(57)【要約】  印刷３Ｄ機能部品は、構造材を含む３Ｄ構造を含み、少なくとも１個の機能的電子装置は少なくとも一部が３Ｄ構造へ埋め込まれる。機能的電子装置は、３Ｄ構造の内部表面を背にする形で固定された基部を有する。１つまたは複数の導電性フィラメントは、少なくとも一部が３Ｄ構造に埋め込まれ、前記少なくとも１個の機能的電子装置へ電気的に接続される。
2016531770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造材を含む３次元（３Ｄ）構造と、
少なくとも一部が前記３Ｄ構造に埋め込まれ、その内部表面を背にする形で固定された基部を有する、少なくとも１個の機能的電子装置と、
少なくとも一部が前記３Ｄ構造に埋め込まれ、前記少なくとも１個の機能的電子装置へ電気的に接続された、１つまたは複数の導電性フィラメント
とを含む、印刷３Ｄ機能部品。
【請求項２】
前記３Ｄ構造が複数の層を含む請求項１に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項３】
前記構造材が、ポリマー、複合材、および／またはセラミックを含む請求項１または２に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項４】
前記ポリマーが、アクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、エポキシ、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、光硬化性の樹脂、エポキシ、およびヒドロゲルから成る群から選択される請求項３に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項５】
前記少なくとも１個の機能的電子装置が、電気機械部材、電気化学部材、能動的電子部材、受動的電子部材、および集積回路から成る群から選択される請求項１から４までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項６】
複数の前記機能的電子装置を含み、前記機能的電子装置のそれぞれが、前記３Ｄ構造の前記内部表面のうち１つを背にする形で固定された基部を有する請求項１から５までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項７】
前記機能的電子装置のうち少なくとも１つの前記基部が、他の前記機能的電子装置の前記基部に対して非ゼロ度の角度で配向される請求項６に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項８】
前記１つまたは複数の導電性フィラメントのうち少なくとも１つが、その長さの少なくとも一部分に沿って支持されていない状態である請求項１から７までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項９】
前記１つまたは複数の導電性フィラメントのうち少なくとも１つが、接続点間において非平面の経路を追従する請求項１から８までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の導電性フィラメントが、銀、銅、鉛、錫、リチウム、コバルト、金、白金、パラジウム、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウム、ジルコニウム、バナジウム、クロム、ニオブ、鉄、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、および炭素から成る群から選択される導電性材料を含む請求項１から９までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の導電性フィラメントのそれぞれが、前記導電性材料のバルク導電性を基準に少なくとも約２．５％の導電性を示す請求項１から１０までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の導電性フィラメントのそれぞれが、約５００μｍ以下の直径または幅を備える請求項１から１１までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の導電性フィラメントそれぞれが、導電性粒子の浸透性ネットワークを含む請求項１から１２までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項１４】
前記導電性粒子が銀フレークを含む請求項１３に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項１５】
前記導電性フィラメントが、ASTM Test Method D3359に従って実施される付着性試験に合格できる十分な付着強度を有する、前記３Ｄ構造へ付着する１つまたは複数の固定部分を含む請求項１から１４までのいずれか１項に記載の印刷３Ｄ機能部品。
【請求項１６】
構造フィラメントを既定のパターンで基材に押し出し、蒸着させて、３次元（３Ｄ）構造の１つまたは複数の部分を形成する工程と、
前記１つまたは複数の部分の露出表面に少なくとも１個の機能的電子装置を配置または形成する工程と、
１つまたは複数の導電性フィラメントを押し出し、蒸着させて、前記少なくとも１個の機能的電子装置との相互接続を形成する工程
とを含む、３Ｄ機能部品の印刷方法。
【請求項１７】
前記構造フィラメントを第１のノズルから押し出し、前記１つまたは複数の導電性フィラメントを第２のノズルから押し出す請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記構造フィラメントを押し出し蒸着させる間に、前記１つまたは複数の導電性フィラメントのうちの少なくとも１つを押し出し蒸着させる請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記構造フィラメントを押し出し蒸着させた後で、前記１つまたは複数の導電性フィラメントを押し出し蒸着させる請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項２０】
付加的な長さの前記構造フィラメントを既定のパターンで前記基材へ押し出し、蒸着させて、前記３Ｄ構造の１つまたは複数の付加的部分を形成する工程をさらに含み、前記１つまたは複数の付加的部分が、前記少なくとも１個の機能的電子装置を少なくとも部分的に被覆する請求項１６から１９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記１つまたは複数の付加的部分が、前記少なくとも１個の機能的電子装置を完全に被覆する請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記１つまたは複数の付加的部分が、前記１つまたは複数の導電性フィラメントの少なくとも一部を被覆する請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記１つまたは複数の導電性フィラメントが溶媒中の導電性粒子を含み、
前記構造フィラメントがポリマーを含む
請求項１６から２２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記溶媒が、前記ポリマーの溶解度領域内に該当するハンセン溶解度パラメーター（δd、δp、δh）を含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記溶媒が、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、酢酸ペンチル、酢酸ヘキシル、酢酸ヘプチル、酢酸ブトキシエチル、エチレングリコールブチルエーテル、エチル３−エトキシプロピオネート、酢酸プロピレングリコールブチルエーテル、酢酸エチレングリコールブチルエーテル、炭酸プロピレン、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、水、エチレングリコール、グリセロール、ｎ−メチル−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフランおよび２−メチルテトラヒドロフランのうちの１つまたは複数を含む請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ポリマーが、アクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、光硬化性の樹脂、エポキシ、およびヒドロゲルから成る群から選択される請求項２３から２５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１個の機能的装置を前記露出表面に配置する工程が選別配置操作を含む請求項１６から２６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１個の機能的電子装置が前記露出表面を含む空隙内に配置され、前記機能的電子装置が露出表面を除くすべての側で構造材に包囲される結果、部分的に前記３Ｄ構造へ埋め込まれ、前記露出表面が前記機能的電子装置への電気接続用としてアクセス可能な接触パッドを含む請求項１６から２７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１個の機能的装置が電池を含み、前記電池が前記露出表面に配置される請求項１６から２８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１個の機能的装置を前記露出表面に形成する工程が、少なくとも１つの装置フィラメントを押し出し、前記装置フィラメントを既定のパターンで前記基材へ蒸着させる工程を含む請求項１６から２９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１個の機能的装置が電池を含み、前記少なくとも１つの装置フィラメントがアノードフィラメントとカソードフィラメントとを含み、前記電池を形成する工程が、
第１の電気化学的活性材料を含む前記カソードフィラメントを押し出し、前記カソードフィラメントを既定のパターンで第２の露出表面に蒸着させてカソード構造を形成する工程と、
第２の電気化学的活性材料を含む前記アノードフィラメントを押し出し、前記アノードフィラメントを既定のパターンで前記第２の露出表面に蒸着させてアノード構造を形成する工程
とを含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
構造フィラメントを既定のパターンで基材に押し出し、蒸着させて、３次元（３Ｄ）構造の１つまたは複数の部分を形成し、前記３Ｄ構造が既定の容積を有する工程と、
前記１つまたは複数の部分の露出表面に少なくとも１個の機能的電子装置を配置または形成する工程と、
前記１つまたは複数の部分における別の露出表面に電池を形成し、前記電池が前記既定の容積に合わせてカスタマイズされた寸法を有する工程と、
１つまたは複数の導電性フィラメントを押し出し、蒸着させて、前記少なくとも１個の機能的電子装置と前記電池との相互接続を形成する工程
とを含む、３Ｄ機能部品の印刷方法。
【請求項３３】
