阅读说明：本技术 用于将集成电路嵌入到3d打印对象中的方法和3d打印系统 (Method for embedding an integrated circuit into a 3D printed object and 3D printing system ) 是由 尼基塔·韦希科夫 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：提供一种用于将集成电路(IC)嵌入到3D打印对象中的方法。所述方法包括提供长丝,所述长丝具有用于3D打印对象的材料,以及嵌入于所述长丝材料内的集成电路。使用所述长丝形成所述3D打印对象的至少一部分。提供一种用于实施所述方法的3D打印系统。所述3D打印系统包括长丝施配器,其用于存储和施配所述3D打印长丝。平台提供用于在打印所述对象时支撑所述对象的工作台面。提供用于控制3D打印机的打印操作并且用于用其中嵌入有所述IC的所述长丝3D打印所述对象的处理器。提供用于在所述IC嵌入于所述3D打印对象中时配置所述IC的配置电路。(A method for embedding an Integrated Circuit (IC) into a 3D printed object is provided. The method includes providing a filament having a material for 3D printing an object, and an integrated circuit embedded within the filament material. Forming at least a portion of the 3D printed object using the filament. A 3D printing system for implementing the method is provided. The 3D printing system includes a filament dispenser for storing and dispensing the 3D printed filaments. The platform provides a countertop for supporting the object while printing the object. A processor is provided for controlling a printing operation of a 3D printer and for 3D printing the object with the filament having the IC embedded therein. A configuration circuit is provided for configuring the IC when embedded in the 3D printed object.)

用于将集成电路嵌入到3D打印对象中的方法和3D打印系统

技术领域

本公开大体上涉及三维(three-dimensional，3D)打印，并且更具体地说，涉及用于将集成电路嵌入到3D打印对象中的方法和3D打印系统。

背景技术

3D打印的使用正变得越来越常见并且越来越容易获取。可用3D打印更快速地构建产品原型，从而允许更快的上市时间。通过3D打印，设计师和创作者拥有用于测试想法以及用于创作作品和其它对象的新工具。然而，3D打印也可能造成相对容易地复制他人的产品。举例来说，一家公司需要时间和费用进行设计和生产的成功产品可能被竞争者通过简单地使用3D打印技术复制和销售。

作为对抗复制的保护，可将识别标签嵌入于3D打印对象中。存在各种类型识别标签。一种类型被称为射频识别(radio frequency identification，RFID)，其涉及使用可无线审核的集成电路(integrated circuit，IC)标签。另一类型的标签使用近场通信(nearfield communication，NFC)进行短程无线通信。需要用于将标签嵌入到3D打印对象中的方法是容易的并且不过多干扰普通3D打印过程。此外，不应使该标签可从对象容易移除。

因此，需要一种实现上述目标中的至少一些目标的将IC嵌入于3D打印产品中的方式。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于将集成电路嵌入到3D打印对象中的方法，所述方法包括：

提供长丝，所述长丝包括用于3D打印对象的材料，以及嵌入于所述长丝内的集成电路；以及

使用所述长丝形成所述3D打印对象。

在一个或多个实施例中，所述材料表征为塑料。

在一个或多个实施例中，提供所述长丝进一步包括

将所述材料熔融成液态；

将一或多个集成电路嵌入于所述熔融材料内；以及

将所述熔融液体材料挤制成线材形状。

在一个或多个实施例中，使用所述长丝形成3D打印对象进一步包括3D打印对象，使得所述嵌入式集成电路在所述3D打印期间嵌入于所述对象内。

在一个或多个实施例中，所述集成电路表征为用于识别所述对象的标签，且所述方法进一步包括配置所述标签以供在形成所述对象时使用。

在一个或多个实施例中，所述集成电路使用无线通信与配置电路交流配置信息。

在一个或多个实施例中，提供所述长丝进一步包括提供包括用于3D打印对象的所述材料、耦合到天线的所述集成电路的所述长丝，所述集成电路和所述天线嵌入于所述长丝内。

在一个或多个实施例中，所述天线包括线材环路或一或多个线材段中的一个。

在一个或多个实施例中，所述天线包括两个线材，每一线材均具有耦合到所述集成电路的第一端和耦合到磁体的第二端，且在使用所述长丝形成所述3D打印对象期间，所述长丝熔融成围绕所述磁体和天线的相对低粘度，使得所述磁体之间的磁性吸引使得所述磁体耦合在一起并形成环形天线。

