CN106538074B - 用在制造跨层图案的方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种在层状物件中制造跨层图案的方法。所述方法是通过一积层式制造***所执行且包括：分配一图案材料到一接收媒介上以形成一第一图案元件；分配一造型材料的一第一层到所述第一图案元件上，同时形成一第一开放孔穴，以暴露在所述第一层下方的所述第一图案元件的至少一部分；及分配图案材料到所述第一图案元件的所述暴露部分及所述第一层上以形成接触所述第一图案元件的一第二图案元件。

Description

用在制造跨层图案的方法及***
关联申请案
本申请要求于2014年3月25日递交的美国专利临时申请案第61/969,900号的优先权的利益。本申请与Yudovin-Farber等人的代理人案卷号为62119的标题为“导电油墨的现场烧结的方法和***(METHOD AND SYSTEM FOR IN SITU SINTERING OF CONDUCTIVEINK)”的美国专利临时申请案共同提交。
上述文件的内容通过引用合并于此，就好像在本文中完整地阐述一样。
技术领域
本发明在一些实施例中是涉及一种自由型式制造及，更特别但不排除的，是涉及一种用在跨层图案的自由型式制造的方法及***。
背景技术
固体自由型式制造(Solid Freeform Fabrication；SFF)是一种能够直接从计算机数据通过积层式形成步骤而制造任意形状的结构的技术。任何SFF***的所述基本操作是由下列所组成：裁切一三维计算机模型成多个薄截面；将所述结果转换成二维位置数据；及将所述数据馈送到以分层方式制造三维结构的控制设备。
积层式制造(additive manufacturing；AM)包含数个制造技术，其中材料被逐层的分配以形成一最终产品。已被熟知的一种三维(3D)喷墨打印的AM技术。在此技术中，从具有一组喷嘴的一分配头分配一建造材料以在一支撑结构上沉积多个层。取决于建造材料，随后可利用一适合的装置来使多个层固化或凝固。所述建造材料可以包含形成所述物件的造型材料以及在所述物件被建造时支撑所述物件的支撑材料。各种三维印刷技术存在且公开于例如美国专利案第6,259,962、6,569,373、6,658,314、6,850,334、7,183,335、7,209,797、7,300,619、7,225,045、7,500,846号以及公开的美国申请案第20050104241及20060054039号中，所有这些专利和专利申请具有共同的受让人，其内容通过引用合并于此。
用于在一平坦基材上打印二维(2D)导电元件的沉积和打印方法也是已知的。例如美国专利案第8,534,787号揭示一种容纳在一物体上方移动的喷墨打印头的打印桥。所述喷墨打印头包含：多个第一喷嘴，用于将一第一类型物质喷射到所述物体的表面上；及多个第二喷嘴，用于将一第二类型物质喷射到所述物体的表面上。所述第一类型物质是用于打印一焊料掩模图案，及所述第二类物质是用于打印图例图案(legend pattern)。
发明内容
根据本发明一些实施例的一样态，有提供一种在层状物件中制造跨层图案的方法。所述方法是通过一积层式制造***所执行且包括：分配一图案材料到一接收媒介上以形成一第一图案元件；分配一造型材料的一第一层到所述第一图案元件上，同时形成一第一开放孔穴，以暴露在所述第一层下方的所述第一图案元件的至少一部分；及分配图案材料到所述第一图案元件的所述暴露部分及所述第一层上以形成接触所述第一图案元件的一第二图案元件，从而形成所述图案材料的一跨层图案。
根据本发明一些实施例，所述第一开放孔穴包括一非垂直壁，且其中所述分配所述图案材料到所述第一图案元件的所述暴露部分的步骤包括：也分配所述图案材料到所述非垂直壁上。
根据本发明一些实施例，所述方法包括：分配所述造型材料的一第二层到所述第一层上。
根据本发明一些实施例，所述分配所述第二层的步骤包括：留下在所述第二层下面的所述第二图案元件的至少一部分被暴露。
根据本发明一些实施例，所述分配所述第二层的步骤包括：形成一第二开放孔穴在所述第二层中，从而暴露在所述第二层下方的所述第二图案元件的所述部分。
根据本发明一些实施例，所述分配所述第二层的步骤是在所述分配所述图案材料以形成所述第二图案元件的步骤之前被执行。
根据本发明一些实施例，所述分配所述第二层的步骤被执行，以加深与加宽所述第一孔穴。
根据本发明一些实施例，所述分配所述第二层的步骤被执行，以形成在所述第一孔穴中的一阶梯状壁。
根据本发明一些实施例，所述分配所述图案材料以形成所述第二图案元件的步骤被执行，以使所述第二图案元件整体的位在所述第二层的一顶表面下方。
根据本发明一些实施例，所述分配所述图案材料以形成所述第二图案元件的步骤被执行，以使所述第二图案元件整体的位在所述第二层的一顶表面下方。
根据本发明一些实施例，所述方法更包括：在所述分配所述图案材料以形成所述第二图案的步骤后平整化所述第二层。
根据本发明一些实施例，所述方法更包括：所述分配所述第二层的步骤包括：通过所述造型材料填充所述第一孔穴。
根据本发明一些实施例，所述方法更包括：所述分配所述第一层的步骤及所述分配所述第二层的步骤是通过所述积层式制造***的不同分配头进行，每个头分配一不同的造型材料。
根据本发明一些实施例，所述方法更包括：交替的重复进行所述分配所述图案材料和所述造型材料的所述层的步骤多次，以形成所述造型材料的多个层；及多个图案元件，其中所述多个图案元件互连以形成跨越所述多个层的一连续图案。
根据本发明一些实施例，所述多个层的至少二个是被所述积层式制造***的不同分配头所分配，每个头分配一不同的造型材料。
根据本发明一些实施例，所述图案材料是具导电性的。
根据本发明一些实施例，所述图案材料包括一导电性油墨。
根据本发明一些实施例，所述图案元件的每一个的一厚度是小于所述层的一厚度的至少二倍。
根据本发明一些实施例，所述方法更包括：放置一电子或电气设备在所述孔穴中，其中所述图案元件是具导电性的且其中所述图案元件接触所述设备的一电气端子。
根据本发明一些实施例，所述方法更包括：烧结(sintering)所述图案元件。
根据本发明一些实施例，所述烧结是通过选自热烧结(thermal sintering)、光子烧结(photonic sintering)、等离子体烧结(plasma sintering)和微波烧结(microwavesintering)所组成的一族群的一技术而达成。
根据本发明一些实施例，所述造型材料包括一烧结诱导剂，且其中所述分配所述造型材料及/或所述图案材料的步骤被执行，以使所述烧结诱导剂与所述图案材料反应而烧结所述图案元件。
根据本发明一些实施例，所述烧结诱导剂包括一化合物，所述化合物选自于自由基可聚合化合物、阳离子可聚合化合物和阴离子可聚合化合物所组成的一族群。
根据本发明一些实施例，所述烧结诱导剂包括一离子基团及一抗衡离子(counterion)，所述离子基团是一丙烯酸类单体或衍生物。
根据本发明一些实施例，所述烧结诱导剂是一盐类。
根据本发明一些实施例，所述抗衡离子是阴离子，及所述离子基团是阳离子。
根据本发明一些实施例，所述抗衡阴离子是选自卤素阴离子、硫酸根阴离子、高氯酸根阴离子、氯酸根阴离子、硝酸根阴离子、羧酸根阴离子、对甲苯磺酸根阴离子(p-toluenesulfonate anion)和烷基磺酸根阴离子(alkanesulfonate anion)所组成的一族群。
根据本发明一些实施例，所述抗衡阴离子是选自氯化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、羧酸盐和卤素所组成的一族群。
根据本发明一些实施例，所述抗衡阴离子是氯化物。
根据本发明一些实施例，所述离子基团选自丙烯酸酯(acrylate)、甲基丙烯酸酯(methacrylate)、丙烯酰胺(acrylamide)、甲基丙烯酰胺(methacrylamide)、低聚物(oligomer)和聚合物(polymer)所组成的一族群。
根据本发明一些实施例，所述阳离子基团是季铵基团(quaternary ammoniumgroup)。
根据本发明一些实施例，所述阳离子基团选自聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(poly(diallyldimethylammonium chloride))、阳离子电荷聚酰亚胺(cationically chargedpolyimide)、聚乙烯亚胺(polyethyleneimine)及聚吡咯(polypyrrole)所组成的一族群。
根据本发明一些实施例，所述烧结诱导剂是(甲基)丙烯酸酯衍生物((meth)acrylate derivative)，具有下列通式：
Figure GDA0002149976260000051
