들 CNT (카본 나노튜브들)

- 재료 5: 매트릭스 PLA/필러들 그래핀

이들 특성화 연구들의 주제였던 재료들은 높은 고유 전기 전도성을 갖는 탄소 입자들로 채워진 열가소성 플라스틱들이다. 이들 합성물들은 필러들의 특성에 뿐아니라, 열가소성 플라스틱 매트릭스에서의 그것의 농도 및 분포에도 의존하는 전기 전도성을 갖는다. 필러들의 농도는 도전 또는 퍼콜레이션 경로의 형성을 허용하기에 충분해야 하지만, 필라멘트의 점성이 300 ℃ 보다 낮은 온도 범위에서 용융된 필라멘트의 연속적인 압출을 허용하기에 충분히 낮아야 한다. 합성 필라멘트 내의 필러들의 분포는 합성 필라멘트가 형성되는 방법 (단일- 또는 듀얼-스크류 압출), 프로세스 파라미터들의 제어 및 포텐셜 표면 기능화로 입자들의 준비에 의존한다. 필러들의 균일한 분포 및 할당은 더 큰 수의 퍼콜레이션 경로들 및 따라서 합성물의 더 양호한 전기 전도성을 허용한다. 그러나, 궁극적으로, 합성물의 전기적 특성들은 또한 FDM 에 의한 3D 오브젝트의 프린팅에서 사용되는 프로세스 및 기하학적 파라미터들에 의해 변조된다.

상술된 바와 같이, 연구된 5 개의 합성물들의 점성, 유연성 및 경도는 그들의 매트릭스들, 그들의 필러들, 및 그들이 형성되는 상이한 방법으로 인해 동일하지 않다. 이 때문에, 프로세스 파라미터들은 필라멘트의 연속적인 압출을 허용하기 위해 적응되어야 한다. 연구된 재료들의 경우, 압출 온도는 주로 사용된 열가소성 플라스틱 매트릭스에 의존한다: 충전된 PLA 의 경우 210-220 ℃, 충전된 ABS 의 경우 230 ℃ 및 충전된 PI-ETPU 의 경우 220 ℃. 그러나, 이들 값들은 제조자들에 의해, 및 특히 필러들의 적절한 농도를 채택함으로써 최적화되었다는 것이 명백하다.

그러나, 프린팅 동안의 노즐들의 변위의 레이트, 또는 프린트 속도는 점성 이외의 파라미터들에 의해 통제된다.

필라멘트의 압출은 고정 휠 및 이동 휠 사이에 죄어진 필라멘트의 메싱 (meshing) 덕분에 가능하게 되고, 필라멘트의 상부, 고체 부분은 하부, 액체 부분에 대한 피스톤을 형성한다. 유연성 필라멘트들은 압축 응력의 영향하에서, 그리고 필라멘트의 측방향 이동들을 제한하는 것을 가능하게 하는 압출 헤드의 설계에도 불구하고, 휘어지는 경향을 갖는다. 속도, 통상 20 mm/s 의 저하는 용융된 필라멘트가 압출되는 시간을 저하시키고, 유연성 필라멘트들에 대한 크리이프 한계 제약 아래에 유지하는 것을 가능하게 한다.

탄소 나노입자들, 예를 들어 CNT 및 그래핀은 양호한 전기 전도체들일 뿐아니라, 양호한 열 전도체들이다. 과도하게 낮은 프린트 스피드는 뜨거운 노즐들과의 에지들상에서의 접촉에도 불구하고, 용융된 필라멘트의 코어가 내부 열 전도에 의해 냉각하는 것을 허용하는 위험을 무릅쓴다. 이러한 현상은 노즐에서의 필라멘트의 천이 시간을, 그것이 필라멘트의 액화를 허용하기에 충분히 길고, 코어의 재고화를 방지하기에 충분히 짧도록, 제한하는 것이 필요하게 한다. 이러한 경우에, 높은 프린트 속도, 통상 80 mm/s 는 연속적인 압출을 갖고 노즐의 막힘을 회피하는 것을 가능하게 한다.

열가소성 플라스틱 매트릭스의 특성, 및 용융된 상태에서의 그것의 거동의 함수로서 고려될 하나의 마지막 파라미터는 노즐과 제 1 층을 위한 압반 사이의 거리이다. 사실상, 높은 점성 및 탄성은 제 1 경우에서 PLA 에 비해 ABS 에 대해, 및 제 2 경우에서 PLA 에 비해 PI-ETPU 에 대해, 더 큰 간격을 필요로한다.

본 발명에 따라 제조될 수 있는 전기 컴포넌트들의 수학적 모델들을 생성하기 위해, 직사각형 바 형태의 패턴들이 위의 5 개의 재료들로부터 생성되고, 특성화되었다. 이들 패턴들은 그들의 길이 (L) (도 4a), 폭 (W) (도 4b), 전체 두께 (H) (도 4c), 각각의 개개의 층, 또는 "계층" 의 두께 (e) (도 4d) 및 프린트 방향 (도 4e) 의해 상이하다. 철저한 전기적 특성화는 그들의 전도성의 함수로서 재료들을 분류하고 상술된 기하학적 파라미터들에 패턴들의 저항을 연결하는 법칙들을 확립하는 것을 가능하게 했다.

도 5a 는 연구된 5 개의 재료들에 대한 그것의 길이 (L) 의 함수로서 직사각형 바 (W=20 mm, H=400 ㎛, 바의 길이에 대한 프린트 방향 = 0°, T=200 ㎛) 로부터의 저항의 경향을 보여준다. 가장 전도성있는 재료들이 쉽게 식별가능하다: 전도성은 재료의 인덱스가 1 로부터 5 로 증가할 때 감소한다. 도 5b 는 연구된 5 개의 재료들에 대한 그것의 폭의 함수로서 바들 (L=50 mm, H=0.4 mm, 바의 길이에 대한 프린트 방향 = 0°, T=200 ㎛) 의 평균 상대 저항의 경향을 보여준다. 평균 상대 저항은 R 이 고려된 바의 저항이고 R0 가 10 mm 와 동일한 길이를 갖는 참조 바의 저항인 경우 (R-R0)/R0 에 의해 주어진다. 인버스 법칙 경향은 모두에 대해 유효하고, 그들의 오믹 거동을 입증한다. 도 5c 는 재료 4 에 대한 그들의 폭 (L=50 mm, H=0.4 mm, 바의 길이에 대한 프린트 방향 = 0°, T=200 ㎛) 및 그들의 높이 (L=50 mm, W=20 mm, 바의 길이에 대한 프린트 방향 = 0°, T=200 ㎛) 의 함수로서 바들의 평균 상대 저항의 경향을 보여준다. 그 저항은 전력의 단위로, 바의 폭 및 높이에 대해 반비례한다.