在一个或多个实施例中，使用导电墨将所述天线3D打印于所述对象上。

根据本发明的第二方面，提供一种3D打印系统，包括：

长丝施配器，其用于存储和施配3D打印长丝，所述3D打印长丝包括用于3D打印对象的材料，以及嵌入于所述长丝内的一或多个集成电路；

平台，其用于提供用于在打印所述对象时支撑所述对象的工作台面；

处理器，其用于控制3D打印机的打印操作；

打印机头部，其相对于所述平台定位并且被耦合成收容来自所述长丝施配器的所述3D打印长丝，所述打印机头部用于在所述处理器的控制下引导用于3D打印所述对象的所述材料以及嵌入于所述长丝内的所述集成电路中的至少一个集成电路的沉积；以及

集成电路(IC)配置电路，其用于在所述至少一个IC嵌入于所述3D打印对象中时配置所述至少一个IC。

在一个或多个实施例中，所述至少一个集成电路是近场通信(NFC)集成电路或射频识别(RFID)集成电路中的一种。

在一个或多个实施例中，用于3D打印对象的所述材料是塑料。

在一个或多个实施例中，所述3D打印系统另外包括耦合到嵌入于所述长丝内的所述一或多个集成电路中的每一个集成电路的天线。

在一个或多个实施例中，所述天线包括导体环路。

在一个或多个实施例中，所述天线包括两个线材，每一线材均具有耦合到所述集成电路的第一端和耦合到磁体的第二端，耦合在一起的所述磁体之间的磁性吸引形成环形天线。

根据本发明的第三方面，提供一种用于将集成电路嵌入到3D打印对象中的方法，所述方法包括：

将塑料材料熔融成液态；

将一或多个集成电路嵌入于所述熔融塑料材料内；

将所述熔融液体塑料材料形成为线材形状的长丝；

提供用于3D打印对象的所述长丝，当打印所述3D打印对象时，所述集成电路中的至少一个集成电路嵌入于所述3D打印对象内；以及

在打印所述3D打印对象时，配置所述至少一个集成电路。

在一个或多个实施例中，将一或多个集成电路嵌入于所述熔融塑料材料内进一步包括使所述一或多个集成电路中的每一个集成电路耦合到天线，所述集成电路和所述天线嵌入于所述长丝内。

在一个或多个实施例中，所述天线包括线材环路或一或多个线材长度中的一个。

在一个或多个实施例中，所述天线包括两个线材长度，且所述方法进一步包括将磁性耦合器耦合到所述一或多个线材长度中的每一个线材长度的端部。

本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。

附图说明

本发明借助于例子示出并且不受附图的限制，在附图中的类似标记指示类似元件。图式中的元件为简单和清楚起见被示出并且不必按比例绘制。

图1示出根据一实施例的3D打印系统的概念图。

图2示出根据一实施例的3D打印长丝的一部分。

图3示出根据一实施例的由图2的长丝形成的3D打印对象的俯视图。

图4示出根据一实施例的3D打印长丝的一部分。

图5示出根据一实施例的由图4的长丝形成的3D打印对象的俯视图。

图6示出根据一实施例的用于形成3D打印长丝的设备的概念图。

具体实施方式

一般来说，提供一种用于将IC嵌入到3D打印对象中的方法和3D打印系统。在一个实施例中，用以提供用于3D打印对象的材料的长丝包括嵌入于长丝内的集成电路。该长丝在3D打印系统中用于形成对象并且在3D打印对象时嵌入IC。在一个实施例中，IC被配置成用作用于识别例如对象的制造源的标签。IC可具有附接并且包括在长丝中的天线。可在打印对象时一起挤制IC和天线。该方法和3D打印系统可用以更容易地提供具有嵌入式IC的对象，不会使对象的制造复杂化，并且与嵌入IC的其它方法相比可具较低成本。