前記露出表面が、前記３Ｄ構造における空隙または通路の一部である請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
付加的な長さの前記構造フィラメントを既定のパターンで前記基材へ押し出し、蒸着させて、前記３Ｄ構造の１つまたは複数の付加的部分を形成する工程をさらに含み、前記１つまたは複数の付加的部分が、少なくとも１個の機能的電子装置および超小型電池を少なくとも部分的に被覆する請求項３２または３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記１つまたは複数の付加的部分が、前記少なくとも１個の機能的電子装置および前記電池を完全に被覆する請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記電池を形成する工程が
第１の電気化学的活性材料を含むカソードフィラメントを既定のパターンで前記第２の露出表面に押し出し、蒸着させてカソード構造を形成する工程と、
第２の電気化学的活性材料を含むアノードフィラメントを既定のパターンで前記第２の露出表面に押し出し、蒸着させてアノード構造を形成する工程
とを含む請求項３２から３５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記３Ｄ機能部品が補聴器を含み、前記３Ｄ構造がポリマー製本体を含む請求項３２から３６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
３次元（３Ｄ）印刷方法を使用して３Ｄ構造の１つまたは複数の部分を形成する工程と、
少なくとも１個の機能的電子装置を前記１つまたは複数の部分の露出表面に配置する工程と、
前記少なくとも１個の機能的電子装置へおよび前記少なくとも１個の機能的電子装置からの導電性相互接続を３Ｄ印刷方法を使用して形成する工程
とを含む３Ｄ機能部品の印刷方法。
【請求項３９】
３Ｄ印刷方法を使用して前記３Ｄ構造の１つまたは複数の付加的部分を形成する工程をさらに含み、前記１つまたは複数の付加的部分が、前記少なくとも１個の機能的電子装置の少なくとも一部を被覆する請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記１つまたは複数の付加的部分が、前記少なくとも１個の機能的電子装置を完全に被覆する請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記少なくとも１個の機能的電子装置を配置する工程が選別配置操作を含む請求項３８から４０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４２】
前記少なくとも１個の電子装置を配置する工程が３Ｄ印刷方法を含む請求項３８から４１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４３】
複数の機能的電子装置を含み、少なくとも１個の前記機能的電子装置を配置する工程が選別配置操作を含み、別の前記機能的電子装置を配置する工程が３Ｄ印刷方法を含む請求項３８から４２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４４】
前記３Ｄ印刷方法が、直接書き込み作製、粉体層へのインクジェット印刷、粉体層の選択的レーザー焼結、立体リソグラフィー、溶融蒸着モデリング、ＵＶ硬化性樹脂の直接インクジェット印刷から成る群から選択される請求項３８から４３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４５】
前記導電性相互接続が、前記３Ｄ構造へ付着する１つまたは複数の固定部分を含み、前記１つまたは複数の固定部分が、ASTM Test Method D3359に従って実施される付着性試験に合格できる十分な付着強度で付着する請求項３８から４４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４６】
前記導電性相互接続が、導電性粒子の浸透性ネットワークを含む請求項３８から４５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４７】
脱着可能な形で装着され相互に隣接する、２つ以上のコンピューター制御式モジュール型プリントヘッドを含み、各プリントヘッドが、構造フィラメントおよび／または機能フィラメントの押し出しのための少なくとも１個のノズルを含む
３Ｄプリンター。
【請求項４８】
最大８個の前記コンピューター制御式モジュール型プリントヘッドを含む請求項４７に記載の３Ｄプリンター。
【請求項４９】
前記コンピューター制御式モジュール型プリントヘッドのうち少なくとも１個が昇温状態での押し出し用加熱装置を含む高温プリントヘッドである請求項４７または４８に記載の３Ｄプリンター。
【請求項５０】
前記高温プリントヘッドが、押し出される材料のモノフィラメントの連続供給を受けるように構成される請求項４９に記載の３Ｄプリンター。
【請求項５１】
前記コンピューター制御式モジュール型プリントヘッドのうち少なくとも１個が、少なくとも１個のインクリザーバーへ接続するよう構成された室温プリントヘッドである請求項４７から５０までのいずれか１項に記載の３Ｄプリンター。
【請求項５２】
前記室温プリントヘッドが一定の圧力での空気圧駆動である請求項５１に記載の３Ｄプリンター。
【請求項５３】
前記室温プリントヘッドが一定の変位速度での機械式駆動である請求項５１に記載の３Ｄプリンター。
【請求項５４】
前記コンピューター制御式モジュール型プリントヘッドのうち少なくとも１個が複数のノズルを含む請求項４７から５３までのいずれか１項に記載の３Ｄプリンター。
【請求項５５】
前記コンピューター制御式モジュール型プリントヘッドの下層に、押し出しフィラメント蒸着用基材をさらに含む請求項４７から５４までのいずれか１項に記載の３Ｄプリンター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、３次元（３Ｄ）印刷技術、特に３Ｄ機能部品の直接書き込み作製（ｄｉｒｅｃｔ−ｗｒｉｔｅ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器製造は、海外への移転が急速に進んできた。携帯電話など一般向けの市販装置の米国国内での生産はますます困難となっており、それは技術者がそれらを、国外で廉価に製造および組み立て可能な数百もの部品を使用する設計としているからである。製造の外部委託の推進要因は人件費だけでなく、国外における緩やかな環境規制も要因であり、これは米国が太刀打ちできない競争上の優位をもたらす。例えば、印刷回路基板（ＰＣＢ）は、今なお試作品の製作に数日または数週間を要し、また典型的には、第三者が高価な特殊エッチング用／微粉砕用機器を使用して製造している。ＰＣＢの製造には多数の化学プロセスおよび材料が必要であり、その多くは、処分が難しく環境に対して有害な化学物質を含有する。
３Ｄ印刷など加算的作製技法は、現在の製造方法を打破し、米国を最先端の、環境に対し無害の製造の最前線に引き戻す潜在性をもたらすものである。多額の費用を要する工具類やダイスなどに頼る特殊機械はもはや、個々の製品の製造に必要でなくなると考えられる。数百万人もの未熟な労働者を雇って装置を組み立てる必要性はもとより、地球の裏側での装置の製造という切実な価値命題も、解消し得る。材料供給の短縮が世界的に課題となり、輸送からの汚染が増大するにつれ、廃棄物無排出の製造が必要となり得る。エネルギー省は、減算的ではなく加算的な製造プロセスの使用により、５０％近くのエネルギー削減が達成されるであろうと推定している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
印刷３Ｄ機能部品は、構造材を含む３Ｄ構造と、この３Ｄ構造に少なくとも一部が埋め込まれた少なくとも１個の機能的電子装置とを含む。機能的電子装置は、３Ｄ構造の内部表面を背にする形で固定された基部を有する。１つまたは複数の導電性フィラメントは、少なくとも一部が３Ｄ構造に埋め込まれ、前記少なくとも１個の機能的電子装置へ電気的に接続される。
【０００４】
３Ｄ機能部品の印刷方法は、一実施形態によれば、構造フィラメントを既定のパターンで基材に押し出し、蒸着させて、３Ｄ構造の１つまたは複数の部分を形成する工程と、前記１つまたは複数の部分の露出表面に少なくとも１個の機能的電子装置を配置または形成する工程と、１つまたは複数の導電性フィラメントを押し出し、蒸着させて、前記少なくとも１個の機能的電子装置との相互接続を形成する工程とを含む。該方法はさらに、一部の実施形態において、付加的な長さの構造フィラメントを既定のパターンで基材に押し出し、蒸着させて、３Ｄ構造における１つまたは複数の付加的部分を形成する工程をも含み得る。この１つまたは複数の付加的部分は、前記少なくとも１個の機能的電子装置を少なくとも部分的に被覆し得る。
３Ｄ機能部品の印刷方法は、別の実施形態によれば、構造フィラメントを既定のパターンで基材に押し出し、蒸着させて、既定の容積を有する３Ｄ構造の１つまたは複数の部分を形成する工程を含む。少なくとも１個の機能的電子装置は前記１つまたは複数の部分の露出表面に配置または形成され、そして前記１つまたは複数の部分における別の露出表面に電池が形成される。電池は既定の容積に合わせてカスタマイズされた寸法を有する。１つまたは複数の導電性フィラメントが押し出され、蒸着されることにより、前記少なくとも１個の機能的電子装置および電池との相互接続を形成する。
３Ｄ機能部品の印刷方法は、別の実施形態によれば、３Ｄ印刷方法を使用して３Ｄ構造の１つまたは複数の部分を形成する工程と、少なくとも１個の機能的電子装置を前記１つまたは複数の部分の露出表面に配置する工程と、前記少なくとも１個の機能的電子装置との間を往来する導電性相互接続を３Ｄ印刷方法を使用して形成する工程とを含む。該方法はさらに、一部の実施形態において、３Ｄ印刷方法を使用して３Ｄ構造の１つまたは複数の付加的部分を形成する工程をも含む。３Ｄ構造におけるこの１つまたは複数の付加的部分は、前記少なくとも１個の機能的電子装置を少なくとも部分的に被覆し得る。
【０００５】
３Ｄプリンターは、脱着可能な形で装着され相互に隣接する、複数のコンピューター制御式モジュール型プリントヘッドを含む。各プリントヘッドは、構造フィラメントおよび／または機能フィラメントの押し出しおよび蒸着のための、少なくとも１個のノズルを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】埋め込み電子機器を含む典型的な３Ｄ印刷構造の概略図である。
【図２Ａ】埋め込み電子機器を含む３Ｄ構造印刷の直接書き込みプロセスにおける典型的な工程を示す図である。
【図２Ｂ】埋め込み電子機器を含む３Ｄ構造印刷の直接書き込みプロセスにおける典型的な工程を示す図である。
【図２Ｃ】埋め込み電子機器を含む３Ｄ構造印刷の直接書き込みプロセスにおける典型的な工程を示す図である。
【図２Ｄ】埋め込み電子機器を含む３Ｄ構造印刷の直接書き込みプロセスにおける典型的な工程を示す図である。
【図２Ｅ】埋め込み電子機器を含む３Ｄ構造印刷の直接書き込みプロセスにおける典型的な工程を示す図である。
【図２Ｆ】埋め込み電子機器を含む３Ｄ構造印刷の直接書き込みプロセスにおける典型的な工程を示す図である。
