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CN113784532A - 在3d件上制造电子组件的方法和包括电子组件的3d件 - Google Patents

在3d件上制造电子组件的方法和包括电子组件的3d件 Download PDF

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CN113784532A
CN113784532A CN202110560169.2A CN202110560169A CN113784532A CN 113784532 A CN113784532 A CN 113784532A CN 202110560169 A CN202110560169 A CN 202110560169A CN 113784532 A CN113784532 A CN 113784532A
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O·V·伊莎贝尔
B·M·D·Z·伊萨斯昆
B·A·莱尔
V·M·塞丽娜
M·P·乔恩
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Fundacion Tecnalia Research and Innovation
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Abstract

将电子组件施加在由聚丙烯基材料制成的3D件上的方法，电子组件包括宽度在0.1mm至4mm之间的至少一个导电路径，方法包括：提供由聚丙烯基材料制成的3D件；选择导电膏；提供流体分配系统(11)，该流体分配系统用于将导电膏涂敷到3D件的表面上；选择喷嘴(125)并将所选择的喷嘴附接到流体分配系统(11)；通过施加0.2巴至13巴之间的压力通过所述喷嘴(125)将所选择的导电膏分配到3D件的表面上，同时在喷嘴(125)与3D件的表面之间维持900μm的最大距离；固化所沉积的导电膏；在印刷导电路径上沉积电介质油墨；固化所沉积的电介质油墨；以及将至少一个电子部件附接在导电路径上。

Description

在3D件上制造电子组件的方法和包括电子组件的3D件
技术领域
本发明涉及注塑件或加工件的领域。具体地，本发明涉及这样的方法和系统：例如用于向构件提供至少一个电接触垫、将导电部件联接到电接触垫和/或包括任何其他电子部件来获得容纳电子器件的3D注塑件或3D加工件。
背景技术
在许多技术领域中，由于不同的原因，电子器件和有关产品通常集成到不同的衬底中。针对这种集成的示例性原因可能出于体积和/或重量的节省以及部件的高效集成。旨在将电子器件集成在不同衬底上的示例性技术领域是产品包装、产品壳体、个人电子装置、可穿戴电子器件、显示器、玩具、家用电器和运输产业(包括汽车和航空产业)。在许多领域，集成是关键方面。例如，在汽车工业领域中，集成在车辆外观和车辆内饰(例如，控制面板、仪板、座椅、门板等)中都是必要的。
存在不同的技术用于将例如电子部件、集成电路和导体的功能提供到衬底元件上。印刷的电子器件或功能性印刷通过增材印刷工艺来覆盖丝网印刷、苯胺印刷和喷墨印刷等。功能性印刷是使用活性材料来执行组合机械和电气/电子功能(包括如照明或光伏的集成元件)的任务。功能性印刷活动通常在柔性或非柔性的平面(2D)衬底上执行。通常使用的衬底的示例是PET、PC、纺织物和纸张。
然而，在某些应用中，在上面必须集成电子器件和有关产品的衬底是三维(3D)结构，因此电子器件的集成变得更加复杂，以致目前没有针对将结构化电子器件集成在3D件中的挑战的优化解决方案的程度。利用层压、保形膜、3D印刷或模内电子器件，结构化电子器件已迅速进入市场。
US2020031041A1公开了一种用于在制造构件的同时在该构件上3D印刷导电电路的方法。具体地，通过涂敷相变材料层来印刷3D结构材料，并且将金属纳米颗粒油墨组合物沉积在该3D结构材料上。
US10408391B2公开了一种用于制造具有集成电子器件的多层结构的方法。该方法包括：在柔性衬底膜层上印刷导电迹线，之后通过热成型使衬底层3D成形。然后，将热塑性塑料模制到膜层的一侧上。然而，该方法在3D几何形状和合适的材料方面做出一些限制。第一，仅可以使用能够支持热成型的柔性衬底。第二，只有可模制油墨适合于热成型。实际上，即使使用柔性衬底和可模制油墨，在要获得的目标3D几何形状方面也存在限制，因为没有可模制油墨支持高于85°的角度变形并且通过热成型可以获得简单的弯曲件，而且在热成型件的深度和要被二次注射的材料方面具有有限的设计自由度。因此，该方法限于具有规则形状的3D件(没有尖锐的三边拐角)。零件底部的半径是最关键的。零件越深，所需的半径或倒角越大，因为热成型需要圆形化形状而不是尖锐的形状。第三，电子部件仅可以被嵌入到一定深度。而且，从平坦变形为不规则形状意味着电路被拉长(拉伸)或压缩，这需要考虑到将要发生的变形的特定设计。除了这些变形之外，高温和高压还损坏刚性部件。最后，该工艺复杂且耗时，因为它涉及不同的设备(丝网印刷、热成型和二次注塑等)。
除了前述缺点之外，在若干行业中，例如汽车产业，期望在3D注塑件上执行印刷电子工艺，以便不改变良好建立的制造工艺。换言之，某些注塑3D件的行业可能不愿意在唯一的目标是热成型平坦的柔性衬底以便在获得3D件之前嵌入电子结构的情况下改变它们的生产线。例如，US7833567B2公开了一种用于在门内饰板上形成电路的方法。该方法包括：间歇地喷射熔融金属到门内饰板上，以限定金属颗粒的行，以便沉积熔融金属以形成电路。然而，已经观察到，在注塑件上沉积熔融金属具有若干缺点。例如，金属在如聚丙烯(PP)的衬底上的粘合性极低，并且某些金属(例如银)的热膨胀系数(19-20(m/m)/℃)相对于未填充的PP的70-90(m/m)/℃存在重要的不匹配。此外，为了获得高电导率而需要高温烧结对于汽车行业中作为目标的大多数塑料是不合适的。最后，当涂敷熔融金属喷射时，难以控制线分辨率，因为其取决于液滴尺寸。
US10276937B2还公开了一种通过利用具有使得能够生成高频液滴的阀的喷射分配器从一定距离的墨滴喷射分配而在衬底上形成导电迹线的方法。然而，输送离散的墨滴需要准确控制油墨粘度，如US10276937B2所承认的：虽然具有高粘度的油墨倾向于在喷嘴尖端处累积，其最终可能作为大块从喷嘴中脱离，产生随机行走模式，但是太多具有低粘度的墨滴导致附属液滴围绕中心液滴的喷射，这产生了非良好限定的几何形状。为了克服这一点，必须在开始印刷过程之前测量导电油墨的粘度，并且如果油墨粘度大于2.0Pa-s(帕斯卡秒)，则向油墨中加入流体以便降低其粘度，或者选择另一种油墨。换言之，US10276937B2中公开的方法限于很小集合的油墨类型，因此其也受限于印刷一些几何形状。
因此，需要开发不会造成上述限制的获得具有电子组件的3D件的替代方法。还需要获得具有电子组件的3D件，电子组件例如为导电路径、电路、电子部件、传感器等，这些电子组件不需要改变注塑制造或加工的常规工艺而获得。
发明内容
本发明所述的用于获得具有电子组件的3D件的方法以及具有电子组件的3D件旨在解决现有技术的方法及其系统的缺点。