根据一实施例，提供一种用于将集成电路嵌入到3D打印对象中的方法，该方法包括：提供长丝，该长丝具有用于3D打印对象的材料，以及嵌入于该长丝内的集成电路；和使用该长丝形成该3D打印对象。该材料可表征为塑料。提供长丝的步骤可另外包括将材料熔融成液态；将一或多个集成电路嵌入于该熔融材料内；和将该熔融液体材料挤制成线材形状。使用长丝形成3D打印对象的步骤可另外包括3D打印对象以使得嵌入式集成电路在3D打印期间嵌入于对象内。该集成电路可表征为用于识别对象的标签，且该方法可另外包括配置该标签以供在形成对象时使用。集成电路可使用无线通信与配置电路交流配置信息。提供长丝的步骤可另外包括提供包括用于3D打印对象的材料、耦合到天线的集成电路的长丝，该集成电路和该天线嵌入于长丝内。天线可包括线材环路或一或多个线材段中的一个。天线可包括两个线材，每一线材均具有耦合到集成电路的第一端和耦合到磁体的第二端，且其中在使用长丝形成3D打印对象期间，长丝可熔融成围绕磁体和天线的相对低粘度，使得磁体之间的磁性吸引使得该等磁体耦合在一起并形成环形天线。可使用导电墨将天线3D打印于对象上。

在另一实施例中，提供一种3D打印系统，其包括：长丝施配器，其用于存储和施配3D打印长丝，该3D打印长丝包括用于3D打印对象的材料，以及嵌入于长丝内的一或多个集成电路；平台，其用于提供用于在打印对象时支撑该对象的工作台面；处理器，其用于控制3D打印机的打印操作；打印机头部，其相对于平台定位并且被耦合成收容来自长丝施配器的3D打印长丝，打印机头部用于在处理器的控制下引导用于3D打印该对象的材料以及嵌入于长丝内的集成电路中的至少一个集成电路的沉积；和集成电路(IC)配置电路，其用于在至少一个IC嵌入于3D打印对象中时配置该至少一个IC。该至少一个集成电路可为近场通信(NFC)集成电路或射频识别(RFID)集成电路中的一种。用于3D打印对象的材料可为塑料。该3D打印系统可另外包括耦合到嵌入于长丝内的一或多个集成电路中的每一个集成电路的天线。天线可包括导体环路。天线可包括两个线材，每一线材均具有耦合到集成电路的第一端和耦合到磁体的第二端，其中耦合在一起的该等磁体之间的磁性吸引形成环形天线。

在又一实施例中，提供一种用于将集成电路嵌入到3D打印对象中的方法，该方法可包括：将塑料材料熔融成液态；将一或多个集成电路嵌入于熔融塑料材料内；将熔融液体塑料材料形成为线材形状的长丝；提供用于3D打印对象的长丝，其中当打印3D打印对象时，集成电路中的至少一个集成电路嵌入于3D打印对象内；和在打印3D打印对象时，配置该至少一个集成电路。将一或多个集成电路嵌入于熔融塑料材料内的步骤可另外包括使一或多个集成电路中的每一个集成电路耦合到天线，该集成电路和该天线嵌入于长丝内。该天线可包括线材环路或一或多个线材长度中的一个。该天线可包括两个线材长度，且其中该方法可另外包括将磁性耦合器耦合到一或多个线材长度中的每一个线材长度的端部。

图1示出根据一实施例的3D打印系统10的概念图。3D打印系统10包括平台12、打印头部14、喷嘴16、控制件18、计算机20、长丝施配器22、长丝24和IC配置电路34。长丝24包括多个IC 26。IC配置电路34包括用于在例如平台12中所示出的对象32的对象的3D打印中使用多个IC时与该多个IC通信的无线接口36。

