專家論點(diǎn)：多材料3D和4D打印在增材電子領(lǐng)域的市場(chǎng)和行業(yè)潛力

增材制造利用基于計(jì)算機(jī)的軟件，通過將介電材料或?qū)щ姴牧现饘映练e成不同的幾何形狀來創(chuàng)建產(chǎn)品組件。自 20 世紀(jì) 80 年代誕生以來，用于增材制造的 3D 打印技術(shù)已成為一項(xiàng)革命性技術(shù)。幾十年來，3D 打印在眾多應(yīng)用中顛覆了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)理念（例如通過機(jī)械加工、銑削、雕刻或其他方式去除材料）。

△3D打印的歷史。圖片由Yang Yang和Manos Tentzeris提供。

4D打印是一項(xiàng)新技術(shù)，它除了高度、寬度和深度之外，還引入了額外的維度——時(shí)間——來將打印的原型從一種形態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)。雖然4D打印技術(shù)近年來才進(jìn)入電氣和電子工程領(lǐng)域，但它已在軟體機(jī)器人、執(zhí)行器、生物傳感器和電磁幻覺等領(lǐng)域率先應(yīng)用。產(chǎn)品開發(fā)人員已經(jīng)抓住了這項(xiàng)技術(shù)前所未有的靈活性、可擴(kuò)展性和其他優(yōu)勢(shì)。例如，4D打印創(chuàng)造性地結(jié)合了藝術(shù)和折紙的理念，催生了第一代可變形、可改變形狀的電子產(chǎn)品，其工作頻率高于5G。

在21世紀(jì)，利用3D和4D打印技術(shù)的增材制造正在發(fā)展成為一門跨學(xué)科技術(shù)，材料科學(xué)、自動(dòng)化以及電氣和電子工程領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師們?yōu)榇俗龀隽素暙I(xiàn)。如今，增材制造電子產(chǎn)品(AME) 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的電子元件設(shè)計(jì)，并具有快速原型設(shè)計(jì)、低入門成本和內(nèi)部小批量生產(chǎn)等顯著優(yōu)勢(shì)。這些特性使 AME 成為各種組織（包括初創(chuàng)公司以及其他對(duì)保密性和加速創(chuàng)新要求極高的公司）的技術(shù)和商業(yè)突破。

事實(shí)上，在第四次工業(yè)革命的早期，增材制造已經(jīng)獲得了多個(gè)行業(yè)工程師的廣泛認(rèn)可，被認(rèn)為在滿足工業(yè) 4.0 集成創(chuàng)新技術(shù)和電子系統(tǒng)的特殊要求方面發(fā)揮了重要作用。

△多材料 AME 設(shè)計(jì)流程圖。圖片由 Yang Yang 和 Manos Tentzeris 提供。

超越傳統(tǒng)的減材制造

減材制造已在數(shù)十年中確立了其地位，并將繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)配置的工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。然而，增材制造則帶來了全新的架構(gòu)類型，而這些架構(gòu)此前在實(shí)際應(yīng)用中是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，增材制造在柔性混合電子產(chǎn)品等未來設(shè)計(jì)領(lǐng)域日益受到青睞也就不足為奇了。

這種顛覆性的思維模式賦予工程師自由，讓他們能夠以真正的3D布局設(shè)計(jì)電子設(shè)備。原型構(gòu)建后，逐層推進(jìn)制造。以往受限于印刷電路板或特定基材，如今工程師們利用增材制造技術(shù)，將電子元件沉積在任何可能的材料上（紙張、塑料、木材、織物等）。設(shè)計(jì)師可以同時(shí)集成多種材料，無需后處理即可創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。

△楊洋，澳大利亞悉尼科技大學(xué)電氣與數(shù)據(jù)工程學(xué)院副教授，IEEE高級(jí)會(huì)員，IEEE論文集“多材料3D和4D打印增材制造電子元件”特刊的客座編輯。研究方向?yàn)樾屡d的增材制造技術(shù)和射頻 (RF) 材料，以推進(jìn)3D打印天線和射頻電路的發(fā)展，并利用5G技術(shù)為航天領(lǐng)域賦能。圖片由悉尼科技大學(xué)提供

這使得增材制造方法成為實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化和電路定制等產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)的理想選擇。用于智能皮膚、數(shù)字孿生和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的強(qiáng)大微型傳感器（甚至可能融入可生物降解材料）只是增材制造所釋放的諸多可能性中的幾個(gè)例子。減材制造技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致此類設(shè)備（尤其是那些需要微尺度制造公差的設(shè)備）制造成本過高，并容易出現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)問題。然而，一臺(tái)多材料增材制造設(shè)備可以避免復(fù)雜的電子設(shè)備制造程序。