本发明的方法允许在由PP基材料制成的注塑件上印刷电子组件。电子组件包括导电路径或电路。电子组件可以另外包括以下元件中的一个或多个：涂敷在导电路径或电路上的电介质保护、电子部件(例如添加到导电路径或电路的电接触垫、联接到电接触路径的导电构件、传感器等)。为了印刷这些元件，需要不同类型的流体。例如，通常需要导电油墨、电介质油墨和粘合剂。
例如，为了在由PP基材料制成的零件中印刷包括具有基于电容传感器的开/关按钮的照明装置的集成在车门或仪表板中的电子组件，将进行以下步骤。首先，必须设计原型，包括设计例如用CAD绘制的电路。然后，必须用导电油墨印刷电路径和电容按钮。必须固化导电油墨，通常通过热过程。必须对要印刷的PP件的每一侧重复该过程。为了保护和隔离用导电油墨进行的印刷，必须在电路上印刷电介质膜。为了确保良好地覆盖导电路径，除了必须放置部件的地方之外，电介质盖的宽度必须优选地大于导电路径和电容按钮的宽度。当覆盖电路并固化电介质油墨时，可以放置例如LED和连接器的部件。这些部件必须通过导电粘合剂油墨胶合到装置。测量的粘合剂油墨的小滴被印刷在导电路径中的特定点上，LED或连接器将最终放置这些特定点处。可选地，可以例如通过层压或膜粘合涂敷封装前述组件的膜。
本发明的方法在运输产业(包括汽车和航空航天行业)中发现了特殊的优点，因为在这些行业中，明确期望制造在其上印刷有电气结构的注塑件或加工件，同时在同一制造工艺中执行两个步骤(零件的注塑或加工以及印刷电气结构)，其中，印刷电子电路等作为对注塑或加工制造件执行的附加步骤来完成。换言之，不需要修改注塑或加工工艺，因为印刷直接发生在成品件上。
由于这个原因，因为在注模或加工件上执行电气结构的印刷，所以需要适应制造零件的材料。例如，在汽车行业中，注塑件由具有低表面能的聚合物材料制成。聚合物材料优选是聚丙烯(Polypropylene，PP)基材料。PP基材料可以是未填充或填充有普通填料，如滑石粉、短玻璃纤维或其它物质。
通过应用流体分配技术(也称为微分配)，使用功能油墨将电子组件直接印刷在成品件上，其中，当例如导电膏的油墨小滴连续沉积在3D件的表面上时，它们形成细丝。印刷过程使用机器人或机器人系统来执行，该机器人或机器人系统可以使用具有对应分配喷嘴的不同头(流体分配器)来处理不同类型的印刷模块，通过这些分配喷嘴来涂敷例如功能油墨或粘合剂的材料，并且该机器人或机器人系统使用固化模块来烧结油墨。在本发明的上下文中，表述功能油墨(或简称为“油墨”)指代导电、电介质或感测油墨。转而，粘合剂用于将某些部件(例如连接器或分立部件)附接到零件。机器人系统可以具有一个或多个头。流体分配器可处理宽范围的流体，以通过使流体的粘度与喷嘴的内径以及分配期间施加的压力和速度适当地匹配来分配点、小滴或绳(连续细丝)。阀在控制压力以便完美地控制所分配的流体方面特别相关。在分配期间施加的速度也可以与流体粘度、喷嘴的内径和施加的压力相匹配。
当机器人系统具有单个头时，不同的注射器组件和对应的分配尖端用于印刷电子组件的相应层。在这种情况下，每次必须涂敷新的油墨(或粘合剂)层时，都更换注射器组件和分配尖端。当机器人系统具有若干个头时，各个头具有不同的注射器组件和附接到其的对应的分配尖端或固化模块，使得不需要在每次新的印刷层(并且因此新的注射器组件、流体和分配尖端或固化模块)应当被印刷或涂敷时中断印刷过程。机器人系统还可以具有一个或多个拾取和放置头，用于定位非印刷部件，例如灯(例如LED)、连接器、传感器或其它部件。机器人或机器人系统还可以具有用于原位固化所涂敷的功能油墨或粘合剂的一个或多个固化头。
3D PP基零件可具有任何形状，包括单曲率表面和双曲率表面，单曲率表面在一个线性轴上弯曲并且是圆柱体或圆锥体的一部分(例如线性或圆柱形表面)，双曲率表面是一部分的球体或回转双曲线体。3D件的外表面可以具有几何不规则性(例如腔、孔、凹槽、通道)或任何其他不规则性(例如装饰图案)。即使3D件的表面具有高粗糙度，电子组件也可以被印刷在3D件上。事实上，PP基表面的一定粗糙度可由于增加的接触表面而有助于提高粘合性。
在由聚丙烯基材料制成的零件上印刷导电结构必然面临若干困难。具体地，需要控制两个重要的表面特性：粘合性和润湿性(表面能)。关于粘合性，影响粘合性的因素是聚合物衬底的组成(聚合物本身和最终的填料和/或添加剂)、模制工艺、表面条件(包括粗糙度)以及储存和处理。粘合性已经使用具有不同等级和不同填料的不同PP基材料进行了测试。由PP基材料制成的聚合物衬底与大量常规油墨的粘合性不好。具体地，常规功能油墨对PP基材料的粘合性低于其对其它材料(例如PC或PMMA)的粘合性。这种不良粘合性的原因之一是材料的低极性。
关于润湿性，影响润湿性(表面能)的因素是聚合物衬底(聚合物本身和最终的填料和/或添加剂)的组成和表面粗糙度，这又取决于模具精整。在这种意义上，使用具有高表面粗糙度的零件是期望的。然而，在某些领域，例如汽车领域，注塑件的标准制造工艺根本不能改变。由于这个原因，模具的表面光洁度不能被修改以便使得能够进行(或有助于)导电结构的稍后印刷。本发明的方法适应于零件表面的实际粗糙度。
因为不能控制影响在注塑件上的印刷工艺的粘合性和润湿性的不同因素(因为它们形成了良好建立的制造工艺的一部分)，所以发明人已经认识到，必须使用特定类型的导电油墨来印刷导电结构。本发明中使用的油墨(也称为可低温干燥的导电膏)包括含银的金属颗粒、结合剂(也称为粘结剂)和有机溶剂。在油墨中也可可选地包括一种或多种添加剂。
油墨的表面张力优选小于衬底表面能，优选差值为2mN/m-10mN/m(实际上约10mN/m)，以便使油墨展开并润湿衬底，由此实现良好粘合性所必须的紧密接触。因此，所选油墨必须保证这种良好的粘合性。
本发明的第一方面涉及一种将电子组件施加在由聚丙烯基材料制成的3D件上的方法，电子组件包括宽度在0.1mm至4mm之间的至少一个导电路径，方法包括：提供由聚丙烯基材料制成的3D件；选择导电膏，该导电膏包括：包括银的金属颗粒、结合剂和有机溶剂；结合剂的量在1重量％至5重量％之间；金属颗粒的量在74重量％至90重量％之间，金属颗粒的平均尺寸在50nm至50μm之间；其中，导电膏的粘度在75Pa-s至425Pa-s之间，该粘度用流变仪在25℃的温度下以1/s的剪切速率测量；提供流体分配系统，该流体分配系统用于将导电膏涂敷到3D件的表面上；选择喷嘴并将所选择的喷嘴附接到流体分配系统，所选择的导电膏将通过该流体分配系统分配，其中，喷嘴被选择为使得喷嘴的内径尽可能接近要涂敷的导电路径的宽度，喷嘴的内径小于要涂敷的导电路径的宽度；通过施加0.2巴至13巴之间的压力通过所述喷嘴将所选择的导电膏分配到3D件的表面上，同时维持喷嘴与3D件的表面之间的900μm的最大距离；固化所沉积的导电膏；在印刷导电路径上沉积电介质油墨；固化所沉积的电介质油墨；以及将至少一个电子部件附接在导电路径上。
在本发明的实施例中，当所选择的导电膏的粘度在75Pa-s至105Pa-s之间时，所选择的导电膏以如下方式分配到3D件的表面上：如果所选择的喷嘴的内径在0.1mm至0.3mm之间，则在导电油墨上施加3巴至1巴之间的压力；如果所选择的喷嘴的内径在0.3mm至1mm之间，则在导电油墨上施加1巴至0.3巴之间的压力；如果所选择的喷嘴的内径在1mm至4mm之间，则在导电油墨上施加0.3巴至0.2巴之间的压力。
在本发明的实施例中，当所选择的导电膏的粘度在105Pa-s至260Pa-s之间时，所选择的导电膏以如下方式分配到7D件的表面上：如果所选择的喷嘴的内径在0.1mm至0.3mm之间，则在导电油墨上施加7巴至2巴之间的压力；如果所选择的喷嘴的内径在0.3mm至1mm之间，则在导电油墨上施加2.5巴至0.4巴之间的压力；如果所选择的喷嘴的内径在1mm至4mm之间，则在导电油墨上施加0.5巴至0.3巴之间的压力。
