影響因子26.625！呂堅院士團隊頂刊發表綜述：結構材料增材製造七

江蘇激光聯盟導讀：

近日，香港城市大學呂堅院士團隊在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上發表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”該論文分別從增材製造領域的發展歷史，材料選擇，4D 打印，應用前景和趨勢展望等方面做了較爲系統的介紹。江蘇激光聯盟將陸續對其主要內容進行介紹，本文爲第七部分 ，增材製造結構在電子器件中的應用。

4.3. 電子器件

AM技術除了在航空航天和醫療中應用非常廣泛之外，在電子工業中的應用也是如火如荼。

▲圖1. 在當前AM技術在電子工業中的應用簡圖

4.3.1. 微波器件

微型的，輕質的，高精度和低成本的運行在微波和太赫茲波段範圍的器件在現代通訊系統和電磁應用領域的需求越來越旺盛。天線，過濾器和功率分配器均是現代微波通訊系統中關鍵且重要的器件。傳統的製造技術是機加工不同的部件，然後將它們組裝在一起形成功能器件，這就導致了組裝可能存在錯誤和多餘的廢物。此外，傳統的金屬微波導，天線，過濾器和大多數的器件均阻礙了小型化和輕質通訊系統的發展。在近年來，AM技術提供了一個可供選擇的製造輕質和快速集成製造的技術。

幾個不同的AM製造技術採用了不同的製造工藝，如金屬3D打印，介質3d打印和表面金屬化的介質3d打印等均發展起來並應用於製造天線上（見圖2所示），共振器和過濾器（圖3）和波導（圖4）和透鏡（圖5）等以及許多其他的微波器件。

▲圖2. 天線的AM製造：（a）採用立體光刻技術和塗覆銅合的辦法制造的波紋喇叭天線（W-band）；（b）採用立體光刻技術製造的對角喇叭天線（WR-3.4）；（c）採用電子束熔化技術打印的兩個喇叭天線（Ku-band）具有不同的表秒粗糙度（左邊的僞: 25.9 μm, 右邊的僞: 39.7 μm）；（d）採用SLA和ABS和塗覆了波紋圓錐喇叭天線（Ku-band）且塗覆了導電氣霧塗料；（e）SLM技術製造的Cu-15Sn錐形喇叭天線（E-,D-和H-波段的角；（f）採用立體光刻技術進行組裝的電介質填充有喇叭天線陣；（g）採用直接金屬激光燒結3D打印技術製造的波導饋電天線陣；（h）採用陶瓷SLA製造的介電質共振器天線；（i）採用摺紙包裝的3D打印的噴墨打印天線

▲圖3. AM打印技術製造的振盪器和過濾器：（a）一個前端過濾器模塊，諧振腔和通過層層立體光刻技術製造的雙極腔濾波器；（b）採用陶瓷SLA技術利用二氧化鋯和Ba3ZnTa2O9製造的諧振腔，（c）採用SLA技術製造的W-band六階電感虹膜帶通濾波器；（d）採用SLM利用CuSn15合金粉末製造的E-band虹膜帶通濾波器；（e）採用AM技術打印的具有巴特勒矩陣的過濾器；（f）在球形的振盪器上的第五階X-band波導波導帶通濾波器基於SLA的打印技術；（g）採用兩個球形的雙模腔諧振器，利用SLA技術製造的第四階空腔帶通濾波器，（h）採用SLM技術，利用Al-12Si合金製造的超導鋁合金微波諧振腔

▲圖4. 波導的AM技術製造：（a）採用立體光刻技術SLA製造的Ka-band槽隙波導；（b）採用選擇性激光熔化技術熔化Cu-15Sn粉末製造的矩形波導（E-，D-和H-band）；（c）採用SLA製造的WR-3.4波段波導和（d）採用SLA技術製造的WR-90 thru-線波導

▲圖5. AM技術製造的透鏡（棱鏡）：（a）採用陶瓷立體光刻技術製造的氧化鋁透鏡；（b）採用聚合物噴射快速原型技術製造的倫伯透鏡；（c）3D打印的光束掃描透鏡，尺度爲毫米級別和太赫茲的波長範圍；（d）3D打印的太赫茲，高增益和圓偏振光透鏡以及（e）3D打印的太赫茲透鏡用於無衍射貝塞爾光束產生

