綜述：電子3D打印的技術、工藝、材料和未來趨勢

導讀：近年來，由于3D電子打印技術具有傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的獨特功能，因此引起了業(yè)界和研究人員的濃厚興趣。這一最新技術具有極大的優(yōu)勢，未來的研究趨勢是朝著3D嵌入式電子設備、3D共形電子學、柔性3D打印電子學和可伸縮3D打印電子學的應用發(fā)展。深入了解用于制造3D打印電子設備的先進功能材料和技術的目前發(fā)展很有必要。


南極熊獲悉，來自新加坡科技大學的研究者整理了關于3D打印電子器件的發(fā)展和應用，已經將研究內容發(fā)表在了《Progress in Materials Science 》期刊中，在文章中研究人員對最新的3D電子打印技術和用于制造3D打印電子器件的創(chuàng)新實用技術進行了深入的概述，并討論了用于制造3D打印電子器件的先進功能材料的最新進展和未來的應用趨勢。

3D電子打印技術

△3D電子打印技術的分類

3D電子打印技術的定義是“將功能油墨直接精確沉積到基板上”的打印技術。其中，擠壓打印、噴墨打印、噴霧打印和電動流體動力(EHD)噴墨打印是3D電子打印研究領域中使用最廣泛的3D打印技術，這些技術都能夠用于將功能油墨直接沉積到基材上。根據(jù)ISO/ASTM2021：52900的分類可知，擠壓式打印可被歸類為材料擠壓，而噴墨打印、噴霧打印和電液噴射打印可被歸類為材料噴射。

1.擠壓式打印


△擠壓式打印示意圖

基于擠壓的打印技術原理簡單且經濟實惠，其中功能材料的連續(xù)流動通過噴嘴擠壓實現(xiàn)。與其他打印技術相比，這種技術可使用的材料粘度范圍更大，并且堵塞問題更少。然而，這種方法速度慢得多，打印分辨率也較差。根據(jù)所使用的擠出機類型，可以將基于擠出的印刷進一步細分為基于長絲的擠出、基于氣動的擠出、基于柱塞的擠出和基于螺桿的擠出。氣動擠壓、柱塞擠壓和螺桿擠壓印刷技術也統(tǒng)稱為直接墨水書寫(DIW)。

2. 噴墨打印


△噴墨打印示意圖

噴墨打印是一項成熟的技術，在過去的幾十年里已經在許多領域得到了廣泛的應用。它利用噴墨打印技術通過將墨水沉積到紙張基材上來構建圖像。利用這項技術，還可以通過沉積電功能和導電材料來制造3D打印電子產品。根據(jù)液滴產生方法，噴墨打印分為兩大類：連續(xù)噴墨打印(CIJ)和按需滴墨打印(DoD)。一般來說，噴墨打印技術是數(shù)字化、非接觸式、無掩膜和節(jié)省材料的。但噴墨打印技術在打印過程中普遍面臨噴嘴堵塞的問題。除此之外，噴墨打印技術只能沉積特定表面張力范圍內的低粘度流體。因此，這限制了可通過噴墨打印沉積的油墨的類型。噴墨打印技術通常也不利于將功能材料沉積到非平面表面上。

3.噴霧打印


△噴霧打印示意圖

噴霧打印技術是一種基于氣溶膠的直寫打印技術，能夠產生定向準直的氣霧束，用于將材料直接沉積到襯底上。這項技術也被稱為空氣動力聚焦。通常，噴霧打印機配備氣動或超聲波霧化器。氣動霧化器可以接受粘度范圍從1到500cps的墨水，而超聲波霧化器只能接受粘度從1到15cps的墨水。氣溶膠噴射過程可以沉積一系列用于3D打印電子應用的功能材料，包括金屬納米顆粒墨水、碳納米管(CNTs)、石墨烯、介電材料和導電聚合物。噴霧打印機已經證明了能夠達到10μm的打印分辨率。噴霧打印技術也是非接觸式的，能夠減少制造污染和損害。

4. 電液動力(EHD)噴射


△電液動力(EHD)噴射打印示意圖

在電液動力(EHD)噴墨打印中，使用電場在產生流體流動的過程中產生電流體。這通常需要高壓來克服小噴嘴中的高毛細壓力，但當噴嘴的直徑太小時，這在技術上可能是不可行的。因此，為了克服這個問題，EHD噴墨打印技術通過施加電場而不是將從導電噴嘴提取墨水。EHD噴射打印技術可以產生非常精細的線條和亞微米范圍內的微小液滴，噴嘴的內徑可以小到100nm。EHD噴射技術可以沉積用于3D打印電子應用的有機和無機材料。

3D打印電子功能材料
大量的功能材料被用于制造3D打印電子設備，每種類型的材料都有其獨特的功能和用途。一般來說，3D打印電子產品的功能材料可分為介電油墨、金屬納米顆粒油墨、導電聚合物、金屬有機分解(MOD)油墨、碳納米材料油墨和半導體油墨。



●介電油墨：介電油墨是一種電絕緣材料。它們在3D打印電子產品的許多方面起到重要作用，包括電路保護、多層電路絕緣以及制造電容器和晶體管。

●金屬納米顆粒油墨：金屬納米顆粒油墨是導電金屬納米顆粒在液體介質中的懸浮液。由于其良好的導電性，它們被廣泛用于3D打印電子應用中的導電跡線和圖案的制造。典型的金屬納米顆粒油墨包括三個主要成分：金屬納米顆粒、有機添加劑和穩(wěn)定劑，以及液體介質。