在本发明的实施例中，当所选择的导电膏的粘度在260Pa-s至425Pa-s之间时，所选择的导电膏以如下方式分配到3D件的表面上：如果所选择的喷嘴的内径在0.1mm至0.3mm之间，则在导电油墨上施加13巴至3巴之间的压力；如果所选择的喷嘴的内径在0.3mm至1mm之间，则在导电油墨上施加3巴至0.8巴之间的压力；如果所选择的喷嘴的内径在1mm至4mm之间，则在导电油墨上施加0.8巴至0.4巴之间的压力。
在本发明的实施例中，电介质油墨是包括以下至少一者的聚合物电介质油墨：聚(4-乙烯基苯酚)(Poly(4-vinylphenol)，PVP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methylmethacrylate))、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇和聚苯乙烯。
在本发明的实施例中，至少一个电子部件是凭借沉积在导电路径上的对应位置上的粘合剂来粘附的。
在本发明的实施例中，至少一个电子部件是LED、电缆、连接器和传感器中的一者。
在本发明的实施例中，包括在导电膏中的结合剂是基于聚合物树脂的。
在本发明的实施例中，导电膏是用尖端成角度的喷嘴来沉积的。
在本发明的实施例中，所沉积的导电膏在烘箱中在130℃至170℃的温度下固化5分钟至1.5小时。
在本发明的实施例中，所沉积的导电膏使用IR灯来固化。
在本发明的实施例中，所沉积的电介质油墨使用UV灯固化20秒至60秒。
在本发明的实施例中，聚丙烯基材料是以下材料中的一者：热塑性聚烯烃(Thermoplastic Polyolefin，TPO)；PP共聚物；着色PP；工程填充聚丙烯(Engineering-filled Polypropylene，EFPP)；新一代PP；和PP-玻璃纤维复合材料。
所提出的方法可以对多种油墨有效，这使得能够在多种几何形状上获得多种电子组件。
本发明的其它优点和特征将从下面的详细描述中变得明显，并将在所附权利要求中特别指出。
附图说明
为了完成描述并且为了提供对本发明的更好理解，提供了一组附图。所述附图形成说明书的组成部分，并例示了本发明的实施例，该实施例不应被解释为限制本发明的范围，而仅作为如何实施本发明的示例。附图包括以下图：
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的用于在注塑件上执行功能性印刷的机器人系统。
图2示意性地示出了根据本发明的替代实施例的用于在注塑件上执行功能性印刷的机器人系统的一部分。
图3示意性地示出了根据本发明的替代实施例的用于在注塑件上执行功能性印刷的机器人系统的一部分。
图4示意性地示出了根据本发明的实施例的印刷组件。
图5示意性地示出了根据本发明的实施例的用于在注塑件上执行功能性印刷的另一机器人系统。
图6a、图6b、图7a、图7b、图7c、图8a和图8b示出了通过注塑工艺或加工工艺获得的并且用于汽车和/或航空行业中的3D件。
具体实施方式
图1示意性地示出了可以用在根据本发明的方法中的机器人或机器人系统10，该方法用于获得在其上具有导电结构的3D件。该3D件可以是复杂的3D件，例如具有单一表面或双表面曲率。可以通过常规的注塑或加工制造工艺获得该3D件。该件(注塑或加工件)由具有低表面能的聚合物材料制成。聚合物材料优选是聚丙烯(PP)基材料。PP基材料可以是未填充或填充有普通填料，如滑石粉、短玻璃纤维或其它物质。可制成注塑件的PP基材料的非限制性示例为：热塑性聚烯烃(thermoplastic polyolefin，TPO)；PP共聚物；着色PP；工程填充聚丙烯(EFPP)；新一代PP(也称为新一代料(grades))；和具有不同量的玻璃纤维(例如1重量％至40重量％之间的玻璃纤维，例如2重量％至40重量％之间或10重量％至40重量％之间)的PP-玻璃纤维复合材料。
例如，但非限制性地，TPO通常用于模制某些车辆零件，例如保险杠饰带、侧梁、挡泥板和保护性模塑件。PP共聚物通常用于模制某些车辆零件，例如电池外壳和保险杠。着色PP通常用于模制某些车辆零件，例如门板、柱、装饰件和灯壳。EFPP通常用于模制某些车辆内部部件，例如柱、控制台、扶手等；加热器壳体；空气滤清器主体；和其它具有改进的美观性的内部部件、仪表板部件、保险杠、火花塞、发动机风扇、轮罩装饰件、方向盘套、整体式仪表板、前围连杆机构罩、装饰板、散热器集管、发动机风扇、加热器挡板等。PP-玻璃纤维复合材料通常用于模制某些车辆零件，例如前端模块、电池支架、变速杆壳体/支架、仪表板(Instrumental Panel，IP)托架、车身镶板加强件、车身底部空气动力学盖、电子盒、踏板及其支架、门板托架和门模块、保险杠横梁、挡泥板延伸件、车轮盖、轮毂盖、灯壳、格栅、引擎盖下贮液罐以及车轮装饰环。作为示例，仪表板、保险杠和一些外饰件可以由具有10-30重量％的玻璃纤维的PP-玻璃纤维复合材料制成；保险杠、扰流板和侧保护带可以由具有大约20重量％的玻璃纤维的PP-玻璃纤维复合材料制成；包括仪表板的某些汽车内饰件和包括保险杠系统和其它外饰件的某些外饰件可以由具有30-40重量％的玻璃纤维的PP-玻璃纤维复合材料制成；并且风扇叶片、前照灯壳体和皮带罩可以由具有大约30％重量的玻璃纤维的PP-玻璃纤维复合材料制成。
零件表面可以具有与所谓的镜面抛光模具相当的最小粗糙度、以及高达几百微米(10-6m)(例如高达500μm)的最大粗糙度(平均粗糙度)。当设计电路时，必须考虑目标PP基衬底的表面粗糙度。
图6a、图7a至图7b和图8a示出了例如在汽车和/或航空行业中使用的注塑3D件的示例。图6a示出了由具有16％滑石粉的PP-玻璃纤维复合材料制成的门外框70。图7a至图7b示出了由具有24％(重量％)短玻璃纤维的PP-玻璃纤维复合材料制成的后视镜托架80的两个视图。图8a示出了由具有20％短玻璃纤维的PP-玻璃纤维复合材料制成的前照灯壳体部分90。注塑或加工件(图1中未示出)可以放置在板13上。机器人系统10用于通过流体分配(优选地为微分配)将功能油墨涂敷在零件上。也可以用于涂敷粘合剂以便将某些部件附接到零件。
机器人系统10具有控制器14。控制器14具有处理装置，例如一个或多个处理器或微处理器。例如，控制器14可以在具有至少一个中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)的个人计算机(Personal Computer，PC)中实现。一个或多个人机接口(Human-MachineInterface，HMI)可以用作控制器14(和嵌入其中的软件)与操作者之间的接口。HMI的非限制性示例可以是监视器、键盘、鼠标等。控制器14包括存储装置，其中存储电子组件的设计(即，一个或多个印刷头遵循的轨迹)。例如借助于CAD设计引入要印刷的轨迹。电子组件印刷工艺意味着必须使用不同的油墨，例如导电油墨、电介质油墨(以保护和隔离导电路径)、以及可选地胶合电子部件的粘合剂。各种流体(油墨、粘合剂)涉及不同的工艺步骤，因此必须为各种流体(换言之，为各个印刷层)引入不同的设计(即CAD设计)。还存储限定零件的3D形状的坐标。用于将零件的当前位置与其参考位置(例如，作为图像文件存储在存储装置中)进行比较的特定软件也可以嵌入控制器14中。机器人系统10具有至少三个轴线(三个自由度(Degree of Freedom，DoF))。在三个DoF的情况下，与图1中的机器人系统10的情况相同，对应于印刷头遵循的轨迹的(x，y，z)点被提供给机器人系统，具体是控制器14，该控制器又控制印刷头的移动。要提供的(x，y，z)点的数量取决于零件的复杂度。
