研究 | 任意三維形狀上的3D打印電路

文：陳義/魯中良

德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（UTEP）的電磁學(xué)和光子學(xué)實驗室（EM實驗室）開發(fā)了一種3D打印電子設(shè)備的自動化工藝,結(jié)合所有預(yù)制組件（例如金屬軌道，集成電路和晶體管），該技術(shù)使得能夠制造具有非常規(guī)則形狀的電路。

圖1 由單層到雙層到多層打印路徑

圖2 橋接結(jié)構(gòu)打印路徑

研究采用電磁和化學(xué)混合方法，通過將不同的粉末混合到高粘度硅樹脂中，使用nScrypt設(shè)備制造用于3D打印的微粉。為了保證打印材料的性能，研究團(tuán)隊對噴嘴直徑、顆粒的粒徑和形狀進(jìn)行篩選，保證與硅樹脂混合后，材料具有合適的粘度，在打印過程中不會出現(xiàn)凝結(jié)和堵塞。在對材料的介電常數(shù)、滲透率和損耗正切等測量后，設(shè)計出合理的材料分配。研究將硅樹脂填充鈦酸鍶和鐵氧體粉末，通過調(diào)整打印參數(shù)和對樣品進(jìn)行熱處理，實現(xiàn)3D打印零件的成型。研究的主要挑戰(zhàn)包括加載材料的選擇，處理不規(guī)則的顆粒形狀和大小，3D打印路徑設(shè)計，以及優(yōu)化分配速度。

圖3 帶介電材料的三維印刷電路板(左)和具有介電材料的3D印刷塔(右)

EM實驗室的項目開始于開發(fā)用于設(shè)計“真正”3D電路的CAD軟件，其中電子元件布置在任何位置或方向。那么問題是物理制造設(shè)備的手段。 EM實驗室的博士生Gilbert Carranza說：“我們無法超越這一點。我們沒有必要的工具將我的設(shè)計真正翻譯成可以被3D打印機(jī)讀懂的程序。Valle和Carranza以及研究助理Ubaldo Robles共同致力于彌補(bǔ)CAD和3D打印功能之間的鴻溝。

圖4 帶介電材料的3D印刷塔(上)和帶介電材料的3D印刷電路板(下)

圖5 電路形貌

研究通過微噴方法實現(xiàn)簡單三維結(jié)構(gòu)的成型，并通過電介質(zhì)和磁粉來調(diào)節(jié)零件的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。團(tuán)隊對由于粘度波動導(dǎo)致的擠出變形沒有做重復(fù)性研究，但是為了打印的可重復(fù)性操作，研究正圍繞打印材料恒定均勻性展開。該團(tuán)隊展示了將電路實現(xiàn)為3D打印電路結(jié)構(gòu)的能力，這些結(jié)果證明了團(tuán)隊最終能夠?qū)㈦娐?D打印到任意所需形狀的能力，進(jìn)一步的工作可能包括3D打印RF諧振器，濾波器，天線，鐵磁器件或介電天線等。

作者：陳義/魯中良
來源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室