南极熊导读：在电路板生产中经常面临着供应中断和设计限制问题，越来越多的供应商选择3D打印机来解决上述问题。与传统生产方法相比，3D打印电路板 (PCB) 的制造速度更快，用途更广泛，并且可以在生产更复杂的电路的同时显着节省成本。当今 3D PCB 的最大吸引力在于，它们为制造商控制其电路板供应并消除工厂停工、运输减慢等情况。
△Nano Dimension 既是 3D 打印机制造商，也是 3D PCB 服务提供商（来源：Nano Dimension）
诚然，这项技术目前是一个利基市场，需要更多的研发才能将其扩展到大规模生产水平，但对于快速原型、小规模生产和独特的电子产品（尤其是军事或航空航天应用），3D 打印为电子产品制造商提供了一条在内部生产电路板的途径。这项技术的快速进步已经使制造商能够颠覆传统的电子制造，从而加快新产品的上市速度。例如，一家 3D 打印机制造商 Optomec 表示，其半导体解决方案将 5G 信号提高了 100%。
制造商迅速采用 3D PCB 的原因还有很多。接下来，南极熊将带您了解可以制造电路板的3D打印机、用于设计3D PCB的软件，以及增材制造对电路板行业产生影响的其他方式，例如增材制造工具和夹具如何用于 PCB 生产。南极熊还整理了当今生产3D PCB主要制造商，如果你感兴趣，就请看下去吧。
什么是 3D 打印电路板？
△Nano Dimension 用于电路板的 3D 打印技术（来源：Nano Dimension）
3D PCB技术是电子行业的新手，但近年来发展迅速。专用电路板 3D 打印机可以比传统方法更快地制造电路板，对于某些应用场景，甚至可以使用带有导电丝的普通桌面 FDM 3D 打印机进行制造。传统电路可能需要数天或数月才能生产出来，而 3D 打印机可以在 30 小时或更短的时间内制作出功能性电路板。设计自由度是另一个好处，3D 打印机可以创建比传统矩形板复杂得多的电路，包括柔性板、蜂窝结构，甚至是全三维板。
PCB 3D 打印技术通常以两种方式工作：直接用导电材料打印电路或打印带有中空通道或沟槽的电路板，这些通道或沟槽随后填充导电材料。让我们仔细看看这些方法的不同之处。
△Nano Dimension 的 3D 打印电路板（来源：Nano Dimension）
电路板 3D 打印机通过增材制造构建整个电路板。它与传统的PCB 生产方法不同，过去的生产中通常使用机械手段将电路蚀刻到板上或CNC 铣削导电迹线。
●方法一：导电材料
使用导电材料的 PCB 3D 打印机铺设导电材料以形成电路。导电材料是以注入了导电颗粒（如银、铜或石墨）的墨水或细丝，这些材料也可以作为载有气溶胶的材料流进行喷涂。
墨水是商用 PCB 3D 打印机中更常见的选择。可以使用类似于 2D 打印机中的喷墨打印机来沉积导电和绝缘墨水的液滴，从而构建出电路。一些打印机需要预制基板，另一些打印机可以从头开始打印整个基板。后者可以生产复杂的多层双面电路板，实现嵌入线圈、电阻器或 LED 等组件的功能。
导电丝是打印电路板的另一种选择。用户几乎可以使用任何 FDM 打印机打印这些灯丝，这更具成本效益。但是，该电路将比基于墨水的 PCB 更笨重且效率极低。因此，导电丝可能不适合商业运营，但它们是原型的理想选择。
●方法2：空心通道
第二种方法生产的电路板具有电路所在的空心通道。从本质上讲，您将打印一个“外壳”来容纳您在打印后沉积到通道中的导电材料。为了使电路正常工作，您必须使用非导电灯丝（如 ABS 或 PLA）打印电路板。
△该电路载体由 EOS 在选择性激光烧结机上 3D 打印，然后在电路通道中填充导电材料（来源：EOS）
这种方法使您能够使用几乎任何足够精确的 3D 打印机创建 PCB。因此，它是一个非常经济的解决方案。它还可以提供比一些直接打印电路更高的导电性，尤其是那些用导电细丝制成的电路。例如，PCB 制造商 Beta LAYOUT 依靠选择性激光烧结机从 EOS 到 3D 打印电路载体导体轨道，这些导体轨道随后填充导电材料。
PCB的优点和缺点