【図２Ｇ】埋め込み電子機器を含む３Ｄ構造印刷の直接書き込みプロセスにおける典型的な工程を示す図である。
【図３】長さに沿って部分的に支持されていない導電性（銀）フィラメントの走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図４】典型的な直接書き込み作製用ノズルの概略図である。
【図５Ａ−５Ｂ】３Ｄ印刷工程および選別配置（ｐｉｃｋ  ａｎｄ  ｐｌａｃｅ）工程の組み合わせにより生産される典型的な３Ｄ機能部品の前方断面および水平断面の概略図である。
【図６Ａ】典型的な先行技術による補聴器および３Ｄ印刷補聴器の概略図である。
【図６Ｂ】典型的な先行技術による補聴器および３Ｄ印刷補聴器の概略図である。
【図７Ａ】埋め込みアンテナ設計の３Ｄレンダリングを示す図である。
【図７Ｂ】ポリマーマトリクス材（構造材）と導電性銀インクの同時印刷のための複合材料ツールパスの概略図である。
【図７Ｃ】ＡＢＳ熱可塑性マトリクスに埋め込まれた３Ｄ印刷銀製アンテナを示す図である。
【図８Ａ】ポリマー構造材に部分的に埋め込まれ、銀インク配合からの押し出しによる導電性フィラメントと相互接続された、表面装着抵抗器、磁気読み取りスイッチ、表面装着ＬＥＤ、および電池を含む、３Ｄ印刷回路基板の概略図である。
【図８Ｂ】図８Ａに概略図が示されている３Ｄ印刷機能部品の底部の光学画像であり、この画像において、回路構成材および導電性フィラメントが部分的にポリマー構造材に埋め込まれている。
【図８Ｃ】ポリマー構造フィラメントと導電性フィラメントを同時印刷するための、複合材料プリントヘッドのツールパスを示す図である。
【図８Ｄ】３Ｄ印刷、完全埋め込み回路（図８Ａに記載の底部の上方に上部を３Ｄ印刷した後のもの）の光学画像であり、この画像において、磁気読み取りスイッチのすぐ近くに配置された磁石によってＬＥＤが点灯する仕組みで、１セント硬貨がサイズ比較の目安として示されている。
【図９Ａ】３Ｄ印刷トルクレンチ歪み検出装置の概略図であり、この例の装置はＡｒｄｕｉｎｏ基板、表面装着抵抗器、歪みセンサー、導電性フィラメント（相互接続）を構造マトリクス材に埋め込んだものを含む。
【図９Ｂ】３Ｄ印刷トルクレンチ歪み検出装置の光学画像である。
【図９Ｃ】埋め込み回路および個々の電気構成材を強調する、３Ｄ印刷レンチのコンピューター断層撮影（ＣＴ）スキャン画像（上面図と側面図）である。
【図９Ｄ】ポリマー３Ｄ構造、導電性相互接続および歪みセンサーの構築に使用する、典型的な複合材料印刷経路を示す図である。
【図９Ｅ】３Ｄ印刷レンチのＣＴスキャン上面図に回路要素の表記を加えた図である。
【図１０】３Ｄ印刷Ａｒｄｕｉｎｏ基板を上方から撮影した写真である。
【図１１Ａ】導電性インク配合へ組み込む前の典型的な乾燥銀フレークのサンプルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図１１Ｂ】−ＣＯＯＨ基で官能化させた銀フレークおよび約１質量％のカーボンナノチューブを含む、押し出し導電性フィラメントのＳＥＭ画像である。
【図１２Ａ】典型的な有機エステルベース銀インクを内径（ＩＤ）２５０μｍのノズルを使用してガラス基材に印刷した後の、導電性配線の写真である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに記載の銀インクについて、貯蔵弾性率および損失弾性率と加えられた剪断応力との対比を示すグラフである。
【図１２Ｃ】図１２Ａに記載の銀インクについて、導電性と焼きなまし温度との対比を示すグラフである。
【図１２Ｄ】長さに沿って部分的に支持されていない、図１１Ｂの導電性フィラメントの光学画像である。
【図１３】ハーバード大学で設計および製造された二重プリントヘッドを含む、特別製３Ｄプリンターの写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
埋め込み電子機器を含む複雑な３次元（３Ｄ）構造を生産するための、直接書き込み作製に基づく新規の３Ｄ印刷技法が開発された。３Ｄ印刷を使用すると、典型的な減算的製造方法に付随する材料の無駄を低減しながら、複雑な機能部品を迅速に生産することができる。
【０００８】
直接書き込み作製は、適切な化学的性質および粘度を有する前駆体インクを、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向へ移動可能な可動型精密位置合わせ装置（ｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ）に付属の蒸着ノズル経由で流す工程を含み得る。ノズルおよび／または基材が動かされるにつれ、前駆体インクを含むフィラメントをノズル経由で押し出し、そして精密位置合わせ装置の運動に応じて、ある構成へと連続的に蒸着させることができる。相応に、直接書き込み技術を採用して、３Ｄ構造を層単位で構築することができる。印刷プロセスは、１つの連続印刷プロセスまたは並行印刷プロセスにおいて、複数の前駆体インクおよび／または複数のノズルが関係し得る。加えて、印刷中に３Ｄ構造内へ非印刷型機能的電子装置を挿入するという、「選別配置」工程を実行するよう、１つまたは複数のノズルを構成することもできある。直接書き込み作製を使用して、３Ｄ構造本体に沿って機能的電子装置を印刷することもできる。さらに、直接書き込み技術を他の３Ｄ印刷方法（例：粉体層へのインクジェット印刷、粉体層の選択的レーザー焼結、立体リソグラフィー、溶融蒸着モデリング、ＵＶ硬化性樹脂の直接インクジェット印刷）と統合することにより、単一の３Ｄ部品における異なる構成材、装置または領域を、様々な３Ｄ印刷手法を用いて生産することもできる。
【０００９】
図１は、埋め込み電子機器を含む典型的な印刷３Ｄ機能部品１００を示す図である。印刷３Ｄ部品１００は、構造材またはマトリクス材を含む３Ｄ構造１０２を含み、少なくとも１個の機能的電子装置が、この３Ｄ構造１０２に少なくとも一部が埋め込まれている。図１の例では、２個の機能的電子装置１０４ａ、１０４ｂが完全に、３Ｄ構造１０２に埋め込まれている。機能的電子装置１０４ａ、１０４ｂはそれぞれ、３Ｄ構造１０２の内部表面１０２ａ’、１０２ｂ’を背にする形で固定された基部を有する。この例の３Ｄ構造１０２はハート型構造であり、機能的電子装置１０４ａ、１０４ｂは集積回路（ＩＣ）である。ハート型構造は単なる例示であって、範囲を制限する意図はなく、他の３Ｄ構造も本開示の範囲に含まれる。１つまたは複数の導電性フィラメント１０６は少なくとも一部が３Ｄ構造１０２に埋め込まれ、機能的電子装置１０４ａ、１０４ｂへ電気的に接続される。図１に記載のとおり、導電性フィラメントは３Ｄ構造１０２へ完全に埋め込まれ、そしてＩＣ１０４ａ、１０４ｂと電気的接触状態にあるＩＣパッド１０８へ接続される。導電性フィラメント１０６は、３Ｄ構造１０２に付属の１つまたは複数の固定部分を有し得る。後述するとおり、これらの固定部分は乾燥後、３Ｄ構造へ強力に結合され得る。有利には、導電性フィラメント１０６はASTM Test Method D3359, "Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test"に従って実施される付着性試験に合格できる十分な付着強度を有し得る。
前述のとおり、機能的電子装置および／または導電性フィラメントは、３Ｄ構造内に完全に埋め込まれていてもよい（例：封入）。あるいは、機能的電子装置および／または導電性フィラメントは３Ｄ構造内に一部が埋め込まれる結果、装置および／またはフィラメントの一部分に３Ｄ構造の外部からアクセスできる状態であってもよい。
【００１０】
３Ｄ構造は、少なくとも２個、少なくとも５個、少なくとも１０個、少なくとも２０個、または少なくとも５０個の機能的電子装置など、内部に埋め込まれた複数の機能的電子装置を含み得る。機能的電子装置は、能動的電子部材、受動的電子部材、集積回路、電気機械部材（スイッチや冷却ファンなど）、印刷回路基板または他の電子機器、および／または電気化学部材（電池など）から選択され得る。３Ｄ構造本体は、任意の単純または複雑な幾何形状を有し得る。一例において、印刷３Ｄ機能部品は補聴器であり、３Ｄ構造は後述するとおり、ポリマーのシェルまたはボディを含む。
【００１１】
３Ｄ構造は複数の層を含み得る。各層は、ノズルの内径または幅および印刷速度を含む、材料特性および加工パラメーターに応じて、約１μｍ〜約１０ｍｍの厚さを有し得る。各層の厚さは一般的に約２μｍ以上、約１０μｍ以上、約３０μｍ以上、または約５０μｍ以上である。典型的に、厚さは約１０００μｍ以下、約５００μｍ以下、または約１００μｍ以下である。厚さは、下記にてさらに詳しく論ずるとおり、３Ｄ構造の直接書き込み作製過程でノズル経由で押し出されるフィラメントの直径または幅におおよそ等しい厚さであってもよい。印刷３Ｄ構造の加工方法（例：任意の印刷後焼結工程）に応じて、また３Ｄ構造が形成される元となるフィラメントの流動特性に応じて、層型構造は（目で見て、または適度に拡大して）容易に認識可能であるか、あるいはフィラメントの焼結および／または定着の効果によって部分的に、または完全に隠れた状態であってもよい。
【００１２】
３Ｄ構造の構造材またはマトリクス材は、電気絶縁材であってもよい。一実施形態において、構造材は熱可塑性ポリマーまたは光硬化性の樹脂などポリマー、ガラス繊維充填エポキシなど複合材、またはセラミックを含み得る。例えば、ポリマーはアクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、エポキシ、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、光硬化性の樹脂、エポキシ、およびヒドロゲルから成る群から選択され得る。セラミックは酸化物、炭化物、ホウ化物、窒化物、およびケイ化物から成る群から選択され得る。例えば、適切なセラミックの例として、アルミナ、ベリリア、セリア、シリカ、チタニア、ジルコニア、シリコンカーバイド、窒化ケイ素、窒化ホウ素、粘土、およびヒドロキシアパタイトが挙げられる。３Ｄ構造の構造材は、複合材をも含み得る。例えば、セラミックまたはガラスを含む充填材粒子を、ポリマーマトリクスへ組み込むことができる。
【００１３】
蒸着ノズルがｘ軸、ｙ軸およびｚ軸それぞれに沿って移動したり各軸を中心に回転したりできるという、直接書き込み印刷ならではの位置合わせの柔軟性を背景に、機能的電子装置を３Ｄ構造内で任意の角度に配向することができる。例えば、３Ｄ構造の内部に複数の機能的電子装置が埋め込まれている場合、機能的電子装置のうち少なくとも１つの基部を、他の機能的電子装置の基部に対して非ゼロ度の角度に配向することができる。例えば図１を参考に、右側のＩＣ１０４ｂの基部は左側のＩＣ１０４ａの基部に対して９０度の角度で回転した状態である。この柔軟な位置合わせ能力は、３Ｄ構造へ埋め込むことができる装置の数密度に関して優位性を提供し得る。