机器人系统10可具有板13，例如固定板，上面可布置将要在上面印刷电子组件的零件。机器人系统10还包括支架17，该支架是用于支撑机器人系统10的部件并且用于实现印刷头与零件之间的相对移动的机电结构。
支架17可以用至少一个细长部分(竖直梁)171和至少一个细长部分173(水平梁)来实施，该细长部分171相对于在上面放置零件的表面(即板13)垂直布置，细长部分173从细长部分171的上端垂直突出。平行于细长部分171，可以有第二细长部分172，该第二细长部分172的上端附接到部分173的未附接到部分171的端部。在这种构造中，支架17基本上呈倒U形。墨盒18可滑动地附接到水平梁173。墨盒18可沿着水平梁173移动，也就是说，沿着X轴(即，水平地)移动。墨盒18的移动通过柔性缆索19来实现。墨盒18承载印刷组件(也称为印刷头或流体分配系统)11，该印刷组件包括注射器(syringe)、印刷尖端(喷嘴)和印刷过程中涉及的其它元件。因此，当墨盒18沿着水平梁173滑动时，印刷装置11沿X轴移动。在图1中，板13可沿Y轴(向后和向前)移动。印刷组件11附接到支架，支架又联接到墨盒18。上面附接印刷组件11的支架可竖直移动(沿Z轴)，使得印刷组件11靠近或远离布置在板13上的零件的3D表面。因此，通过墨盒18沿着水平梁173的移动、印刷组件支架的竖直移动和板13的移动的组合，复制了由控制器14命令的(x，y，z)位置，以便跟随所需的印刷轨迹。参照图4详细说明了示例性的印刷组件11。
在特定实施例中，机器人系统10可以包括感测装置(图1中未示出)，该感测装置例如附接到印刷组件11，以测量印刷组件的尖端与零件的表面之间的实际距离(Z轴)。这种感测装置的非限制性示例是激光传感器或照相机。在该实施例中，感测装置以以下这种方式在印刷组件11移动的同时移动：在感测到布置在板13上的零件的表面的同时，捕获零件的高度(Z轴)。然后可以基于该捕获执行高度(Z轴)的手动校正，使得零件可以与印刷对齐。
在另一特定实施例中，机器人系统10可以包括扫描仪(图1中未示出)，该扫描仪以以下这种方式在印刷组件11移动的同时移动：在扫描布置在板13上的零件的表面的同时，将在零件表面上测量的(x，y，z)点反馈给控制器14，使得可以在需要时调节所限定的轨迹。控制软件可以使用参考点来针对布置在板13上的零件的方位和位置的小变化进行自动调节。控制软件还可以调节控制要分配的油墨量的程序(软件)，这取决于零件的方位和位置的这种变化。例如，如果检测到零件的X和Y位置的差异或旋转角度的差异(在这种旋转是可变的情况下)，则控制软件自动地调节定量路径以校正该差异。因此获得了高的位置准确度。机器人系统可以具有多于三个轴(DoF)，例如4轴(DoF)或5轴(DoF)。
图2示出了可替代的机器人系统10’。机器人系统10’类似于机器人系统10，但是具有四个DOF而不是三个DOF。具体地，除了机器人系统10实现的X、Y、Z移动之外，机器人系统10’还包括印刷组件中(例如具体地在注射器中)的旋转移动。图3示出了另一可替代的机器人系统10”。机器人系统10”具有五个DOF。具体地，除了机器人系统10、10’实现的X、Y、Z移动之外，机器人系统10”还包括零件中的旋转移动S和倾斜移动T。换言之，零件可以被旋转S和倾斜T。为了实现第四DoF和第五DoF，机器人系统10中的板13被下梁130代替，该下梁被构造为在0至180°之间旋转。
图4示出了可以在任何机器人系统10、10’、10”中使用的流体分配系统11。流体分配系统11包括注射器110、附接到注射器端部的分配油墨/膏所通过的喷嘴或印刷尖端125、以及适配器组件115。注射器110包括贮存器或注射器筒124，该贮存器或注射器筒124是细长的主体，通常具有圆形截面，设计成填充有流体128，例如油墨、膏或粘合剂。外部压力调节器(未示出)可以用于通过适配器组件115施加具有一定压力的进气口。压力调节器借助于阀控制所施加的压力。压力(由压缩空气施加，压缩空气又由外部压力调节器控制)作用在活塞122上，活塞又推动油墨128。因此，油墨通过喷嘴125分配。根据与压力调节器一起应用的进气口的量，调节要施加的压力。当使用具有非常低粘度的流体128(即，油墨)时，压力调节器可以在待机时刻(即在连续沉积之间)对活塞122施加真空。可以使用其它机构。例如，当使用具有高粘度的流体时，可以使用未示出的压力倍增机构(例如，将压力倍增7倍)。在注射器110中施加的压力取决于几个因素，包括油墨粘度、分配尖端的内径以及待印刷导电路径的厚度(深度)和宽度。
图5示出了可以用在根据本发明的用于获得在其上具有导电结构的3D件的方法中的可替代的机器人系统60。与机器人系统10、10’、10”类似，机器人系统60具有类似于控制器14的控制器(未示出)，该描述适用于机器人系统60的控制器。机器人系统60也具有板63，例如固定板或电路试验板，在板63上可布置将要在其上印刷电子组件的零件。该系统也包括类似于机器人系统10、10’、10”中的支架17的支架67。支架67可以用至少一个细长部分(竖直梁)671和一个细长部分673(水平梁)实现，该细长部分671相对于上面放置零件的表面(即板63)垂直布置，细长部分173从细长部分171的上端垂直突出。平行于细长部分671，可以有第二细长部分672，该第二细长部分172的上端附接到部分673的未附接到部分671的端部。在这种构造中，支架67基本上呈倒U形。机器人系统60也具有可滑动地附接到水平梁673的墨盒60。墨盒68可沿着水平梁673移动，也就是说，沿着X轴移动。墨盒68包括下部66，该下部使得能够在垂直于板63的Z轴上移动。在该实施例中，附接到部分66的是支架65，该支架又承载多个印刷组件611-613，各个印刷组件包括注射器和印刷尖端。支架65还承载其它元件，例如灯621-622和/或一个或多个拾取和放置头。当墨盒68沿着水平梁673滑动时，附接到支架65的元件沿X轴移动。与机器人系统10中一样，板63可沿Y轴(向后和向前)移动。支架65(具体是其下部66)可竖直移动(沿Z轴)，使得印刷组件和其它元件靠近或远离布置在板63上的零件的3D表面。因此，通过墨盒68沿着水平梁673的移动、部分66的竖直移动和板63的移动的组合，复制了由控制器14命令的(x，y，z)位置，以便跟随所需的印刷轨迹。在机器人系统60中，还可以存在感测装置(例如激光传感器、照相机、扫描仪)，该感测装置用于检查印刷末端与零件表面之间的距离，并且最终调节机器人系统要遵循的轨迹。
