结构与功能的结合-3D打印在结构电子中怎样应用？

结构性电子是指产品的结构或者部分零部件同时兼具电子设备的功能。我们举个形象的例子，如果飞机机舱中的窗户同时又可以作为显示屏为乘客提供资讯，那么这个带显示屏功能的窗户属于一种结构性电子设备。 再举个例子，手机壳如果同时具有接收无线信号的天线功能，那么这个手机壳也是一种结构性电子设备。

怎样让这些飞机、手机中的结构具有电子设备的功能呢？ 估计大家都可以想到，要做到这一点就需要将一些电路、传感器嵌入到这些结构中。近年来逐渐发展的电子3D打印技术， 可以替代传统的丝网印、光刻技术来制造结构性电子设备，尤其适合在非平面的物体表面和结构复杂、空间狭小的物体中进行电子、电路打印。本期，我们以Optomec 气溶胶喷射3D打印技术为例，看一下结构性电子领域是怎样应用3D打印技术的。


技术特点
在了解结构性电子具体应用之前，我们先通过一张图来了解一下气溶胶喷射3D打印技术的技术特征、优势和应用方向。

· 高质量的材料沉积
尽管材料沉积质量与油墨及油墨的承印物，以及承印物的粗糙度有关。Optomec的气溶胶喷射3D打印技术（Aerosol Jet）不会改变承印物和油墨的物理性能和化学性能。该公司的5轴3D打印设备工作原理是将打印材料雾化成一个密集的气溶胶液滴。这种液滴混合惰性气体，通过打印头挤出固化。该设备可打印10微米-1毫米宽的材料，打印材料包括导电油墨、粘合剂、聚合物、电介质、胶粘剂等，从而制造表面不平坦的电子内件和印刷线路板。该技术可以打印更小的、更高性能的移动电子设备。

· 室温下的电路打印
在“技术特点”中我们看到气溶胶喷射3D打印技术可以在多种承印物中进行低温电路打印。 由于通常使用金属油墨制造电路时，要求温度在250摄氏度以上。但对于一些熔点低承印物，无法在这样高的温度下将电路印刷在其表面。例如，聚酯材料所能承受的最高温度是100摄氏度，如果处于250摄氏度的高温下就会熔化，因此无法完成电路的制造。而使用低温的电路打印技术，则可以实现在聚酯材料表面印刷电路。因此通过气溶胶喷射3D打印技术可以在众多熔点低的承印物中打印电路。


在结构电子中的主要应用

· 在曲面上打印传感器
气溶胶喷射技术可以在非平面的承印物上沉积材料，这为军事领域中用到的传感器打印提供了解决方案。在打印时打印喷头在承印物的上方将材料沉积下来，不需要与承印物进行任何接触，因此电路的结构可按照承印物的结构来设计和打印。

阶梯状注塑模具中的传感器（20微米）

Optomec气溶胶喷射技术曾被斯旺西大学的研究人员，应用于应变和光学蠕变传感器的直接打印，并将传感器用在喷气发动机的压缩机叶片表面上。使用激光检测系统和光学测量的传感器，研究人员能够确定一个组件的蠕变程度在10纳米以内。威尔士打印和涂层中心研究人员（WCPC）认为这使得叶片的状况可以被监测，且提高燃油效率以及提高发动机运行温度。

打印传感器的过程始于雾化纳米银导电墨水，然后通过喷嘴对准基板以同轴流量集中喷射。喷射材料成形的形状是通过数控命令来完成的。在基板保持固定的同时，沉积头和基板之间的距离保持不变，以确保的材料准确的沉积到指定区域。导电油墨沉积到指定区域之后，再经过热处理，传感器就具有导电性和机械性能了。

· 在曲面中打印天线

传统方式打印共形天线，首先需要将天线元件印刷在聚酰亚胺薄片上，然后将薄片粘在复合层上。但这种工艺仅适合在平面结构中印刷天线，并且在印刷后还需要进行组装。是用气溶胶喷射3D打印技术可以直接将天线元件打印在曲面结构中，不仅可以根据曲面形状“随心所欲”的打印天线，还可以直接将电路和结构进行集成，免去后续的组装过程。

光宝科技使用该技术将3D天线打印在电子产品的外壳中，从而最大化设计灵活性，确保最佳的产品配置和性能，实现更轻薄的产品设计。

智能穿戴设备也是气溶胶喷射3D打印技术的应用方向。英国的科研机构使用该技术打印智能手镯。与珠宝商出售的手镯不同，这个手镯中集成了天线和RFID技术，具有跟踪和识别的功能，属于一种可穿戴的智能设备。集成在手镯中的天线是由气溶胶喷射3D打印技术制造的，并且是直接打印在手镯的“身体”中，后期不需要任何的组装工作就可以得到一个功能性的手镯。这是气溶胶喷射3D打印技术在定制化穿戴设备领域中的探索。比如给病人佩戴的手镯，通过3D打印在手镯中的天线连接到本地的WiFi热点上，随时将病人的数据传输给医生。

转自3D科学谷