길이 (L), 폭 (W) 및 높이 (H) 의 함수로서 패턴들의 저항 (R) 의 상대적인 변동은 실제로 5 개의 합성물에 대해 동일하다. 정성적으로, 도 5a 내지 도 5c 에서, 충전된 열가소성 플라스틱들은, 일단 프린팅되면, 오믹 도체들과 같이 거동하고, 저항은 일반적 식을 따른다:

여기서, ρ 는 그것의 길이에서 측정된 바의 저항률이다. 이러한 오믹 거동은 게다가 제조된 상이한 샘플들상에서 생성된 다수의 전류-전압 특성들에 의해 지지된다.

저항은 또한 프린트 방향의 함수로서 그리고 위의 법칙에 따라 변화한다. 프린팅된 패턴의 고유 저항률, 즉 그것의 마이크로구조에 이러한 변화를 실험적으로 연결하는 것이 가능하다. 획득된 결과들은 아래의 표 1 에 재생된다. 바의 저항률은 프린트 방향이 0°로부터 45°로 그 후 90°로 변할 때 증가한다. 이러한 각도는 바의 길이에 대해 평가된다.

재료	필라멘트의 체적 저항률	프린팅된 패턴의 저항률
1. ABS/CB	10 000 Ohm.cm	4 300 Ohm.cm +/- 1800 Ohm.cm at 0° 7 000 Ohm.cm at 45° 10 000 Ohm.cm +/- 1200 Ohm.cm at 90°
2. PLA/CB	15-115 Ohm.cm	15 Ohm.cm +/- 5 Ohm/cm at 0° 30 Ohm.cm at 45° 40 Ohm.cm +/- 5 Ohm/cm at 90°
3. PI-ETPU/CB	100 Ohm.cm	60 Ohm.cm +/- 30 Ohm.cm at 0° 140 Ohm.cm at 45° 350 Ohm.cm +/- 50 Ohm.cm at 90°
4. PLA/CNT	0.75 Ohm.cm	2.3 Ohm.cm +/- 1.2 Ohm.cm at 0° 4.6 Ohm.cm +/- 1 Ohm.cm at 90°
5. PLA/그래핀	1 Ohm.cm	1.7 Ohm.cm +/- 0.5 Ohm.cm at 0°

표 1 - 전도성 열가소성 플라스틱들의 저향률 및 프린트 방향들

저항에 대한 프린팅된 계층들의 두께 "e" 의 영향은 그러나 재료 3 을 제외하고 대부분의 재료들에 대해 무시할 수 있다. 재료 3 에 대해 e 가 100 과 300 ㎛ 사이에서 변화할 때 팩터 2.5 만큼의 저항의 감소는 더 큰 수의 퍼콜레이션 경로들을 잠재적으로 허용하는 계층들 (더 적은 균질 층-층 계면들) 사이의 수직 연속성에 의해 설명될 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 본 발명에서 설명된 바와 같은, 로컬 어닐링의 사용은 층-층 계면들에서 새로운 퍼콜레이션 경로들을 형성하는 것을 가능하게 할 것이고 프린팅된 패턴의 전기 전도성을 상당히 개선할 것이다.

그것의 피에조저항을 특성화하기 위해, 재료들 1 내지 5 는 FDM 에 의해 프린팅된 아령-형태 단일축 인장시험 시편들을 제조하기 위해 사용되었다.

이들 시험 시편들은 프린트 방향의 함수로서, 그리고 ASTM D638 표준에 따르는 치수들, 즉, 유용한 부분에 대해: L=50 mm, W=10 mm, H=300 ㎛ 로 저항률에서의 차이를 활용함으로써 설계되었다. 각각의 재료에 대해, 카피들이 0°, 45° 또는 90°의, 시험 시편의 길이에 대해 측정된 프린트 방향들로 전체로 프린팅되었다. 제조된 시험 시편들의 예들 ET1 (0°), ET2 (90°) 이 도 6a 및 도 6b 에 도시된다.

인장 응력은 샘플의 저부로부터 수직으로 매달린 추들을 사용하여 가해진 반면, 샘플의 정점은 프레임에 조 (jaw) 들을 통해 고정되었다. 매달린 추들은 100 g, 200 g, 500 g 및 1 kg 이었다. 시험 시편들이 결함이 없다고 가정하면, 스트레인은 유용한 부분에 집중될 것이고, 인가된 스트레인은 3 과 33 MPa 사이에서 변할 것이다.

테스트들의 결과들은 도 7a 내지 도 7c 에 도시된다.

도 7a 는 수직으로 매달린 추의 질량 (M) 의 함수로서 재료 2 의 인장시험 시편들의 전기 저항 (R) 의 경향을 도시한다. 충전률은 100% 이고, 시험 시편은 따라서 고체이다.

도 7b 는 기계적 로딩/언로딩 사이클 동안 제로 또는 100 g 로딩 하에서 인장시험 시편들의 전기 저항의 경향을 도시한다. 여기서 고려된 시험 시편들은 80% 의 충전률을 가지며, 이것은 필라멘트들 사이에 갭, 또는 홈이 존재한다는 것을 의미하고, 이것은 대략 20% 가 빈 공간들로 구성되는, 시험 시편의 보디 (body) 를 형성한다.

도 7b 는 100 g 로딩의 제거에 후속하여 인장시험 시편들의 전기 저항의 시간 (t) 에서의 경향을 도시한다. 갑작스런 증가에 후속하여, 저항은 안정 값 (rest value) 으로 점점 감소한다.