此外，增材制造還具有按需打�。◤亩�可能實(shí)現(xiàn)零材料浪費(fèi)）和小批量生產(chǎn)設(shè)計(jì)定制的優(yōu)點(diǎn)。從這個(gè)意義上講，增材制造也極其環(huán)保，這在那些出于監(jiān)管、競(jìng)爭(zhēng)、道德或其他原因而越來越重視消除浪費(fèi)的行業(yè)中更具吸引力。

能力創(chuàng)新，下一步要克服的挑戰(zhàn)

多材料3D打印有著約50年的悠久發(fā)展歷史，但直到本世紀(jì)初，3D打印才首次應(yīng)用于電子元件原型制作。而僅僅在過去的兩三年里，它就取得了以下進(jìn)展：

(1)   打印機(jī)功能的顯著、關(guān)鍵改進(jìn)（例如，在多功能融合和無線模塊等領(lǐng)域）；

(2)   寬帶應(yīng)用激增（5G、5G+和6G）；

(3)   多材料增材制造及其電子應(yīng)用的重大進(jìn)步（從實(shí)驗(yàn)室概念到工業(yè)產(chǎn)品）；

此類能力創(chuàng)新的結(jié)果是，如今的3D打印技術(shù)降低了制造工作頻率高達(dá)至少150 GHz的設(shè)備的成本，并且首次實(shí)現(xiàn)了完全3D制造（超越了使用減材制造的準(zhǔn)3D/2.5D）。隨著技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)界正在應(yīng)用3D打印技術(shù)來構(gòu)建各種各樣的實(shí)用產(chǎn)品，例如立方體衛(wèi)星和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

4D打印是增材制造領(lǐng)域的最新創(chuàng)新，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了幾乎無限的可重構(gòu)性。定制化可以即時(shí)進(jìn)行，工程師可以自由地嘗試以前無法實(shí)現(xiàn)的概念和設(shè)計(jì)（例如空心球體、獨(dú)特的曲線、稀疏或密集的梯度材料以及其他受折紙影響的形狀）。此外，4D打印顯然將直接推動(dòng)人工智能（AI）在AME工業(yè)流程中的更廣泛應(yīng)用。鑒于這些因素，可以說4D打印是AME發(fā)展中工程與藝術(shù)的結(jié)合。

應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，市場(chǎng)潛力無限

作為一項(xiàng)新技術(shù)，AME 仍面臨諸多挑戰(zhàn)，亟待持續(xù)解決。AME 代表著化學(xué)與材料工程、電氣與電子工程以及機(jī)械與機(jī)電一體化工程等學(xué)科的未來研究方向。導(dǎo)電材料打印、多材料集成打印、材料界面粘附、打印分辨率和精度以及軟件設(shè)計(jì)工具是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界亟待研發(fā)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

△Manos Tentzeris，佐治亞理工學(xué)院天線系 Ed and Pat Joy 講座教授，電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE) 院士，ATHENA 研究小組的負(fù)責(zé)人，IEEE 論文集“多材料 3D 和 4D 打印增材制造電子元件”特刊的客座編輯。Tentzeris教授建立了多項(xiàng)學(xué)術(shù)項(xiàng)目，涵蓋 3D/噴墨打印射頻電子器件及模塊、折紙和變形電磁學(xué)、基于陶瓷和有機(jī)柔性材料的射頻和無線應(yīng)用高集成度/多層封裝，以及用于射頻、無線傳感器、能量回收和無線功率傳輸 (WPT) 的納米結(jié)構(gòu)。圖片由佐治亞理工學(xué)院提供

盡管如此，越來越多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的工程師已經(jīng)開始傾向于采用增材制造方法。AME 組件將廣泛應(yīng)用于移動(dòng)應(yīng)用，包括個(gè)人醫(yī)療保健、設(shè)備間通信、無人駕駛車輛的雷達(dá)傳感以及智能交通系統(tǒng)。天線陣列、能量收集器和射頻 (RF) 模塊可以進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，并擁有幾乎無限的可重構(gòu)狀態(tài)。結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，4D 打印可以使射頻結(jié)構(gòu)能夠?qū)崟r(shí)重構(gòu)，甚至像《變形金剛》中那樣適應(yīng)不斷變化的環(huán)境場(chǎng)景。

增材制造還與柔性混合電子、大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）、納米技術(shù)傳感以及異構(gòu)集成與封裝等顛覆性技術(shù)完全兼容。它有望徹底改變可重構(gòu)智能表面、大面積電子器件、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、智能可穿戴設(shè)備和植入式設(shè)備以及智能制造等領(lǐng)域。

預(yù)計(jì)各工業(yè)領(lǐng)域日益增長的需求將進(jìn)一步推動(dòng)市場(chǎng)以相當(dāng)快的速度增長。作為一種新興的創(chuàng)新技術(shù)和生產(chǎn)系統(tǒng)，AME 利用多材料 3D 和 4D 打印技術(shù)，有望徹底顛覆電子制造的價(jià)值鏈。