其中：X是O或NH；Y是长度为1至20个碳原子的一取代或未取代的烃链；R1是H(在这种情况下，所述盐类是丙烯酸酯衍生物)或CH3(在这种情况下，所述盐类是甲基丙烯酸酯衍生物)；R2至R4中每个独立的是一烷基，选择性的是C1-4的烷基(C1-4alkyl)；及Z是一阴离子。根据本发明一些实施例，Y是一未取代的烃链。根据本发明一些实施例，R2至R4中每个独立的是甲基或乙基。根据本发明一些实施例，R2至R4中每个是甲基。
根据本发明一些实施例，所述烧结诱导剂选自丙烯酸酯、三甲基铵甲基丙烯酸氯化物(trimethyl ammonium methyl methacrylate chloride)、3-三甲基铵丙基甲基丙烯酰胺氯化物(3-trimethyl ammonium propyl methacrylamide chloride)及丙烯酰胺(acrylamide)所组成的一族群。
根据本发明一些实施例的一态样，有提供一种计算机软件产品。所述计算机软件产品包括存储有多个程序指令的一计算机可读介质，在由一积层式制造***的一计算机化控制器读取时，所述多个指令使所述***执行如上所述及任选的且优选的进一步如下详述的方法。
根据本发明一些实施例的一态样，有提供一种通过积层式制造在层状物件内制造跨层图案的***。所述***包括：多个分配头，其中所述至少一分配头配置用以分配一造型材料，及至少另一分配头配置用以分配一图案材料；及一控制器，配置用以：操作所述多个分配头以分配一图案材料到一接收介质上以形成一第一图案元件；分配所述造型材料的一第一层到所述第一图案元件上，同时形成一第一开放孔穴，以暴露在所述第一层下方的所述第一图案元件的至少一部分；及分配图案材料到所述第一图案元件的所述暴露部分及所述第一层上，以形成接触所述第一图案元件的一第二图案元件。
根据本发明一些实施例，所述第一开放孔穴包括一非垂直壁，且其中所述控制器配置用以操作所述多个分配头使所述图案材料也分配到所述非垂直壁上。
根据本发明一些实施例，所述非垂直壁是平面的。根据本发明一些实施例，所述非垂直壁是弯曲的。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述造型材料的一第二层到所述第一层上。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述第二层，同时留下在所述第二层下面的所述第二图案元件的至少一部分被暴露。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置用以操作所述多个分配头以形成一第二开放孔穴在所述第二层中，从而暴露在所述第二层下方的所述第二图案元件的所述部分。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置用以操作所述多个分配头以便在所述分配所述图案材料以形成所述第二图案元件之前分配所述第二层。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述第二层，以加深与加宽所述第一孔穴。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述第二层，以形成在所述第一孔穴中的一阶梯状壁。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述图案材料而形成所述第二图案元件，以使所述第二图案元件整体的位在所述第二层的一顶表面下方。
根据本发明一些实施例，所述***更包括一平整化设备，配置用以平整化所述第二层，其中所述控制器配置成在所述分配所述图案材料以形成所述第二图案的步骤后，操作所述平整化设备。
根据本发明一些实施例，所述控制器配置成利用所述造型材料填充所述第一孔穴。
根据本发明一些实施例，所述第二孔穴是相对于所述第一孔穴横向移位。
根据本发明一些实施例，所述第一层及所述第二层是通过所述***的不同分配头进行分配，每个头分配一不同的造型材料。
根据本发明一些实施例的一样态有提供一种通过积层式制造进行制造的物件，所述物件包括：一造型材料的多个层：及多个图案元件，所述多个图案元件互连以形成跨越所述多个层的一连续图案。
根据本发明一些实施例，所述物件其中所述多个图案元件是具导电性的。
根据本发明一些实施例，所述多个图案元件中的至少一个在所述造型材料的一层的一端处是暴露于环境中。
根据本发明一些实施例，所述物件更包括一电子或电气设备，嵌设在所述物件中，其中所述多个图案元件是具导电性的，且其中所述图案元件的至少一个接触所述设备的一电气端子。
根据本发明一些实施例，所述物件是或作为在电子电路中的一组件。
除非进行定义，否则本文所使用的所有的技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。尽管在本发明的实施方案的实现或测试中能够使用与本文所描述的相似或等同的方法和材料，但是下文描述示例性的方法和/或材料。在冲突的情况下，以包括定义的专利说明书为主。另外，材料、方法和实施例仅为示例性的而不旨在必要地限制。
本发明的实施例的方法和/或***的实现能够涉及手动地、自动地或两者结合地执行或完成选定任务。而且，根据本发明的方法和/或***的实施方案的实际器械和设备，多个选定的任务可利用操作***通过硬件、通过软件或通过固件或通过其组合来实现。
例如，根据本发明的实施例的用于执行选定任务的硬件可实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明的实施例的选定任务可实现为利用任何适合的操作***通过计算机执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施方案中，根据如本文所述的方法和/或***的示例性实施方案的一个或多个任务是通过数据处理器执行的，诸如用于执行多个指令的计算平台。任选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储设备，例如磁性硬盘和/或可移除介质。任选地，还提供网络连接。还任选地提供显示器和/或诸如键盘或鼠标的用户输入装置。
附图说明
在本文参照附图仅通过示例的方式描述了本发明的一些实施方案。具体详细参照附图，应强调的是，所示的特定方案仅通过实施例以及为了本发明的实施方案的示例性讨论的目的。在这方面，结合附图进行的说明使得如何可实现本发明的实施方案对于本领域技术人员显而易见。
在所述附图中：
图1A及1B是根据本发明一些实施例的一种积层式制造***的高水平方块示意图；
图2是根据本发明一些实施例的一种具有单独的分配块的积层式制造***的高水平方块示意图；
图3是根据本发明一些实施例的一种适于在一非导电性物件内制造一导电性图案的方法的流程图；
图4A至4D是根据本发明一些实施例的一种积层式制造方法的中间产物的示意说明；
图4E是根据本发明一些实施例的一种三维物件的示意说明，所述三维物件包含镶嵌于其内的一电子设备；
图5是根据本发明一些实施例的一种适用于通过形成阶梯状孔穴而制造一导电性图案的方法；及
图6是根据本发明一些实施例的一种积层式制造方法的示意说明，所述积层式制造方法的多个中间产物形成多个阶梯状孔穴于其内。
具体实施方式
在本发明的一些实施例中，是涉及一种自由型式制造及，更特别但不排除的，是涉及一种用在跨层图案的自由型式制造的方法及***。
在详细地说明本发明的至少一个实施方案之前，应理解的是，本发明的应用不一定局限于下面的说明中阐述的和/或附图中图示的和/或实施例的部件和/或方法的构造细节和布置。本发明能够具有其它的实施方案或者以各种方式实现或实施。
本实施例的所述方法和所述***通过在对应于所述多个物件形状的一配置图案中形成多个层，并以分层方式基于计算机物件数据而制造三维物件。所述计算机物件数据可以是任何已知格式，包含但不限于标准镶嵌语言(Standard Tessellation Language；STL)或立体光刻轮廓(StereoLithography Contour；SLC)格式、虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language；VRML)、附加制造文件(Additive ManufacturingFile；AMF)格式、绘图交换格式(Drawing Exchange Format；DXF)、多边形文件格式(Polygon File Format；PLY)或任何其他适用于计算机辅助设计(CAD)的格式。
本文所使用的术语“物件(object)”是指整个物件或其部分。
每层是通过积层式制造装置形成的，加式制造装置扫描两维表面并且将其图案化。在扫描的同时，装置访问两维层或表面上的多个目标位置，并且对于每个目标位置或目标位置组判定，目标位置或目标位置组是否要由建造材料占据，以及哪种类型的建造材料输送到所述位置。根据表面的计算机图像来进行所述判定。