該作製方法のもう１つの優位性は、導電性フィラメントのうち１つまたは複数が、接続点間で非平面の経路を追従し得るという点にある。言い換えれば、導電性フィラメントは平面経路に限られるわけではなく、印刷回路基板上の導電性配線と全く対照的である。加えて、導電性フィラメントは適切な化学的性質および粘度を持たせて、押し出し後に少なくとも一部が自己支持型となるよう設計することができる。相応に、１つまたは複数の導電性フィラメントは、例えば図３および１２Ｄに記載の導電性（銀）フィラメントの画像で分かるとおり、その長さの一部分に沿って、基材または構造材の基礎層で支持されていない部分があってもよい。多数の導電性フィラメントを３Ｄ構造内で複雑な構成となるよう印刷し、例えばスパゲティのような配列を形成することができる。
【００１４】
導電性フィラメントは、遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、または炭素など、熱導体の役割をも果たし得る導電性材料を含み得る。例えば、導電性材料は銀、銅、鉛、錫、リチウム、コバルト、金、白金、パラジウム、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウム、ジルコニウム、バナジウム、クロム、ニオブ、鉄、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、および炭素（例：黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンブラック）から成る群から選択され得る。機能的電子装置用の導電性配線としての役割に加え、導電性フィラメントの一部または全部が、３Ｄ機能部品内でヒートシンクおよび／または加熱要素としての機能も同時に、または代替的に果たし得る。例えば、導電性フィラメントを３Ｄ部品全体にわたり均一または不均一に分配し、構造材の熱硬化を促進する加熱要素として使用することができる。別の例において、導電性フィラメントの一部または全部を、使用中の機能的電子装置が発する熱を放散させる目的で使用することができる。
【００１５】
導電性フィラメントは、導電性ナノ粒子を含む、および／または化学的反応性を有する、前駆体インク配合から形成され得る。そのような前駆体インクについては、例えば米国特許第７，９２２，９３９号、表題"Metal Nanoparticle Inks"、および"Reactive Silver Inks for Patterning High-Conductivity Features at Mild Temperatures," by S.B. Walker and J.A. Lewis, Journal of the American Chemical Society, 134 [3] 1419-21 (2012)に記載されており、両文献は参照により本明細書に組み込まれる。あるいは、導電性フィラメントを、溶媒中で分散させた導電性粒子を含む導電性インク配合から押し出すことができる。導電性粒子は、一例において、銀フレークなど導電性フレークを含み得る。あるいは、導電性粒子は棒、球体、多角形、管、針など、別の形状を有するものであってもよい。導電性粒子の典型例として、銀の多角形およびナノロッド、金のナノロッド、銀被覆銅粒子、銀被覆銅フレーク、銀被覆銅棒、錫粒子、ニッケル粒子、アルミニウム粒子、導電性被覆を施した絶縁粒子、グラフェン、黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、導電性ポリマー粒子、そして表面酸化を防ぐ適切な還元剤と一緒にパッケージ化可能な純銅粒子が挙げられる。
【００１６】
導電性インク配合用溶媒は、導電性フィラメントと、３Ｄ構造の構造材となり得る下層基材との間で、乾燥後に強力な結合の形成を促進するよう選択され得る。好ましくは、溶媒は構造材の表面層を溶解する能力があり、それにより導電性フィラメントにおいて３Ｄ構造と接触する部分が乾燥後に強力に付着し得る。導電性インク配合用として採用される溶媒は、基材（例：熱可塑性ポリマー）に付随する溶解度領域の容積を有する所与の溶媒のハンセン溶解度パラメーターとの比較に基づいて選択することができ、ハンセン溶解度パラメーターについては、例えばJ. Burke, "Solubility Parameters: Theory and Application," The Book and Paper Group Annual, 3 (1984)（下記にて入手可：http://cool.conservation-us.org/coolaic/sg/bpg/annual/v03/bp03-04.html）に記載されている。所与の基材における溶解度領域の容積の範囲内に該当する溶解度パラメーターを有する液体は、その基材に対する活性溶媒と見なすことができる。所与の材料における溶解度領域の容積はハンセン溶解度パラメーター（δd、δp、δh）および相互作用半径（Ｒ）によって定義され、これらはそれぞれ領域の中心および範囲を表わす。様々な溶媒およびポリマーの溶解度パラメーターは、C. M. Hansen, Hansen Solubility Parameters: A User's Handbook, published by CRC Press (2000)、およびPolylactic Acid: PLA Biopolymer Technology and Applications, published by William Andrew (2012)（特にＰＬＡ溶解度パラメーターについて）に記載されている。３Ｄ印刷の文脈で言えば、所与の構造材の溶解度領域内に該当するハンセン溶解度パラメーターを有する導電性インク用溶媒は、その構造材との化学的適合性および混和性を有すると予想することができる。より具体的には、溶媒は構造材との混和性が十分にあると予想され、その結果、導電性フィラメントと構造材が接触する領域において、乾燥後に強力な結合が形成され得る。好ましくは、溶媒は導電性フィラメントの室温での乾燥を促進するよう蒸発しやすい、揮発性溶媒である。
【００１７】
適切な溶媒の例として、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、酢酸ペンチル、および／または酢酸ヘキシルなど、有機エステルが挙げられる。そのような溶媒は、低い毒性、調節可能な疎水性および望ましい蒸気圧を示し得る。加えて、これらの溶媒は極性材料と非極性材料のいずれとも混和性があり、また熱可塑性ポリマー上で良好な湿潤性を示し得る。
【００１８】
様々な長さのアルコール、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、および／またはオクタノール、ならびに様々な長さのカルボン酸、例えばギ酸、酢酸、およびプロピオン酸も、溶媒として使用することができる。一部の実施形態において、水、エチレングリコール、グリセロールおよび／もしくはｎ−メチル−ピロリドンなど極性溶媒、またはテトラヒドロフランもしくは２−メチルテトラヒドロフランなど中間極性溶媒が採用され得る。他の適切な溶媒の例として、エチレングリコールブチルエーテル、酢酸エチレングリコールブチルエーテル、プロピレングリコールブチルエーテル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、シクロヘキサノール、酢酸ヘプチル、酢酸オクチル、石油スピリット、プロピレングリコールメチルエーテル、メチルｎ−アミルケトンが挙げられる。
【００１９】
長鎖脂肪酸などキャッピング剤を使用して導電性インクの導電性粒子を被覆することにより、凝集を阻害または防止することができる。後述する典型的システムの場合、キャッピング剤および酢酸ペンチル溶媒の存在下での銀粉の微粉砕により銀フレークが生産され、銀フレークは微粉砕プロセス全体を通じて大部分が分散したままの状態を維持する。キャッピング剤は、長鎖炭化水素が周囲の溶媒へと突出する間に銀フレークの表面へ強力に結合する脂肪酸分子の端部において、カルボン酸基を含有し得る。あるいは、カルボン酸基を、チオール（例：ドデカンチオール）および／またはアミン（例：ドデカンアミン）など、導電性粒子表面に対して高い親和性を有する別の官能基に置換してもよい。キャッピング剤は、水中またはアルコールなど他の極性溶媒中における導電性粒子の分散を最適化するよう、親水性のものであってもよい。例えば、キャッピング剤の例として、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリエチルエニミン（ＰＥＩ）または他の任意のポリ電解質など、水溶性ポリマーが挙げられる。
【００２０】
導電性インクは、導電性インクの粘度を所望のレベルにすると同時に、印刷・乾燥後のフィラメントの構造的完全性を向上させるよう、増粘剤を同時に、または代替的に含み得る。増粘剤は、鎖長が１０Ｋ単位を超えるポリマーを含み得る。印刷・乾燥状態における導電性を最適化しつつ、印刷後のフィラメントの構造的完全性を犠牲にせずに済むよう、インク中の典型的なポリマー濃度は、インク中の導電性粒子の質量を基準に、０．１質量％〜５質量％の範囲であってもよい。増粘剤の典型例として、ニトロセルロース（例：１２．８％未満の硝酸塩置換）、様々な長さのセルロースエステル、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、およびカルボキシメチルセルロースが挙げられる。セルロース誘導体は全般的に、官能基置換の多用途性、自然存在量および生体適合性が高いことから、増粘剤として特に適切である。セルロース誘導体の種類は、所望の溶媒を視野に入れつつ選択することができる。他の適切な増粘剤の種類として、長鎖型のＰＥＯ、ＰＥＩ、ＰＶＰ、ＰＡＡ、ポリプロピレン、ポリエチレングリコール、ポリイソプレン、シリコン、天然ゴム、多糖（キサンタンガムなど）などが挙げられる。増粘剤は、溶媒の蒸発時に膜形成過程を経るポリマーラテックスを同時に、または代替的に含み得る。
【００２１】
一部の事例において、所望の溶媒と、増粘剤の完全溶解を確保するために使用する別の高蒸気圧溶媒との混合物に増粘剤を溶解させてもよい。後者の溶媒をその後、インクの使用前にインクから蒸発させてもよい。増粘剤は、インクの流動学的特性を変化させる蒸着の後で反応が起こるように設計されてもよい。例えば、加硫性シリコンを増粘剤として使用することができる。蒸着に先立ち、増粘剤は中程度の長さのポリマー鎖の形態であってもよく、そして蒸着後、熱、水分、酸素、またはＵＶ光によって開始される加硫反応が、強固な固体への変化を誘発し得る。
【００２２】
一部の事例において、他の添加剤、例えば炭素繊維、ナノ繊維化セルロース、シリコンカーバイド棒、カーボンナノチューブ、金属棒またはその他、押し出しベース３Ｄ印刷の過程で剪断配列調整の対象となり得る異方性粒子を微量、導電性インク配合へ添加すると、有利となり得る。また、インクの組成に応じて可塑剤（例：クエン酸アセチルトリブチル）および／または難燃剤をインクに含ませることも有益となる場合があり、同じ添加剤が両方の目的に役立ち得る。表面張力修正剤を同時に、または代替的に添加することにより、所望の基材（例：熱可塑性ポリマー）上でのインクの湿潤挙動を修正することができる。乾燥後の導電性フィラメントの収縮軽減を補助するよう、デンプンを添加してもよい。
【００２３】