연구된 재료들 중에서, 재료 3 은 시험 시편이, 도 7a 에서 보고된 바와 같이 90°로 프린팅되는 경우, 임계 효과를 갖는 피에조저항 거동을 보여주었다. 저항 변동이 그로부터 나타나는 임계값은 FDM 에 의한 프린팅에서 충전률을 감소시킴으로써, 즉 홈 사이의 접촉의 품질을 변조시킴으로써 저하될 수 있다. 충전률이 높으면, 인접한 홈들 사이에 중첩이 존재할 것이다. 이러한 비율이 더 많이 감소할 수록, 압출물 두께가 일정한 상황에서, 중첩이 존재하는 부분이 더 많이 감소하고 인접한 홈 사이의 계면은 공기가 트랩핑되는 홀들 또는 다공성들을 보여준다. 다공성의 비율은 따라서 프린팅된 패턴의 저항 및 피에조저항 임계값을 제어하는 것을 가능하게 하는 중요한 파라미터이다. 번-인 사이클 (burn-in cycle) (제 1 사용들 동안 발생하는 약한 경로들의 파괴, 안정화 페이즈가 후속되는 전기 특성들의 급속한 변동들을 야기) 후에, 저항 변동은 80% 의 충전률로, 양호한 반복가능성으로 및 적어도 10 사이클들의 지속성으로 바에 대한 100 g 의 로딩으로부터 나타난다 (참조 도 7b).

동일한 피에조저항 거동이 홈이 재료 5 를 갖는 시험 시편의 길이에 대해 90°의 프린팅 각도로 프린팅되는 시험 시편들에 대해 관찰된다. 그러나, 로딩 또는 언로딩에 후속하는 엘라스토머 매트릭스의 이완의 현상이 관찰된다. 언로딩의 경우, 이러한 현상은 안정 값으로의 대수 감소 (logarithmic decrease) 가 후속되는 저항에서의 갑작스런 증가를 유도한다 (도 7c 참조). 이러한 시간 응답은 따라서 측정의 신뢰성 및 센서를 생성하기 위한 그것의 사용에서 적지 않은 문제이다.

재료 2 의 피에조저항에 대해 확립된 거동 모델들 및 법칙들, 및 전도성 열가소성 플라스틱들의 저항률에 대해 확립된 거동 모델들 및 법칙들은 이들 특성들을 활용하는 센서들ㅇ르 생성하는 것을 가능하게 한다.

도 8 은 3 개의 상이한 열가소성 플라스틱 재료들로 FDM 에 의해 전체적으로 프린팅된 기능성 2차원 굴곡 센서를 보여준다. 이러한 컴포넌트는 사실상 직교 프린팅 방향들에 따라 프린팅된 절연성 열가소성 플라스틱 (ABS) 의 구조 (SM), 전도성 열가소성 플라스틱 (재료 4) 의 4 개의 콘택 전극들 (ELC1, ELC, ELC, ELC), 및 피에조저항 거동을 갖는 충전된 열가소성 플라스틱 (재료 2) 의 2 개의 중앙 부분들 (JC1, JC2) 을 포함하여, 기계적 구조 (SM) 에 의해 지지되고 (프린팅 방향에 의해 및 따라서 구성 필라멘트들의 정렬에 의해 결정되는) 그 감도 축들이 서로 직각인 스트레인 게이지들을 형성한다.

코일의 변경들을 위해 필요한 데드 타임들을 회피하기 위해, 센서는 각 재료에 대해 하나씩, 3 개의 압출 헤드들을 사용함으로써 프린팅되었다. 접착 증진제의 얇은 층이 이질성 계면들에 디포짓되었다.

센서의 중앙 부분들은 600 ㎛ 의 두께를 갖는, 각각 0°로 프린팅된 재료 2 의 직사각형 (JC1) 및 90°로 프린팅된 재료 2 의 직사각형 (JC2) 이다. 특성화 결과들에 따르면, 프린팅 방향이 인장 응력의 방향에 대해 직각인 직사각형만이 전기 저항의 변경을 생성한다. 다른 블록은 동일한 저항을 유지한다. 이들 2 개의 블록들의 병치는 따라서 축 x 또는 축 y 를 따른 스트레인, 심지어 양 축방향 인장 스트레인을 측정하는 것을 가능하게 한다.

ABS 의 기판이 굴곡 스트레인을 겪을 때, 그것의 상부 표면은 인장 응력을 받는다. 이러한 응력은 계면에서의 전단 (shearing) 에 의해 재료 2 의 블록들로 전달된다. 이러한 센서에 의해 획득되고, 그것의 기능성을 나타내는 결과들은 아래의 표 2 에 제공된다:

변형 (ε)	큰 치수 (60　mm)	작은 치수 (50　mm)
ε　=　0	409　Ω	630 Ω
인장 응력 하의 상부 층: ε　>　0	456　Ω	723　Ω
압축 하의 상부 층: ε <　0	370　Ω	273　Ω

방법에 의해 허용된 형태의 자유 및 전도성 및 피에조저항성 열가소성 플라스틱의 이용가능성은 다중차원 힘 센서들의 생성을 허용한다. 도 9f 는 중앙 커넥터에 인가된 로드 및 그것의 성분들 x 및 y 를 바꿀 수 있는 미니-조이스틱의 형태로 그러한 센서의 측면도를 보여준다. 이러한 센서는 환형 기판 (SA), 지지 필러들 (PS) 및 절연 재료의 중앙 플랫폼 (PTC) 을 포함하는 절연성 기계적 구조; 희생의, 예를 들어 가용성 폴리머의 프린팅된 서포트를 사용하여 생성된 매달린 브리지들을 형성하는 피에조저항 엘리먼트들 (PZR1 - PZR4); 콘택 전극들 (EC1 - EC5), 중앙 조이스틱 (JC) 및 커넥터를 부착하기 위한 전도성 필러들 (PC1 - PC4) 을 갖는다. 도 9a 내지 도 9f 는 이들 상이한 엘리먼트들을 별개로 보여준다.

도 10 은 본 발명에 따른 프린팅 방법에 의해 또한 생성된, 피에조저항 타입의 음향 센서를 도시한다. 그것은 절연성 기계적 구조 (SM), 전도성 열가소성 플라스틱의 2 개의 콘택 전극들 (ELC1, ELC2), 커패시터의 2 개의 호일들을 형성하는, 또한 전도성 열가소성 플라스틱의 2 개의 전도성 멤브레인들 (MC1, MC2), 및 각각의 콘택 전극에 그리고 전도성 멤브레인 (MC1) 에 각각 연결된 스트레인 게이지들 (JC1, JC2) 을 포함한다. 스트레인 게이지들은 음파의 영향 하에서 멤브레인 (MC1) 의 변형들을 측정하는 것을 가능하게 한다.

