結構與功能的結合-3D打印在結構電子中怎樣應用？

結構性電子是指產品的結構或者部分零部件同時兼具電子設備的功能。我們舉個形象的例子，如果飛機機艙中的窗戶同時又可以作為顯示屏為乘客提供資訊，那么這個帶顯示屏功能的窗戶屬于一種結構性電子設備。 再舉個例子，手機殼如果同時具有接收無線信號的天線功能，那么這個手機殼也是一種結構性電子設備。

怎樣讓這些飛機、手機中的結構具有電子設備的功能呢？ 估計大家都可以想到，要做到這一點就需要將一些電路、傳感器嵌入到這些結構中。近年來逐漸發(fā)展的電子3D打印技術， 可以替代傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印、光刻技術來制造結構性電子設備，尤其適合在非平面的物體表面和結構復雜、空間狹小的物體中進行電子、電路打印。本期，我們以Optomec 氣溶膠噴射3D打印技術為例，看一下結構性電子領域是怎樣應用3D打印技術的。


技術特點
在了解結構性電子具體應用之前，我們先通過一張圖來了解一下氣溶膠噴射3D打印技術的技術特征、優(yōu)勢和應用方向。

· 高質量的材料沉積
盡管材料沉積質量與油墨及油墨的承印物，以及承印物的粗糙度有關。Optomec的氣溶膠噴射3D打印技術（Aerosol Jet）不會改變承印物和油墨的物理性能和化學性能。該公司的5軸3D打印設備工作原理是將打印材料霧化成一個密集的氣溶膠液滴。這種液滴混合惰性氣體，通過打印頭擠出固化。該設備可打印10微米-1毫米寬的材料，打印材料包括導電油墨、粘合劑、聚合物、電介質、膠粘劑等，從而制造表面不平坦的電子內件和印刷線路板。該技術可以打印更小的、更高性能的移動電子設備。

· 室溫下的電路打印
在“技術特點”中我們看到氣溶膠噴射3D打印技術可以在多種承印物中進行低溫電路打印。 由于通常使用金屬油墨制造電路時，要求溫度在250攝氏度以上。但對于一些熔點低承印物，無法在這樣高的溫度下將電路印刷在其表面。例如，聚酯材料所能承受的最高溫度是100攝氏度，如果處于250攝氏度的高溫下就會熔化，因此無法完成電路的制造。而使用低溫的電路打印技術，則可以實現(xiàn)在聚酯材料表面印刷電路。因此通過氣溶膠噴射3D打印技術可以在眾多熔點低的承印物中打印電路。


在結構電子中的主要應用

· 在曲面上打印傳感器
氣溶膠噴射技術可以在非平面的承印物上沉積材料，這為軍事領域中用到的傳感器打印提供了解決方案。在打印時打印噴頭在承印物的上方將材料沉積下來，不需要與承印物進行任何接觸，因此電路的結構可按照承印物的結構來設計和打印。

階梯狀注塑模具中的傳感器（20微米）

Optomec氣溶膠噴射技術曾被斯旺西大學的研究人員，應用于應變和光學蠕變傳感器的直接打印，并將傳感器用在噴氣發(fā)動機的壓縮機葉片表面上。使用激光檢測系統(tǒng)和光學測量的傳感器，研究人員能夠確定一個組件的蠕變程度在10納米以內。威爾士打印和涂層中心研究人員（WCPC）認為這使得葉片的狀況可以被監(jiān)測，且提高燃油效率以及提高發(fā)動機運行溫度。

打印傳感器的過程始于霧化納米銀導電墨水，然后通過噴嘴對準基板以同軸流量集中噴射。噴射材料成形的形狀是通過數(shù)控命令來完成的。在基板保持固定的同時，沉積頭和基板之間的距離保持不變，以確保的材料準確的沉積到指定區(qū)域。導電油墨沉積到指定區(qū)域之后，再經過熱處理，傳感器就具有導電性和機械性能了。

· 在曲面中打印天線

傳統(tǒng)方式打印共形天線，首先需要將天線元件印刷在聚酰亞胺薄片上，然后將薄片粘在復合層上。但這種工藝僅適合在平面結構中印刷天線，并且在印刷后還需要進行組裝。是用氣溶膠噴射3D打印技術可以直接將天線元件打印在曲面結構中，不僅可以根據(jù)曲面形狀“隨心所欲”的打印天線，還可以直接將電路和結構進行集成，免去后續(xù)的組裝過程。

光寶科技使用該技術將3D天線打印在電子產品的外殼中，從而最大化設計靈活性，確保最佳的產品配置和性能，實現(xiàn)更輕薄的產品設計。

智能穿戴設備也是氣溶膠噴射3D打印技術的應用方向。英國的科研機構使用該技術打印智能手鐲。與珠寶商出售的手鐲不同，這個手鐲中集成了天線和RFID技術，具有跟蹤和識別的功能，屬于一種可穿戴的智能設備。集成在手鐲中的天線是由氣溶膠噴射3D打印技術制造的，并且是直接打印在手鐲的“身體”中，后期不需要任何的組裝工作就可以得到一個功能性的手鐲。這是氣溶膠噴射3D打印技術在定制化穿戴設備領域中的探索。比如給病人佩戴的手鐲，通過3D打印在手鐲中的天線連接到本地的WiFi熱點上，隨時將病人的數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)生。

轉自3D科學谷