在该实施例中，多个印刷组件611-613附接到支架65，因此附接到主支架67。不同的印刷组件611-613用于将不同类型的功能油墨或粘合剂沉积在布置在板63上的部分上，以便获得电气组件。印刷组件611-613可以类似于图2所示的印刷组件或不同的印刷组件，这取决于一些情况(例如待印刷导电路径的宽度和深度)。利用这种构造，可以执行用于在零件上印刷导电结构的工艺的不同印刷阶段(例如沉积导电路径，在导电零件上沉积电介质保护，涂敷粘合剂以附接其它部件)，而无需中断机器人系统60的操作，并且特别地无需将用于例如分配导电油墨的注射器与印刷组件分离，以便将用于在先前沉积的导电油墨上分配例如电介质油墨的不同注射器耦合到印刷组件，与图1的实施例中的情况相同。存在具有对应注射器和尖端的至少三个印刷头611-613：第一印刷组件611，用于在布置在板63上的零件上沉积导电油墨，遵循编程轨迹(由机器人控制器控制)；第二印刷组件612，用于沉积电介质油墨；以及第三印刷头，用于在零件上沉积粘合剂。
在图5中，还存在附接到支架65的至少一个固化灯621-622。因此，在墨盒68沿着梁673滑动的同时，至少一个灯移动。在所示的实施例中，存在用于IR固化的一个IR灯621和用于UV固化的一个UV灯162。一旦导电油墨已经被印刷组件611沉积，IR灯621就通常用于固化导电油墨。而一旦电介质油墨已经被印刷组件612沉积，UV灯162就通常用于固化电介质油墨。尽管未示出，但是机器人系统60还可以包括拾取和放置头，该拾取和放置头附接到支架65，例如与组件611-613和灯621-622对齐，并且被构造为(根据由机器人控制器管理的编程指令)自动地将例如灯(即，LED灯)、传感器、按钮、开关等的附加部件放置在零件上的特定位置上，以便完成正被印刷的电子结构。
接下来说明用于在由PP基衬底制成的3D件上制造电子组件的方法。该方法可以用机器人系统10、10’、10”、60来完成。在机器人控制器14中，存储表示要在3D件上印刷的不同层的电路图案。通常，电路图案具有：第一层，该第一层涉及导电路径，该导电路径必须首先沉积在3D件上；第二层，该第二层涉及电介质路径，电介质路径然后必须沉积在3D件上，覆盖已经沉积的导电路径；以及第三层，该第三层涉及粘合剂和要粘附在已沉积层上的特定点上的单个部件。取决于上面将应用印刷的零件(零件的类型、形状、尺寸、零件预期的应用等)，选择导电路径的特定宽度。在本发明的实施例中，导电路径的宽度可以在0.1mm-4mm的范围内，这在某些工业领域(例如汽车和航空工业)中对于印刷在PP基零件上的电子组件的通常要求内。导电路径的深度可以在0.04mm-0.65mm的范围内。因此，轮廓(由宽度和深度限定的面积)可以在0.004mm2-2.6mm2之间。注意，当与具有复杂曲率、形状或几何形状的3D件一起工作时，导电路径的宽度可以在零件内变化，以便适应3D件的所述特性。当要印刷的电子组件具有物理部件(LED灯等)时，导电路径的宽度还可取决于这些部件在零件上的位置以及部件之间的距离等。
在电路图案的不同层的设计期间，优选保持印刷线路之间的最小间隙，使得例如与PP基衬底的粗糙度相关联的潜在固有定义错误不会对最终零件或涂敷在其上的电子组件造成影响。这种最小间隙可以是几微米，例如50μm、或100μm、或200μm、或300μm。换言之，机器人系统10、10’、10”、60，具体是其控制器14，已经通过输入一个或多个模式(例如DXF文件)来编程。在特定实施例中，DXF文件输入机器人系统所要遵循的轨迹的(x，y)位置，以便在所选择的3D件上印刷电子组件。在这种情况下，仍然必须确定高度(Z轴)。这可以根据机器人系统的能力手动或自动地进行。
在使用流体分配技术(微分配)将油墨/膏涂敷到3D件的表面期间，喷嘴125的尖端(其近端)和表面可以分开预定距离。为了使膏适当地粘附到衬底(3D件的表面)，最大距离可以优选地为约1mm。具体地，最大距离可以是约900μm、或约800μm或约700μm或更小。在特定实施例中，喷嘴的尖端与表面之间的最小距离被定义为表面的平均粗糙度的两倍。
根据要印刷的导电路径的宽度，选择分配方法中涉及的某些参数的值。包括在电子组件中的导电路径必须具有一定的电导率以便其正确操作。期望的电导率取决于几个参数，例如所用导电油墨的类型以及固化温度和时间。这意味着，当设计电子组件和选择导电油墨时，还必须考虑导电路径的电阻率，这意味着在印刷在PP基零件上的电子组件的使用期间，所提供的电压不应沿着整个导电路径具有显著下降。该目标电阻率通过正确选择导电油墨和一旦分配就正确固化油墨来实现，该导电油墨必须具有足够量的金属颗粒(即导电颗粒)。
然后选择导电油墨(也称为可低温干燥的导电膏)，导电油墨包括金属颗粒、结合剂和有机溶剂。在印刷在具有宽度在0.1mm至4mm之间(或轮廓在0.004-2.60mm2之间)的导电路径的PP基零件上的电气组件中实现期望的电导率(即，不超过1000mΩμm的电阻率)所需的导电油墨中的金属颗粒的量为70-90重量％，优选为74-90重量％，例如74-85重量％或74-82重量％或76-82重量％。金属颗粒的平均尺寸在50nm至50μm的范围内。在金属颗粒基本上为球形的实施例中，平均尺寸指代颗粒的平均直径。已经观察到，当从约900μm的最大距离微分散并施加0.2巴-13巴的压力时，具有在所述范围内的金属颗粒量及其平均尺寸的导电膏被正确地粘附到衬底。相反，在使用通过以一定速率提供液滴生成的阀喷射分配的常规方法(例如US10276937B2中公开的方法)中，大量的金属颗粒或大尺寸的金属颗粒容易堵塞喷嘴。金属颗粒包括银。在本发明的实施例中，它们仅由银制成。在本发明的替代实施例中，它们可以组合银和铜，例如它们可以由覆盖有铜的银芯制成。
结合剂必须以以下这种方式来选择：它提高对PP基衬底的粘合性并控制润湿性。使用有机结合剂。在优选的实施例中，选择基于聚合物树脂的结合剂，该结合剂的范围为1重量％-5重量％，重均摩尔质量为15000-60000。较高的分子量是不利的，因为它们增加了链缠结，这导致玻璃转变温度(Tg)和粘度增加。就主体粘附而言，聚合物-聚合物相互作用有助于内聚力。聚合物树脂可具有有助于改善与PP基衬底的粘合性的官能团，如羟基和/或羧基。
有机溶剂是有机结合剂的稀释剂。合适的有机溶剂的示例可以包括：醇，例如正丁醇和异丙醇；二醇，例如乙二醇、丙二醇、二甘醇和聚乙二醇；醚醇；醚，例如乙二醇二-C1-C6-烷基醚、丙二醇二-C1-C6-烷基醚、二甘醇二-C1-C6-烷基醚和二丙二醇二-C1-C6-烷基醚；酮，例如丙酮、甲乙酮、甲基丙基酮、二乙基酮、环己酮和甲氧基己酮；酯或醚酯，例如乙氧基丙酸乙酯、乙基乙二醇乙酸酯、二乙二醇单丁醚乙酸脂、甲氧基丙基乙酸酯、乙氧基丙基乙酸酯、甲氧基丁基乙酸酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸异丁酯、二乙酸酯、乙二醇二乙酸酯、丙二醇二乙酸酯；萜烯，例如α-或β-萜品醇；烃，例如煤油，或其任意组合。有机溶剂优选在4重量％至29重量％的范围内。
油墨可包括一种或多种添加剂。一种或多种添加剂的量可以是小于1重量％。可包括在导电膏组合物中的添加剂的非限制性示例是消泡剂、流变控制剂和增塑剂，以改善柔韧性并使油墨不那么脆弱。
如所说明的，所选择的导电膏包括70重量％至90重量％(优选74重量％至90重量％，例如74重量％-85重量％或74重量％-82重量％或76重量％-82重量％)的包括银的金属颗粒，并且金属颗粒的尺寸在50nm至50μm之间。所选的导电油墨在假定路径宽度在0.1mm至4mm之间(优选在0.25mm至4mm之间(或路径轮廓在0.004mm2至2.6mm2之间)的情况下提供了与制成3D件的PP基材料的良好粘合、以及在待印刷导电路径中的良好电阻率值。所选导电膏的粘度在75Pa-s至425Pa-s之间，用流变仪在25℃的温度和1/s剪切速率下测量。除非另有指示，否则从现在开始，粘度用流变仪在25℃的温度和1/s剪切速率下测量。