상술된 바와 같이, 설계 인터페이스가 이롭게도 프린팅된 전기 컴포넌트들의 설계를 용이하게 하기 위해 제공된다. 이러한 인터페이스는 원하는 전기적 특성들, 그것의 콘택 포인트들의 위치, 기계적 구조의 표면 내 또는 그 표면 상의 그것의 로케이션 등과 같은, 제조될 전기 컴포넌트의 파라미터들을 입력으로서 수신하고 및 적절한 알고리즘들의 적용을 통해 출력에서 3차원 프린터를 구동하는 것을 가능하게 하는 프린트 파일 (통상적으로 GCode 포맷) 을 공급하도록 프로그램된 컴퓨터 시스템 (컴퓨터, 컴퓨터 네트워크, 마이크로프로세서 카드 등) 이다.

도 11a 내지 도 11h 의 흐름도들은 비제한적인 예시로서 결국 절연성 기판상에 디포짓된 간단한 전기 컴포넌트, 즉 저항기에 대한 프린트 파일이 되는 것을 가능하게 하는 알고리즘들을 도시한다. 도 13 은 또한 비제한적 예시로서 축방향 변형 게이지를 위한 프린트 파일을 획득하는 것을 가능하게 하는 알고리즘을 도시한다.

3차원 프린팅에 의해 제조된 저항기는 2차원 (즉 표면상에 디포짓된 평면형) 또는 3차원 - 따라서 강제될 수도 있는 비동일평면 포인트들을 통과함 - 일 수 있다. 2차원 저항기의 경우에, 선형 지오메트리 - 낮은 저항 값들의 경우 - 또는 지그재그 또는 구불구불한 지오메트리 - 더 높은 저항 값들의 경우 - 를 채택하는 것이 가능하다. 이들 3 개의 상이한 경우들은 상이한 설계 알고리즘들을 요구한다. 따라서, 도 11a 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 설계 인터페이스의 사용자는 무엇보다도 그 특성들이 알려져 있고 모델 데이터베이스 (BDM) 에 저장된, 사용될 열가소성 플라스틱 재료, 및 도달될 저항값 (R_user) (단계 EA2) 을 정의하고, 그 후 (EA3) 그 또는 그녀는 저항기가 3차원이거나 통로의 강제된 포인트들을 관찰해야하는지 여부를 표시한다. 긍정인 경우, 설계 인터페이스는 도 11g 및 도 11h 에 도시된 3차원 저항기 설계 알고리즘을 적용할 것이다. 그렇지 않은 경우, 시스템은 독립적으로 값 (R_user) 의 함수로서 선형 지오메트리 (예를 들어 R_user 가 미리 정의된 임계값 R_th 미만인 경우) - 그 경우에 그것은 도 11b 에 도시된 알고리즘을 적용 - 또는 지그재그 지오메트리 (예를 들어 R_user 가 R_th 이상인 경우) - 그 경우에 그것은 도 11c 내지 도 11f 에 도시된 알고리즘을 적용 - 를 생성하는 것이 적절한지 여부를 결정할 것이다. 선형 및 지그재그 지오메트리 사이의 선택은 또한 다른 파라미터들, 예를 들어 풋프린트를 고려할 수 있거나, 사용자의 평가에 남겨질 것이다.

어떤 지오메트리가 선택되든지, 적용되는 설계 알고리즘은 제조될 저항기의 체적을 정의한다 (EA5). 그후 (단계 EA6), (컴퓨터 원조 설계) 모델러 CAO 는 STL 포맷으로 스테레오리소그래피 파일의 형태로 통상 저장되는, 삼각형 형태의 이러한 체적의 삼각형 메싱 (meshing) 을 생성한다. 다음 (단계 EA7), STL 파일에 의해 정의된 체적의 슬라이싱이 존재하며, 이것은 압출 헤드에 의해 디포짓된 재료의 각각의 슬라이스를 정의하고, 프린트 헤드의 변위의 궤적을 그것과 연관시키는 것을 가능하게 한다. 슬라이싱은 특히 노즐의 에지들의 온도, 충전의 레이트 또는 각도 등을 결정함으로써 바람직하게는 또한 프린터를 파라미터화하는 것을 가능하게 하는, 프린터에 종속적인, 그자체가 알려져 있는 소프트웨어에 의해 행해진다.

노즐의 변위들 및 기계 파라미터들의 모두가 예를 들어 GCode 포맷으로 프린트 파일 (FI) 에 저장된다.

도 11b 의 흐름도는 선형 저항기에 대한 설계 알고리즘을 도시한다.

시작하기 위해, 사용자는 컴퓨터 시스템에 대한 입력으로서, 저항기를 포함하는, 직사각형으로 가정된 영역의 폭 (Xmax) (EB1) 및 길이 (Ymax) (EB2), 이러한 영역에서 정의된 참조 프레임에 대한 원점으로서 작용하는 포인트의 위치 (EB3), 및 이러한 참조 프레임에서의 저항기의 콘택 포인트들 (A 및 B) 의 좌표들 (EB4, EB5) 을 공급하고; 이들 포인트들은 일반적으로 이하에서 항상 그 경우일 임의의 케이스에서 이러한 직사각형 영역의 변들상에 위치된다. 컴퓨터 시스템은 그 후 세그먼트 (AB) 의 길이 (L) (EB6), 그 후 원하는 저항을 획득하기 위해 필요한 섹션 (S=ρ·L/R_user) 을 컴퓨팅하며, ρ 는 데이터베이스 (BDM) 로부터 추출된, 재료의 저항률이다.

섹션 (S) 은 저항기의 폭 (W) 의 그것의 두께 (H) 에 의한 곱이며, 이들 2 개의 양들은 결정되어야 한다. 저항기의 두께 (H) 는 압출 헤드에 의해 디포짓된 재료의 슬라이스의 두께 (e) 의 정수 배수인 반면, 폭 (W) 은 압출 헤드의 함수인 최소값 (Wmin) 과 저항기의 허용가능한 폭 (Wmax) 사이에 있다. 무엇보다도, H=e 라고 가정되고, 대응하는 폭은 W=S/H 로 컴퓨팅된다. 허용가능한 최대폭 (Wmax) 보다 더 높은 값이 획득되는 경우, H 는 값 (e) 만큼 증분되는 등이다. 그것이 도면에 도시되지 않지만, 심지어 H=e 로, W<Wmax 를 획득하는 것이 가능하다. 그것은 R_user 가 너무 높은 것을 의미한다; 따라서 콘택 포인트들 중 하나 (또는 양자 모두) 를 변위시킴으로써 길이 (L) 을 증가시키거나, 재료를 변경하거나, 지그재그 지오메트리를 사용하는 것이 필요하다. 원칙적으로, 이러한 상황은 선형 지오메트리가 도 11a 의 알고리즘에 의해 자동적으로 선택되었다면 일어나지 않아야 한다. 이들 동작들은 단계 EB8 을 구성한다.

