在现有的所有制造和原型制作方法中,3D 打印是迄今为止媒体谈论最多的技术,在网上看到的项目也最多,而且任何人都最容易获得。虽然这项技术看起来很新,但 3D 打印可以追溯到 20 世纪 80 年代,当时一家名为 3D Systems 的公司申请了一项关于使用立体平版印刷术构建 3D 模型的专利。
3D 打印机直到最近才开始为家庭用户所用的原因归根结底是这些专利的使用阻碍了它们的开发、制造和销售。这也是专利如何阻碍技术发展的一个典型例子,为反对专利的使用提供了一个论据。因此,这项技术自 20 世纪 80 年代以来就已经存在,但技术的进一步发展花了 30 年时间。
大多数 3D 打印机的工作原理是将 3D 设计拼接成许多小块的水平 2D 切片,然后将每个 2D 切片一块叠加一块地打印出来。最常见的 3D 打印机使用缠绕在卷轴上的热塑性塑料,然后从热喷嘴中挤出。一些 3D 打印机可以使用纸张建立这样的模型,每一层都从纸上剪下,然后粘合到下一层,而一些更奇特的系统可以使用金属粉末的激光烧结。
什么是 3D 打印电子产品?
3D 打印电子产品是通过打印机使用加法工艺制造的电子元件。然而,“3D 打印电子产品”一词很容易被误解,因为一些人可能会认为 2D 打印的电子产品不是 3D 打印的。
事实是,大多数(如果并非全部)2D 打印的电子产品都是 3D 的,因为归根结底这需要进行多层叠加。这同样适用于半导体上的晶体管;虽然晶体管被认为是 2D,但事实上,它们是 3D 结构,需要加减法工艺来构建(如栅极、源极和绝缘层)。
迄今为止,大多数印刷电子产品几乎没有实际应用,很少在现实世界中使用。这是因为传统电子产品制造起来更容易、更便宜、更可靠。然而,目前有大量的研究正在进行,试图创造实用的器件。研究人员已经使用 3D 打印方法制造出了电阻器、电容器、二极管和晶体管,尽管使用了许多不同的材料,但它们通常基于石墨烯或有机聚合物。石墨烯为研究人员提供了创建窄栅极和沟道的能力,同时还能进行掺杂(对改变石墨烯的导电性至关重要)。有机聚合物可以轻松地以溶液形式分散(因此使其成为喷墨打印机的理想选择)并提供灵活性。
印刷电子产品的例子
虽然在印刷电子产品方面有大量的研究,但很少有商业应用,因为印刷电子产品的能力远不及标准电子产品系统。此外,印刷电子产品仍处于起步阶段,因此只能在研究实验室或原型上找到。当谈到最有可能具有实用性的技术时,有两家特别突出:PragmatIC 和杜克大学。
PragmatIC
PragmatIC 是一家总部位于英国的公司,生产用于一次性应用的印刷电子解决方案和 RFID 标签等一次性电子产品。PragmatIC 器件背后的一个重要特征是 PragmatIC 使用柔性衬底,使得最终的器件具有完全的灵活性。此外,该公司的灵活电子技术涵盖所有基本组件,包括电阻器、电容器和晶体管。虽然功能性器件尚未完全展示,但 PragmatIC 制作了一张使用其工艺发 ARM 内核工艺表,并声称每个器件的能耗为 21 mW,能效仅为 1%。
PragmatIC 与标准半导体构造方法的不同之处在于,这些器件是打印出来的,而不是像半导体代工厂那样使用密集的加工步骤。此外,虽然 PragmatIC 的电子产品是一层一层构建的,但有机化学物质和薄膜晶体管的使用,为通过类似于标准 3D 打印机的设备构建全功能器件铺平了道路。
杜克大学
杜克大学展示了超出产品典型生命周期的实用印刷电子产品的一个最强有力的例子。2021 年,杜克大学展示了一种使用类似于 3D 打印机的加法工艺创建打印电子元件的新方法,包括电阻、电容和晶体管。元件是碳基的,使用气溶胶喷射系统(即,类似于喷墨技术)构建,绝缘层使用纤维素构建。