打印头部14安装成使得其根据需要在控制件18的指引下自由移动，以打印三维对象。打印头部14也可包括用于将长丝24从施配器22馈送到正在打印的对象的电机(未示出)。在一个实施例中，施配器22包括上面缠绕长丝的卷筒。可在3D打印系统10中存在多于一个施配器。打印头部14也可包括用于在长丝24馈送到正在打印的对象时熔融长丝24的加热器(未示出)。使用常规机构提供打印头部14的移动。该机构可包括电机和可移动支撑结构。该机构可为任何常规机构，并且未在图1中展示。打印头部14的操作受控制件18控制。一般来说，将待打印的对象的计算机辅助设计(computer aided design，CAD)实施例加载于计算机20中。计算机20包括用于执行CAD软件和其它应用程序和控制指令的处理器。计算机20将控制信号提供给控制件18。计算机20可集成到3D打印系统10中或可为独立的外部计算机。控制件18控制打印头部14的移动以及用以形成对象28的熔融材料30从喷嘴16的挤制。应注意，对象28示出为简单的矩形，但其可为任何形状。此外，与长丝材料一起挤制的还有IC 32。作为形成3D打印对象28的挤制过程的部分，将集成电路32嵌入于对象28内。

一般来说，存在可用于长丝24中的多种不同的材料。至少部分地由正在3D打印的对象的预期用途来确定材料的选择。该等多种材料作为一个群组通常被称为“塑料”。出于描述的目的，此材料群组包括但不限于聚乳酸(polylactic acid，PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)、聚对苯二甲酸伸乙酯(polyethyleneterephthalate，PET)、尼龙、热塑性弹性体(thermoplastic elastomer，TPE)、塑料合金(polycarbonate，PC)、高冲击聚苯乙烯(high impact polystyrene，HIPS)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)、蜡、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(acrylonitrile styreneacrylate，ASA)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚甲醛(polyoxymethylene，POM)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、柔性聚酯(flexible polyester，FPE)等等。可用以形成长丝24的其它材料包括木材、例如黄铜、铜和青铜的金属、各种生物可降解材料、导电纤维、磁性纤维、粘土纤维、陶瓷纤维和碳纤维。此外，可使用材料的组合物。

多个IC 26嵌入于用以形成长丝24的材料内。通常，在形成长丝时，将多个IC 26逐个定位于长丝24中，使得如图1中所示出在IC之间存在预定距离。可例如由待嵌入于3D打印对象内的所要IC的数目以及形成3D打印对象所需的材料量来确定IC之间的预定距离。可出于一些原因将多于一个IC嵌入于对象中。举例来说，使用多于一个IC提供冗余。此外，使用多于一个IC可允许单独地识别或鉴认对象的不同部分以检测对对象的修改。在图6中示出并且稍后论述用于形成长丝24的方法和设备。

IC可提供任何类型的功能性。举例来说，该功能性可包括识别、鉴认，以及物理性质测量，例如温度或空间取向。此外，该功能性可包括用于发射各个测量值的发射器电路。按大小确定对IC的类型的一个限制。每一IC的大小不能大于喷嘴16可挤制的大小。两个通用长丝大小是3mm和1.75mm。为挤制通用长丝大小，普通大小的喷嘴可具有介于约0.3mm与1.2mm之间的直径。用作标签的多个IC具有小于一些通用长丝大小的大小。然而，大部分IC大于普通喷嘴直径。为容纳具有大于普通喷嘴直径的直径的IC的嵌入，可暂时装配较大直径喷嘴用于打印IC。因为IC正在嵌入于对象内，所以较大喷嘴堆积的熔融长丝材料的较大轨迹应该不会成为打印大部分3D打印对象的内部的相对较小部分的问题。喷嘴越大，可与长丝材料一起挤制的IC越大。