다음 (EB9), 값 (R=RHO·L/S) 가 정말로 R_user 와 동일한지를 알기 위한 체크가 존재한다. 그렇지 않은 경우, 사용자는 사용된 재료를 변경할 옵션을 가지며, 이 경우에 알고리즘은 단계 EB7 로부터 재개된다; 그 또는 그녀가 그것을 행하기를 원하지 않는 경우, 컴퓨터 시스템은 R=R_user 일 때까지 길이 (L) 를 변경하기 위해 포인트들 (A 및 B) 중 하나 (또는 양자 모두) 를 변위시킨다 (EB10).

지그재그 저항기에 대한 설계 알고리즘이 도 11c 내지 도 11f 에 도시된다.

선형 저항기의 경우에서와 같이, 사용자는 컴퓨터 시스템에 대한 입력으로서 저항기를 포함하는, 직사각형으로 가정된 영역의 폭 (Wmax) (EC1) 및 길이 (Ymax) (EC2), 참조 프레임의 원점의 좌표들 (EC3) 을 공급한다. 그 또는 그녀는 또한 지그재그 패턴을 형성하는 저항성 "와이어" 의 폭 (W) 및 두께 (H) 를 공급하며 (EC4, EC5), 이것은 시스템이 이러한 와이어의 길이 L=R_user· W·H/RHO 를 컴퓨팅하는 것을 허용한다 (EC6). 그 후, 사용자는 입력으로서 저항기의 콘택 포인트들 (A 및 B) 의 좌표들을 공급하며 (EC7, EC8), 이것은 시스템이 이들 포인트들이 직사각형 영역의 대향하는 변들상에, 동일한 변상에 또는 인접한 (및 직교하는) 변들상에 위치되는지 여부를 결정하는 것을 허용한다. 이들 3 개의 특정의 경우들은 각각 도 11d, 도 11e 및 도 11f 에 의해 도시되는 3 개의 상이한 대응하는 알고리즘들을 갖는다.

포인트 (B) 가 A 와 대향하여 위치되는 경우 (도 11d), 전도성 와이어의 경로는 포인트 (A) 로부터 시작함으로써 (단계 ED1), (저항기를 포함하는 직사각형 영역의 치수들에 비해 작지만, 와이어의 폭 (W) 보다 큰) 길이의 미리 정의된 피치 (DELTA_min) 만큼 B 가 위치되는 변으로 그리고 A 가 위치되는 변에 직각으로 이동함으로써 (ED2) 결정된다. 그 후, A 로부터 가장 멀리 떨어진 이러한 변의 정점의 방향으로, A 의 변에 대해 평행한 이동이 존재하고, 안전 마진을 유지하기 위해 직사각형 영역의 에지로부터 거리 (DELTA_min) 에서 정지한다 (ED3). 그 후, B 가 위치되는 변으로 그리고 A 가 위치되는 변에 직각으로 길이 (DELTA_min) 만큼 다른 변위가 존재한다 (ED4). 시작으로부터 이동된 거리는 그 후 기억되고, 변수 dist_p 에 저장된다 (ED5). 이 시점에서, B 에 도달하기 위해, 직선에서, 이동되기 위해 남아있는 최소 거리가 컴퓨팅된다 (ED6). dist_p 및 이러한 최소 거리의 합이 (단계 EC6 에서 컴퓨팅된) L 을 초과하는 경우, 그것은 원하는 값의 지그재그 저항기를 생성하는 것이 가능하지 않다는 것을 의미한다; 따라서 재료의 변경이 있어야 한다. 그렇지 않으며, 시스템은 포인트들 (A 및 B) 이 방향 x 에서 또는 방향 y 에서 대향하는지 여부를 결정한다. 이하에서, 제 1 경우만이 고려된다 (단계들 ED7, ED8, ED9); 반대의 경우에 수행되는 동작들은 모든 점에서 유사하다 (단계들 ED7', ED8', ED9').

지그재그 저항기는 본질적으로 A 및 B 를 지니고 있는 변들 (여기서 고려된 예에서 방향 x) 에 대해 직각인 방향으로, 길이 d 의 짧은 라인 및 직각 방향으로 길이 D 의 긴 라인, 플러스 2 개의 종단 세그먼트들 - A 의 변으로부터의 길이 dist_p 및 B 의 변으로부터 컴퓨팅될 길이 - 에 의해 형성된 소정 수 (nb_p) 의 패턴들 (구불구불한 길들) 로 구성된다. 단계 ED7 에서, (3 개의 미지수들과 단지 2 개의 부등호가 존재하기 때문에) D 의 값에 대한 가정을 행함으로써, 시스템:

nb_p·(d+D)≤L-dist_p

nb_p·d≤Xmax-2·DELTA_min

의 해를 구하려는 노력들이 행해진다. 초기 가설은 D=Ymax-2·DELTA_min 이다.

단계 ED8 에서, 발견된 해가 조건 d>DELTA_min 을 지지하는 지를 알기 위한 체크가 존재한다. 그렇지 않다면, D 의 값은 DELTA_min 만큼 감분되고 (ED9), 단계 ED7 는 다시 실행된다.

최종 섹션은 마지막 패턴의 말단 단부를 B 에 링크하는 최단 경로로 이루어진다 (ED10). 일반적으로, L 과 동일한 총 길이를 획득하기 위해, 마지막 긴 라인 (저항기의 끝에서 두번째 섹션) 의 길이를 조정하는 것이 필요할 것이고, 이것은 따라서 반드시 D 와 동일하지는 않을 것이다. 이렇게 결정된 트래블 (travel) 로부터 저항기의 체적을 구성하기 위해, 행해져야 하는 모든 것은 와이어 (W) 의 폭을 적용하는 것이다 (ED11).

포인트 B 가 A 와 동일한 변에 위치되는 경우 (도 11e), 전도성 와이어의 트래블은 포인트 A 로부터 시작함으로써 (단계 EE1), 포인트들 A 및 B 가 위치되는 변에 대해 직각인 방향으로 (저항기를 포함하는 직사각형 영역의 치수들에 비해 작지만 와이어의 폭 (W) 보다 큰) 길이 DELTA_min 의 하나의 미리 정의된 피치만큼 이동함으로써 (EE2) 결정된다. 그 후 (EE3), 이러한 변에 평행하고 B 의 반대쪽인 이동이, 시작 변에 대해 직각인 변으로부터 안전 거리 DELTA_min 만이 남겨질 때까지, 존재한다. 그 후, 제 1 이동의 방향으로, 즉 A 및 B 를 지니는 변에 직각으로 거리 DELTA_min 만큼의 추가의 이동이 존재한다 (EE4). 후속 단계들 - EE7, EE8 내지 EE10, EE8' 내지 EE10', EE11, EE12 - 은 상술된 단계들 ED6, ED7 내지 ED9 및 ED7' 내지 ED9', ED10 및 ED11 과 동일하다.