在本发明较佳实施例中，所述AM包括三维打印，更优选是三维喷墨打印。在这些实施方案中，一建造材料从具有一组喷嘴的分配头分配出以将建造材料沉积在一支撑结构上的多个层中。所述AM装置因此将建造材料分配在待占据的目标位置并且使其它目标位置为空。所述装置通常包括多个分配头，每个分配头均能够配置成分配不同的建造材料。因此，不同的目标位置能够由不同的建造材料占据。建造材料的类型能够分类成两个主要的类型：造型材料和支撑材料。支撑材料充当在制造过程中支撑物件或物件部分的支撑基体或构造和/或其它用途，例如提供中空或有孔的物件。支撑构造可另外包括造型材料元件，例如为了进一步的支撑强度。
所述造型材料通常为组合物，其被配制以用于积层式制造并且能够靠其自身形成三维物件，即，无需与任何其它物质混合或组合。
最终的三维对象是由造型材料或造型和支撑材料的组合或其修改方案(例如，随后的固化)制成的。所有这些操作对于固体自由形态制造领域技术人员而言是公知的。
在本发明的一些示例性的实施例中，一物件是通过分配两种或多种不同的造型材料而制造的，每种材料来自所述AM的不同分配头。在印刷头的同次通过期间，所述多个材料任选的且优选的沉积在层中。层内的材料和材料的组合是根据物件的期望特性来选择的。
在图1A-B中图示出了根据本发明的一些实施例的适合于一物件112的AM的***110的代表性和非限制性的实施例。***110包括具有分配单元121的积层式制造装置114，分配单元121包括多个分配头。每个头优选的包括分配建造材料124而通过的一个或以上的喷嘴122的一阵列，如图1B所示。
优选的而非必须的，装置114是一种三维打印装置，在所述情况下分配头为打印头，并且建造材料是通过喷墨技术分配的。不一定是这种情况，因为对于一些应用而言，积层式制造装置可能无需采用三维印刷技术。根据本发明的各个示例性实施例方案构思的积层式制造装置的代表性实施例包括但不限于基于熔合沉积造型装置和熔合材料沉积装置。
每个分配头任选的且优选的通过建造材料储器馈送，建造材料储器可任选的包括一温度控制单元(例如，一温度传感器和/或一加热装置)和一材料水平传感器。为了分配所述建造材料，一电压信号施加到分配头以通过分配头喷嘴选择性的沉积材料液滴，例如，如压电喷墨打印技术相同。每个头的分配量取决于喷嘴的数量、所述喷嘴的类型和所施加的电压信号量(频率)。这种分配头对于固体自由形态制造领域的技术人员而言是公知的。
优选的而非必须的，选择分配喷嘴或喷嘴阵列的总数量以使分配喷嘴的一半被指定为分配支撑材料并且分配喷嘴的一半被指定为分配造型材料，即，喷射造型材料的喷嘴数量与喷射支撑材料的喷嘴数量相同。在图1A的代表性实施例中，示出了四个分配头121a、121b、121c和121d。头121a、121b、121c和121d中的每个具有喷嘴阵列。在此范例中，头121a和121b能够被指定为用于造型材料，并且头121c和121d能够被指定为用于支撑材料。因此，头121a能够分配第一造型材料，头121b能够分配第二造型材料，头121c和121d两者均能够分配支撑材料。在可选的实施方案中，例如头121c和121d可组合成单个头，所述单个头具有用于沉积支撑材料的两个喷嘴阵列。
然而，应当理解的是，不期望限制本发明的范围，并且造型材料沉积头(造型头)的数量以及支撑材料沉积头(支撑头)的数量可不同。通常的，选择在各相应的头或头阵列中的造型头的数量、支撑头的数量以及喷嘴的数量，从而提供支撑材料的最大分配量和造型材料的最大分配量之间的一预定比率α。优选的，选择预定比率的值α，以确保在所形成的每个层中造型材料的高度等于支撑材料的高度。α的典型值是从大约0.6至大约1.5。
如本文所使用的，术语“大约(about)”是指±10％。
例如，对于α＝1，当所有的造型头和支撑头运转时，支撑材料的总分配量与造型材料的总分配量大体相同。
在一优选实施例中，存在M个造型头以及S个支撑头，每个造型头均具有p个喷嘴的m个阵列，并且每个支撑头均具有q个喷嘴的s个阵列，使得M×m×p＝S×s×q。M×m个造型阵列和S×s个支撑阵列中的每个均能够制造成一单独的物理单元，其能够由一组阵列进行组装和拆装。在此实施例中，每个这样的阵列任选的且优选的包括其自身的一温度控制单元和一材料水平传感器，并且接收用于其运转的单独控制的电压。
所述装置114能够进一步包括一硬化设备324，硬化设备324能够包含配置以发光、加热或能够使所述沉积材料固化的相似物的任何设备。例如硬化设备324能够包含一个或以上的辐射源，所述辐射源能够为例如紫外灯或可见光灯或红外灯、或其它电磁辐射源、或电子束源，这取决于所使用的造型材料。在本发明的一些实施例中，硬化设备324用于固化或凝结所述造型材料。
所述分配头和辐射源优选的安装到一框架或块状体128中，所述框架或块状体128优选的可操作以在托盘360上方往复的运动，托盘360作为所述工作表面。在本发明的一些实施例中，所述辐射源安装到所述块状体中，使得它们跟随分配头的痕迹以便至少部分的固化或凝固分配头刚刚分配的材料。托盘360是水平的定位。根据常规，选择X-Y-Z笛卡尔坐标系，使得所述X-Y平面平行于托盘360。托盘360优选的配置为垂直的(沿Z方向)移动，通常是向下移动。在本发明的各个示例性实施例中，装置114进一步包括一个或以上的调平设备132，例如，一滚轮326。调平设备326用于在新形成层上形成后续层之前弄直、调平和/或确立新形成的层的厚度。调平设备326优选的包括用于收集在调平过程中产生的多余材料的一废料收集装置136。废料收集装置136可包括将材料输送到一废料罐或废料仓中的任何机构。
在使用时，单元121的所述分配头沿扫描方向(本文称为所述X方向)移动，并且在其通过托盘360上方的过程中将建造材料选择性的分配到预定配置中。建造材料典型的包括一种或以上类型的支撑材料以及一个或以上类型的造型材料。单元121的所述分配头通过之后就通过辐射源进行(多个)造型材料的固化。在头逆向通过时，对于刚刚沉积的层返回至其起始点，可以根据预定配置来实施建造材料的一附加分配。在分配头正向和/或逆向通过时，这样形成的层可通过调平装置326弄直，调平装置326优选的遵循分配头在其正向和/或逆向移动的路径。一旦所述分配头沿X方向返回至其起始点，它们可沿本文称为所述Y方向的一标引方向而移动至另一位置，并且通过沿X方向往复运动来继续建造同一层。可选的，分配头可在正向运动和逆向运行之间或者在多于一次正向-逆向运动之后在Y方向上移动。通过分配头所执行的完成单层的多次扫描在本文称为单扫描周期。
一旦完成所述层，根据随后待印刷的层的期望厚度，托盘360在Z方向上下降至一预定Z水平。重复所述工序从而以分层方式形成三维物件112。
在另一实施方案中，托盘360可在层内且在单元21的所述分配头的正向通过和逆向通过之间而在Z方向上移位。执行所述Z移位以引起所述调平装置在一个方向上与表面的接触并且防止在其它方向上的接触。
***110任选的且优选的包括一建造材料供给***330，其包括所述建造材料容器或料仓，及所述***110任选的且优选的将多种建造材料供给到制造装置114。
控制单元340控制制造装置114并且任选的且优选的也控制供给***330。控制单元340典型的包含配置以实行所述控制操作的一电子电路。控制单元340优选的与一数据处理器154通信，数据处理器154发送与基于计算机对象数据的制造指令有关的数字数据，例如，在计算机可读介质上以标准棋盘语言(STL)格式等形式所表示的一CAD配置。典型的，控制单元340控制施加到每个分配头或喷嘴阵列的电压以及在各印刷头中建造材料的温度。
一旦制造数据被装载到控制单元340中，控制单元340能够在用户不干预的情况下操作。在一些实施例中，控制单元340例如使用数据处理器154或使用与单元340通信的一用户接口116而接收来自操作员的附加输入。用户接口116能够为本领域已知的任何类型，诸如但不限于键盘、触摸屏等。例如，控制单元340能够接收作为附加输入的一个或多个建造材料类型和/或属性，诸如但不限于颜色、特性失真和/或过渡温度、粘度、电特性、磁特性。还可构思其它属性和属性组。
一些实施例构思通过从不同的分配头分配不同的材料来制造一物件。这些实施例尤其提供了从既定多种材料选择材料并且定义所选材料及其特性的期望组合的能力。根据本实施例，所述层内每种材料的沉积的空间位置被定义为实现由不同材料占据不同的三维空间位置，或者实现由两种以上的不同材料占据基本相同的三维位置或相邻的三维位置，从而允许所述层内的所述材料的沉积后空间组合，从而在相应的一个或多个位置处形成一组合材料。
可构思任何沉积后组合或造型材料的混合物。例如，一旦一些材料已分配，其可保留其原始特性。然而，当其与另一造型材料同时分配或者与分配在相同或附近位置处的其它分配材料同时分配时，形成了与分配材料不同的一个或多个特性的组合材料。
本实施例因此使能根据期望表征所述物件的每个部分的特性来沉积各种材料组合，以及在所述物件的不同部分中可由多种不同材料组合构成的物件的制造。
诸如***110的一AM***的原理和操作的进一步的细节可见于公开的美国申请案第20100191360号中，所述申请的内容通过引用合并于此。