一般的に、導電性フィラメントは約７０質量％〜約９９．９質量％の導電性粒子を含んでいてもよく（溶媒蒸発後）、範囲は好ましくは約９０質量％〜約９９．９質量％である。増粘剤は典型的に、導電性粒子の質量を基準に、約０．１質量％〜約５質量％の量で存在し、量は好ましくは約０．５質量％〜約２．５質量％である。他の流動学的および／または機械的特性修正剤、例えばカーボンナノチューブは、導電性粒子の質量を基準に、約０．０１質量％〜約１０質量％の濃度で存在していてもよく、濃度は好ましくは約０．１質量％〜約１質量％である。導電性フィラメントを形成するための押し出しおよび乾燥の前の初期インク配合において、溶媒は約１質量％〜約７０質量％の濃度で存在していてもよく、好ましい濃度は約１２質量％〜約２５質量％である。
【００２４】
３Ｄ印刷用として効果的に機能するよう、導電性インクは好ましくは非線形剪断依存性を伴う粘弾性である。つまり、導電性インクは３Ｄ印刷過程において蒸着用ノズル経由で流動可能でありながら、プリントヘッドから出た後もフィラメント形状を保持する能力を有し得る。（構造フィラメントおよび／または装置フィラメントの印刷に使用するインクは、下記にてさらに詳しく記述するとおり、非線形剪断依存性を伴う粘弾性のものであってもよい。） 前述のとおり、導電性インクと３Ｄ構造の構造材との間における化学的適合性と良好な湿潤も、大いに好ましい。相応に、導電性フィラメントは、印刷直後の状態はもとより、焼きなましなど何らかの後処理の後においても、３Ｄ構造の構造的完全性を損ねることなく、構造材との強固な界面を形成し得る。３Ｄ印刷部品には電子的機能性が望まれることから、導電性フィラメントは十分に高い導電性を示すことが好ましい。例えば、導電性フィラメントの導電性、室温で乾燥後のバルク金属の導電性を基準に、約１％以上、約２．５％以上、約５％以上、または約１０％以上であってもよい。有利には、導電性はバルク金属の導電性を基準に、約２０％以上、約３０％以上、約４０％以上、約５０％以上、または約６０％以上であり、またバルク金属の導電性を基準に約７０％、８０％、９０％または９９％という高い導電性であってもよい。
【００２５】
導電性フィラメント、構造フィラメントまたは装置フィラメントは各々、押し出しフィラメントと呼ばれる場合もあり、直径（または幅）は約１μｍ〜約１ｍｍ、または約５０μｍ〜約５００μｍの範囲であってもよい。例えば、押し出しフィラメントの直径または幅は約１ｍｍ以下、約５００μｍ以下、約３００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１００μｍ以下、約５０μｍ以下、または約３０μｍ以下であってもよい。典型的に、導電性フィラメントの直径は約１μｍ以上、約５μｍ以上、または約１０μｍ以上である。
【００２６】
少なくとも部分的に、押し出しノズルの形状に応じて、押し出しフィラメントは一部の実施形態において、実質的に円筒形の形状を有し得る。印刷（例：押し出しおよび蒸着）フィラメントは、基材上の１つまたは複数の層内に蒸着後、定着プロセス、または一部の事例において焼結プロセスを経る場合があることから、印刷フィラメントの横断面形状は、完璧な円から多少歪んだ状態を含み得る。したがって、印刷フィラメントは実質的に円筒形または歪んだ円筒形の形状を有すると記述され得る。いずれの場合も、印刷フィラメントの横断面形状は、角のない湾曲形状である。あるいは、フィラメントは断面が円形でないノズルから印刷することもでき、例えば、ノズルの横断面は長方形、正方形、五角形、六角形、または別の多角形の形状であってもよい。そのような実施形態において、押し出しフィラメントは、ノズルの形状に応じて決まる多角形の横断面形状（角は丸みを帯びていてもよい）を有し得る。上記の記述は、導電性材料を含む押し出しフィラメントはもとより、構造材または別の材料（例：機能的材料）を含むフィラメントにも当てはまる。
【００２７】
図２Ａ〜２Ｇは、１つまたは複数の機能的電子装置を含む典型的な３Ｄ構造の印刷における工程を示す概略図である。
図２Ａを参考に、３Ｄ印刷方法は、基材（または台座）１１０上で既定のパターンの、３Ｄ構造１０２の１つまたは複数の部分、すなわちこの例で言えば図１に記載のハート型構造の底部１０２ａを形成する工程を含む。底部１０２ａは、後続加工工程または同時加工工程において機能的電子装置または導電性フィラメントを組み入れるための、図２Ａに記載のような通路または空隙など、１つまたは複数の露出表面１０２ａ’を含む。例えば、構造フィラメント１１２を第１のノズル１１４から押し出すことができ、この構造フィラメントが押し出され蒸着する間に、１つまたは複数の導電性フィラメントを第２のノズルから押し出すことができる。言い換えれば、導電性フィラメントと構造フィラメントを同時印刷することができる。あるいは、３Ｄ構造の１つまたは複数の部分が形成された後、導電性フィラメントを押し出し、蒸着させることもできる。印刷プロセスの完了により、露出表面は、図１に記載のとおり、機能的電子装置および導電性フィラメントがその中に部分的に埋め込まれるか、または完全に埋め込まれるかに応じて、３Ｄ構造１０２の内部表面となり得る。
【００２８】
図示のとおり、第１の部分１０２ａの形成は、既定の経路に沿ってノズルが移動する間に、構造材を含むフィラメント１１２をノズル１１４から押し出し、フィラメント１１２を基材１１０に（基材へ直接、または基材へ既に蒸着された層の表面に）蒸着させる工程を含み得る。既定の経路は、ｘ、ｙ、ｚの座標系を使用して、基材１１０を基準に定義され得る。押し出しフィラメント１１２は、適切な圧力を加えられながらノズル１１４を強制的に通過する前駆体インク配合を含み得る。
一実施形態によれば、単一の連続フィラメントを押し出し、蒸着させて、３Ｄ構造の１つまたは複数の部分を形成することができる。あるいは、同一または異なる材料を含む複数の別々のフィラメントの印刷を、既定の経路に沿ったノズルの運動過程で前駆体インク配合の流動を開始および停止させることによって行うことができる。複数の別々のフィラメントを末端間に配置すれば、事実上単一の連続フィラメントと同じ状態を基材上に形成するよう蒸着させることができる。前述のとおり、印刷は層単位で進行することができ、その場合、所望のパターンを有する第１の層を印刷した後、ノズルを基材から遠ざける方向（例：ｚ方向）で徐々に上昇させることにより、フィラメントの蒸着を第１の層上で続行させる結果、３Ｄ構造に追加の層を形成し得る。印刷は、より複雑な、全方向性の形でも進行し得る。そのような場合、蒸着後のフィラメントを一部のみ、下層または基材によって支持することができる。また、直接書き込み作製に加え、別の３Ｄ印刷方法を採用して、３Ｄ構造の一部または全部を形成することもできる。
【００２９】
一部の実施形態において、図２Ｂの概略図のように、露出表面１０２ａ’に機能的電子装置１０４ａ（例：装置の基部）を固定できるよう、装置を配置する前に表面１０２ａ’へ接着剤１１６を塗布しておいてもよい。あるいは、露出表面１０２ａ’を含む構造材自体が、その特性（例：温度の関数としての流動特性）次第では接着剤の役割を果たし得る。他の実施形態において、機能的電子装置の基部はプロセスにおけるこの工程では露出表面にまだ付着していないが、図１の例について示されているように、３Ｄ構造の残り部分が装置の周囲に印刷された後、露出表面を背にする形で固定され得る。印刷プロセス完了後、機能的電子装置は３Ｄ構造内で不動態化され得る。
【００３０】
図２Ｃを参考に、機能的電子装置１０４ａを、露出表面１０２ａ’上に配置することができる。これは３Ｄ構造１０２の第１の部分１０２ａに隣接する位置からノズル１１４を別の位置へ動かして装置１０４ａを選別した後、第１の部分１０２ａに隣接する位置へ戻して、装置１０４ａを露出表面１０２ａ’上に蒸着させるという、選別配置操作向けに構成されたノズル１１４を使用して行うことができる。（注意すべき点として、本開示における「１個のノズル」または「そのノズル」という記述は、３Ｄ印刷機能部品の作製過程における単一のノズルへの限定と解釈すべきではなく、それは１個のノズルまたは複数のノズルを使用して構造フィラメント、導電性フィラメントおよび／または装置フィラメントを押し出し、かつ／または選別配置操作を行うことができるからである。） 選別配置操作に先立ち、ノズル１１４から前駆体インクを除去し（または異なるノズルを使用してもよい）、ノズル１１４内に装置を選別するための真空状態を生み出すことができる。ノズルはさらに、ノズル１１４の先端への機能的電子装置１０４ａの付着を促すための、空気圧式吸引カップ１１８を装着することもできる。図２Ｃに記載の例では、テープリール内に保管された集積回路１０４ａをノズル１１４が選別し、そしてこの例では接着剤１１６を含む露出表面１０２ａ’へ蒸着させる。
【００３１】
前述のとおり、機能的電子装置は、能動的電子部材または受動的電子部材（例：抵抗器、コンデンサーなど）、集積回路、印刷回路基板（ＰＣＢ）またはセンサーなど別の電子装置、共振回路、電気機械部材（例：モーター、スイッチ、ファンなど）または電気化学部材（例：電池）であってもよい。
【００３２】
既製の電子装置の選抜配置に代わる別の形態として、３Ｄ構造に埋め込まれた１つまたは複数の機能的電子装置が、当該技術分野で既知の、および／または本明細書に記載の３Ｄ印刷方法によって形成され得ると予期される。３Ｄ印刷電池は既に実証済みであり、例えば"3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures," by K. Sun, T-S. Wei, B. Y. Ahn, J. Y. Seo, S. J. Dillon, and J. A. Lewis, Advanced Materials, published online on June 17, 2013 (DOI: 10.1002/adma.201301036)に記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
１つまたは複数の機能的電子装置は、少なくとも１つの装置フィラメントをノズルから押し出し、この装置フィラメントを既定のパターンで基材に蒸着させることにより形成され得る。装置フィラメントは、印刷される装置に応じて決まる機能的材料を含み得る。例えば電池の場合、下記にて詳述するとおり、装置フィラメントは第１の電気化学的活性材料を含むカソードフィラメントと、第２の電気化学的活性材料を含むアノードフィラメントとを含み得る。別の例において、歪みセンサーの場合、装置フィラメントは、下記の例に記載のような銀ドープ処理を施したシリコン複合材など、導電性材料を含み得る。別の例において、アンテナの場合、装置フィラメントは導電性材料を含み得る。この特定の事例および他の装置実施形態において、導電性材料は、導電性フィラメントを形成して３Ｄ印刷機能部品内で相互接続または導電性配線の役割を果たす、同一の導電性材料であってもよい。そのような場合、装置フィラメントおよび導電性フィラメントは、同じ導電性材料を含む単一の連続押し出しフィラメントから形成され得る。他の実施形態において、機能的電子装置および導電性フィラメントは異なるインク配合から形成され、結果的に異なる押し出しフィラメントから形成され得る。
【００３３】