포인트 B 가 인접한, 그리고 따라서 포인트 A 를 지니는 변에 직각인 변에 위치되는 경우 (도 11f), 전도성 와이어의 트래블은 포인트 A 로부터 시작함으로써 (단계 EF1), 포인트들 A 가 위치되는 변에 대해 직각인 방향으로 (저항기를 포함하는 직사각형 영역의 치수들에 비해 작지만 와이어의 폭 (W) 보다 큰) 길이 DELTA_min 의 미리 정의된 피치만큼 이동함으로써 (EF2) 결정되고, 그 후 이러한 변에 평행하고 포인트 B 를 지니는 변에 대해 반대쪽 변을 향한 이동이, 후자로부터 안전 거리 DELTA_min 까지 존재한다 (EF3). 다음, 이러한 변에 대해 평행한 이동이 A 의 변에 대해 반대쪽 변으로부터 안전 거리 DELTA_min 이 남겨질 때까지 존재한다 (EF4). 나머지 (단계들 EF5 - EF11) 는 선행의 경우들과 동일하다.

마지막 특정의 경우, 3차원 저항기의 경우가 도 11g 및 도 11h 의 주제이다. 먼저, 사용자는 저항기가 정의되는 체적, 출발 (A) 및 도착 (B) 의 포인트들, 뿐아니라 통로의 중간 포인트들을 정의해야 한다 (EG1). FDM 3차원 프린팅 기법에서, 체적은 미리 정의된 두께의 층들의 스택의 형태를 취한다는 것을 주목하는 것은 중요하다. 포인트의 위치는 따라서 그것이 속하는 층을 식별함으로써 그리고 후자 내의 그것의 2 차원 좌표들을 제공함으로써 정의될 수 있다. 저항기의 트래블을 정의하는 것은 포인트 (A) 로부터 시작하는 것 (EG2), A 를 포함하는 층상의 통로의 다음 포인트의 투영 pt_s - 또는, 더 일반적으로는, 현재의 포인트 pt_c 를 식별하는 것 (EG3), 및 이러한 투영에 도달하기 위해 이동될 거리 (EG4), 뿐아니라 현재 포인트의 층과 다음 포인트의 층 사이의 높이 차이 (EG5) 를 결정하는 것을 수반한다. 포인트들 (pt_c 및 pt_s) 사이의 거리 L_cs 는 단계 EG3 에서 결정된, 평면 내의 거리, 및 그 높이 차이의 합이다 (EG6); 이러한 거리는 기억된다. 다음, 포인트 (B) 가 도달될 때까지 다음 포인트 등으로의 천이가 존재한다. L_calc, 즉 길이들 L_cs 의 합이 그 후 컴퓨팅된다 (EG7). 재료의 저항률 RHO 에 대한 지식은 저항성 패턴의 섹션 (S) 을 컴퓨팅하는 것을 가능하게 한다 (EG8); 이러한 섹션에 대한 지식으로부터, 두께 및 폭이 도 11b 의 선형의 경우를 참조하여 설명된 바와 같이 컴퓨팅된다 (단계 EG9). 그 후 이렇게 획득된 저항기 (R_calc) 가 원하는 값 (R_user) 을 갖는지의 체크가 존재한다 (EG10). R_calc < R_user 인 경우, 및 사용자가 재료를 변경하는 것을 원하지 않는 경우, 하나의 동일한 층 내의 통로의 2 개의 연속적인 포인트들을 연결하는 직선 세그먼트들의 적어도 일부는 지그재그들에 의해 대체되어야 한다. 이것을 행하기 위해, 각각의 중간 세그먼트의 길이는 L_calc 의 퍼센티지로서 표현되고 (EG11), 그것은 R_user 의 동일한 퍼센티지에 대응하는, 도달될 저항이 할당된다 (EG12). 프로세스는 그 후 도 11d 의 경우에서와 같이 진행한다 - 단계들 EG13 - EG16 은 단계들 ED2 - ED5 에 대응하고, 단계들 EG17, EG18, EG19 는 단계들 ED7 내지 ED9 및 ED7' 내지 ED9' 에 그리고 단계들 ED20, ED21 은 단계들 ED10 및 ED11 에 대응한다.

본 발명에 따른 3차원 프린팅에 의해 제조될 수 있는 전기 컴포넌트들, 및 그것의 제조가 프로그래밍 인터페이스의 사용에 의해 용이하게 될 수 있는 다른 예는 피에조저항 타입의 단일축 변형 (또는 스트레인) 게이지이다.

정지 저항 (resistance at rest) (R₀) 을 나타내는 피에조저항 엘리먼트의 저항의 상대적인 변동 (ΔR) 은 값:

ΔR/R₀ = k·ε

을 가지며, 여기서 k 는 피에조저항 감도이고 e 는 변형이며, ε=ΔL/L₀ 이고, ΔL 은 길이의 변동이고 L 은 엘리먼트의 정지 시의 길이이다. 센서를 설계할 때, 초기 길이 (및 따라서 저항) 는 센서의 체적의 충전률의 함수이다.

FDM 3차원 프린팅에 의해 제조된 임의의 엘리먼트와 같이, 피에조저항 센서는 필라멘트들, 또는 스트립들에 의해 형성된다; 이러한 구조는 도 12a 에 도시된다. 센서는 스트레인의 영향 하에서 스트립들의 수렴 또는 분리에 의해 작동한다. 사실상, 스트립들이 함께 더 가까워 지는 경우, 저항을 저하시키는 마이크로콘택들이 생성된다. 역으로, 스트립들이 서로 멀리 이동되는 경우, 전류 강도 순환이 더 낮다. 변형들에 대한 감도는 큰 축 D 에 평행한 변형들에 대해서보다 도 12a 에서 d 에 의해 표시된 작은 충전 축에 평행한 변형들에 대해 훨씬 더 크다는 것이 이해될 것이다.