△用于传统电路板制造的定制工具和夹具是使用静电安全材料3D打印制造的，例如 Impossible Objects 的尼龙板夹具（来源：Impossible Objects）
与传统制造的电路板相比，3D打印PCB可以提供显着优势，但它也有一些非常实际的局限性。因此，它可能还不是适用于所有目的的理想技术。
●优点
1.成本效益：虽然一些PCB 3D打印机成本高昂，但它们可以快速获得投资回报。3D 打印的 PCB 消耗更少的材料。此外，3D打印了消除运输和外包成本，可以使电路原型制作成本显着降低。
2.生产速度：使用 3D 打印机，PCB 生产时间以小时计算。他们可以加快整个流程，包括电路设计、原型设计和迭代，最终用途生产和市场推广。
3.设计自由：用 3D 打印机生产的 PCB 可以是任何形状，也可以用柔性材料打印。这有了更高的设计自由度，使得工程师可以专注于研发更轻、更小、更高效的产品。
4.减少浪费：传统的生产方式会产生大量浪费。3D打印PCB可以使电路更紧凑，形状复杂，节省材料。
5.按需生产：3D 打印能够根据需要生产电路板，而无需保留大量库存。同时，您不必承担来自第三方制造商的大订单，同时也消除了供应链中断的机会。
6.高精度：3D打印机在PCB生产中可以达到比传统方法更高的精度。一些打印机甚至可以放置组件，进一步降低了生产过程中出现人为错误的可能性。
7.更多层：当您将增材制造系统用于多层数 PCB 时，您的电路板几何形状可能会更加复杂。
●缺点
1.有限材料：作为一项相对较新的技术，3D PCB 打印还没有广泛的材料。许多打印机只能使用制造商提供的一种或两种材料，这会增加成本并限制设计选择。
2.较低的导电性：尽管 PCB 3D 打印在不断进步，但一些导电打印材料的性能不如传统材料。
3.有限的电路板尺寸：3D 打印机只能生产与其打印室可容纳的 PCB尺寸（这对于大多数应用来说不是问题）。由于许多 PCB 3D 打印机的打印室相当小，它们不适合生产大型电路板。
4.缺乏选择：就像材料一样，目前很少有公司在商业上生产 PCB 3D 打印机。随着技术的成熟，这种情况极有可能得到改善，但就目前而言，没有广泛的选择余地。
3D印刷电路板的应用
3D PCB 已经有了很广泛的应用，许多制造商已成功生产出适用于从教育到先进航空航天设备等各个行业的 PCB。
●用于生物医学研究的 3D PCB
加利福尼亚州斯坦福大学的研究小组正在开发新的替代电子产品，例如柔性和生物相容性电子产品。博士后研究员 Naoji Matsuhisa 博士正在开发用于下一代生物医学可穿戴设备的可拉伸传感器。
△斯坦福大学使用柔性 3D PCB 研究用于机器人皮肤和生物医学可穿戴技术的生物相容性墨水（来源：Voltera）
许多设备的传感器都放置在有弹性、极其柔韧的基板上，以使它们尽可能靠近皮肤。然后这些传感器必须连接到刚性电路板。连接点还必须能够伸展以实现舒适的佩戴和最高程度的功能。Bao Research 使用 Voltera 的 V-One 3D 打印机为连接组件生产可拉伸导体。V-One 使 Bao Research Group 能够快速制造他们需要的不同寻常的电路和连接器。
●用于可再生能源的 3D 打印太阳能电池
弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 ISE 是一家位于德国的研究中心，从事科学和工程研究与开发，以推进太阳能和光伏发电生产技术。他们使用 Optomec 的气溶胶喷射 (AJ) 3D 打印系统在 Fz 晶圆上生产太阳能电池。3D 打印技术使弗劳恩霍夫 ISE 能够使用注入银的墨水打印宽度在 18 到 60 微米之间的精细特征收集器线。然后将该层覆盖在由多种导电材料组成的表面层中。
△带有叠瓦太阳能电池的光伏车顶的可视化（来源：Fraunhofer ISE）
与以前使用的电池相比，3D打印的太阳能电池具有更高的电导率和更低的阴影效应。该技术帮助弗劳恩霍夫 ISE 将其太阳能电池的效率提高了 20%。随着该技术的成功，多家商业太阳能电池制造商已采用该技术开发更有效的太阳能电池，用于绿色能源生产。