然后选择流体分配系统11，使得所选择的导电膏填充流体分配系统11的注射器110。贮存器或注射器筒124可以具有不同的尺寸。例如，可以选择3cc、5cc、10cc、20cc和55cc的贮存器。如果使用UV固化的油墨，则可以使用不透明的贮存器。也可使用不同类型的分配尖端(喷嘴)125。在选择喷嘴125时要考虑的重要参数是其内径，因为它与油墨的粘度和施加到其上的压力一起决定了要涂敷在零件上的路径(即导电路径)的图案(宽度和/或深度)。分配尖端(喷嘴)可具有的内径125的非限制性示例为0.1mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.33mm、0.41mm、0.51mm、0.61mm、0.84mm、1.2mm、1.36mm、1.54mm、2.2mm、2.7mm、3.4mm和3.8mm。尖端的内径可以至少根据要在零件上勾画的油墨路径的尺寸来选择。可以考虑的喷嘴125的其它参数是：材料(例如，它必须与待分配油墨相容)；长度；以及它是直的还是成角度的。长度和形状(例如，直的或成角度的)在使用三个DoF机器人系统时(其中喷嘴和零件之间不可能有相对旋转或相对倾斜)和/或当3D件具有高复杂度时是特别相关的。例如，当上面将印刷电气组件的零件具有必须在上面应用印刷的渠道或凹槽时，喷嘴125的长度和形状是重要的。喷嘴125可以由不同的材料制成，例如不锈钢、聚丙烯、聚乙烯、PTFE或其它材料，并且具有不同的形状，例如标准尖端、圆锥形、成角度的、倒角的、刷状或其它形状。因此，也可以印刷大于90°的角度和复杂曲率。根据所选油墨的类型，可以使用由某种材料制成的分配尖端125，以防止化学不相容性。当导电油墨中包括的金属颗粒包括银时，分配尖端125优选地由不锈钢制成。
选择喷嘴(分配尖端)125，导电膏必须通过该喷嘴分配到3D件的表面上。然后，将喷嘴125附接(例如，拧紧)到填充有所选膏的注射器110。注射器110又联接到机器人系统10、10’、10”、60。为了用选择的油墨在由PP基材料制成的零件上印刷，使用优选由钢(更优选不锈钢)制成的喷嘴125。至少根据喷嘴125的内径来选择喷嘴。
在本发明的实施例中，印刷线路(导电路径)的宽度比所选喷嘴的内径大至少几微米。因此，优选地，喷嘴125的内径被选择为基本上对应于待印刷导电路径的宽度。喷嘴125的内径优选地被选择为尽可能接近待印刷导电路径的宽度，条件是喷嘴125的内径小于待印刷导电路径的宽度。具体地，对于在0.1mm至0.3mm范围内的导电路径宽度，优选地选择具有0.1mm至0.25mm范围内的内径的喷嘴；对于在0.3mm至0.8mm范围内的导电路径宽度，优选地选择具有在0.33mm至0.61mm范围内的内径的喷嘴；并且对于0.8mm至4mm范围内的导电路径宽度，优选地选择具有在0.84mm至3.8mm范围内的内径的喷嘴。
一旦根据喷嘴125的内径选择了该喷嘴，则选择例如通过阀施加到填充注射器110(具体是注射器筒124)的导电膏128的压力，以便控制通过所选喷嘴125的分配。要施加的压力至少取决于所选油墨的粘度和所选喷嘴的内径。它也可以取决于要沉积的导电路径的厚度。压力被选择为使得实现0.1mm至4mm之间的路径宽度(或在0.004mm2-2.6mm2之间变化的路径轮廓)。
在所选导电膏的粘度在75Pa-s至105Pa-s之间的特定实施例中，必须施加以下压力，这取决于所选喷嘴125的内径：如果喷嘴的内径在0.1mm至0.3mm之间，则施加的压力必须在3巴至1巴之间；如果喷嘴的内径在0.3mm至1mm之间，则施加的压力必须在1巴至0.3巴之间；如果喷嘴的内径在1mm至4mm之间，则施加的压力必须在0.3巴至0.2巴之间。
在所选导电膏的粘度在105Pa-s至260Pa-s之间的特定实施例中，必须施加以下压力，这取决于所选喷嘴125的内径：如果喷嘴的内径在0.1mm至0.3mm之间，则施加的压力必须在7巴至2巴之间；如果喷嘴的内径在0.3mm至1mm之间，则施加的压力必须在2.5巴至0.4巴之间；如果喷嘴的内径在1mm至4mm之间，则施加的压力必须在0.5巴至0.3巴之间。
在所选导电膏的粘度在260Pa-s至425Pa-s之间的特定实施例中，必须施加以下压力，这取决于所选喷嘴125的内径：如果喷嘴的内径在0.1mm至0.3mm之间，则施加的压力必须在13巴至3巴之间；如果喷嘴的内径在0.3mm至1mm之间，则施加的压力必须在3巴至0.8巴之间；如果喷嘴的内径在1mm至4mm之间，则施加的压力必须在0.8巴至0.4巴之间。
不同的实施例可以总结在下表中：
Figure BDA0003078724760000151
然后将3D件放置在固定板13、63上。当软件(例如DXF文件)具有机器人系统要遵循的轨迹的(x，y)位置以便在3D件上印刷电子组件时，可以根据机器人系统的能力手动或自动地建立高度(Z轴)。在特定实施例中，高度通过以下方式来固定：手动测量分配尖端(喷嘴)125(其已附接到注射器，继而附接到机器人系统)与零件的表面之间的距离。例如，将喷嘴125手动地布置在零件表面的不同点上，并且在软件设计(例如CAD设计)中引入各个点中的结果Z值(高度)。因此，软件设计知道上面必须进行印刷的(x，y，z)位置。替代性地，Z调节可以用传感器来完成，因此避免了将喷嘴布置在零件的不同点上的手动步骤。换言之，高度(Z轴)必须在不同点进行校准以校正由PP基零件的3D形状引入的任何偏移。此外，如果机器人系统具有照相机或扫描仪，则在零件的印刷期间可以进行(x，y)中的小对齐。
可选地，一旦已经选择了导电膏、喷嘴的内径和要施加的压力，则为了获得导电路径的目标宽度，可以调节机器人系统10、10’、10”、60的速度。当选择印刷速度时，也可以考虑3D的几何形状的复杂度。例如，当使用图1中的机器人系统10时，印刷速度是指墨盒18沿着水平梁173的移动(X)、印刷组件支架的竖直移动(Z)和板13的移动(Y)。机器人系统的联合印刷速度可以在3mm/s至20mm/s之间(例如在5mm/s至15mm/s之间)调节。
当3D件具有复杂的曲率(例如凹槽)时，和/或当机器人系统具有3个轴(X，Y，Z)时，必须仔细选择喷嘴的长度和形状。例如，可以选择尖端成角度的喷嘴以便将期望的导电膏沉积在3D件的正确表面上(例如，沿着渠道或凹槽)。上面要制造电子组件的零件可以是具有任何形状(包括单曲率表面和双曲率表面)的3D件。3D件的外表面可以具有几何不规则性，例如腔、孔、凹槽或装饰图案。为此，在许多情况下，印刷头不能以垂直的方式冲击上面分配油墨或粘合剂的零件的表面。这例如在使用具有三个DOF的机器人系统10时(图1)发生。相反，印刷组件应当以一定角度和/或以弯曲尖端冲击零件的表面，以便在不需要显著改变零件相对于机器人系统的位置和方位的情况下完成印刷。在这种情况下，为了实现这一点，优选使用具有高粘度(例如在25℃和1/s剪切速率下测量的大于105Pa-s，或优选在25℃和1/s剪切速率下测量的大于120Pa-s)的流体(油墨或粘合剂)。替代性地，如果可能，可以使用四个DoF机器人系统10’(图2)或五个DoF机器人系统10”(图3)来解决这个困难。在要印刷的导电路径具有沿着目标设计的厚度或宽度变化的情况下，喷嘴可以相应地改变，在这种情况下，还调节待施加的压力。