●導電聚合物：導電聚合物可分為本征導電聚合物和外在導電聚合物。

●金屬有機分解(MOD)油墨：金屬有機分解(MOD)油墨也稱為金屬有機油墨、前驅體類型油墨或不含納米材料的油墨。MOD油墨是高濃度的金屬有機絡合物或金屬鹽，溶解在有機溶劑或水溶液中。它們也被廣泛用于3D打印電子應用中的導電跡線和圖案的制造。

●碳納米材料油墨：碳納米管(CNT)是具有封閉或開放末端的卷曲的石墨烯薄片。

●半導體油墨：半導體油墨用于制造3D打印的有源電子元件。3D打印有源電子元件通常受半導體油墨的帶隙、通斷比和遷移率等特性的影響。半導體油墨主要有兩類，即有機半導體油墨和無機金屬氧化物半導體油墨。

3D打印電子產品和材料的發(fā)展趨勢
3D打印技術預計將在不久的將來徹底改變和顛覆目前的電子行業(yè)。這項新技術旨在最大限度地減少時間瓶頸、浪費和制造成本，同時允許在更短的原型時間內高度創(chuàng)新和按需制造可定制的電子產品。

1.3D打印電子產品
●柔性和可伸展3D打印電子產品：目前的研究趨勢之一是轉向柔性和可伸展3D打印電子產品。這種電子產品可用于許多應用，特別是在軟機器人和可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)測中。3D打印技術可以簡單地將功能材料直接沉積到柔性襯底上。對于許多行業(yè)部門，包括醫(yī)療保健和能源部門，柔性3D打印電子產品可以提供更多設計自由度并減少外形尺寸的限制，有比傳統(tǒng)硬質電子產品更大的潛力。


△電子器件


●適形電子器件
一些3D電子打印技術還允許將功能油墨直接沉積到保形表面上，以在3D表面上制造電子設備。3D適形打印可以實現(xiàn)更多的創(chuàng)新設計和應用，同時能夠顯著減輕重量和更大化地利用空間。此外，3D共形打印還將形狀系數(shù)作為制造形狀獨特的天線的設計考慮因素。上圖中的(d)圖，展示了直接將銀納米顆粒墨水沉積在半球玻璃基板的共形表面上制造的小天線。

●嵌入式電子產品
一些3D電子打印技術也允許多比例、多材料和多功能地打印。因此，可以在單個打印作業(yè)中制造多功能結構或嵌入式電子設備，將導電跡線、有源組件和無源組件集成在復雜的非平面幾何部件中，可參考上圖(e)。因此，有利于節(jié)省空間、減輕重量和保護部件。

2.材料
●柔性和可伸縮電子設備的自修復材料：柔性和可拉伸的電子設備于反復彎曲和拉伸會形成機械損壞，從而導致設備故障。因此，近年來，自修復功能材料受到了極大的關注。這些材料本身具有自動修復損傷的能力，研究人員正在探索將它們集成到靈活和可伸展的電子設備中，以增加設備的堅固性。

●復合材料：復合材料越來越受到人們的關注，因為它們提高了改善機械和電學性能的能力。此外，復合材料還允許根據(jù)應用的需要靈活地定制所需的電氣、機械和電磁特性。

●4D打印材料：4D打印是3D打印的一個新領域，4D打印是指3D打印結構的形狀、功能和物理性質隨著時間的變化而變化，以響應外部刺激，如溫差、化學反應和光學照射。對于4D打印電子應用，可以在形狀記憶聚合物(SMPS)中加入導電填料，使其具有所需的電學性能。除了具有用于4D打印電子應用的導電開關電源外，導電功能材料還可以直接沉積在4D印刷結構上或嵌入其中。

●3D打印生物電子器件：由于3D打印技術能夠創(chuàng)建高度集成的3D多功能結構，許多研究人員正在探索這一新興技術，以制造具有電功能的幾何復雜和生物兼容的設備和支架。其中一些裝置包括生物傳感器、電刺激組織再生支架和微電極。生物傳感器是一種受體，可以檢測某些物質并對可識別的電信號做出反應。電刺激也可能有助于促進生物組織更快的再生。因此，一些研究一直在尋求將電子設備集成到生物支架中，以改進或實現(xiàn)再生過程。


△3D打印了一對左右仿生耳朵，能夠增強射頻接收和立體聲音頻音樂收聽的聽覺感知

●可生物降解的材料：解決電子垃圾問題的最實際和最有吸引力的解決方案是開發(fā)可生物降解的電子產品，因為可生物降解性確保產生的廢物是環(huán)保和無毒的。因此，探索利用可生物降解有機材料制備可生物降解電子器件具有重要意義。這種設備在運行過程中的效率和性能是一個關鍵方面，它將決定可生物降解3D打印電子產品被采用的可能性。材料還需進一步研發(fā)，以適應各種部件的降解時間，滿足各種應用和要求。其他一些重要的考慮因素還包括周期性機械載荷產生的變形影響和可生物降解材料在工作壓力下的可靠性。

總結
用于3D打印電子應用的理想功能油墨應該具有良好的材料和電學性能、良好的打印適用性、高性價比以及能承受一定的加工溫度。打印系統(tǒng)還必須具有良好的打印分辨率、高打印速度、按需非接觸打印，并允許快速修改設計和易于擴展。為了維持3D打印電子產品的增長和采用，需要在新型先進功能油墨的研究和開發(fā)方面繼續(xù)努力。有必要為各種應用開發(fā)具有不同材料性能、電子性能和機械性能的各種油墨。最終的電子性能和打印分辨率是3D打印電子產品的兩個最重要的考慮因素。

非常鼓勵油墨制造商和機器制造商加強合作，分享他們的專業(yè)知識，以便共同配制和優(yōu)化適合某一打印機的油墨，從而更好地改善打印適用性和打印質量。相信在不久的將來，電子產品的新3D打印應用會發(fā)揮它巨大的潛力。


更多內容請查看原文：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100945