●航空航天与军事
相控阵天线是复杂的天线元件阵列，允许操作员在不移动天线的情况下改变其辐射方向。这可以通过控制每个天线元件信号的相位来实现，这样它就可以“瞄准”特定的点。这些设备在航空航天和军事应用中对于促进安全通信至关重要。
总部位于佛罗里达州的工程公司 Sciperio 与美国空军研究实验室 (AFRL) 合作，成功开发了一种在曲面上打印复杂多层射频电气结构的方法。这使该公司能够生产用于飞机和其他航空航天和军事应用的相控天线阵列。该项目成功的关键是工具 (FiT) 3D 制造系统中的 nScrypt 3Dn 系列工厂。3Dn FiT 系统将 FDM 3D 打印与微点胶、气溶胶喷射和组件放置相结合，使 Sciperio 能够制造弯曲天线阵列所需的复杂结构电子器件。
●快速原型制作
Phytec总部位于德国美因茨，是工业嵌入式电子领域的领军人物。由于其许多产品的定制性质，Phytec 需要能够快速制作原型、测试和生产新技术。
△Nano Dimension 的 DragonFly Pro 上 3D 打印的功能性 PCB 触摸传感器（来源：Sven Dengel，Phytec）
传统的生产方法通常会导致原型的交付周期极长——长达 50 天。Phytec 希望缩短开发周期并提高产品质量。为此，它是首批采用 Nano Dimension DragonFly 3D 打印机的商业公司之一。这一决定很快被证明是正确的。多亏了 DragonFly，Phytec 现在能够在一个工作日内在内部生产出高质量的 PCB 原型。它的工程师可以在 PCB 设计过程的早期识别潜在的错误和问题，从而节省开发时间和材料。此外，3D 打印过程使 Phytec 能够探索新的想法，解锁以前无法实现的创意 PCB 结构。
Phytec 首席技术官 Bodo Huber 说：“根据电路板的尺寸和复杂程度，我们需要 12 到 18 个小时来打印 PCB。这比以传统方式订购 PCB 快 10 到 15 倍。因此，在一个工作日内，我们的生产设施就可以使用新设计的第一块新 PCB”。
3D PCB：最先进的技术
△这个完全 3D 制造的打印圆柱形电路由 nScrypt 创建，具有嵌入式蓝牙微控制器、印刷天线以及一系列完全嵌入式传感器和组件，例如声学、光和运动传感（来源：nScrypt）
3D PCB 的研发正在各个行业的各个领域进行。以下是一些最有希望的发展。
在 2022 年 IPC APEX 博览会（主要的 PCB 会议）上展示的一项重大发展正在超越电路板，进入打印电路结构 (PCS)。工程师们意识到可以不再局限于平板，而是可以制作几乎任何形状的电路。例如，3D 打印电路圆柱体是 ICP APEX 的演示之一。这些新形状可以帮助制造商将 PCB 安装到更小的空间中，并以更低的价格生产它们。尽管这项技术尚未准备好进行商业化，但它指明了行业发展的方向。
与此同时，休斯顿大学的研究人员于 2022 年 6 月宣布，他们已经创造了一种注入有机半导体材料的新型 3D 打印树脂。使用这种树脂，研究团队成功地打印出微型打印电路板等物体。这一发现可能为可用于可穿戴传感器、假肢、植入神经芯片和其他医疗器械的小型生物活性电子产品铺平道路。
用于替代蚀刻工艺的增材 PCB 制造。2022 年 8 月，德国公司 InnovationLab 和 ISRA VISION 之间的合作报告称，他们在 3D PCB 方面取得了突破。两人使用新颖的 3D 可打印铜墨水创建了一个可运行的物理原型。多层 PCB与传统的回流焊接兼容，允许制造商在不购买任何新设备的情况下安装组件。
△InnovationLab 在打印电路板的增材制造方面取得了突破，在满足更高的电子生产环境标准的同时还降低了成本（来源：InnovationLab）
InnovationLab 打印电子产品负责人 Janus Schinke 博士说。：“这是一种最先进的生产工艺，它将降低成本并减少对供应商的物流依赖，同时为环境带来三个关键好处：消耗更少的材料、使用更少的能源和产生更少的废物。到 2022年底，我们希望将这一工艺扩大到大批量，满足客户对 100 万条以上。”InnovationLab 3D PCB 使用的基板比传统技术薄 15 倍，从而减少了材料消耗，生产过程中的浪费大大减少。