在本发明一些实施例中，操作所述AM***以任选的分配一造型材料及一图案材料而形成一跨层图案。所述造型材料优选的是一非导电性材料(例如一可固化聚合物)，及所述图案材料优选的是一导电性材料。在此较佳实施例中，操作所述AM***以形成包含一导电性图案的一层状3D物件，在沉积所述多个层期间被形成。在一些实施例中，所述图案材料是导热性材料，在这种情况下，在所述3D物体内形成导热连接。本实施例的所述方法可以用在形成沿着任何方向的图案化材料段(例如，导电段)，包含一水平方向(在平面内或平行于水平面)、相对于所述水平面的一倾斜方向，以及所述垂直方向(垂直于所述水平方向)。
在一些实施例中，可以在沉积过程期间将诸如微芯片、电池、灯或PCB的电气或电子部件***所述3D物体内部，同时通过在沉积所述建筑材料期间选择性的沉积形成电性接触的导电材料，以创造与所述电气设备或电子部件的电性连接。
所述图案材料优选间歇的分配以形成多个互连的图案元件(例如，多个互连的导电元件)。每个图案元件的厚度优选的不同于建筑材料的所述沉积层的厚度。典型的，一图案元件的厚度是小于所述图案元件被分配于其上或其下的一模型材料层的一厚度的至少2倍、或至少3倍、或至少5倍、或至少10倍、或至少50倍、或至少100倍、或至少500倍、或至少1000倍。例如，建筑(造型或支撑)材料的所述多个层可能具有5至1000微米的一厚度更优选的是10至100微米、更优选的是10至50微米，而所述图案元件可具有0.1至100微米的一厚度、更优选的是0.1至10微米、更优选的是0.1至5微米、更优选的是0.1至3微米。
所述分配的造型材料(例如，用于形成非导电性区域)不同于所述图案材料(例如用于形成导电图案)。所述造型材料优选的具有处在所述AM***的工作温度(典型的但非必需，是介于约40℃及100℃之间，例如约75℃)时，范围介于约10cPs及15cPs之间的一黏度。所述图案材料任选的且优选为一导电油墨，其包含分散在一液体溶剂中的导电颗粒。当所述溶剂蒸发时，所述油墨占据的区域的厚度减小，例如减小到0.1-3微米的上述厚度范围。
在本发明的各种较佳实施例中，所述建筑材料的后分配处理不同于图案材料的后分配处理。例如，所述建筑(造型、支撑)材料典型的在它如上进一步描述的被分配之后被硬化或固化。所述图案材料可以被干燥以蒸发所述溶剂。当所述图案材料是一导电油墨，且所述导电油墨包括散布在一液体溶剂中的导电颗粒，所述干燥可能导致一减少的导电性，这是因为在导电油墨中存在各种组分如稳定剂等，这些组分在所述颗粒之间形成绝缘层。在这些情况下，所述导电油墨优选的也被烧结以固结其中的导电颗粒。
当对于图案和建筑材料采用不同的后分配过程时，所述AM***优选的包括单独的分配块，如下面参考图2所解释的。或者，可以使用相同的分配块(尽管来自不同的分配头)分配建筑和图案材料，在这种情况下，所述分配块优选的包括用于硬化非导电区域的硬化设备324和用于从导电区域蒸发液体的干燥设备325。在这些实施例中，基于被分配的材料的所述类型，硬化设备324和干燥设备325由控制单元340选择性的操作。
图2说明一种AM***300，选择性且优选的包含一第一打印块310、一第二打印块320、一供给***330、一个或以上的控制器340、一用户接口350，及一制造平台或一托盘360。控制器或多个控制器340可配置以控制***300的所述有其他元件。
第一块310可包含一个或以上的分配头312，用以分一图案材料(例如一导电油墨)以形成一图案。分配头312的原理和操作可以类似于上面关于分配头121a-d所描述的那些，适于分配一图案材料而不是一建筑材料。块312可进一步包含一干燥设备314，用以干燥且蒸散来自所述油墨的溶剂。所述干燥设备314可包含：一激光束、一紫外线(UV)灯、一加热板等。任选的，块312可包含一烧结设备313，用以烧结所述导电油墨。设备313可配置以施加任何类型的基于辐射或基于热的烧结，包括但不限于热烧结、光子烧结、等离子烧结和微波烧结。具体的，当期望应用热烧结时，装置313可以包括一加热器(例如，一红外辐射源)；当期望施加光子烧结时，装置313包括一光源；当希望应用等离子体烧结时，装置313包括一等离子体源，并且当期望应用微波烧结时，装置313包括一微波源。还考虑了其中采用化学烧结的实施例，如下文进一步详细描述的，在这种情况下，块310不必包括一烧结装置。
第二块320可包含一个或以上的打印头322，一个或以上的硬化、凝固或固化设备324，及一个或以上的调平设备326。分配头322的原理和操作可以类似于上面关于分配头121a-d所描述的那些。
供给***330可包含二个或以上的材料容器或筒，其配置成提供建筑材料予头部322并且提供(多个)图案材料到头部312。在一些实施例中，来自包括在供给***330中的不同容器的两种或更多种材料可以各自从彼此相邻的不同头部312和/或322沉积在托盘上，它们可以重叠但不混合。
一个或以上的控制器340各可以包括一处理器342，处理器342可以是例如一中央处理单元处理器(CPU)、一芯片或任何合适的计算或计算设备(computing orcomputational device)、一存储器344和存储单元346。例如处理器342可以控制块310及/或320在一需要方向上的移动。存储器344可例如包含随机存取存储器(Random AccessMemory；RAM)、只读存储器(read only memory；ROM)、动态RAM(Dynamic RAM；DRAM)、同步DRAM(Synchronous DRAM；SD-RAM)、双倍数据速率(double data rate；DDR)存储器芯片、闪存存储器(Flash memory)、易失性存储器(volatile memory)、非易失性存储器(non-volatile memory)、高速缓冲存储器(cache memory)、缓冲器、短期存储器单元(shortterm memory unit)、长期存储器单元(long term memory unit)或其它合适的存储器单元或存储单元。存储器344可以是或可以包括多个可能不同的存储器单元。
所述一个或以上的存储器介质344可包含一可执行代码，例如应用程式、程序、进程、任务或脚本。所述可执行代码可包含用于控制***300的代码或指令，以根据本文描述的实施例而制造3D物件。例如，存储器344可以包括一代蚂，用于通过使用例如第一组打印头322来创建嵌入在多个造型材料层中的一跨层图案，并且用于例如使用硬化设备324来硬化在第一非导电层中的材料。所述代码可进一部包含使用多个头部312分配一图案材料的一图案元件到一孔穴内，所述孔穴形成在先前分配的非导电性层内。
存储单元346可存储多个档案，包含欲通过***300制造的3D物件的设计参数。例如，包含所述3D物件的设计的3D计算器辅助设计(CAD)档案可存储在存储单元346中。所述档案可包含不同的多个层和多个元件的尺寸和位置(例如孔穴及电子设备)，所述不同的多个层和多个元件被包含在所述3D物件内。
***300可进一步包含用户接口350。用户接口350可以是或可以包含输入设备，例如鼠标、键盘、触摸屏或垫或任何合适的输入设备。应当了解的是，任何合适数量的输入设备可以包括在用户接口350中。用户接口350可进一步包含输出设备，例如：一个或以上的显示器，扬声器和/或任何其他合适的输出设备。应当了解的是，任何合适数量的输出设备可以包括在用户接口350中。任何合适的输入/输出(I/O)设备可与控制器340连接。例如，在用户接口350中可以包括一有线或无线网络接口卡(NIC)、一调制解调器(modem)、打印机或传真机、一通用串行总线(USB)设备或外部硬盘驱动器。用户接口350可以允许用户上传根据本发明的一些实施例的用于控制3D物件的沉积的指令和/或允许上传及更新包括所述沉积物件的设计的档案(例如计算机辅助设计(CAD文件)到存储单元346中。
控制器340可控制块320与310及/或托盘360，以引起介于块320与310及托盘360或已经沉积在所述托盘360上的所述物件的(多个)部分之间的一相对移动，以使每个头部312或322能在X-Y平面中的一预定位置处和在Z方向上的一预定高度处沉积材料(例如，可固化聚合物或导电油墨)的液滴。
图3及4A至4D是根据本发明一些实施例的流程图(图3)及一AM制造过程的中间产物(图4A至4D)。
应当理解的是，除非另有定义，否则下面描述的操作能以许多组合或执行顺序同时的或顺序地执行。具体地，流程图的顺序不被认为是限制性的。例如，出现在以下描述中或以特定顺序出现在流程图中的两个或更多个操作能以不同的顺序(例如，相反的顺序)或基本同时的执行。另外，下面描述的几个操作是可选的，并且可以不被执行。
在制造期间，图案和建筑材料可选的并且优选的沉积在一基板上。基板可以是适于沉积多个层以形成一3D物件的任何基板。所述基板可以包括在最终产品中。或者，所述基板可以不包括在最终产品中，并且能在所述3D物件的沉积之后被移除。
尽管下面的实施例是以导电图案元件(由例如一导电油墨制成)的一特别强调方式来描述，但是应当理解的是，其中也可以预期图案元件不一定是导电性的实施例。
