結(jié)構(gòu)性電子3D打印技術(shù)國內(nèi)研發(fā)進行時

3D打印的制造過程快速、結(jié)構(gòu)形體復雜性無限制等技術(shù)特性，尤其適用于電子產(chǎn)品的單件、多品種小批量研制，以及采用傳統(tǒng)制造方式難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的開發(fā)。南極熊之前報道的夢之墨團隊開發(fā)的電路3d打印機就可以打印出復雜電路。

在結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品制造領域，美國Optomec公司通過氣溶膠噴射3D打印技術(shù)已被應用在小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)中，使用該技術(shù)3D打印的曲面共形天線或在眼鏡上直接印制AR電子設備就是其中頗具代表性的應用。那么，國內(nèi)企業(yè)或科研機構(gòu)在3D打印結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的制造領域發(fā)展到什么程度了？

圖片：Optomec 共形天線

基體結(jié)構(gòu)和導線交替打印

結(jié)構(gòu)電子是指電路與電子元件按照一定的三維空間布局，附著或鑲嵌于基體結(jié)構(gòu)上，形成的三維電氣結(jié)構(gòu)。由于電氣部分具有三維空間布局，電子產(chǎn)品的空間利用率得到提升，體積得到減小。典型的結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品包括：曲面共形的天線、超級傳感器結(jié)構(gòu)電子器件、抗壓結(jié)構(gòu)電子器件等。

結(jié)構(gòu)電子傳統(tǒng)制造工藝的線路附著于基板，基板為二維平面薄板，線路只能二維排布，難以實現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)電子器件的制造。其中一種新型的結(jié)構(gòu)電子器件制造方法是將電路印刷在柔性平板上，通過折彎平板獲得一定程度的三維尺寸，但是這個方法本質(zhì)上仍然是二維印刷，在垂直于平板的方向上并不能自由設計和制造電路，制造出的實質(zhì)上是二維或是2.5維的結(jié)構(gòu)。

另一種新型的結(jié)構(gòu)電子器件制造方法是用SLA 技術(shù)3D打印出三維基體結(jié)構(gòu)，然后在基體結(jié)構(gòu)外表面采用直寫工藝制造導電線路。在這個方法中雖然采用了三維基體結(jié)構(gòu)，但其電路只存在于基體結(jié)構(gòu)外表面，仍然是二維線路的組合，并未實現(xiàn)三維空間任意排布。那么，是可以通過一種創(chuàng)新工藝來實現(xiàn)新型三維結(jié)構(gòu)電子器件的制造呢？西安交通大學通過一種導線與基體同步打印的3D打印技術(shù)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品三維空間的任意排布。

與其他3D打印產(chǎn)品類似，在進行3D打印之前首先需要根據(jù)結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的性能要求設計出電子器件中的電路空間分布和打印基體的幾何尺寸，完成產(chǎn)品建模之后，對3D模型進行分層處理，得到每層截面的材料分布，并編寫打印頭集成裝置和工作平臺的相對運動程序。

接下來，使用符合產(chǎn)品性能要求的導線打印材料和基體結(jié)構(gòu)打印材料進行結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的3D打印。導線打印材料可以有三種不同形態(tài)，包括銅錫合金、銀錫合金、錫鉛合金這樣的低熔點金屬絲，納米銀離子凝膠溶液、導電高分子水凝膠的導電墨水，以及鋁粉、銅粉等金屬粉末。基體的3D打印材料則為ABS、PLA、PEEK絕緣性高分子絲材。

在打印時首先通過基體3D打印材料和打印頭完成基體部分的3D打印，然后切換為導線材料的打印頭，從而進行導線部分的3D打印。無論是使用以上所說的三種導線材料中的哪一種材料，導線材料都將通過打印頭沉積3D打印的基體結(jié)構(gòu)中。在完成一層基體結(jié)構(gòu)和導線的打印之后，工作臺將下降一個分層厚度，重復打印基材和打印導線的打印過程，直到打印完全部基體結(jié)構(gòu)和導線得到結(jié)構(gòu)電子。

最后值得一提的是，中國夢之墨公司發(fā)明了液態(tài)金屬的電路3D打印機，技術(shù)還要先進，售價40萬人民幣。此款機器已經(jīng)入駐南極熊3D打印商城。


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來源：3d科學谷
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