顶级电路板打印机
与更成熟的 3D 打印技术相比，3D 打印 PCB 市场目前非常小。以下是当前可用的 PCB 3D 打印机的一些亮点。
●Nano Dimension
△Nano Dimension DragonFly IV（来源：Nano Dimension）
Nano Dimension 的 DragonFly 于 2015 年推出，被誉为世界上第一台用于生产专业级 PCB 的桌面尺寸 3D 打印机。该公司目前的产品 - DragonFly IV - 不适合放在桌子上，但它仍然是 AME 生产的强大解决方案。DragonFly IV 将两种专用墨水沉积在打印床上。其中第一个是 AgCite，一种填充有导电纯银纳米粒子的墨水。即使在 75 微米的层高下，AgCite 也能为 PCB 提供可预测的电导率。第二种墨水由介电聚合物组成，可以制造18微米层厚的 PCB 结构。
DragonFly IV 可以同时沉积这些墨水，并使用红外线和紫外线固化它们。此打印机可以创建高性能设备和电路，即使是复杂的 3D 形状。Nano Dimension 的 Flight 软件与 DragonFly IV 无缝集成，可以轻松启动打印作业。Flight 使用户能够控制从数据准备和可打印性验证到实际打印过程的一切。DragonFly IV 还由 Nano Dimension 用于增材制造的专有 AI 解决方案 DeepCube 提供支持。DeepCube 使用与语音或图像识别 AI 相同的原理，通过识别人眼无法看到的微小缺陷并实时纠正打印错误来提高零件质量和输出。DeepCube 与世界各地的 3D 打印机相连，在每次打印运行时都学会了提高效率和准确度。除了 DragonFly IV，Nano Dimension 还提供 Fabrica 2.0 微型 3D 打印机，它可以通过创建微型连接器和其他微型组件来服务电子制造商。
●Voltera
△Voltera电路板3D打印机（来源：Voltera）
Voltera One 是一款紧凑型 PCB 3D 打印机，主打易用性和快速生产。这是一款经济实惠的机器，即使是中小型企业也不会超出预算。V-One 提供一体化 PCB 生产包。它能够分配导电墨水、在电路板上钻孔、加热和固化墨水和回流。Voltera 的磁头很容易更换 ，磁性安装的磁头只需在几秒钟内拉下并卡入正确位置，无需任何工具。
V-One 不是打印整个电路板，而是依赖预制电路板。用户必须单独购买电路板，但您可以自由选择它们的材料，因为 V-One 与基板无关。Voltera 提供标准和柔性导电油墨，使用户能够为各种应用打印 PCB。将电路板放入打印机后，V-One 对齐打印头高度并开始沉积导电墨水，然后最终固化。该机工作速度快，可在2-3小时内生产出简单的单层PCB。V-One 目前可以生产两层板，但 Voltera 希望在未来增加更多的多层支持。
●BotFactory SV2
△BotFactory 的 SV2 是一款一体化桌面打印机（来源：BotFactory）
BotFactory 的第一台 PCB 打印机有一个可爱的名字，Squink，它于 2015 年问世，与 Nano Dimension 的 DragonFly 竞争第一台桌面 PCB 打印机的称号。。Squink 现已停产，BotFactory 已将其替换为更专业的 SV2。
SV2 为一体式桌面打印机，专门针对研究和工程应用。该机器可以用导电和绝缘油墨打印多层电路，沉积焊膏。除了导电墨水和电阻墨水，BotFactory 还为 SV2 创建了电阻墨水。这种材料允许制造商直接将电阻器打印到 PCB 上，无需安装单独的电阻器组件。
该打印机有 Starter、Enhanced 和 Professional 版本。Starter 和 Enhanced 型号最多可以打印两层，而 Professional 型号能够创建四层 PCB。打印机型号的最小间隙范围分别为 400 至 300 和 200 微米。