参照图3，所述方法任选的且优选的包含所述下列操作。在11，分配一导电元件在一接收介质上。所述接收介质可以是所述AM***的托盘、放置在所述托盘上的一基板、或先前通过所述***的一个或以上的分配头所分配的一层。在12，分配一非导电性层在所述导电元件上，以使一孔穴形成且使所述导电元件的一部分保持暴露。在13，分配另一导电性材料在所述孔穴的多个壁上，以建立与所述前一导电元件的电性连接，以及在14，分配另一非导电性层，优选的填充所述前一形成的孔穴。所述方法可任选的及优选的轮回到12以重复的执行操作12、13及14，直到完成所述三维物件。现在将参考图4A至4D以更详细的解释这些操作。
参照图4A，在S1，施加一第一导电性元件或层20到一基板10上。例如，元件20可以例如从一AM***沉积的一导电线，例如***110或***300。元件20的所述厚度，即所述层沿着所述Z方向的高度可以是介于约0.1微米至0.3微米之间。在一些实施例中，元件20可连接、固化或放置在基板10上，且可具有一较大的厚度。例如，所述层的厚度可以是大于5微米，例如所述层的厚度可以介于5微米至50微米之间；所述层的厚度可以介于50微米至100微米之间，或所述层的厚度可以大于100微米。
在S2，非导电性造型材料的一第一层30任选的及优选的沉积在基板10上及层20上。第一层30任选的及优选的包含一第一孔穴25，所述第一孔穴不被所述非导电性材料占据，而是在导电性元件20的一部分上方，以使元件20的所述部分在孔穴25处暴露。可以通过不在所述地点分配例如一个或以上的非导电材料的液滴来形成第一孔穴25。孔穴25可以是任意形状，例如但不限于，矩形形状、圆形形状、椭圆形形状等。孔穴25的一典型尺寸是介于约0.05毫米至约2毫米之间，例如约0.4毫米。孔穴的所述壁可以是大致上垂直的，但在一较佳实施例中，所述壁的至少一部分是相对于所述平行方向倾斜，及/或从孔穴25朝外的弯曲。此实施例是优选的，因为其使得更容易建立横跨多个层的电导路径，如下面进一步详细描述的。
在本发明一些实施例中，例如在正在构建的所述结构的一***区域中的元件20的另一部分可以保持未覆盖，以允许元件20与一外部设备(未示出)的电性连接。在分配任何附加层之前，层30任选的并且优选的硬化(例如，固化、凝固)。层30的非导电材料可以是任何可固化聚合物。层30的一典型厚度是介于约10微米至约100微米之间，但也可考虑其它厚度。
在S3，任选的且优选的在孔穴25处任选的且优选的沿着空腔25的壁分配一导电元件35。元件35任选的且优选的具有一直线形状(例如，一直或曲线，或一直或曲线带)，并且元件35被分配以在元件35和先前分配的元件20之间建立连接，从而形成一导电的跨层图案。如在图4A中所示，形成元件35的所述导电材料可以覆盖孔穴25的底部的至少一部分、孔穴25的多个壁的至少一部分及在孔穴25附近的层30的一水平区域。
被分配以形成导电性元件35的所述材料可以例如是如上方进一步描述的一导电油墨。所述被分配的材料任选的及优选的在所述分配之后被干燥，以蒸散在其内的所述溶剂。介于沿着所述垂直方向的元件35的厚度与层30的所述厚度之间的关系任选的且优选的是如上文关联于介在所述图案元件的厚度及建筑材料的所述层的厚度之间的关系所描述的。元件35沿着所述垂直方向的厚度任选的且优选的如上文关联于所述图案元件的厚度所描述的。
层35可以使用一AM***的一分配头进行分配，如上文进一步所描述的。
在一些实施例中，元件35也可以进行烧结，以进一步固结所述导电性颗粒。烧结可以通过使用任何在本领域已知的技术达成，包含但不限于，热烧结、光子烧结、等离子烧结、微波烧结和化学烧结。尽管考虑了基于辐射的烧结，但是本案发明人意外地发现化学烧结是有利的。化学烧结的一个优点是其不需要在所述分配块中使用一烧结装置。化学烧结的另一个优点是它减少了所述建筑材料暴露于其中的不必要辐射的量，并且其可导致所述建筑材料层的形状变形的不必要辐射的量。
任选的并且优选的通过使所述被分配的导电元件(在本示例中的元件35来实现化学烧结，但是相同的技术也可以应用于任何其它导电元件，包括下面描述的导电元件45、55、65和75中的任何一个)接触被选择以诱导烧结的一物质。所述物质可任选的及优选的包含一化合物，选自于由自由基可聚合化合物、阳离子可聚合化合物和阴离子可聚合化合物所组成的一族群。所述物质可以提供成作为一单独的组合物，其是由所述AM***的一单独分配头所分配。替换的或附加的，所述物质可以提供成包含(例如混合)在所述非导电性材料内的一烧结剂。
当一烧结剂被包含在所述非导电性材料内，所述导电性材料(例如导电油墨)是任选的及优选的在所述造型材料的固化的完成之前被分配在所述造型材料层上，以允许在所述导电材料的颗粒接触在所述造型材料内的烧结诱导剂。替换的，或更优选是附加的，可施加含有所述烧结诱导剂的所述非导电性材料在所述导电图案元件上。这可以在所述导电材料(例如导电油墨)干燥后、在所述导电材料部分干燥后(例如约10％至90％溶剂从所述导电材料蒸散之后)或紧接在分配所述导电材料后及干燥前来进行。
优选的，在所述非导电性造型材料中的所述烧结诱导剂是不可固化的。本案发明人发现，用可固化造型材料掺入不可固化组成是有利的，因为它们通过使不可固化剂与所述导电材料(例如导电油墨)反应而有助于更好的化学烧结。
本实施例考虑了UV反应性的烧结诱导剂和非UV反应性的烧结诱导剂。
在本发明的各种示例性实施例中，所述烧结诱导组成物或化剂包括一离子基团。这允许通过电荷交换反应降低所述导电材料中的导电颗粒的静电稳定性。优选的，所述烧结诱导组成物或化剂包括：一离子基团，其任选的及优选的是丙烯酸单体或衍生物的离子基团和抗衡离子；以及一抗衡离子(counter ion)，其中所述离子基团用作一载体，并且所述抗衡离子用于解耦(decoupling)或抑制(suppressing)分散剂分子与导电颗粒的偶联，从而使它们固结。
在本发明各种示例性实施例中，所述抗衡离子是阴离子的，离子基团是阳离子的。烧结诱导剂可以任选的和优选的选自于盐类。
所述抗衡阴离子可以是例如卤素阴离子(F-，Cl-，Br-和/或I-)、硫酸根阴离子(SO4 2-和/或HSO4 -)、高氯酸根阴离子(ClO4 -)、氯酸根阴离子(ClO3 -)、硝酸根阴离子(NO3 -)、羧酸根阴离子(例如RCO2 -，其中R是烷基)、对甲苯磺酸根阴离子(p-toluenesulfonate anion)或烷磺酸盐(例如，甲磺酸盐)阴离子。在本发明一些实施例中，所述抗衡阴离子选自氯化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、羧酸盐(例如乙酸盐)和卤素所组成的一族群。在一些实施例中，所述抗衡阴离子是氯离子。
本实施例考虑了含有带电基团的各种丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、低聚物和聚合物。适用于本发明实施例的阳离子基团的代表性实例包括但不限于季铵基团(quaternary ammonium group)。例如，聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(poly(diallyldimethylammonium chloride))、阳离子带电聚酰亚胺(poly(diallyldimethylammonium chloride),cationically charged polyimides)、聚乙烯亚胺(polyethyleneimine)及聚吡咯(polypyrroles)。
包括所述阴离子的所述盐类任选的是(甲基)丙烯酸酯衍生物，具有下列通式：
Figure GDA0002149976260000241
其中：
X是O或NH；
Y是长度为1至20个碳原子的一取代或未取代的烃链；
R1是H或CH3；
R2至R4中每个独立的是一烷基；及
Z是本文描述的一阴离子。
在一些实施例中，Y是一未取代的烃链(亚烷基)。
在一些实施例中，Y的长度是1至10个碳原子。在一些实施例中，Y的长度是1至4个碳原子。在一些实施例中，Y的长度是2或3个碳原子(例如，-CH2CH2-或-CH2CH2CH2-)。
在一些实施例中，R1是CH3。
在一些实施例，R2至R4中每个独立的是甲基或乙基。在一些实施例中，R2至R4中每个是甲基。
可用作一烧结诱导剂的具体物质的代表性范例包括但不限于丙烯酸酯(例如，Adamquat MQ 80)、三甲基铵甲基丙烯酸氯化物(例如Visiomer TMAEMC)、3-三甲基铵丙基甲基丙烯酰胺氯化物(例如，Visiomer MAPTAC 30)和丙烯酰胺(例如，DMAPAAQ，例如Rahn，RCX-14/705)。
自由基可聚合化合物可选自于可聚合反应性官能团、(甲基)丙烯酸和甲基(丙烯酰)酰胺官能基团之中。
所述术语“(甲基)丙烯酸((meth)acrylic)”或“(甲基)丙烯酸酯((meth)acrylate)”是指丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