一旦第一层(导电路径)被印刷在3D件上，则烧结(固化)所涂敷的导电油墨，然后是热过程，使得溶剂-有机结合剂介质中的挥发性有机材料被驱除。至少部分地留下有机结合剂(例如树脂)以将导电颗粒结合在一起，因此形成导电线路。这可以以不同的方式进行。在可能的实施例中，将零件引入110℃-170℃的温度下的烘箱中一定时间，例如5分钟-1.5小时。在使用机器人系统60(图5)的另一个实施例中，干燥涂敷在零件上的导电油墨而不从板63移除零件。在这种情况下，灯621(例如IR灯)固化印刷。例如，但非限制性地，可以使用具有高达90W/cm2的200W灯一定时间，例如30秒至5分钟。
一旦限定导电路径的导电油墨已被涂敷在PP基衬底的表面上并干燥，则在其上沉积电介质路径以保护导电路径。为了确保良好地覆盖导电路径，电介质层的宽度必须与导电路径的宽度相同，或者优选地稍大于导电路径的宽度。电介质油墨，也称为封装油墨，优选是聚合物电介质油墨。所选的聚合物电介质油墨优选在固化后为100％固体油墨。可以用作电介质油墨的聚合物电介质材料的非限制性示例是：聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(氯乙烯)和聚酰胺。电介质油墨还用于印刷器件的最终封装。在零件已经在烘箱中干燥的情况下，将零件再次放置在固定板上。否则(如果零件已经使用灯621干燥)，则不需要移动零件。然后输入印刷轨迹。
一旦已经选择了电介质油墨，则选择喷嘴(分配尖端)，电介质油墨必须通过该喷嘴分配到3D件的表面上，这覆盖已经涂敷的导电路径。然后将喷嘴附接(例如，拧紧)到填充有所选油墨的注射器。注射器又联接到机器人系统10、10’、10”、60。为了用选择的油墨在由PP基材料制成的零件上印刷，可以使用由钢(优选不锈钢)制成的喷嘴。替代性地，可以使用由其它材料制成的喷嘴。喷嘴根据其内径来选择，内径的选择又必须考虑到电介质路径必须至少与导电路径一样宽。在优选实施例中，电介质路径的宽度比导电路径的宽度大几微米(例如20μm、或50μm、或100μm、或200μm)。电介质路径的厚度可以类似于导电路径的厚度。总之，电介质路径的轮廓可以近似在0.005mm2至2.7mm2之间。喷嘴的内径可以选择在0.1mm至3.8mm之间。另一个要固定的参数是例如通过阀施加到填充注射器的电介质油墨的压力，以便控制通过所选喷嘴的分配。要施加的压力取决于所选油墨和所选喷嘴的内径。压力被选择为使得在0.004mm2至2.6mm2之间变化的导电路径轮廓完全被涂敷在其上的电介质路径覆盖。指示根据喷嘴内径和油墨粘度施加的压力值的前表可以应用于选择在微分配电介质油墨时施加的压力。
可选地，一旦已经选择了电介质油墨的类型、喷嘴的内径和要施加的压力，则可以调节机器人系统10、10’、10”、60的速度。机器人系统的速度优选地在3mm/s至30mm/s之间调节。该速度还可以取决于3D件的表面的复杂度和电子组件的设计。
一旦第二层(电介质路径)被涂敷在3D件上，则烧结(固化)所涂敷的电介质油墨。这可以以不同的方式进行。在使用机器人系统60(图5)的可能的实施例中，涂敷在零件上的电介质油墨被干燥而不从板63上移除零件。在这种情况下，灯622(例如IR灯)固化印刷。例如，但非限制性地，具有650mJ/cm2最佳固化的IR灯在50mm-500mm的距离使用一定时间，例如20秒-60秒。在使用了未附接有UV灯的机器人系统10、10’、10”的另一个实施例中，将零件带到不同的位置并在烘箱中在100℃-175℃的温度范围内固化2分钟至2小时。
最后，可以将其它电子部件添加到印刷电路。这可以使用混合系统来完成，这意味着由机器人控制器控制的一个或多个拾取和放置头可以用于使用不同的接合和连接策略(各向同性导电粘合剂和各向异性导电膜粘合剂(基于随机地装载有导电颗粒的热塑性和热固性粘合剂))来定位非印刷器件，如LED(其可以被插入(通孔)、胶合(SMD)等)或连接器(柔性扁平电缆(FFC)：FFC连接器或紧钳连接器)。
因此，在电子组件中需要包括其它电子部件(例如刚性部件)的情况下，一旦电介质路径已经固化，则将粘合剂沉积在零件中的特定位置上(根据在引入的轨迹中限定的图案)。例如，要添加到印刷电路的其它电子部件可以是LED和柔性扁平电缆。粘合剂优选是导电粘合剂。在非限制性示例中，粘合剂包括75重量％至77重量％的银颗粒、一种或多种添加剂和一种或多种有机溶剂。该配方在烘箱中在100-140℃的优选温度范围内热固化后，在部件(例如SMD LED)与银导电粘合剂之间提供良好的粘合。粘合剂的粘度可以在40Pa-s至90Pa-s的范围内，该粘度用流变仪在25℃的温度下和0.161/s剪切速率下测量。粘合剂的沉积物-例如液滴-沉积在3D件的表面上的点上，电子部件必须放置在该点上。优选地，用于沉积粘合剂的喷嘴的内径在0.33mm至0.61mm之间。优选地，施加以沉积粘合剂的压力在0.6巴至1.5巴之间。一旦电子部件被放置在粘合剂上并因此被胶合到其在3D件上的位置，就固化粘合剂。粘合剂可以在烘箱中固化，例如在120℃下固化20分钟。
本发明的方法允许在具有复杂曲率的PP基3D件上印刷电子组件。可以高准确度地印刷大于几平方米的区域。
各个示例
示例1：电子组件已经如图6a所示分配在门外框70上。它具有复杂的具有双曲率的3D几何形状。门外框由具有16％滑石粉的PP-玻璃纤维复合材料制成。基于微分配的自动化印刷头用于印刷图6b所示的导电轨迹71和电容触摸按钮73。导电油墨是一种Ag基导电膏，具有78％重量的Ag颗粒，颗粒尺寸为400nm-600nm，粘度为118Pa-s。该导电油墨通过施加0.7巴-0.9巴以10mm/s-15mm/s的印刷速度用内径为0.61mm的喷嘴进行分配。一旦沉积在门外框的表面上，就将导电路径71和印刷电容触摸按钮73在130℃下固化30分钟。然后涂敷电介质油墨，该油墨覆盖导电路径和按钮，粘度为89Pa-s，通过施加0.7巴-0.9巴以10mm/s-15mm/s的印刷速度用内径为0.61mm的喷嘴进行分配。通过使用由UV灯在150mm的距离处以650mJ/m2的最佳固化UV固化所涂敷的电介质60秒解决了导线交叉。然后将LED放置在之前涂敷的粘合剂上。粘合剂是在1巴的压力下用内径为0.51mm的喷嘴涂敷的导电粘合剂。将粘合剂在120℃的烘箱中固化20分钟。图6b中详细示出了在3D件70(图6a)上制造的电子组件的一部分，该部分基本上对应于图6a中用虚线标识的零件70的部分。
示例2：电子组件已经如图8a所示分配在前照灯壳体90上。它具有非常窄的部分。前照灯壳体90由具有20％(重量％)的短玻璃纤维的PP-玻璃纤维复合材料制成。前照灯壳体具有2μm的平均粗糙度。基于微分配的自动化印刷头用于在PP基零件中制成的1cm宽和8mm深的通道上印刷如图8b所示的导电轨迹91。这些通道在制造零件90的注塑工艺期间制成。导电油墨是一种Ag基导电膏，具有81.5％重量的Ag颗粒，颗粒尺寸为1μm-2μm，粘度为405Pa-s。该导电油墨通过施加1巴的压力以10mm/s的印刷速度用内径为0.61mm的喷嘴进行微分配。导线在烘箱中在130℃下固化30小时。将粘度为89Pa-s的电介质油墨涂敷在导电路径91上，该油墨通过施加0.7巴-0.9巴以10-15mm/s的印刷速度用内径为0.61mm的喷嘴分配。SMD LED92和电阻93已经被放置在路径91上的特定位置上。该路径已经在130℃下在烘箱中固化30h(小时)，同时LED已经被粘附到轨迹。图8b中详细示出了在前照灯壳体(图8a)上制造的电子组件的一部分，该部分基本上对应于图8a中用虚线标识的零件90的部分。