如上所述，多个IC 26可表征为为标签。该等标签可为用于识别和其它目的的有源或无源标签。在一个实施例中，标签使用射频识别(RFID)与RFID读取器通信。在另一实施例中，标签使用近场通信(NFC)与NFC读取器无线通信。标签的用途是众所周知的。用作标签的集成电路可形成为相对于其它类型的IC具有极小尺寸。在具有多于一个长丝施配器的3D打印系统中，长丝分配器中的一个长丝分配器可具有具IC的长丝，而另一或多个长丝施配器仅具有打印材料。可替换的是，不同长丝分配器可具有具不同功能性的不同IC类型的长丝。

标签可要求在使用之前的配置。通常，标签当嵌入于长丝24内时不被配置。这允许供应商向想要使用具有IC的长丝的任何制造商提供该具有IC的长丝。该配置可刚好在IC***到打印对象30中之前发生。如果可保证穿过该材料的无线通信，那么该配置可在***IC之后发生。此外，如果以相同方式配置所有IC，那么可在长丝24仍处于长丝施配器22中时执行该配置。对象可具有各自以不同方式被配置的多个嵌入式IC。为了便于配置，IC配置电路34可定位成足够靠近打印头部14以允许IC配置电路34与正在配置的IC之间的无线通信。可使用常规无线通信协议，例如NFC或RFID，其将部分地控制发射距离。此外，IC配置电路34可受控制件18控制以使得可用打印操作计时配置操作。配置可意味着将特定固件***到IC中或意味着附接一些标识，例如，将加密密钥设置于IC中。配置也可包括数据库中的对象或装置注册。嵌入式IC可当开始使用对象时注册于数据库中。因此，不仅可配置IC，而且还可同时配置整个系统。配置可包括激活。在进行或不进行密钥和固件的传送的情况下，可激活IC以供使用。也可存在其它类型的配置。

图2示出根据一实施例的3D打印长丝40的一部分。3D打印长丝40包括IC 42和天线44。长丝40中的每一IC可具有附接的天线。天线44是由导电线形成的环形天线。在一个实施例中，导电线是由例如铜的金属形成。天线44供IC 42用于发射和接收无线通信。此外，天线44可用以为IC 42供电。如所属领域中所熟知，当线材处于电磁RF场中时可在线材中引发电流。通常以此方式为无源RFID标签供电。也可以电感方式为其它类型的IC供电。在其它实施例中，可使用打印于对象上的导电墨而非施配的线材来形成天线。此外，在另一实施例中，用于为IC供电的电池可与IC一起嵌入于对象中。

图3示出根据一实施例的正在用图2的长丝40形成的3D打印对象46的俯视图。参考图2和图3，通过打印头部将长丝40熔融成液态并且施配到对象46上形成材料的熔融轨迹48。出于简化和清晰性的目的，对象46示出为矩形材料。在其它实施例中，对象可为任何形状。在形成对象46期间，在一个层中将集成电路42和天线48施配到对象46上。在其它实施例中，使用多个层施配IC 42和天线48。在图3中，当在不停止材料流或从正在形成的对象处升高喷嘴的一个连续路径中从左到右施配材料时，首先在熔融材料中施配IC 42，随后熔融天线44。因此，为确保可靠地施配IC和天线，用于控制3D打印系统的固件应被编程以获知天线的长度。在其它实施例中，可在施配IC之前通过喷嘴施配天线。接着在具有IC 42和天线44的层上方形成后续层，从而将IC 42和天线44嵌入于对象46中。

不同3D打印材料需要用于3D打印的不同范围的温度。对于大部分普遍使用的材料，温度可在165℃与250℃之间的范围内。此温度范围在为大部分IC设置的工作温度范围外部。然而，暴露于此温度相对短时间，并且不是在IC工作时且应该不会损坏大部分IC。

图4示出根据另一实施例的3D打印长丝54的一部分。3D打印长丝54包括嵌入式IC56和两个都附接到IC 56的天线片段58和60。天线线材段58和60中的每一段可由例如铜的金属形成，并且具有第一端和第二端。天线段58和60的第一端连接到IC 56。线材58的第二端连接到磁体62且线材60的第二端连接到磁体64。当被连接时，磁体62和64充当形成与线材段58和60的线环的连接器。如图4中所示出，长丝54可包括耦合到线材段的多个IC。