自由基可聚合的化合物可包括(甲基)丙烯酸或甲基(丙烯酸)酰胺单体、(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酰胺低聚物及其任何组合。
可以用作一烧结诱导剂的物质可以包括例如基于环氧化合物、氧杂环丁烷、乙烯基醚和/或低聚物的阳离子可聚合单体，带有一阳离子基团的所述单体可以是例如季铵盐类。环氧化合物的一非限制性实例包括缩水甘油基三甲基氯化铵(glycidyltrimethylammonium chloride)。
可以用作烧结诱导剂的物质可以替换的或另外包括：异氰酸酯化合物，任选和优选具有用于聚氨酯化学的季铵基团；和/或基于己内酰胺(caprolactam)的化合物，任选和优选具有用于阴离子聚合的季铵基团。
当所述烧结诱导剂是非UV反应性时，其可选自于由：一盐类，例如但不限于KCl、NaCl、MgCl2、AlCl3、LiCl、CaCl2；有机或无机酸，例如HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4；以及有机或无机碱，例如氨、有机胺(例如氨基甲基丙醇(AMP))、NaOH和KOH。
在一些实施例中，所述烧结是在室温下进行(例如约25℃)，及在本发明一些实施例中，所述烧结是在所述AM***的操作温度下进行，例如介于约40℃至50℃之间。也可考虑较高的温度。
再参照图4A，在S4，一第二非导电性层40任选的及优选的被分配以例如至少部分覆盖前一形成的非导电性层30及孔穴25。在本发明的各种示例性实施例中，层40被分配以形成在元件35的一部分上方的一第二孔穴32，以使元件35的所述部分在第二孔穴32处暴露。层40任选的及优选的以所述非导电性材料填充孔穴25。层40可以由与层30相同或不同的材料所制成。层40任选的及优选的在分配任何额外材料前硬化(如固化、凝固)。
上面描述的制造过程可以重复进行任何次数。例如，如在S5至S7所示，可以在孔穴32处分配一附加的导电元件45(参见S5)，可以分配一非导电层50以填充先前形成的孔穴32并且在元件45上方形成另一个孔穴34(参见S6)及可以在孔穴34处分配另一个导电性元件55。非导电层60、70及80及导电元件65的额外的分配阶段S8至S11在图4B中说明，及对于提供图4A的上述描述的普通技术人员将是容易理解的。
在所述最终物件，一个或以上的，优选的是至少二个的所述导电性元件可以沿着其至少一部分保持暴露。这些实施例对于允许将所述暴露的元件连接到外部电子或电气装置特别有用。优选的，这些元件暴露在所述物件的周边。这些实施例在图4C中示出。如图所示，将一非导电层80分配在一导电元件材料75上方，使得元件75的所述端部77未被层80覆盖并保持暴露于环境。在图4C所示的代表性说明中，分配承载导电元件75的非导电层60以向外和水平的从所述最终物件突出，并且分配元件75以使其用向外和水平的方式而从所述最终物件突出。然而，这不一定是这种情况，因为在一些实施例中，可能需要制造没有这种突出的导电元件75。图4D中示出了代表性示例，其中层80向内指向，从而使留下的元件75的端部77是暴露的。
所述最终的3D物件可选的且优选的包括多个非导电材料层(例如，层30、40、50、60、70、80)和多个导电元件(例如，层35、45、55、65、75)嵌入在3D物件内部的非导电材料层中，以在物件内形成一导电图案。所述图案的两个导电端可以进一步连接到任何电子或电气装置或其它导电线或元件。
参照图4E示意性说明包括嵌入其中的一电子设备100的一3D物件。电子设备100可以放置在一先前形成的非导电层或一先前形成的导电元件上。设备100任选的且优选的埋入在由AM制造的物体中(例如，通过3D打印)，使得至少一非导电层在设备100上方，并且至少一非导电层在设备100下方。
电子设备100可以是任何类型，包括但不限于微芯片、电池、PCB、发光设备(例如，发光二极管或灯)、射频识别(RFID)标签、晶体管和类似物。可以通过根据本发明的实施例设置的所述导电元件建立与外部电子或电气设备的电性连通。在图4E所示的代表性说明中，其不被认为是限制性的，设备100被放置在一孔穴中，所述孔穴形成在一个或以上的非导电层(本示例中的层50)中。与设备100电性连通的一个导电图案是通过层50下面的导电元件(本范例中的元件20、35和45)所形成，并且与设备100电性连通的另一导电图案是通过层50上的导电元件(本范例中的元件55、75和65)所形成。可以通过将元件65和20连接到一外部电气或电子设备(未示出)来使用设备100。作为一代表性范例，当设备100是一电压驱动器具(例如，一发光设备)时，可以在元件65和20之间施加电压以激活设备100。
仅管图4E示出了其中设备100连接到通常在设备100下方的一个图案和通常在设备100上方的另一个图案的某种配置，也可以想到其他配置。例如，在一些实施例中，设备100可以连接到在设备100下方的二个图案，并且在一些实施例中，设备100可以连接到在设备100上方的二个图案。还设想了设备100连接到超过两个图案的实施例。当设备100具有三个或以上的终端时，这些实施例特别有用。一代表性范例是一晶体管，其中一图案用于将设备100连接到一源极、一图案用于将设备100连接到漏极，并且一图案用于将设备100连接到闸极。另一范例是多端子微芯片，其中所述微芯片的三个或以上的端子连接到所述微芯片的不同端子。
除了在沉积一个或以上非导电材料层和任选的导电元件层后暂时停止AM工艺之外，用于形成一对象的制造过程，例如图4E所示的物件，可类似于上文关于图4A所描述的制造过程。在一较佳实施例中，在所述停止前在所述物件中形成与在电子器件的尺寸方面和形状方面相容的一孔穴或一龛(niche)。在所述暂时停止期间，电子设备被放置在一非导电层和/一或导电元件(例如，在所述预制的龛中)上。此后，恢复AM处理，如上文进一步详细描述的。
在本文所述的任何实施例中，所述非导电材料的分配层任选的且优选的被调平以减少可被分配的一多余材料并且将所述层的厚度维持在一期望的厚度。这种调平可以在所述硬化处理之前由调平设备326(例如，一辊轮)执行。调平设备326可以通过将这种多余的材料提离所述层而减少在一层中的多余材料，这与扩散或挤压该材料相反，例如以使多余的材料不会覆盖所形成的孔穴。
本案发明人发现，由于分布在所述非导电层的顶部上的所述导电元件的相对小的厚度，它们可能由于调平操作而潜在的损坏。这种损坏是不期望的，因为它可能降低所述导电图案的导电性。本实施例通过形成具有一阶梯状结构的一孔穴并且之后分配所述导电层，来提供对于这个问题的解决方案，如现在将参考图5及6所解释的。
图5及6是根据本发明一些实施例的一流程图(图5)及一AM制造流程的中间产品(图6)。
参照图5所示，所述方法任选的且优选的包括以下操作。在21，将一导电元件分配在所述基板上。在22，将一非导电层分配到所述导电元件上，使得形成一孔穴并且导电元件的一部分保持暴露。在23，所述非导电层被调平。在24，将另一非导电层分配在所述先前分配的非导电层上，使得先前形成的孔穴被加深和加宽。在25，将另一导电元件分配在扩大的孔穴的壁上，以建立与所述先前的导电元件的电性连接，并且在26，在24中分配的所述非导电层被调平。现在将参考图6更详细的解释这些操作。
如图6所示，导电元件20被分配在基板10上(参见S1)，如上文进一步详细描述的。在S2，非导电层30任选的且优选的分配在元件20和基板10的顶部上。层30优选的包括如上文进一步详细描述的孔穴25。如上文进一步详细描述的，层30可选的且优选的被调平，然后硬化。在S3，非导电材料的另一层40可选的且优选的分配在所述层30的顶部上。层40的所述分配优选的使得非导电材料没有被分配到孔穴25中并且可选的也没有被分配到在孔穴25的至少周边27处(参见S2)，因此形成一更大的孔穴26，所述孔穴26的壁由层30和40两者定义，并且所述孔穴26的基部由元件20和/或基板10定义。孔穴26具有一横截面，其大于孔穴25的横截面。孔穴26任选的且优选的具有通过层40相对于层30的偏移而形成的一阶梯状内部结构。根据需要，阶梯状结构可以是不对称的(如图所示)或对称的。
在S4，导电元件35任选的且优选的在孔穴26处进行分配，使得所述导电材料覆盖孔穴26的底部的至少一部分和壁的一部分。优选的，元件35分配在由层30形成的孔穴26的壁的一部分上，而不是在由层40形成的孔穴26的壁的一部分上。因此，元件35任选的且优选的在最近分配的层40的所述上表面下方。
在分配元件35后，可以分配额外的非导电材料(参见S5)以将层40进一步延伸到孔穴26中。所述额外的分配优选的使得元件35的一部分保持暴露。在完成所述额外分配后，可以调平非导电层40。由于所述元件35在层40的顶表面的水平下方，所以所述调平过程不会损坏元件35中的所述导电材料。