충전률이 스트립들이 그들의 전체 길이에 대해 완벽하게 인접하고 서로 접촉하고 있다는 것을 의미하는 100% 와 동일한 경우, 저항 변동들은 측정가능하지 않을 것이다. 동일한 것이 과도하게 낮은 충전률의 경우에 적용될 것이다. 경험상으로, 40 내지 70% 의 충전률들이 고려된 대부분의 재료들에 대해 완벽하게 수용가능한 결과들을 제공한다는 것이 발견되었다.

도 12a 와 도 12b 의 비교는 40% 충전 (도 12a) 이 70% 충전 (도 12b) 으로보다 더 짧은 필라멘트 길이를 암시한다는 것을 관찰하는 것을 가능하게 한다. 70% 의 정도의 충전률을 갖는 센서에서, 전도성은 전류의 퍼콜레이션에, 즉 구불구불한 길들을 서로 연결하는 전도성 마이크로경로들의 존재에 상당히 의존한다. 이들 마이크로경로들은 구조의 작은 변형들에 의해 쉽게 차단될 수 있으며, 이것은 높은 충전률 - 그러나 너무 높지 않고, 예를 들어 70% 정도의 - 을 갖는 센서가 단지 40% 의 충전률을 갖는 센서보다 더 작은 변형들을 검출할 수 있을 것이라는 것을 의미한다. 그러나, 그러한 센서는 또한 제조 결함들, 예를 들어 더러운 압출 헤드에 의해 유발되는 단락들에 더 민감할 것이다. 도 12a 및 도 12b 의 예들에서, 저항성 재료의 수개의 층들은 직각 디포지션 각도들로 디포짓되었고, 이것은 등방성 피에조저항 감도를 야기한다.

도 13 의 흐름도는 피에조저항 스트레인 센서에 대한 설계 단계들을 도시한다. 무엇보다도 (단계 EP1),

사용자는 그 또는 그녀가 CAD 소프트웨어상에서 원하는 형태를 생성하고 그것을 STL 포맷 (삼각형들을 갖는 체적의 메싱) 으로 임포트한다. 그후, 센서가 충분히 유연하고 강할 것을 확인하기 위해, 그것의 높이 (H) 가 미리 정의된 값, 예를 들어 프린트 두께 (e) 의 3 배로 설정된다 (EP2).

마지막 층은 센서로서 작용할 것이다. 다른 층들은 예를 들어 센서들에게 다소의 유연성을 허용하도록, 일반적으로 60 과 100% 사이의 및 예를 들어 70% 와 동일한 고정된 충전으로 절연 재료에서 생성된다 (EP3). 변형으로서, 다른 기능을 갖는 도전성 또는 저항성 층들은 또한 스트레인 센서로서 작용하는 것 하에서 존재할 수 있다.

센서의 층 상에서, 사용자는 전극들의 위치를 정의하고 (EP4), 그 또는 그녀에게 제한되는 리스트로부터 저항성 재료 (EP5), 뿐아니라 가능한 값들의 리스트로부터 원하는 감도 (EP6) 를 선택한다. 충전은 일반적으로 직사각형 모드에서 (EP7), 2 개의 전극들에 의해 정의된 축에 직각인 충전의 메인 방향으로 행해진다.

예비적인 교정 단계에서 구성되고 방법을 실행하는 컴퓨터의 메모리에 저장된 테이블은 선택된 재료 및 원하는 지오메트리가 주어지면, 원하는 감도를 달성하는 것을 가능하게 하는 충전률을 발견하는 것을 가능하게 한다 (EP9).

프린팅 속도 (EP10) 는 통상적으로 교정에 의해 구성된 다른 룩업 테이블에 의해, 또한 결정되는 충전률의 함수로서 결정될 수 있다. 예를 들어, 필라멘트의 레지듀들이 노즐에 붙은 채로 남아 있고 프린팅 동안 때때로 떨어지는 경우 발생할 수 있는 단락들을 피하기 위해 높은 충전률들을 위한 낮은 프린팅 속도를 선택하는 것이 가능하다. 더 낮은 충전률들의 경우, 통로의 라인들의 분리, 및 따라서 노즐의 통로에서의 재료의 부재는 일반적으로 레지듀가 붙게 하는 것을 회피하기에 충분하다; 따라서 예를 들어 60 mm/s 의 더 높은 속도에서 프린팅하는 것이 가능하다. 변형에서, 상대적으로 낮은 프린팅 속도 (예를 들어 30 mm/s) 가 충전률과 독립적으로 사용될 수 있다.

본 발명은 피에조저항 센서들을 포함하는 메카트로닉 시스템들을 참조하여 기술되었다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정의 경우에 제한되지 않는다. 사실, 특히 열가소성 플라스틱 매트릭스에 포함된 필러들을 적절히 선택함으로써, 각각 열, 광학, 화학 센서들을 획득하도록, 온도, 광, 화학적 에이전트들 등에 민감한 재료들을, FLM 에 의해, 프린팅하는 것이 가능하다. 게다가, 전도성 및 절연성 재료들로부터, 용량성 또는 유도성 센서들, 및 송신에서 및/또는 수신에서 사용될 수 있는 안테나들을 제조하는 것이 가능하다. 또한 열, 정전기, 자기 (강자성 필러들을 사용), 또는 심지어 피에조전기 액츄에이터들을 생성하는 것이 가능하다. 또한 OLED 들 (유기 발광 다이오드들) 및/또는 유기 광전지들을 프린팅하는 것이 가능하다.

일부 경우들에서, 본 발명은 전체로 프린팅된 메카트로닉 시스템의 제조를 허용할 것이다. 다른 경우들에서, 그러한 시스템의 전기/전자 서브어셈블리의 부분만이 프린팅될 것인 반면 (센서들, 도전성 라인들, 액츄에이터들 등), 다른 컴포넌트들 - 예를 들어 복잡한 전자 기능들을 수행하는 집적 회로들 - 은 추가될 수 있을 것이다. 후자의 경우에서도, 본 발명은 조립 동작들의 수를 감소시키고, 따라서 더 빠르게 그리고 더 저렴하게 메카트로닉 시스템을 제조하는 것을 가능하게 한다.