示例3：电子组件已经如图7a至图7b所示分配在后视镜托架70上。后视镜托架具有双曲率3D几何形状。后视镜托架80由具有平均粗糙度为100μm的24％短玻璃纤维的PP制成。基于微分配的自动化印刷头用于在PP基零件80上印刷如图7c所示的导电轨迹85。导电油墨是一种Ag基导电膏，具有78％重量的Ag颗粒，颗粒尺寸为400nm-600nm，粘度为118Pa-s。该导电油墨通过施加0.9巴的压力以7mm/s的印刷速度用内径为0.61mm的喷嘴进行微分配。通过使用由UV灯在100mm的距离处以650mJ/m2的最佳固化UV固化所涂敷的电介质40秒解决了导线交叉。图7c中详细示出了在3D件80(图7b)上制造的电子组件的一部分，该部分基本上对应于图7c中用虚线标识的零件80的部分。
总之，所提出的方法允许获得注塑或加工的3D件，该3D件由PP基材料制成，并且具有直接布置在PP基零件的表面上的印刷(例如微分配)导电结构，包括感测元件和电缆。该方法包括用自动数字系统涂敷不同的印刷层。
本发明显然不限于本文所述的具体实施例，而是还包含如权利要求书所限定的本发明的总体范围内的本领域技术人员可考虑的任何变型(例如，关于材料、尺寸、部件、构造等的选择)。

Claims (13)

1.一种将电子组件施加在由聚丙烯基材料制成的3D件上的方法，所述电子组件包括宽度在0.1mm至4mm之间的至少一个导电路径，所述方法包括：
提供由聚丙烯基材料制成的3D件；
选择导电膏，该导电膏包括：包括银的金属颗粒、结合剂、和有机溶剂；所述结合剂的量在1重量％至5重量％之间；所述金属颗粒的量在74重量％至90重量％之间，所述金属颗粒的平均尺寸在50nm至50μm之间；其中，所述导电膏的粘度在75Pa-s至425Pa-s之间，所述粘度是用流变仪在25℃的温度下以1/s的剪切速率测量的；
提供流体分配系统(11)，该流体分配系统用于将所述导电膏涂敷到所述3D件的表面上；
选择喷嘴(125)并将所选择的喷嘴(125)附接到所述流体分配系统(11)，所选择的导电膏将通过该流体分配系统分配，其中，所述喷嘴(125)被选择为使得该喷嘴的内径尽可能接近待涂敷的导电路径的宽度，所述喷嘴(125)的所述内径小于所述待涂敷的导电路径的宽度；
通过施加0.2巴至13巴之间的压力经由所述喷嘴(125)将所述所选择的导电膏分配到所述3D件的表面上，同时在所述喷嘴(125)与所述3D件的所述表面之间维持900μm的最大距离；
固化所沉积的导电膏；
在印刷的导电路径上沉积电介质油墨；
固化所沉积的电介质油墨；以及
将至少一个电子部件附接在所述导电路径上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述所选择的导电膏的粘度在75Pa-s至105Pa-s之间时，所述所选择的导电膏以如下方式分配到所述3D件的所述表面上：
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在0.1mm至0.3mm之间，则在导电油墨上施加3巴至1巴之间的压力；
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在0.3mm至1mm之间，则在导电油墨上施加1巴至0.3巴之间的压力；
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在1mm至4mm之间，则在导电油墨上施加0.3巴至0.2巴之间的压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述所选择的导电膏的粘度在105Pa-s至260Pa-s之间时，所述所选择的导电膏以如下方式分配到所述3D件的所述表面上：
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在0.1mm至0.3mm之间，则在导电油墨上施加7巴至2巴之间的压力；
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在0.3mm至1mm之间，则在导电油墨上施加2.5巴至0.4巴之间的压力；
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在1mm至4mm之间，则在导电油墨上施加0.5巴至0.3巴之间的压力。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述所选择的导电膏的粘度在260Pa-s至425Pa-s之间时，所述所选择的导电膏以如下方式分配到所述3D件的所述表面上：
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在0.1mm至0.3mm之间，则在导电油墨上施加13巴至3巴之间的压力；
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在0.3mm至1mm之间，则在导电油墨上施加3巴至0.8巴之间的压力；
如果所述所选择的喷嘴(125)的内径在1mm至4mm之间，则在导电油墨上施加0.8巴至0.4巴之间的压力。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电介质油墨是包括以下至少一者的聚合物电介质油墨：聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇和聚苯乙烯。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个电子部件是凭借沉积在所述导电路径上的对应位置上的粘合剂来粘附的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个电子部件是LED、电缆、连接器和传感器中的一者。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，包括在所述导电膏中的所述结合剂是基于聚合物树脂的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述导电膏是用尖端成角度的喷嘴来沉积的。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述所沉积的导电膏在烘箱中在130℃至170℃的温度下固化5分钟至1.5小时。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述所沉积的导电膏使用IR灯来固化。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述所沉积的电介质油墨使用UV灯固化20秒至60秒。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯基材料是以下材料中的一者：热塑性聚烯烃(TPO)；PP共聚物；着色PP；工程填充聚丙烯(EFPP)；新一代PP；和PP-玻璃纤维复合材料。
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