結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)合-3D打印在結(jié)構(gòu)電子中怎樣應(yīng)用？

結(jié)構(gòu)性電子是指產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)或者部分零部件同時(shí)兼具電子設(shè)備的功能。我們舉個(gè)形象的例子，如果飛機(jī)機(jī)艙中的窗戶同時(shí)又可以作為顯示屏為乘客提供資訊，那么這個(gè)帶顯示屏功能的窗戶屬于一種結(jié)構(gòu)性電子設(shè)備。 再舉個(gè)例子，手機(jī)殼如果同時(shí)具有接收無線信號(hào)的天線功能，那么這個(gè)手機(jī)殼也是一種結(jié)構(gòu)性電子設(shè)備。

怎樣讓這些飛機(jī)、手機(jī)中的結(jié)構(gòu)具有電子設(shè)備的功能呢？ 估計(jì)大家都可以想到，要做到這一點(diǎn)就需要將一些電路、傳感器嵌入到這些結(jié)構(gòu)中。近年來逐漸發(fā)展的電子3D打印技術(shù)， 可以替代傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印、光刻技術(shù)來制造結(jié)構(gòu)性電子設(shè)備，尤其適合在非平面的物體表面和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小的物體中進(jìn)行電子、電路打印。本期，我們以O(shè)ptomec 氣溶膠噴射3D打印技術(shù)為例，看一下結(jié)構(gòu)性電子領(lǐng)域是怎樣應(yīng)用3D打印技術(shù)的。


技術(shù)特點(diǎn)
在了解結(jié)構(gòu)性電子具體應(yīng)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(shù)的技術(shù)特征、優(yōu)勢和應(yīng)用方向。

· 高質(zhì)量的材料沉積
盡管材料沉積質(zhì)量與油墨及油墨的承印物，以及承印物的粗糙度有關(guān)。Optomec的氣溶膠噴射3D打印技術(shù)（Aerosol Jet）不會(huì)改變承印物和油墨的物理性能和化學(xué)性能。該公司的5軸3D打印設(shè)備工作原理是將打印材料霧化成一個(gè)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(shè)備可打印10微米-1毫米寬的材料，打印材料包括導(dǎo)電油墨、粘合劑、聚合物、電介質(zhì)、膠粘劑等，從而制造表面不平坦的電子內(nèi)件和印刷線路板。該技術(shù)可以打印更小的、更高性能的移動(dòng)電子設(shè)備。

· 室溫下的電路打印
在“技術(shù)特點(diǎn)”中我們看到氣溶膠噴射3D打印技術(shù)可以在多種承印物中進(jìn)行低溫電路打印。 由于通常使用金屬油墨制造電路時(shí)，要求溫度在250攝氏度以上。但對(duì)于一些熔點(diǎn)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(huì)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(shù)，則可以實(shí)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(shù)可以在眾多熔點(diǎn)低的承印物中打印電路。


在結(jié)構(gòu)電子中的主要應(yīng)用

· 在曲面上打印傳感器
氣溶膠噴射技術(shù)可以在非平面的承印物上沉積材料，這為軍事領(lǐng)域中用到的傳感器打印提供了解決方案。在打印時(shí)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(jìn)行任何接觸，因此電路的結(jié)構(gòu)可按照承印物的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)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(shù)曾被斯旺西大學(xué)的研究人員，應(yīng)用于應(yīng)變和光學(xué)蠕變傳感器的直接打印，并將傳感器用在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)葉片表面上。使用激光檢測系統(tǒng)和光學(xué)測量的傳感器，研究人員能夠確定一個(gè)組件的蠕變程度在10納米以內(nèi)。威爾士打印和涂層中心研究人員（WCPC）認(rèn)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(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度。

打印傳感器的過程始于霧化納米銀導(dǎo)電墨水，然后通過噴嘴對(duì)準(zhǔn)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(shí)，沉積頭和基板之間的距離保持不變，以確保的材料準(zhǔn)確的沉積到指定區(qū)域。導(dǎo)電油墨沉積到指定區(qū)域之后，再經(jīng)過熱處理，傳感器就具有導(dǎo)電性和機(jī)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(fù)合層上。但這種工藝僅適合在平面結(jié)構(gòu)中印刷天線，并且在印刷后還需要進(jìn)行組裝。是用氣溶膠噴射3D打印技術(shù)可以直接將天線元件打印在曲面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行集成，免去后續(xù)的組裝過程。

光寶科技使用該技術(shù)將3D天線打印在電子產(chǎn)品的外殼中，從而最大化設(shè)計(jì)靈活性，確保最佳的產(chǎn)品配置和性能，實(shí)現(xiàn)更輕薄的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

智能穿戴設(shè)備也是氣溶膠噴射3D打印技術(shù)的應(yīng)用方向。英國的科研機(jī)構(gòu)使用該技術(shù)打印智能手鐲。與珠寶商出售的手鐲不同，這個(gè)手鐲中集成了天線和RFID技術(shù)，具有跟蹤和識(shí)別的功能，屬于一種可穿戴的智能設(shè)備。集成在手鐲中的天線是由氣溶膠噴射3D打印技術(shù)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(gè)功能性的手鐲。這是氣溶膠噴射3D打印技術(shù)在定制化穿戴設(shè)備領(lǐng)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(diǎn)上，隨時(shí)將病人的數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)生。

轉(zhuǎn)自3D科學(xué)谷