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通过多进程3D打印增加器件功能综述

发布时间:2016-10-12 09:00:49


导电墨水以及导电胶的研究吸引了打拼研究者和创业企业,例如,位于哈佛大学的路易斯团队创业企业宣布首次制造出了低成本的结合了气动导电墨水喷头的3D打印机,这种打印机可以利用导电墨水来增加3D打印结构间的导电性。此外,德州大学埃尔帕索分校的W. M. Keck 3D创新中心早在2004年就制作了3D打印的电路,并表现了优异的性质。

3、多功能3D打印与传统制造技术

以3D打印为基础的多进程附加技术相较传统制造技术面临着产量较低的问题。然而,新型的3D打印技术也有其独特优势,例如,可以对于每一件产品进行个人化的定制,并且不需要进行繁杂的组装过程。利用一些附加技术制造的产品还面临着各向异性的强度问题,但是,最新利用激光或者电子束进行金属粉末层融合的技术制造出了媲美传统工艺甚至锻造材料的产品,这也是直接驱使通用电气使用3D打印的系统进行大规模生产的原因。

虽然3D打印技术取得了巨大的进步,但是相比传统工艺制作的产品,在电子器件中的布线密度、导电性、抗电强度、介电常数、介电损失以及稳定性方面还有进步空间。

4、器件印刷或嵌入的功能

多年以来,附加过程总是使用复杂的几何形状作为一系列应用的物理模型。然而,过去十年间,利用印刷或者嵌入式的技术使3D打印产品具有传感、电磁、能量存储、推进等特性已经取得了巨大成果,下面就作一简单先容:

4.1、传感器

对于利用3D打印技术结合传感器主要着眼于以下两个方面:1)在打印的过程中直接将传感器植入结构中;2)将传感器和整个3D打印的结构融为一体。遵循这些研究思路,研究者已经将麦克风、角加速计、相机、LED光源、加速度计、压力传感器、灰尘传感器以及生物电传感器等直接植入了设计好的腔体中。

3D打印机

图3:3D打印的触觉传感器:(A)可拉伸式触觉传感器;(B)电容式触觉传感器

4.2、驱动器

从简单的回缩装置到全功能的转动马达,多种的机械驱动器已经在研究中得以实现。例如,研究者已经制作出了生物激励的振翼昆虫、依靠外部运动的假手等。这也为利用3D打印平台制作出机动化的机器人提供了可能。

4.3、热量

由于3D打印设计上的自由,多种具有几何复杂性的热交换器已经进行了多年的研究。金属3D打印系统已经被用来制造具有大比表面积结构的高热导率器件,并已经应用于流体热交换装置、3D打印注塑模具甚至热核反应器中。3D打印技术的发展可以直接将热管道和相变材料存储池与产品进行结合。

4.4、储能

目前,传统的锂离子电池制造技术已经能够制造出任意形状的电池,并已经用于多种电子产品中,但是这些电池都需要依靠昂贵的模具。近年来的研究已经利用3D打印技术制作出了锂离子电池。但是,在现阶段的研究中,3D打印制作的电池由于其生产温度较高,且电池能量密度低于传统电池,这使得其应用还有一段路要走,也是目前摆在研究者面前的问题,亟待解决。

3D打印机

图4:3D打印的锂离子电池

4.5、天线和电磁器件

3D打印的热潮使人们开始重新反思天线和电磁器件中的传统制造思路。一些研究团队已经将诸如金属线、金属网、金属箔等物质嵌入3D打印的结构中去控制介电性和导电性空间分布。利用3D打印技术制作的天线具有恰当的无线电频率、低的损耗因数,并且可以应用于具有拱形的结构中。然而,在3D打印的电磁器件中,介电常数的减小以及热塑性塑料所形成的孔都会影响其性能。

3D打印机

图5:3D打印的天线结构:(A)圆柱型的贴片天线;(B)阿基米德天线;(C)多贴片天线

4.6、推进器

在NASA的推动下,3D打印技术在航天器和卫星发射等方面取得了长足的进步。此外,美国航天局也委任了一个委员会去研究3D打印在空间探测上的可行性。推进器是驱动器中的特定一种,并且主要应用于空间探测的研究,利用金属打印技术制造空间飞船的火箭推进器已经见诸报道。

5、总结与展望

本文详细阐述了利用混合3D打印技术提高产品功能性的主要研究进展,下一代的3D打印技术不仅会结合不同材料,也会将功能性组分嵌入到产品的结构中,得到具有多种功能的产品。现有的研究成果已经表明,混合3D打印技术为未来制造多功能的、个人化定制的产品提供了可能。但是,混合3D打印也面临着诸多问题需要解决:1)材料的强度;2)不同材料在柔性、热学性质、电导率方面的差异;3)提高材料的界面性质保证多种组分的稳定性;4)利用计算机辅助或计算机建模优化材料性能;5)打印机的过程反馈控制;6)3D打印中的硬件制造和App开发技术。