图5示出根据一实施例的用图4的长丝54形成的3D打印对象66的俯视图。参考图4和图5，通过打印头部将长丝54熔融成液态并且施配到对象66上形成材料的熔融轨迹68。出于简化和清晰性的目的，对象66示出为矩形材料。在其它实施例中，对象可为任何形状。集成电路56、线材段58和60以及磁体62和64与熔融材料一起施配。为形成闭环并且为允许磁体彼此连接，形成熔融轨迹68以提供具有大致等于IC 56、电线58和60以及磁体62和64的组合长度的长度的闭环。闭环可为任何形状。对于IC和天线分散，熔融轨迹68在磁体62处开始并且在放置成邻近于磁体62的磁体64处结束，使得当围封两个磁体的材料重新熔融到相对低粘度时，两个磁体对彼此的磁性吸引将致使形成磁性连接，从而封闭环路。应注意，在另一实施例中，可存在仅一个一端附接到IC且另一端连接到磁体的线材段。另一磁体可直接附接到IC。如上文在图2的描述中所论述，IC 56可为以电感方式从其环形天线供电的无源装置。

图6示出根据一实施例的用于形成3D打印长丝的设备80的极简视图。设备80包括电机82、加热器/混合器84、原料贮斗86、原料88、进料管90、IC料筒92、IC 94和喷嘴96。在一个实施例中，原料88是塑料。加热器/混合器84收容原料88并且将材料加热到熔融液态。加热器/混合器84的混合器部分可为螺旋类型的混合器。在其它实施例中，可使用其它混合器类型。混合器由电机82供电并且将液体材料抽吸到进料管90中。材料维持在恒定压力下以确保通过喷嘴96的挤制材料的直径具有恒定横截面。料筒92将IC 94一次一个地***到进料管90中的液体材料中。可调整IC的***速率以控制所得长丝98中的IC 100之间的间距。IC也可包括如图2或图4中所示出的天线。调整料筒92的宽度以容纳额外长度的天线。在制造长丝98时，随着通过喷嘴96挤制长丝98，长丝98固化并且可缠绕到卷筒上。卷筒接着可用作施配器，例如施配器22。长丝98在缠绕时的弯曲量相对低，因此材料在用于3D打印对象中之前不处于任何显著应力下。

各种实施例或实施例的一部分可以实施成硬件或实施成非暂时性机器可读存储媒体上的指令，该媒体包括用于以例如个人计算机、手提式计算机、文件服务器、智能手机或其它计算装置的机器可读的形式存储信息的任何机构。非暂时性机器可读存储媒体可包括易失性和非易失性存储器，例如只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、NVM等等。非暂时性机器可读存储媒体不包括暂时性信号。

虽然本文中参考具体实施例描述了本发明，但是可以在不脱离如所附权利要求书中所阐述的本发明的范围的情况下进行各种修改和改变。因此，说明书和图式应视为说明性而不是限制性意义，并且预期所有这些修改都包括在本发明的范围内。并不意图将本文中相对于具体实施例描述的任何优势、优点或针对问题的解决方案理解为任何或所有权利要求的关键、必需或必不可少的特征或元件。

此外，如本文中所使用，术语“一”被定义为一个或大于一个。另外，权利要求书中对例如“至少一个”和“一或多个”等引导性短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一”引导的另一权利要求要素将含有此类引导的权利要求要素的任何特定权利要求限制于仅含有一个此类要素的发明，即使是当同一权利要求包括引导性短语“一或多个”或“至少一个”和例如“一”等不定冠词时也如此。定冠词的使用也是如此。

除非另有陈述，否则例如“第一”和“第二”等术语用于任意地区别此类术语所描述的元件。因此，这些术语未必意图指示此些元件的时间上的优先级或其它优先级。