儘管不同的AM技術發展非常迅速，在進一步的應用這一技術製造微波器件方面還存在一系列的問題：

1) 提高AM技術的工藝質量

陶瓷和金屬的成型工藝仍然可以進一步的得到提高。對精度，強度，剛性以及表面粗糙度等的需求在微波器件中的應用上越來越嚴格。甚至是一個小的偏離或偏差都會導致在頻率，波段等的損失。因此，AM技術的成型工藝必須進一步的提高以滿足微波器件的發展要求。

2) 多功能需求的新材料的研究和發展

快速成型材料，具有它本身的限制，仍然處於發展的階段。許多要求注意的地方需要關注到材料的機械性質，而很少有研究是聚焦在電性能上。爲了製造同時滿足機械性能和電磁性能的微博器件，西喲啊開展更多的工作開開發出新的可打印的材料來。

3) 發展更高頻率的器件和更加微型化的器件的發展趨勢

製造出更高頻率的波段的微波器件是一大挑戰，這是因爲需要尺寸更小和更高導電性能的器件才能滿足要求。一旦打印的精度和表面粗糙度得到提高且滿足了頻率的要求，小型化和集成的要求，通過AM技術是最有可能來在微波器件和系統中得以實現。

4) 更高的增材製造的打印速度

打印大型的複雜結構的快速成型是一大挑戰，目前仍然是一個非常長期的目標來提高AM製造技術的打印速度到一個更高的水平。

4.3.2. PCBs, MEMS, 微型電池和 RFID標籤

Si基微電子技術基於大規模集成電路的發展而得以迅速的發展，這主要是指通過半導體材料的微觀加工而實現電路的製造，並且PCBs則是集成芯片的攜帶者。打印的電子是一種新的電子AM製造技術，是基於打印原理來實現的，核心的思想是使用墨水，噴霧器，材料擠出和其他技術來打印導電，介電或半導體材料到基材上來製造電子器件和系統。同傳統的電子加工技術相比較，打印電子材料具有如下優勢：它可以實現大規模的製造和減少製造成本，打印工藝流程比傳統的製造工藝要簡單，能量消耗要比傳統的工藝少，並且不需要蝕刻工藝製程，由此，這些工藝是環境友好的工藝，電子器件可以在大量的基材之上實現製造，包括柔性基材。研究人員如今將目光聚焦在3D打印PCBs和ICs上，採用的策略是墨水打印或者激光打印，這顯示出獲得高的晶體管密度的巨大潛力，以及高產出，高度的均勻性和長期的穩定性，這是實現有機數字ICs和其他智能器件的關鍵。

MEMS是一個集成微型傳感器，信號處理器，控制迴路，界面迴路，通信和功率的系統。隨着通信技術以及相關領域的發展，MEMS的重要性越來越明顯。然而，MEMS產品的製造門檻非常高，並且需要先進的半導體制造設備，這一設備往往會花費很多錢。這一巨大的投資成爲一個繼續發展MEMS產品的巨大障礙。3D打印技術有望改變這一現狀。來自MIT的研究人員發展了一個製造高質量MEMS的器件，採用的是一個桌面型的3D打印設備。傳統的MEMS的製造工藝必須在高溫真空環境中進行，而MIT的解決辦法促使了MEMS產品的製造得以在非真空環境中實現。這些MEMS可以極大的減少產品的製造成本，且不損失製造產品的質量。由此，3D打印的MEMS系統呈現出巨大的發展潛力。然而，這一技術必須進一步的提高以適合商業化的應用需求。

在研究3D打印電池材料這一塊已經取得了一定的成就。作爲微型電池，是一類具有低體積，高比能量，穩定的工作電壓和良好的工藝密封性，小的自放電，高可靠性等，他們正在向着電子部件的小型化方向發展。來自Illinois大學的研究人員成功的製造了一個沙子尺寸大小的微型電池 (<1 mm3) ，採用的是3D打印的技術，具有良好的電化學性能。微型電池可以提供足夠的電能供給在醫療和通訊領域中的微型器件所使用，包括許多仍然在實驗室規模的器件和缺乏小型電池，這將促使我們進一步的開發微電子系統的應用潛力。

