研究 | 任意三维形状上的3D打印电路

文：陈义/鲁中良

德克萨斯大学埃尔帕索分校（UTEP）的电磁学和光子学实验室（EM实验室）开发了一种3D打印电子设备的自动化工艺,结合所有预制组件（例如金属轨道，集成电路和晶体管），该技术使得能够制造具有非常规则形状的电路。

图1 由单层到双层到多层打印路径

图2 桥接结构打印路径

研究采用电磁和化学混合方法，通过将不同的粉末混合到高粘度硅树脂中，使用nScrypt设备制造用于3D打印的微粉。为了保证打印材料的性能，研究团队对喷嘴直径、颗粒的粒径和形状进行筛选，保证与硅树脂混合后，材料具有合适的粘度，在打印过程中不会出现凝结和堵塞。在对材料的介电常数、渗透率和损耗正切等测量后，设计出合理的材料分配。研究将硅树脂填充钛酸锶和铁氧体粉末，通过调整打印参数和对样品进行热处理，实现3D打印零件的成型。研究的主要挑战包括加载材料的选择，处理不规则的颗粒形状和大小，3D打印路径设计，以及优化分配速度。

图3 带介电材料的三维印刷电路板(左)和具有介电材料的3D印刷塔(右)

EM实验室的项目开始于开发用于设计“真正”3D电路的CAD软件，其中电子元件布置在任何位置或方向。那么问题是物理制造设备的手段。 EM实验室的博士生Gilbert Carranza说：“我们无法超越这一点。我们没有必要的工具将我的设计真正翻译成可以被3D打印机读懂的程序。Valle和Carranza以及研究助理Ubaldo Robles共同致力于弥补CAD和3D打印功能之间的鸿沟。

图4 带介电材料的3D印刷塔(上)和带介电材料的3D印刷电路板(下)

图5 电路形貌

研究通过微喷方法实现简单三维结构的成型，并通过电介质和磁粉来调节零件的介电常数和磁导率。团队对由于粘度波动导致的挤出变形没有做重复性研究，但是为了打印的可重复性操作，研究正围绕打印材料恒定均匀性展开。该团队展示了将电路实现为3D打印电路结构的能力，这些结果证明了团队最终能够将电路3D打印到任意所需形状的能力，进一步的工作可能包括3D打印RF谐振器，滤波器，天线，铁磁器件或介电天线等。

作者：陈义/鲁中良
来源：机械制造系统工程国家重点实验室