選別配置操作と３Ｄ印刷（例：直接書き込み作製）の組み合わせを使用して生産される機能的電子装置を含む、典型的な３Ｄ機能部品５００が図５Ａおよび５Ｂの概略図に示されており、これらの図はそれぞれ前方断面図と水平断面図である。典型的な３Ｄ機能部品５００は携帯電話機であり、選択された埋め込み電子装置および導電性相互接続が示されている。この例では、集積回路５０４ａと５０４ｂが、例えば図２Ｃおよび２Ｆに記載のとおり選別配置技術を使用して３Ｄ構造５０２へ組み込まれる一方、導電性相互接続５０６、螺旋状アンテナ５０４ｃ、および超小型電池５０４ｄ（アノード５２０ａ、カソード５２０ｂおよび隔離板５２０ｃを含む）は（同じく３Ｄ印刷された）３Ｄ構造５０２の部分へ直接印刷される。印刷による機能的電子装置は、本明細書に記載の直接書き込み技術を使用して、または当該技術分野で既知の別の３Ｄ印刷方法を使用して作製することができる。相応に、３Ｄ機能部品５００は、完全に３Ｄ印刷工程により、または３Ｄ印刷工程と選別配置操作との組み合わせにより構築され得る。
【００３４】
機能的電子装置の配置（または印刷）後、装置との間を往来する相互接続を、前述のとおり、導電性材料を含む導電性フィラメントのノズル経由での押し出しおよび蒸着により形成することができる。導電性フィラメントの形成は、単一の印刷工程または蒸着工程では起こり得ない。図２Ｄに記載のとおり、導電性材料を含む前駆体インク１１２をノズル１１４経由で流して導電性フィラメントの第１の部分１０６ａを押し出すことができ、そして押し出しプロセスを、この例では３Ｄ構造の第１の部分の層に対して垂直に蒸着される相互接続が現在の層の高さに達した時点で止めることができる。図２Ｅに記載のとおり、導電性フィラメント１０６の残り部分１０６ｂの形成に先立ち、３Ｄ構造１０２の付加的部分１０２ｂを、第１のＩＣ１０４ａの上方に層単位で形成することができる。導電性フィラメント１０６の残り部分１０６ｂは、その後、全方向性印刷工程で形成することができ、その場合、ノズル１１４は、導電性フィラメント１０６が押し出され蒸着されるにつれ、可変性のｘ、ｙおよびｚの成分を有し得る経路に沿って動かされる。相応に、図２Ｅの挿入図に記載の段階的フィラメントと対照的に、平滑な「無段階」フィラメント１０６が形成され得る。
【００３５】
図２Ｆの例では、導電性フィラメント１０６の片方の端部が第１のＩＣ１０４ａの接触パッド１０８と接触している状態にあり、もう片方の端部は、３Ｄ構造１０２の付加的部分１０２ｂが層単位で形成された後に配置される第２のＩＣ１０４ｂと接触する位置にある。図示のとおり、機能的電子装置１０４ａ、１０４ｂはそれぞれ、露出表面１０２ａ’、１０２ｂ’を基準に、また既に配置された装置を基準に、任意の配向に配置することができる。一般的に、任意の数の機能的電子装置を、３Ｄ構造の第１の部分または付加的部分の露出表面に配置する、および／または露出表面と接触する状態で配置することができる。導電性フィラメントは、機能的電子装置への接続の必要性に応じて押し出し、蒸着させることができる。導電性フィラメントは、機能的電子装置との接続を促進するよう、３Ｄ構造の１つまたは複数の露出表面に配置する、および／または露出表面と接触する状態で配置することができる。
機能的電子装置は、アクセス可能な接触パッドを含む装置の露出表面を除き、３Ｄ構造へ部分的に埋め込まれるよう設計することができる。言い換えれば、３Ｄ構造内の空隙へ配置される場合、機能的電子装置を、露出表面を除き、すべての側で３Ｄ印刷構造材によって包囲することができる。接触パッドは空隙の側壁の上方で突出していてもよく、また機能的電子装置は３Ｄ構造の表面と同一平面上にある状態であってもよい。装置を空隙内に配置した後、導電性フィラメントを押し出し、３Ｄ構造の表面へ直接蒸着させて、接触パッドへの電気接続を露出表面に作ることができる。前述のとおり、アクセス可能な接触パッドと一緒に部分的に埋め込まれるよう機能的電子装置を設計することにより、装置の配置後、電気接続を単純明快な蒸着プロセスで作ることができる。導電性フィラメントは、部分的に埋め込まれた機能的電子装置を、３Ｄ機能部品内の他の装置、例えば他の抵抗器、コンデンサー、共振回路、ＬＥＤ、電池、マイクロプロセッサー、および／またはセンサーなど、同じく部分的に埋め込まれ得る装置へ接続し得る。アクセス可能な接触パッドを３Ｄ構造内に有する機能的電子装置の部分的埋め込みの一例が図１０に示されており、これについて下記にて詳述する。
【００３６】
図２Ｇを参考に、一部の実施形態において、１つまたは複数の付加的部分を印刷して、埋め込み電子機器を含む最終の３Ｄ構造１０２を形成することができる。前述のとおり、印刷は、構造材を含むフィラメント１１２をノズル１１４から押し出し、フィラメントを３Ｄ構造の底部（および／または既に蒸着済みの別の部分）に層単位で蒸着させることにより、露出した機能的電子装置および／または導電性フィラメントを部分的または完全に被覆する工程を含む。
【００３７】
埋め込まれた機能的電子装置を含む３Ｄ機能部品の別の例の概略図が図６Ｂに示されている。この例に記載の３Ｄ機能部品６００は補聴器であり、埋め込まれた機能的電子装置は超小型電池６０４ａと、印刷回路基板（ＰＣＢ）または他の電子機器６０４ｂとを含む。前述の例同様、補聴器６００は、選別配置操作と３Ｄ印刷との組み合わせを使用して作製することができる。
【００３８】
補聴器６００を生産するため、構造フィラメントをノズルから押し出し、既定のパターンで基材へ蒸着させて、３Ｄ構造６０２の１つまたは複数の部分を形成することができる。この例では、３Ｄ構造６０２はポリマー製の補聴器の本体またはシェルであり、これは対象患者の外耳道のサイズに応じて容積が予め決められている（かつ作製前に既知である）。既定の容積に合わせてカスタマイズされた寸法を有する電池６０４ａは、３Ｄ構造６０２の露出表面６０２ａに形成され得る。カスタマイズの関係上、より大きい既定の容積を有する３Ｄ構造は、相応に大きめの寸法を有する電池を含有し得る一方、より小さい既定の容積を有する３Ｄ構造は、相応に小さめの寸法を有する電池を含有し得る。ＰＣＢまたは他の電子機器６０４ｂを、３Ｄ構造６０２の別の露出表面６０２ｂに配置または３Ｄ印刷することができ、また１つまたは複数の導電性フィラメントをノズルから押し出して、ＰＣＢ（または他の電子機器）６０４ｂおよび電池６０４ａとの間を往来する相互接続を形成することができる。構造フィラメントがノズルから押し出され、３Ｄ構造の１つまたは複数の部分に層単位で蒸着されて、１つまたは複数の付加的部分を形成し、この付加的部分が電池、ＰＣＢまたは他の電子機器、そして１つまたは複数の導電性フィラメントを部分的または完全に被覆する。その結果、補聴器６００のポリマー製の本体またはシェル６０２が形成される。
【００３９】
補聴器の本体またはシェルの既定の容積に合わせて電池のサイズをカスタマイズすることの優位性の１つは、従来であればポリマー充填材が占有していた無駄な内部空間を、図６Ａを参考にすると分かるとおり、回避できるという点にある。代わりに、この空間は、より大型で容量も大きい、容積を適切に埋めるよう３Ｄ印刷によって特別に作製される電池に占有され得る。図６Ａを参考に、容量約２５２ｍＷｈの従来型補聴器で使用される標準的な３１２サイズのコイン電池を、一例において、容量約２．７Ｗｈの、より大型の特別製電池に置き換えることができる。電池のサイズを最大化することにより、外耳道が比較的大きい患者は、より長寿命の電池の恩恵に与ることができる一方、外耳道が比較的小さい患者は、最大限可能なワット時を示す電池の恩恵に与ることができる。３Ｄ印刷電池は、既定の容積の約２０％以上、約３０％以上、約４０％以上、約５０％以上、約６０％以上、約７０％以上、または約８０％を占有し得る。典型的に、電池は、補聴器本体内に他の電子機器や相互接続が存在する関係上、既定の容積を約９０％を超えて占有することはない。
【００４０】
電池を形成するため、第１の電気化学的活性材料を含むカソードフィラメントをノズルから押し出し、既定のパターンで露出表面に蒸着させてカソード構造を形成することができ、そして第２の電気化学的活性材料を含むアノードフィラメントをノズルから押し出し、既定のパターンで露出表面に蒸着させてアノード構造を形成することができる。カソードおよびアノードのフィラメントの既定のパターンは、補聴器本体の既定の容積−３Ｄサイズと形状の両方−に基づいて選択され得る。相応に、カソードおよびアノードの構造は、任意の所望のサイズおよび形状を有し得る。一例において、カソード構造は１つまたは複数のカソード用指型構造（ｄｉｇｉｔ）を含む指型構造を有していてもよく、アノード構造は１つまたは複数のアノード用指型構造を含む指型構造を有していてもよい。カソード構造およびアノード構造はさらに、櫛状指型構造関係を有するものであってもよく、その場合、図５Ｂの概略図のとおり、カソード用指型構造はアノード用指型構造と交互に配置される。
【００４１】
第１の電気化学的活性材料は、ＬｉxＭｎ1-yＭyＯ2、Ｌｉ1-xＭｎ2-yＭyＯ4、Ｌｉ1-xＣｏ1-yＭyＯ2、Ｌｉ1-xＮｉ1-y-zＣｏyＭzＯ4、Ｌｉ1-xＭＰＯ4、Ｌｉ1-xＭＳｉＯ4、Ｌｉ1-xＭＢＯ3、ＬｉxＭｎ1-yＭyＯ2、および／またはＶ2Ｏ5（式中、ｘ、ｙおよびｚは０〜１の値を有し得る）など単一の酸化物または多成分酸化物（式中、ＭはＣｏ，Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖなど金属を表わす）を含んでいてもよく、また第２の電気化学的活性材料は、Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12（ＬＴＯ）、ＴｉＯ2、ＳｎＯ2、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｃ、ＬｉＭyＮ2、および／またはＭyＯx（式中、ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖなど金属を表わし、Ｍは低酸化状態（例：ＭｎＯ、ＣｏＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、ＣｕＯ、ＮｉＯ、ＺｎＯ）であり、ｘおよびｙは整数である）から成る群から選択され得る。
【００４２】
カソード構造とアノード構造との間に隔離板を配置することができ、カソードとアノードを電解質と接触させて動作させることができる。隔離板および／または電解質は、３Ｄ印刷（例：原位置作製用ノズルからの適切な材料の押し出し）によって形成することができる。あるいは、隔離板および／または電解質を、別の方法で形成または蒸着させてもよい。電解質は液体材料、ポリマー材料またはゲル材料を含んでいてもよく、隔離板は典型的に細孔性ポリマーを含む。
【００４３】
印刷後、例として補聴器、携帯電話機ハウジング、または広範囲にわたり考えられる任意の構造が挙げられる３Ｄ構造を、任意選択で、構造材および／または導電性材料の焼結を十分に誘発できる温度まで加熱してもよい。焼結向けに選択される温度は、最低限、約８０℃〜約１５０℃の範囲であってもよいが、特定の値は焼結されることになる材料次第で決まる。前駆体インクは３Ｄ印刷向けの組成および流動学に関して最適化される粒子懸濁物を含み得ることから、蒸着フィラメントは粒状構造を有し得る。蒸着フィラメントの構造的完全性および相対密度のほか、３Ｄ構造において隣接する層同士の結合も、焼結（または熱的焼きなまし）によって増大させることができる。