射頻標識（Radio frequency identification (RFID)）是一類無線的通訊技術，可以識別特定的目標和讀取/寫入相關的數據，通過射頻信號而不需要在識別系統和特定的目標之間建立其機械的或光學的接觸。RFID技術廣泛的應用，諸如在圖書館，門禁系統中，食品安全等。當芯片和天線可以準備在一起，RFID的成本就可以極大的降低，RFID 3D打印開始進入這個方向。來自CAS的研究人員首先提出了一個概念和辦法，稱之爲液態金屬懸浮3D打印，可以用來快速的製造3維柔性金屬變形體，該變形體在室溫具有任意複雜的形狀和結構，併成功的利用這一技術在紙上製造了RFID標籤。如果這個技術在廣泛的商業化之後就會廣泛的得到應用。並且製造商可以利用這一技術非常容易的利用這一技術來打印出個性化的RFID標籤用到他的產品上。

4.3.3. 3C 背板

計算機，通訊和消費電子（3C）製造是數字工業中最爲重要的工業。來自用戶的高度個性化和定製化的需求連續不斷的刺激和促進了3C工業的快速發展，在引入3D打印技術到3C工業中將進一步的促進了3C的發展。3C行業的個性化需求和小規模的製造爲3D打印技術提供了這一可能。3D打印部件或器件目前在3C工業中是可行的，諸如主板裝飾，電纜蓋、風扇支架、電纜梳和指託等。

同其他候選的材料如塑料，金屬和玻璃作爲3C的背板，陶瓷具有許多優勢。例如，陶瓷手機的背板具有顯著的高質量，同塑料相比較的話，如圖6所示。在當前，大多數的手機背板是採用金屬來進行製造的。然而，陶瓷手機背板存在的問題是值得進一步的關注的，因爲陶瓷材料作爲手機背板具有同金屬相比，較多的優勢：

1) 陶瓷在電磁的信號傳輸上具有優異的性能，剛好可以滿足5G時代和無線充電的要求。

2) 陶瓷經常可以提供更好的可視化和觸覺經驗，這是因爲它的光澤外觀和精細的結構造成的。

3) 陶瓷經常呈現出更好的耐受變形和腐蝕的能力，這是因爲它具有更好的機械性能，化學性能和熱性能，諸如更高的硬度，強度，化學穩定性和熱穩定性等。

4) 陶瓷經常具有比金屬低的密度。儘管玻璃材料也在3C工業中具有十分重要的地位，陶瓷手機背板呈現出更好的抗跌落和磨損性能，同時能夠提供比玻璃更好的視覺和觸覺感官。

▲圖6. 陶瓷材料作爲手機背板材料同其他材料相比較的優勢

陶瓷比較典型的屬於難以鑄造或機加工的，這是因爲該材料極端高的熔點，阻礙了陶瓷手機背板的發展，尤其是曲線形手機背板的發展。日本摺紙藝術和4D打印技術可以形成形狀形貌的成形，並且這些工藝呈現出巨大的製造曲線性手機背板的優勢。當前的AM技術具有獨特的優勢來製造陶瓷背板，包括可編程的和個性化的設計，形狀複雜的和成本效益比高，顏色多變的和優異的機械魯棒性。Liu等人顯示了3D打印平板陶瓷背板和通過摺紙技術實現的曲線背板的優勢，見圖7所示。

▲圖7. 保持手機背板採用陶瓷4D打印系統進行製造：（a）平板，左圖，右圖爲曲線的背板；（b）3D打印的平面手機背板的俯視圖；（c）曲線的陶瓷蜂窩，標尺爲1cm

本文爲江蘇省激光產業技術創新戰略聯盟原創作品，如需轉載請標明來源，謝謝合作支持！原文標題爲"Materials Science and Engineering: R: Reports"，發表在Additive manufacturing of structural materials上。