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3D打印电子结构件的三大挑战

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3D打印电子结构件的三大挑战

作者:
发布时间:
2019/10/24
【摘要】:
随着数字革命的发展,物联网与通信技术的发展,电子结构件领域的专家一直在寻找新方法,以改进那些较小,复杂且功能强大的电子器件的生产,例如RFID标签,传感器,显示器,智能卡等等。  
  随着数字革命的发展,物联网与通信技术的发展,电子结构件领域的专家一直在寻找新方法,以改进那些较小,复杂且功能强大的电子器件的生产,例如RFID标签,传感器,显示器,智能卡等等。
  3D打印电子结构件是增材制造应用的新兴领域之一,3D打印对这个行业的影响或许是深远的,然而,目前仍然面对一系列的挑战。
 
 
图:3D打印在电子行业的应用。
来源:《3D打印与电子产品白皮书》
  技术蓬勃发展三大挑战是重点
  然而,用于增材制造的最新发展在电子产品的制造方面遇到了三个主要挑战。这些主要挑战是材料,技术(硬件)和数据。
 
 
图:3D打印在电子行业的主要应用。
来源:《3D打印与电子产品白皮书》
  材料
  根据制造目的,生产商可以使用两种主要类型的材料:介电材料(这意味着在施加电压时不会有电流流过该材料)和导电材料(这意味着该材料可以传导电流)。不过并不是所有的导电材料都是金属的,根据3D科学谷的市场观察,例如Electrifi(Multi3D LLC),石墨烯基导电PLA(Black Magic 3D)甚至炭黑基导电PLA(Proto-pasta)都是导电的材料。
  这些各种材料在制造过程中提出了交叉污染的挑战。实际上,在3D打印过程中很难将两种不同的长丝结合在一起。根据美国杜克大学的一项研究,导电材料的交叉污染将导致导电迹线之间的短路,或者导致导电迹线被非导电材料中断。
  尽管在市场上可以找到带有多个喷嘴的3D打印机-了解FDM 3D打印机-但大多数都无法防止交叉污染,而典型的多材料3D打印机在相同的Z轴高度使用两个单独的喷嘴,目前解决此问题的另一种方法是通过同一喷嘴挤出多种材料。
  在工业方面,专门从事3D打印电子产品的公司之一Nano Dimension提到需要更多的材料选择来生产高复杂度和高功能部件,而对于电子产品,介电常数和松动度等功能方面至关重要。
  硬件
  到目前为止,一些公司可以有效地为电子产品提供3D打印机。尽管存在硬件方面的限制,包括Nano Dimension,Optomec,BotFactory和Voxel 8等在市场上一直保持技术的进步。
  Nano Dimension的3D打印机DragonFly 2020于2017年发布,使用喷墨技术以近30 µm的横向分辨率进行导电迹线的多层打印。不过开发用于喷墨工艺的新型电子墨水非常耗时,更不用说打印过程中遇到的困难了。这主要是由于需要调整油墨的表面张力和粘度(8-12 cp)以获得所需的墨滴尺寸(约30 µm)和可再现的喷射特性。此外,如果颗粒的尺寸过大或油墨中的固体含量过高,则可能会发生堵塞。
  Optomec已经开发了Aerosol Jet工艺。3D打印机可以沉积高分子材料和金属墨水,用于制造传感器等电子结构件。打印过程是非接触过程,可与各种导电,绝缘和电阻材料兼容。Optomec的3D打印机已经能够生产用于芯片上和芯片外电子产品的保形传感器,低损耗无源器件和天线。
  数据处理
  一般来说要进行3D打印的电子结构件零件越复杂,所生成的数据就越多。数据处理的进步进一步促进了3D打印电子产品中的应用。
  根据3D科学谷的市场观察,电子结构件打印的数据处理难度几乎超出了想象,例如当你打印金属的时候,与打印绝缘材料(塑料)所需要的层厚是不同的,几乎打印十层金属的层厚才能达到打印一层塑料的层厚。如果让数据准确的”告诉“打印机区别不同材料的层厚,这本身就是一种挑战。