加州大學伯克利分校開發(fā)電荷編程沉積（CPD）3D打印技術(shù)，用于制造輕型高性能天線

導讀：隨著航空航天對輕量化的需求不斷增加，3D打印憑借結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)勢，成為雷達設(shè)計的理想選擇之一。

△這項研究已發(fā)表在《自然通訊》雜志上，展示了CPD作為多功能平臺的潛力（傳送門）

2025年4月24日，南極熊獲悉，加州大學伯克利分校的研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的3D打印技術(shù)——電荷編程沉積（CPD）。該技術(shù)能夠利用電荷引導的多材料沉積工藝，制造出超輕、結(jié)構(gòu)復雜的天線。與傳統(tǒng)的光刻或減材制造工藝不同，電荷編程沉積能夠直接3D打印由金屬與電介質(zhì)組成的復雜結(jié)構(gòu)電磁設(shè)備

研究表明，使用市售桌面SLA打印機，CPD技術(shù)可以高效生產(chǎn)多種類型的天線，包括發(fā)射陣列、Vivaldi天線和喇叭天線。通過在單次打印中集成高導電性金屬和電介質(zhì)材料，電荷編程沉積顯著減少了零件數(shù)量、重量和制造復雜度。此外，3D打印不受遠距離供應(yīng)鏈的限制，通過數(shù)字文件直接生產(chǎn)，提升了效率和靈活性。它能夠減輕雷達系統(tǒng)重量，同時保持高性能，滿足航空航天對輕量化和高性能的嚴格要求。

△A電荷編程打印和沉積方案。B–F電荷編程沉積增材制造天線照片：B具有三層互穿S環(huán)和介電材料的梯度相位傳輸陣列；C Vivaldi天線；D三維折疊電小天線；E樹形分形天線；F帶有隔膜偏振器的喇叭天線

表面極性引導的3D打印

CPD工藝的核心基于電荷驅(qū)動的材料編程方法。在立體光刻打印過程中，研究人員將不同電荷極性（正電、負電或中性）分配到已打印的圖案化介電基板的各個區(qū)域。這種“電荷鑲嵌”方式?jīng)Q定了選擇性化學鍍過程中金屬的附著位置。只有與區(qū)域電荷相反的區(qū)域才能吸引金屬離子，從而精確地實現(xiàn)無刀具路徑的三維導電軌跡圖案化。

打印完成后，部件將經(jīng)過一系列化學處理：鈀離子作為催化劑沉積在電荷區(qū)域，隨后銅被鍍到帶電區(qū)域。這項工藝能夠生成光滑且無裂紋的銅路徑，電導率為4.9×10⁷S/m，與退火銅相當，非常適合高頻應(yīng)用。

△選擇性的優(yōu)化和向其它材料的擴展

結(jié)構(gòu)和功能的復雜性

研究人員通過制造一個圓極化19 GHz發(fā)射陣列天線，展示了這種方法的靈活性。該天線由三層互穿S環(huán)單元構(gòu)成，重量僅為5克，相較于基于PCB的等效設(shè)計，減輕了94%的重量，同時保持了高方向性和增益。

采用CPD技術(shù)制造的喇叭天線，具有隔膜偏振器和蜿蜒波導過渡，展示了此方法在創(chuàng)建復雜內(nèi)部通道方面的能力。其它示例包括折疊微型天線、分形幾何結(jié)構(gòu)，以及使用彈性體和液態(tài)金屬合金的可拉伸設(shè)計。

為了解決構(gòu)建體積的限制，研究團隊設(shè)計了一種天線陣列模塊化平鋪策略，使得在不損失性能的情況下能夠組裝更大的孔徑系統(tǒng)。

△傳統(tǒng)光刻透射陣列單元與CPD打印的超輕透射陣列單元的示意圖比較

邁向可擴展、低成本的天線生產(chǎn)

與其它多材料增材制造方法不同，CPD工藝無需使用多個打印頭、復雜的基板對準流程或高溫燒結(jié)過程。相反，該方法基于標準SLA打印機，通過手動更換樹脂即可實現(xiàn)，具備成本低、操作簡便的優(yōu)勢。研究中所探索的材料涵蓋聚合物、聚酰亞胺、陶瓷及彈性體，并通過定制樹脂配方以支持電荷調(diào)制與銅沉積。

這項研究顯著降低了在空間受限或?qū)χ亓扛叨让舾械钠脚_上制造定制化高性能天線的門檻。CPD工藝支持快速原型開發(fā)、設(shè)計迭代與按需制造，避免了材料浪費，以及減材制造或多步驟組裝帶來的復雜性。

△3D打印天線系統(tǒng)示意

未來的研究方向?qū)⒕劢褂跇渲�處理流程的自動化、材料體系的進一步拓展，以及其它功能性涂層（如磁性或壓電薄膜）的集成，以滿足下一代電子系統(tǒng)的需求。

這項工藝在立方體衛(wèi)星、6G基站、便攜式和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具備直接應(yīng)用潛力，尤其適用于對重量、幾何尺寸與電性能要求極為嚴苛的場景。例如，具有很大的潛力應(yīng)用于軍用雷達系統(tǒng)，包括復雜的相控陣雷達。早些時候，美國海軍研究實驗室利用3D打印技術(shù)制造優(yōu)化的圓柱形天線陣列，與傳統(tǒng)方法相比，實現(xiàn)了更緊湊、更輕巧的設(shè)計。