如S7和S6示意性所示，可以重复所述过程。具体的，在S6，将非导电层50分配在层40上，使得非导电材料没有分配在环绕孔穴26的区域上方和元件35的未被层40覆盖的部分上方。这形成另一阶梯孔穴，所述另一阶梯孔穴的壁由层40和50所定义，并且所述另一阶梯孔穴的基部由元件35和/或层30限定。在S7，将导电元件45分配到所述额外孔穴的底部的至少一部分上和壁的一部分上，但优选的不在层50上，以便将元件45保持在层50的顶表面下方。分配顺序可以通过分配另一额外的非导电材料以将层50延伸到阶梯状孔穴中而继续，如上文进一步详细描述的。然后，层50可以安全的调平而不损坏元件45，如上文进一步详细描述的。
本文所使用的术语“大约”是指±10％。
词语“示例性的(exemplary)”在本文用于表示“用作实施例，实例或示例”。描述为“示例性的”任何实施方案不一定解释为对于其它实施方案是优选的或有利的和/或从其它实施方案中排除特征的合并。
词语“任选地(optionally)”在本文用于指“在一些实施方案中通过并且在其它实施方案中不提供”。本发明的任何特定的实施方案可以包括多个“任选的”特征，除非该特征冲突。
术语“包括(comprises)”、“包括有(comprising)”、“包含(includes)”、“包含有(including)”、“具有(having)”及其同根词是指“包含但不限于”。
术语“由...构成(consisting of”means)”是指“包含且限于”。
术语“主要由...构成(consisting essentially of)”是指组成、方法或结构可以包括附加的成分、步骤和/或部件，但是仅当附加的成分、步骤和/或部件在材料上不改变所要求的组成、方法或结构的基本的和新颖的特性时。
如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括多个指代物，除非上下文明确地指出。例如，术语“化合物”或“至少一种化合物”可包括多种化合物，包括其混合物。
在该申请中，本发明的各个实施方案可以范围的形式呈现。应当理解的是，范围形式的说明仅为了方便和简要，而不应当解释为对本发明的范围的不灵活限制。因此，范围的描述应当视为已经具体地公开了所有可能的子范围以及在该范围内的各个数值。例如，诸如从1至6的范围的描述应当视为已经具体地公开了诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6、从3至6等子范围，以及在该范围内的各个数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围的宽度如何，这都适用。
每当在本文中指示数值范围时，意在将任何所引述的数字(分数或整数)包含在指示范围内。短语在第一指示数字和第二指示数字“之间取范围/之间的范围”以及从第一指示数字“到”第二指示数字“取范围/的范围”在本文中互换地使用，并且意在包含第一指示数字和第二指示数字以及它们之间的所有的分数数字和整数数字。
应当理解的是，为了简要起见在单独的实施方案的背景下描述的本发明的一些特征也可与单个实施方案相结合地提供。相反，为了简要起见在单个实施方案的背景下描述的本发明的各个特征还可单独地提供或以任何适当的子组合提供或者适当地提供在本发明的任何其它所述的实施方案中。在各个实施方案的背景下描述的一些特征不应视为那些实施方案的必要特征，除非在不具有那些元件的情况下该实施方案不可操作。
尽管已经结合本发明的具体的实施方案描述了本发明，显然许多可选方案、修改方案和变型例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，旨在涵盖落在所附权利要求的精神和宽泛范围内的所有这样的可选方案、修改方案和变型例。
在该说明书中提到的所有的公开、专利和专利申请的全部内容通过引用合并于本说明书中，合并的程度就好像每个单独的公开、专利或专利申请具体地且单独地表明通过引用合并于本文中那样。另外，在该申请中任何参考文献的引用或标识不应解释为承认这些参考文献是作为本发明的现有技术而提供的。在使用分节标题的程度上，这些参考文献不应解释为必要地限制。

Claims (59)

1.一种在层状物件中制造跨层图案的方法，其特征在于：所述方法是由一积层式制造***所执行且包含：
分配一图案材料到一接收媒介上以形成一第一图案元件；
分配一造型材料的一第一层到所述第一图案元件上，同时形成具有一非垂直壁的一第一开放孔穴，以暴露在所述第一层下方的所述第一图案元件的至少一部分；及
分配所述图案材料到所述第一图案元件的一暴露部分上、所述非垂直壁上及所述第一层上，以形成接触所述第一图案元件的一第二图案元件，从而形成所述图案材料的一跨层图案；及
以一第二层的一部分填充所述第一层的所述第一开放孔穴的一方式来分配所述造型材料的所述第二层到所述第一层上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述非垂直壁是平面的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述非垂直壁是弯曲的。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：分配所述第二层的步骤包括：留下在所述第二层下面的所述第二图案元件的至少一部分被暴露。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：分配所述第二层的步骤包括：形成一第二开放孔穴在所述第二层中，从而暴露在所述第二层下方的所述第二图案元件的所述至少一部分。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：分配所述第二层的步骤是在所述分配所述图案材料以形成所述第二图案元件的步骤之前被执行。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：分配所述第二层的步骤被执行，以加深与加宽所述第一开放孔穴。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：分配所述第二层的步骤被执行，以形成在所述第一开放孔穴中的一阶梯状壁。
9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述分配所述图案材料以形成所述第二图案元件的步骤被执行，以使所述第二图案元件整体的位于所述第二层的一顶表面下方。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述方法更包括：在所述分配所述图案材料以形成所述第二图案元件的步骤后平整化所述第二层。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述第二开放孔穴是相对于所述第一开放孔穴横向移位。
12.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：分配所述第一层的步骤及分配所述第二层的步骤是通过所述积层式制造***的不同分配头进行，每个头分配一不同的造型材料。
13.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：所述方法更包括：交替的重复进行所述分配所述图案材料、所述造型材料的所述第一层和所述造型材料的所述第二层的步骤多次，以形成所述造型材料的多个层；及多个图案元件，其中所述多个图案元件互连以形成跨越所述多个层的一连续图案。
14.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法包括：交替的重复进行所述分配所述图案材料、所述造型材料的所述第一层和所述造型材料的所述第二层的步骤多次，以形成所述造型材料的多个层；及多个图案元件，其中所述多个图案元件互连以形成跨越所述多个层的一连续图案。
15.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：所述图案材料是具有导电性的。
16.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：所述图案材料包括一导电性油墨。
17.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：所述第一层的一厚度至少是大于所述第一图案元件和所述第二图案元件中的每一个的厚度的二倍。
18.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：所述方法更包括：放置一电气设备在所述孔穴中，其中所述第一图案元件是具有导电性的且其中所述第一图案元件接触所述电气设备的一电气端子。
19.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：所述方法更包括：烧结所述第一图案元件与所述第二图案元件中的至少一个。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述烧结是通过选自热烧结、光子烧结、等离子体烧结和微波烧结的多个技术中的任一个而达成。