研究人员不仅仅能够在一块柔性基板上打印元件;他们还可以添加绝缘层,从而有可能在上面添加更多的器件,以便创建一个真正的 3D 电路。虽然该团队开发的晶体管体积非常大(毫米而不是微米),但它们功能齐全,即使受到机械操纵也能继续工作。
印刷电路最显著的特点是设计完全可回收。有机化合物和石墨烯的使用,使研究人员能够溶解旧电路,并回收油墨进行再印刷。这可以使未来的印刷电子产品能够完全回收,当旧电子产品被新设备取代时,不需要丢弃到垃圾填埋场。
3D 打印电子产品的实际应用
为了解 3D 打印电子产品将提供哪些应用,我们首先需要认识到它们的优势:
- 实现电路的快速原型制作
- 实现最终设计的完全定制化
- 允许堆叠设计(即在所有维度上创建活动部件)的潜力
- 不再需要高度复杂的流程
- 完全可回收的潜力
3D 打印电子产品的第一个潜在应用是能够远程创建定制设计。例如,3D 打印机可能是未来旨在移民火星和月球等地外天体的太空任务的关键。这种系统使移民们能够创造他们自己的电子产品,而不需要依赖地球来生产集成电路和其他元件。
快速创建设计的能力使 3D 打印电子产品成为紧急维修和更换的理想选择。例如,海军舰艇和军事基地营地可以利用 3D 打印机系统来替换和修复关键设备中的缺陷。由于军事环境可能既恶劣又难以到达,发送替换部件的能力可能会受到影响;因此,任何配备 3D 打印机的军事设施或平台都可能在敌对环境中占据优势。
随着技术的进步,不再广泛使用的老式电子元件被制造商停产。虽然这并不会影响现代设计,但仍然需要的老化系统(如发电厂和关键基础设施)可能容易受到组件停产的影响。使用 3D 打印电子技术可以打印这种部件,从而确保老化的系统可以继续运行,同时找到替代品。
印刷电子产品的一个主要潜力是能够与典型的 3D 打印机相结合。多喷嘴设计可以同时打印结构塑料和组件,基本上可以在一个步骤中完成整个设计。电子产品可以轻松地集成到 3D 打印结构的任何部分,包括组件和电线,创造出目前难以制造的设计。这也可能实现在墙壁上垂直印刷元件的可能性,并允许工程师利用 PCB 上的所有三维空间,而不是二维空间。
为什么我们应该管理对 3D 打印电子产品的期望值
虽然 3D 打印电子产品的想法听起来很有吸引力,也很有前途,但管理好期望值也很重要。在 3D 打印电子产品面临的所有挑战中,迄今为止最大的挑战是 3D 打印电子产品的晶体管密度非常小。这意味着它们的数据处理能力比现代处理器小得多,因此对于商业设备并不具有实用性。
因此,3D 打印电子产品不太可能取代硅器件。目前的制造工艺在以超低价格生产电子产品方面效率极高。现代处理器可能售价数百美元,但大多数微控制器的售价不到一美元。随着时间的推移,这种现代处理器的价格下降,最终变得足够便宜,可以在日常设备中使用。
3D 打印电子产品面临的另一个挑战可能是困扰 3D 打印机的普遍问题:它们的设计结构薄弱。诚然,3D 打印的零件可以由金属制成,而塑料打印的零件远比它们看起来更坚固,但从根本上说,这些零件都是原型。仅仅因为 3D 打印系统对层数的需求,塑料注射成型的零件总是能赢过 3D 打印机。例如,任何单层上的塑料都非常坚固,但是相邻层上的塑料没有完全熔化在一起,这就产生了颗粒边界。因此,沿着 3D 打印设计各层的任何力都可以使其轻松折断。同样的影响可能会困扰 3D 打印电子产品,尤其是那些使用层构建的电子产品。
结论
3D 打印电子产品仍处于起步阶段,但毫无疑问,研究人员开发的东西一直令人非常兴奋。然而,在未来十年或二十年内,这种技术不太可能开始在商业上取代电子产品。3D 打印电子产品更有可能用于小众应用,如智能手机的打印天线或产品的 RFID 标签,因为这些应用的要求远远低于处理器或内存。