前駆体インク配合から形成されるフィラメントは、加工過程においてノズル経由で押し出される結果として、実質的に円筒形または他の細長い形状を有し得る。相応に、１つまたは複数のフィラメントは、印刷に使用するノズルの内径（ＩＤ）または内部幅（ＩＷ）と同一または同等の平均直径または幅を有し得る。例えば、フィラメントの平均直径（幅）はノズルのＩＤ（ＩＷ）の±２０％以内、またはノズルのＩＤ（ＩＷ）の約±１０％以内であってもよい。ノズルのＩＤ（ＩＷ）のサイズは約１μｍ〜約１０ｍｍの範囲であってもよい。典型的に、ノズルのＩＤ（ＩＷ）のサイズは約１０μｍ〜約３００μｍの範囲（例：約１００μｍ）である。前述のとおり、印刷フィラメントは、基材上の１つまたは複数の層内に蒸着後、定着プロセス、または一部の事例において焼結プロセスを経る場合があることから、円筒形フィラメントの横断面形状は、完璧な円から多少歪んでいながらも、なお湾曲形状を保った状態を含み得る。
【００４４】
相応に、印刷３Ｄ構造の高さは、層を構成する１つまたは複数のフィラメントの直径（または幅Ｗ）と層の総数の積におおよそ等しい値となり得る。例えば、埋め込み電子機器を含む典型的な３Ｄ構造の高さは、約１０μｍ〜数百ミリメートルの範囲となり得る。
【００４５】
押し出しおよび蒸着用として採用される３Ｄプリンターは、単一のプリントヘッドまたは複数のプリントヘッド（例：２個〜８個のプリントヘッド）を含んでいてもよく、個々のプリントヘッドはモジュール型で、独立的にコンピューター制御される。モジュール型、コンピューター制御式のプリントヘッドは、脱着可能な形で相互に隣接して装着され、様々な材料の同時印刷向けに同時操作され得る。「脱着可能な形で装着」という文言は、個々のモジュール型プリントヘッドを印刷時に装着し、所望であれば印刷後に取り外すことができることにより、下記にて詳述するとおり、プリントヘッドのスワッピングが可能になることを意味する。各プリントヘッドは、構造フィラメントおよび／または機能フィラメントを押し出すための少なくとも１個のノズル（または多重ノズル配列）を含み、ただし「機能フィラメント」という用語は導電性フィラメントおよび／または装置フィラメントを指す。３Ｄプリンターはさらに、押し出された構造フィラメントまたは機能フィラメントの蒸着用のコンピューター制御式モジュール型プリントヘッドの下層にある台座または基材をも含み得る。
【００４６】
図４を参考に、個々のプリントヘッドまたはノズルは、標準的なＣＮＣ（コンピューター数値制御）ステージへの装着により、ｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸の方向で移動できるよう構成される。ノズルはまた、ｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸を中心として、６度の自由度で動けるよう回転可能であってもよい。また、印刷中にノズルを静止状態に保つこと、基材をノズルと相対的に動かすこと、あるいはノズルと基材の両方を動かすことも可能である。ノズルは、適切な通路の選択によって異なるインクの印刷を可能にする複数のインク通路と流体連動の状態であってもよい。また、印刷プロセス中に選別配置操作を行いやすくするため通路のうち１つを経由して、正圧ではなく真空を加えることができるようノズルを構成してもよい。
【００４７】
コンピューター制御式モジュール型プリントヘッドは、前述のとおり、少なくとも１個のインクリザーバーへ接続するよう構成された、少なくとも１個の室温プリントヘッドを含み得る。室温プリントヘッドからのインク蒸着は、一定の圧力での空気圧駆動であるか、一定の変位速度での機械式駆動であってもよい。コンピューター制御式モジュール型プリントヘッドは、昇温状態での押し出し用加熱装置を含む、少なくとも１個の高温プリントヘッドを同時に、または代替的に含み得る。高温プリントヘッドはそれぞれ、押し出し可能な材料（例：熱可塑性ポリマー）またはインクのモノフィラメントの連続供給をインクリザーバーから受けるよう構成され得る。
前述のとおり、各プリントヘッドは少なくとも１個のノズルを含む。一般的に、１個以上、２個以上、３個以上、４個以上、５個以上および最大Ｎ個のノズルをインクフィラメントの押し出しおよび蒸着に使用することができ、Ｎは１以上１０２４以下、より典型的にはＮは５１２以下、２５６以下、１２８以下、または６４以下である。フィラメントはＮ個のノズルから、１つの連続蒸着プロセスにおいて逐次、または１つの並行蒸着プロセスにおいて同時に押し出すことができ、各ノズルは異なる前駆体インクを含有し得る。単一のプリントヘッドからの逐次印刷または連続印刷を行いやすくするため、ノズルをｚ方向で独立的に制御することができる。
【００４８】
ノズルへ供給される粘弾性インクは、Ｌｕｅｒ−Ｌｏｋ（商標）または他のコネクターを使用してノズルへ個別に接続可能な、別体式注射筒（またはインクリザーバー）に収容することができる。個々のフィラメントの押し出しは、約１ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉ、約１０ｐｓｉ〜約８０ｐｓｉ、または約２０ｐｓｉ〜約６０ｐｓｉの範囲の圧力を加えられた状態で行うことができる。押し出し中の圧力は一定であるか、または変動させてもよい。代替的圧力源の使用により、１００ｐｓｉより高い圧力および／または１ｐｓｉ未満の圧力を、印刷中に加えることができる。圧力を変動させると、フィラメントの長さに沿って直径が変化する押し出しフィラメントを得ることができる。押し出しは典型的に、周囲温度または室温条件で行われる（例：約１８℃〜約２５℃）。高温印刷の場合（例：溶融フィラメント作製（ＦＦＦ）ヘッドを蒸着用として使用した場合）、熱可塑性ポリマーなど適切な材料のモノフィラメントをスプールから高温プリントヘッドヘ供給することができ、また押し出しは例えば約１００℃〜約４００℃の範囲の温度で行うことができる。
【００４９】
各フィラメントの押し出しおよび蒸着中、ノズル（またはプリントヘッド）を既定の経路に沿って（例：（ｘ1，ｙ1，ｚ1）から（ｘ2，ｙ2，ｚ2）へ）、±１００μｍ以内、±５０μｍ以内、±１０μｍ以内、または±１μｍ以内の位置精度で動かすことができる。相応に、フィラメントを±１００μｍ以内、±５０μｍ以内、±１０μｍ以内、または±１μｍ以内の位置精度で蒸着させることができる。約３ｍ／秒（例：約１ｃｍ／秒〜約３ｍ／秒）の高速でノズルを動かしてフィラメントを蒸着させることができ、より典型的に速度範囲は約１ｍｍ／秒〜約５００ｍｍ／秒、約１ｍｍ／秒〜約１００ｍｍ／秒、約１ｍｍ／秒〜約５０ｍｍ／秒、または約１ｍｍ／秒〜約１０ｍｍ／秒である。
【００５０】
既定のノズル経路は、プリンターの台座のサイズによって決まるとおり、約２４００ｃｍ2以上、約２７００ｍ2以上、最大約１ｍ2のＸＹ境界域を有し得る。例えば、台座は約６０ｃｍ〜約１００ｃｍの長さと、約４０ｃｍ〜約１００ｃｍの幅とを有し得る。各プリントヘッドはｚ方向の約１０ｃｍ〜約５０ｃｍの範囲、または約１５ｃｍ〜約３０ｃｍの範囲で動かすことができる。
【００５１】
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ（Ｄａｓｓａｕｌｔ  Ｓｙｓｔｅｍｅｓ  ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ  Ｃｏｒｐ．、マサチューセッツ州Ｗａｌｔｈａｍ）またはＡｕｔｏＣＡＤ（Ａｕｔｏｄｅｓｋ，  Ｉｎｃ．、カリフォルニア州Ｓａｎ  Ｒａｆａｅｌ）など市販のコンピューター支援設計ソフトウェアを、所望の印刷構造のデジタル３Ｄモデル作成に使用することができる。これらのソフトウェアパッケージは、３ＤモデルをＳＴＬファイルでエクスポートすることができる。一旦ＳＴＬ形式にした後、Ｓｌｉｃ３ｒまたはＣｕｒａなど「スライス処理ソフトウェア」を使用して３Ｄプリンター向け印刷指示（Ｇコード）へ変換することができ、これらのソフトウェアはデジタル３Ｄモデルを切り取って横方向の切片または層にし、そしてこれらの切片に押し出し材料を充填するための（ｘ，ｙ，ｚ）座標に基づくツールパスを生成する。プロセスパラメーターの例として、充填密度、ノズル速度、押し出しインク量、およびノズル温度が挙げられる。ハーバード大学で設計された特別製３Ｄプリンターおよび修正型ＲｅｐＲｅｐ装置（www.reprap.org）が、本開示に記載の３Ｄ印刷例の作成に使用されている。
典型的なソフトウェアおよび３Ｄプリンター
下記の典型的な実証部品は、まずＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓプログラムを使用してモデル化され、データがＳＴＬファイル形式でエクスポートされ、そしてＳｌｉｃ３ｒソフトウェアへ印刷経路作成向けにインポートされる。導電性フィラメント（導電性配線）向けの印刷経路の統合は、以下に挙げる２通りの方法のいずれかで行うことができる。導電性配線を、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ内で、周辺構造から切り離された部分としてモデル化することができる。次いで導電性配線および構成のモデルをＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓアセンブリー内で所望の配向状態にして統合し、ＳＴＬファイルのセットとしてエクスポートすることができる。次いでこれらのＳＴＬファイルをＳｌｉｃ３ｒ内で統合して、Ｇコードへとスライス処理可能な複合材料モデルを作成することができる。次いでＧコードが、部品作製用プリンター制御ソフトウェアへロードされる。
【００５２】
あるいは、印刷の速度、位置および高さの非常に精密かつ動的な制御が望まれる場合、導電性配線の印刷経路を、Ｇコード生成用のパイソンベースのオープンソースソフトウェアであるＭｅｃｏｄｅを使用して手作業で記述することができる。この場合、個々の導電性印刷経路を１つずつ、構造材向けにＳｌｉｃ３ｒによって生成されたコードの層変化部分に挿入することができる。
３Ｄ印刷は、特別製の３Ｄ運動制御型システムを使用して行われる。第１のシステムは、２個のプリントヘッドを横並びに装着したＡｅｒｏｔｅｃｈ（Ａｅｒｏｔｅｃｈ，  Ｉｎｃ．、ペンシルバニア州Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ）製の高速、広域、高精度ガントリーステージ（ｇａｎｔｒｙ  ｓｔａｇｅ）を使用する。各プリントヘッドはフィラメント押し出し装置（またはノズル）を含む。一構成において、構造フィラメント（例：熱可塑性ポリマー）押し出し用高温プリントヘッド（例：ＦＦＦヘッド）と、導電性フィラメント押し出し用室温プリントヘッドが一緒に装着される。室温プリントヘッドはＥＦＤ圧力ボックス（Ｎｏｒｄｓｏｎ  Ｃｏｒｐ．、オハイオ州Ｗｅｓｔｌａｋｅ）を使用して空気圧により制御される。これらの材料および他の異種材料の印刷経路および同時印刷はコンピューター制御される。
【００５３】
第２のシステムは、オープンソースの卓上３Ｄプリンター（ＲｅｐＲａｐ  Ｐｒｕｓａ  Ｉ３、www.reprap.org）で、これは構造フィラメント押し出し用の既存の高温プリントヘッドに加え、導電性フィラメント押し出し用室温プリントヘッドの組み込みにより改良されている。このプリンターの制御ハードウェアは、導電性フィラメントの制御型印刷を可能する圧力源で増強され、また制御ソフトウェアはこの圧力源を駆動するよう修正される。
【００５４】