참고문헌들

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Claims (14)

1. 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법으로서,
   - 적어도 하나의 제 1 전기 절연성 재료 (M1) 의 용융된 필라멘트 디포지션에 의한 3차원 프린팅에 의해 기계적 구조 (SM) 를 제조하는 단계; 및
   - 상기 기계적 구조의 적어도 하나의 엘리먼트와 접촉하고 그것과 고정되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트 (CE) 를 제조하는 단계를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 제조하는 단계는 상기 기계적 구조의 상기 엘리먼트와 직접 접촉하는, 도전성 또는 저항성의 적어도 하나의 제 2 재료 (M2) 의 용융된 필라멘트 디포지션에 의한 3차원 프린팅에 의해 구현되며;
   상기 또는 하나의 상기 전기 컴포넌트는 트랜스듀서 (JC1, JC2) 인 것을 특징으로 하는 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 트랜스듀서 (JC1, JC2) 는 피에조저항 센서인, 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   도전성 또는 저항성의 상기 제 2 재료는 열가소성 플라스틱 절연 매트릭스 (MM2) 에 분산된 전도성 필러들 (CM2) 을 포함하는, 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 디포지션과 매칭하여, 상기 제 1 재료 또는 상기 제 2 재료의 층의 디포지션 동안 또는 후에 구현되는 로컬 어닐링 단계를 또한 포함하는, 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상이한 재료의 층의, 상기 메카트로닉 시스템의 표면상의 디포지션 전에 제조 동안 상기 메카트로닉 시스템의 상기 표면상의 접착 증진제 (APA) 의 디포지션의 단계를 또한 포함하는, 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 재료 및 상기 제 2 재료의 디포지션을 위한 적어도 2 개의 별개의 압출 헤드들 (TE1, TE2) 의 사용을 포함하는, 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 상기 전기 컴포넌트의 제조를 위한 프린트 파일 (FI) 의 생성의 단계를 또한 포함하고,
   상기 단계는 컴퓨터에 의해 구현되고,
   - 상기 컴포넌트가 제조되어야 하는 공간 영역의, 하나 이상의 콘택 포인트들의 위치 및 상기 컴포넌트의 적어도 하나의 전기적 특성을 나타내는 데이터를 상기 컴퓨터에 제공하는 것에 있는 서브단계;
   - 미리 정의된 수학적 모델의 상기 데이터에 대한 적용에 의해 상기 컴포넌트의 지오메트리의 컴퓨테이션의 서브단계; 및
   - 도전성 또는 저항성인 상기 또는 적어도 하나의 상기 제 2 재료의 용융된 필라멘트 디포지션에 의한 3차원 프린팅에 의해 상기 지오메트리를 생성하는 것을 가능하게 하는 상기 프린트 파일의 생성의 서브단계를 포함하는, 메카트로닉 시스템을 제조하기 위한 방법.
8. 메카트로닉 시스템 (CF2D) 으로서,
   전기 절연성 기계적 구조 (SM) 및 상기 기계적 구조의 적어도 하나의 엘리먼트와 접촉하여 배열되고 및 그것과 고정되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트 (CE) 를 포함하고,
   상기 기계적 구조 및 상기 전기 컴포넌트는 상기 기계적 구조를 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 절연성 재료 (M1) 및 상기 전기 컴포넌트를 형성하는 적어도 하나의 제 2 도전성 또는 저항성 재료 (M2) 의 3차원 프린팅에 의해 단일의 블록으로 제조되며;
   상기 또는 하나의 상기 전기 컴포넌트는 트랜스듀서 (JC1, JC2) 인 것을 특징으로 하는, 메카트로닉 시스템 (CF2D).
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 구현하기 위한 장치로서,
   독립적으로 활성화되고 2 개의 상이한 재료들을 디포짓하도록 구성될 수 있는 적어도 2 개의 별개의 압출 헤드들 (TE1, TE2) 을 갖는 용융된 필라멘트 디포지션 타입의 3차원 프린터 (I3D) 를 포함하고,
   상기 압출 헤드들은 압출의 동일한 방향과 나란히 배열되고 동일한 프린트 캐리지 (CI) 에 의해 지탱되어 그들의 동시적인 변위를 보장하며,
   상기 프린트 헤드는 또한 상기 또는 하나의 다른 상기 압출 헤드가 활성일 때 압출의 상기 방향으로부터 멀어지는 방향으로 비활성 압출 헤드를 변위하기 위한 메커니즘 (ATV) 을 포함하는, 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 프린트 캐리지는 프린트 표면으로부터의 그것의 거리를 측정하도록 구성된 용량성 센서 (CC) 가 구비되는, 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프린트 캐리지가 그 위에서 변위되는 프린트 압반 (PLI) 을 또한 포함하고,
    상기 압반은 상기 용량성 센서에 의해 검출될 수 있는 금속 전극들 (EET1, EET2) 이 구비되며, 이것에 의해 상기 센서는 상기 압반에 대한 상기 프린트 캐리지의 위치의 교정을 허용하는, 장치.
12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 3차원 프린터에 의해 디포짓된 재료의 층의 이미지를 획득하도록 구성된 카메라 (CE);
    - 상기 이미지를 컴퓨터 메모리에 저장된 3차원 모델과 비교하고, 그것으로부터 상기 프린트 캐리지의 위치의 에러를 추론하도록 구성된 이미지 프로세싱 시스템 (STI); 및
    - 재료의 연속적인 층의 디포지션 시에 상기 위치 에러를 정정하도록 구성된 상기 캐리지를 위한 컴퓨터 구동 시스템 (SIP) 이 구비된, 장치.
13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 컴포넌트를 제조하기 위해 상기 3차원 프린터를 구동하기 위한 프린트 파일 (FI) 을 생성하기 위한 컴퓨터 시스템 (SGF) 을 또한 포함하고,
    상기 컴퓨터 시스템은,
    - 상기 컴포넌트가 제조되어야 하는 공간 영역의, 하나 이상의 콘택 포인트들의 위치 및 상기 컴포넌트의 적어도 하나의 전기적 특성을 나타내는 데이터를 입력으로서 수신하고;
    - 미리 정의된 수학적 모델의 상기 데이터에 대한 적용에 의해 상기 컴포넌트의 지오메트리의 컴퓨팅하며; 및
    - 적어도 하나의 도전성 또는 저항성 재료의 용융된 필라멘트 디포지션에 의한 3차원 프린팅에 의해 상기 지오메트리를 생성하는 것을 가능하게 하는 프린트 파일을 생성하도록 구성되는, 장치.
14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기 방사의 빔의 발생기 (SRR) 를 또한 포함하고,
    상기 발생기는 상기 3차원 프린터의 프린트 표면상에 디포짓된 재료의 국소적 가열을 생성하도록 구성되는, 장치.

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