21.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：所述造型材料包括一烧结诱导剂，且其中所述分配所述造型材料及/或所述图案材料的步骤被执行，以使所述烧结诱导剂与所述图案材料反应而烧结所述第一图案元件与所述第二图案元件中的至少一个。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂包括一化合物，所述化合物选自于自由基可聚合化合物、阳离子可聚合化合物和阴离子可聚合化合物所组成的一族群。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂包括一离子基团及一抗衡离子，所述离子基团是一丙烯酸类单体或衍生物。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂包括一离子基团及一抗衡离子，所述离子基团是一丙烯酸类单体或衍生物。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂是一盐类。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述抗衡离子是阴离子，及所述离子基团是阳离子。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述抗衡离子是选自卤素阴离子、硫酸根阴离子、高氯酸根阴离子、氯酸根阴离子、硝酸根阴离子、羧酸根阴离子、对甲苯磺酸根阴离子和烷基磺酸根阴离子所组成的一族群。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述抗衡离子是选自氯化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、羧酸盐和卤素所组成的一族群。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述抗衡离子是氯化物。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述离子基团是低聚物。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述离子基团是聚合物。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述离子基团选自丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺所组成的一族群。
33.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述离子基团是季铵基团。
34.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述离子基团选自聚(二烯丙基二甲基氯化铵)、阳离子电荷聚酰亚胺、聚乙烯亚胺及聚吡咯所组成的一族群。
35.如权利要求25所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂是(甲基)丙烯酸酯衍生物，具有下列通式：
Figure FDA0002149976250000041
其中：
X是O或NH；
Y是长度为1至20个碳原子的一取代或未取代的烃链；
R1是H或CH3；
R2至R4中每个独立的是一烷基；及
Z是一阴离子。
36.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂是(甲基)丙烯酸酯衍生物，具有下列通式：
Figure FDA0002149976250000051
其中：
X是O或NH；
Y是长度为1至20个碳原子的一取代或未取代的烃链；
R1是H或CH3；
R2至R4中每个独立的是一烷基；及
Z是一阴离子。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述Y是一未取代的烃链。
38.如权利要求35所述的方法，其特征在于：R2至R4中每个独立的是甲基或乙基。
39.如权利要求35所述的方法，其特征在于：R2至R4中每个是甲基。
40.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂选自丙烯酸酯、三甲基铵甲基丙烯酸氯化物、3-三甲基铵丙基甲基丙烯酰胺氯化物及丙烯酰胺所组成的一族群。
41.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述烧结诱导剂选自丙烯酸酯、三甲基铵甲基丙烯酸氯化物、3-三甲基铵丙基甲基丙烯酰胺氯化物及丙烯酰胺所组成的一族群。
42.一种计算机软件产品，其特征在于：所述计算机软件产品包括存储有多个程序指令的一计算机可读介质，在由一积层式制造***的一计算机化控制器读取时，所述多个指令使所述***执行根据如权利要求1至40中任一项所述的方法。
43.一种通过积层式制造在层状物件内制造跨层图案的***，其特征在于：所述***包括：
多个分配头，其中所述多个分配头中的至少一个配置用以分配一造型材料，及至少另一分配头配置用以分配一图案材料；及
一控制器，配置用以：
操作所述多个分配头以分配一图案材料到一接收介质上以形成一第一图案元件；
分配所述造型材料的一第一层到所述第一图案元件上，同时形成具有一非垂直壁的一第一开放孔穴，以暴露在所述第一层下方的所述第一图案元件的至少一部分；
分配图案材料到所述第一图案元件的一暴露部分上、所述非垂直壁上及所述第一层上，以形成接触所述第一图案元件的一第二图案元件；及
以一第二层的一部分填充所述第一层的所述第一开放孔穴的一方式来分配所述造型材料的所述第二层到所述第一层上。
44.如权利要求43所述的***，其特征在于：所述非垂直壁是平面的。
45.如权利要求43所述的***，其特征在于：所述非垂直壁是弯曲的。
46.如权利要求43至45任一项所述的***，其特征在于：所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述第二层，同时留下在所述第二层下面的所述第二图案元件的至少一部分被暴露。
47.如权利要求46所述的***，其特征在于：所述控制器配置用以操作所述多个分配头以形成一第二开放孔穴在所述第二层中，从而暴露在所述第二层下方的所述第二图案元件的至少一部分。
48.如权利要求43所述的***，其特征在于：所述控制器配置用以操作所述多个分配头以便在分配所述图案材料以形成所述第二图案元件之前分配所述第二层。
49.如权利要求48所述的***，其特征在于：所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述第二层，以加深与加宽所述第一开放孔穴。
50.如权利要求49所述的***，其特征在于：所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述第二层，以形成在所述第一开放孔穴中的一阶梯状壁。
51.如权利要求48至50任一项所述的***，其特征在于：所述控制器配置用以操作所述多个分配头以分配所述图案材料而形成所述第二图案元件，以使所述第二图案元件整体的位于所述第二层的一顶表面下方。
52.如权利要求51所述的***，其特征在于：所述***更包括一平整化设备，配置用以平整化所述第二层，其中所述控制器配置成在分配所述图案材料以形成所述第二图案元件的步骤后，操作所述平整化设备。
53.如权利要求47所述的***，其特征在于：所述第二开放孔穴是相对于所述第一开放孔穴横向移位。
54.如权利要求43至45任一项所述的***，其特征在于：所述第一层及所述第二层是通过所述***的不同分配头进行分配，每个头分配一不同的造型材料。
55.一种通过积层式制造进行制造的物件，其特征在于：所述物件包括：一造型材料的多个层：及多个图案元件，所述多个图案元件互连以形成跨越所述多个层的一连续图案，其中所述多个图案元件的一部分各沿着相对于一相应层的非垂直的一方向而跨越所述相应层。
56.如权利要求55所述的物件，其特征在于：所述多个图案元件是具有导电性的。
57.如权利要求55或56所述的物件，其特征在于：所述多个图案元件中的至少一个在所述造型材料的一层的一端处是暴露于环境中。
58.如权利要求55或56所述的物件，其特征在于：所述物件更包括一电气设备，嵌设在所述物件中，其中所述多个图案元件是具有导电性的，且其中所述图案元件的至少一个接触所述电气设备的一电气端子。
59.如权利要求55或56所述的物件，其特征在于：所述物件是在电子电路中的一组件。
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