前述の特別製３Ｄプリンターは、片方または両方のプリントヘッドを別のプリントヘッドと交換できるよう、モジュール型の設計である。例えば、周囲条件下で導電性インクおよび他の粘弾性材料を印刷するために使用する空気圧式室温プリントヘッドを、一定置換駆動型プリントヘッドと交換して、所望のインクの精密な体積流量を提供することができる。高温プリントヘッドは、最終の３Ｄ印刷電子装置において構造材または同時印刷機能材料いずれかの役割を果たし得る、エポキシ樹脂、ガラス充填エポキシ樹脂、抵抗性インクまたは容量性インクなど、別の粘弾性インクを同時印刷可能な第２の空気圧式プリントヘッドまたは一定置換プリントヘッドと置き換えることができる。
【００５５】
装置が埋め込まれた典型的な３Ｄ印刷機能部品
３Ｄ印刷埋め込みアンテナ
図７Ａ〜７Ｃは、アンテナ設計の３Ｄレンダリングを含む典型的な３Ｄ印刷埋め込みアンテナ７００、構造材（マトリクス材）と導電性インクの同時蒸着用複合材料ツールパスの概略図、そして印刷後の埋め込みアンテナの光学画像を示す図である。構造材はアクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）を含み、装置／導電性フィラメントは、後述するとおり、有機エステルベース銀インク配合から押し出される。銀インクは、３Ｄ構造の底部に作製される深さ約０．５ｍｍ、幅約１ｍｍの通路内へ蒸着され、印刷完了後には５つの層を含む構造となる。
【００５６】
３Ｄ印刷埋め込み回路および印刷回路基板
図８Ａは、発光ダイオード（ＬＥＤ）８０４ａ、磁気読み取りスイッチ８０４ｂ、電力消費を制限する抵抗器８０４ｃ、そしてＬＥＤ８０４ａへ給電する電池８０４ｄを含む、典型的な３Ｄ印刷ＰＣＢ（上部なし）または埋め込み回路（上部８０２ｂあり）を示す図である。図８Ｂは、図８Ａに記載の構造８０２の底部８０２ａの光学画像で、回路構成材８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ、８０４ｄ、および相互接続８０６が部分的に、底部８０２ａに埋め込まれている。図８Ｃは、（１）ＰＣＢなど３Ｄ印刷部品の能力を実証するための部分的な埋め込み、および（２）熱可塑性マトリクス内に完全封入された３Ｄ回路を作り出す能力を実証するための完全埋め込み、これら２通りの配座で印刷される３Ｄ機能部品８００の作製に使用される印刷経路を示す図である。図８Ｄは、磁気読み取りスイッチのすぐ近く（約１ｃｍ以内）に配置された磁石によって点灯するＬＥＤを含む、典型的な完全埋め込み回路を示す図である。完成後の３Ｄ印刷埋め込み回路は２５個の層を含む。これらの例において、マトリクス材または構造材はポリ乳酸（ＰＬＡ）またはアクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）および導電性フィラメント（または導電性配線）は、銀を含む。導電性フィラメントは、後述するとおり、有機エステルベース銀インク配合から押し出され、深さ約０．５ｍｍ、幅約１ｍｍの通路内へ蒸着される。構造フィラメントの３Ｄ印刷向けにノズルの直径は０．４ＩＤ、印刷速度は３０ｍｍ／秒が採用され、導電性フィラメントの３Ｄ印刷向けにノズルの直径は０．３ｍｍＩＤ、印刷速度は４ｍｍ／秒が使用される。ＬＥＤ、磁気読み取りスイッチ、抵抗器および電池は、３Ｄ印刷構造の底部に手で嵌め込むことができる。
【００５７】
埋め込み歪みセンサー付き３Ｄ印刷トルクレンチ
図９Ａ〜９Ｃは、Ａｒｄｕｉｎｏ基板９０４ａ、表面装着抵抗器９０４ｂ、銀ドープ処理シリコンを含む歪みセンサー９０４ｃ、銀製導電性フィラメント９０６、そしてＰＬＡから作られたマトリクスまたは構造体９０２の底部および上部９０２ａ、９０２ｂを含む、典型的な３Ｄ印刷トルクレンチ歪み検出装置９００を示す図である。図９Ｄは、埋め込み回路およびセンサーの構築に使用する典型的な複合材料印刷経路を示す図である。
【００５８】
トルクレンチ歪み検出装置は、３Ｄ機能部品を作成する際の中心となるいくつかの概念を実証するものである。第１の概念は、導電性相互接続とセンサーとを、印刷熱可塑性マトリクスを含む単一の装置内に同時印刷する能力である。第２の概念は、これらの特徴を、恣意的に設計された３Ｄ印刷機能部品内でシームレスに埋め込むことである。第３の概念は、プログラマブルプロセッサーを、装置が経験する活動を分析する能力のある３Ｄ印刷部材へ埋め込むことの実証である。歪み検出能力を有するトルクレンチが、これらの中心的概念の代表的実施形態として選択された。
【００５９】
トルクレンチ本体は熱可塑性マトリクスの３Ｄ印刷によって生産され、印刷過程でネックの充填率と厚さを変えることにより、加えられるトルクの目標量について所望の可撓量を得ることができる。トルクレンチのネック領域内で、導電性銀粒子をドープ処理されたシリコンインクが、図９Ｄに記載の印刷経路に沿って印刷される。インクはＳｉｌｉｃｏｎｅ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ（オハイオ州Ｃｕｙａｈｏｇａ  Ｆａｌｌｓ）からＳＳ−２６１という製品名で市販されている。中立軸から歪みセンサーまでの距離は恣意的に３ｍｍが選択されるが、埋め込みセンサーが受ける歪みを最小化または最大化するよう、距離を変えることができる。抵抗値が既知の表面装着抵抗器もレンチに組み込まれ、歪みセンサーと直列配線される。歪みセンサーと、抵抗値が既知の抵抗器との間の電圧を測定すれば、未知の抵抗器の抵抗値を、下記の方程式に従って推定することができる。加えて、アナログ電圧読み取りピンを備えたプログラマブルＡｒｄｕｉｎｏ基板が、抵抗器間の電圧変動のモニタリング用として装置へ組み込まれる（図９Ｅ参照）。
【００６０】
Ｒsについての等化および再配列の計算式は以下のとおりである。
【数１】
2016531770.tif 000003
式中、Ｒは既知の抵抗器を表わし、電圧（Ｖ）は５Ｖであり、Ｖ0はＡｒｄｕｉｎｏ基板上のアナログ電圧ピンにより測定される電圧である。Ａｒｄｕｉｎｏ基板は、センサーが受ける歪みの量を示すよう強度または点滅周波数を調整可能な表面装着ＬＥＤを含む。
【００６１】
３Ｄ印刷Ａｒｄｕｉｎｏ基板
図１０は、前述の二重ヘッド卓上３Ｄ電子プリンターを使用して作製された、特別設計の３Ｄ印刷Ａｒｄｕｉｎｏ基板の光学画像である。４００μｍのノズルを備えたＦＦＦヘッドを使用して、３０ｍｍ／秒の速度で熱可塑性基板が印刷される。導電性銀製配線は、２５０μｍのノズルを経由して４ｍｍ／秒の速度で銀インクを蒸着させることによって印刷される。抵抗器とコンデンサーは、導電性銀製配線を印刷する前に、基板上の開放空隙へ配置される。残りの部材は、ａｔｍｅｌ製３２８−Ａｕ−ＮＤチップを含め、印刷後に手作業で装着される。
【００６２】
典型的な銀インク配合
有機エステルベース配合
（例１）
この例では、１１ｇの銀フレーク（５〜８μｍの直径／幅）に長鎖脂肪酸残留物でキャッピングを施したもの（図１１Ａ参照）、１．２５ｇの酢酸ペンチル、０．２０３ｇのニトロセルロース、および０．５ｇのニトロセルロース添加剤を混合して、前述の典型的部品の３Ｄ印刷に適する銀インクを形成する。図１２Ａは、内径（ＩＤ）２５０μｍのノズルを使用してガラス基材に印刷した銀インクの導電性配線（導電性フィラメント）の写真である。銀インクの貯蔵弾性率および損失弾性率と加えられた剪断応力との対比が図１２Ｂに示され、また図１２Ｃでは銀インクの導電性を焼きなまし温度と対比したグラフを示しており、焼きなまし時間はすべての昇温について１５分間であった。
【００６３】
（例２）
別の例では、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を銀インク配合へ組み込む。カルボキシル基で官能化した多重壁カーボンナノチューブを、１０分間の超音波ホーン下での超音波処理により、所定の溶媒中で分散させる。この例では、溶媒は酢酸ペンチルであり、ＭＷＣＮＴ−ＣＯＯＨを酢酸ペンチル中で５質量％のＣＮＴ濃度で分散させる。次いでＣＮＴ：Ａｇの適正な最終比率を十分に得られるＣＮＴ分散物のアリコートを容器に入れ、溶媒中で分散させた１５質量％のニトロセルロース溶液と入念に混合する。次に、後述する割合に達するよう溶媒を追加する。次に、銀を５グラム未満ずつ添加する一方、銀を添加する合間にＴｈｉｎｋｙ遊星遠心分離ミキサーで２分間混合する。最終のインク組成物は以下を含む：１９．２３質量％の酢酸ペンチル、１．５１質量％のニトロセルロース（１１．８〜１２．３％の窒素、銘柄：Ｓｙｎｔｈｅｓｉａ  Ｅ９）、７８．３８質量％の銀フレーク（直径２〜４μｍ、オレイン酸でのキャッピング処理）、０．８８質量％の、カルボキシル官能化多重壁カーボンナノチューブ（長さ約１０〜２０μｍ、外径約３０〜５０ｎｍ）。
図１２Ｄは、前述のとおり、銀の質量に対して１質量％のＣＮＴ−ＣＯＯＨを含有する酢酸ペンチルベース銀インク配合の３Ｄ印刷によって生産された導電性フィラメントが伸びる様子の光学画像である。印刷された特徴は１ｃｍを超える不支持部分の隙間に伸びている。ＣＮＴ補強銀フィラメントのＳＥＭ画像が図１１Ｂに示されている。
【００６４】
（例３）
この例に記載のインク配合は前述のＡｒｄｕｉｎｏ基板の３Ｄ印刷に使用されるが、蒸発を減速させるよう溶媒が炭酸プロピレンに変更されている。この修正により、蒸着向けに蓋が被されていないノズルの目詰まりが低減する。次いで配線を６０℃のオーブンで１５分間硬化させ、押し出しフィラメントの乾燥を加速する。典型的なインク配合は以下を含む：１７．３７質量％の酢酸ペンチル、１．５１質量％のニトロセルロース（１１．８〜１２．３％の窒素、銘柄：Ｓｙｎｔｈｅｓｉａ  Ｅ９）、８０．９１質量％の銀フレーク（直径２〜４μｍ、オレイン酸でのキャッピング処理）、０．２１質量％の、カルボキシル官能化多重壁カーボンナノチューブ（長さ約１０〜２０μｍ、外径約３０〜５０ｎｍ）。
【００６５】
水ベース配合
この例では、銀粉末を微粉砕し、洗浄した後、水性媒体中で分散させる。微粉砕配合は１０ｇの銀粉末（２〜３．５μｍの直径／幅）、２．１ｇのＰＶＰ（Ｍｗ＝４０，０００）、および１００ｍＬの脱イオン（ＤＩ）水を含む。微粉砕媒体は直径１２ｍｍおよび２ｍｍのＹＺＰ球形微粉砕媒体を含み、微粉砕時間は１００ＲＰＭで６０時間である。微粉砕後、銀フレークを水中で３回洗浄し、合間に遠心分離する。最終配合の組成は以下を含む：５．３３ｇの微粉砕銀フレークをＰＶＰ被覆したもの、０．１０６６ｇのヒドロキシプロピルセルロース（Ｍｗ＝１００，０００）、０．０５４ｇのヒドロキシプロピルセルロース（Ｍｗ＝１，０００，０００）、および２．７５４ｇのＤＩＨ2Ｏ。
【００６６】
本発明について、特定の実施形態を参照しながらかなり詳しく記述してきたが、本発明から逸脱することのない他の実施形態もあり得る。したがって、添付の特許請求の範囲の精神および範囲は、本明細書に記載の好適な実施形態の記述に限定されるべきではない。特許請求の範囲の意味に該当する実施形態はすべて、逐語的または均等のいずれにせよ、特許請求の範囲に包含されると意図される。
【００６７】
さらに、前述の優位性は必ずしも本発明における限定的優位性であるのではなく、また必ずしも、記載の優位性のすべてが、本発明のあらゆる実施形態について達成されると予想されるわけでもない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ−５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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