●nScrypt 3Dn
△FiT系统，来源：nScrypt
FiT 机器配备了 FFF 3D 打印机，它们还能够使用 1-5 个可更换工具头（或制造商所说的小玩意儿）进行微点胶、钻孔、抛光和放置组件。nScrypt 表示，3Dn 系列 FiT 机器具有自动工具更换、后处理方法和声称支持 10,000 多种材料，适用于制造产品，而不仅仅是零件。
PCB 生产商对 FFF 打印和微点胶功能特别感兴趣。使用 FiT 机器，可以 3D 打印设备的结构和外壳，同时还可以生产薄至 20 微米的嵌入式导电迹线。这允许生产 nScrypt 所称的打印电路结构，嵌入电路的 3D 打印物体。3Dn 系列 FiT 打印机提供桌面尺寸和龙门平台型号。
●Optomec Aerosol Jet Flex
△Optomec 的 Aerosol Jet Flex 3D 打印机（来源：Optomec）
总部位于新墨西哥州的 Optomec 为增材制造 PCB 和其他电子产品创造了独特的解决方案。该技术被称为气溶胶喷射(AJ)，可以在 2D 和 3D 基板上打印导电迹线。AJ 可以在 2D 应用中创建互连，通过在电路交叉点使用介电材料来模拟单层上的多层电路板。该技术还可以直接在 3D 表面上打印电路，而无需引线键合。
Optomec 的旗舰机器是 Aerosol Jet Flex 3D 打印机。它可以配置为具有三到五个运动轴，并且可以打印小至 10 微米的特征和低至 100 纳米的层高。该打印机还具有一个用于 PCB 3D 打印机的尺寸合适的打印室，最大构建体积为 350 x 250 x 300 mm。电子产品制造商 Lite-On Mobile 使用该技术将天线 3D 打印到手机上。
AJ Flex 使用雾化器将其基于墨水的材料变成浓密的气溶胶雾。薄雾通过沉积头输送到打印平台上，其中鞘气将气溶胶聚焦成高度聚集的光束。这种方法可以在塑料、陶瓷或金属基板上打印电路。Optomec 为 AJ Flex 提供了多种附加模块。激光烧结模块可以在室温下对金属油墨进行烧结，而紫外线固化模块允许操作员固化对紫外线敏感的聚合物以创建 3D 结构。顾名思义，全功能打印头可解锁高达 2800 微米的扩展打印特征尺寸。
电路板 3D 打印服务
△Beta Layout印刷的电路板（来源：Beta Layout）
PCB 3D 打印机需要大量前期投资，可能并不适合所有人。幸运的是，无需购买自己的机器就可以 3D 打印 PCB。PCB 3D 打印服务允许您订购用于原型制作和最终用途的 PCB。
●Nano Dimension
除了制造 DragonFly 3D 打印机，Nano Dimension还提供 PCB 设计和制造服务。该公司在全球设有打印实验室，使其能够提供以天为单位的周转时间。Nano Dimension 工程师还可以与客户合作，从头开始设计和定制 PCB 和高性能电子设备，以适应各种应用。
●Beta Layout
Beta Layout专门从事 3D 打印和制造 PCB 原型。该公司结合其两个专业领域，提供 3D 机电一体化设备 (3D-MID) 原型设计服务。Beta Layout 可以 3D 打印带有集成电路的复杂物体。其技术能够实现电子元件的小型化，并使制造商能够比传统生产方法更快地制作创新电路结构的原型。
●Phytec New Dimensions
Phytec 的子公司Phytec New Dimensions使用 Nano Dimension 的 DragonFly 技术提供 PDB 3D 打印。该公司专注于生产概念验证 PCB，并提供组装 PCB 和单独设计研究，以确定项目的 3D 打印可行性。Phytec 承诺快速周转时间，能够在两个工作日内打印出完整的原型。
阅读扩展：企业汇总：国外电子增材制造-南极熊3D打印网 - 平台 (nanjixiong.com)
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