通过3D打印加工各种电活性材料，例如金属或碳掺杂聚合物，以形成晶体管、电容器和电阻器等设备，以及将它们连接在一起的电连接器。3D打印电子电气设备部件的主要优点是灵活性，几乎可以打印成任何形状，并沿着复杂的几何形状铺设柔性基材，这在传统制造中几乎是不可能的。
本期，通过节选近期国内其他科研机构在电子结构件增材制造方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
© 3D科学谷白皮书
基于DLP技术制备SOFC电解质及性能研究
王戌1樊贝贝1徐晓倩2董昕虹2郭学2
淄博联创聚氨酯有限公司2. 山东理工大学
摘要：
固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种清洁、高效的新型燃料电池，其电解质是决定电池整体性能的关键因素。以改性后的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为原料，光敏树脂作为固化剂，利用数字光处理技术(DLP)将固含量为20%YSZ进行逐层打印，通过控制变量的方法进行探究不同分散剂YSZ悬浮液稳定性影响，以及不同烧结温度下，YSZ电解质片致密度的影响。
研究结果表明：以吐温-80和聚乙二醇400(PEG-400)作为分散剂的YSZ悬浮液稳定性较好，其中以吐温-80为分散剂的YSZ悬浮液最为稳定。将打印后的固含量为20%的YSZ电解质前驱体分别在1400℃、1450℃和1500℃进行烧结后，其收缩率分别为41.01%、48.81%和49.36%。在1500℃的烧结温度下，YSZ电解质在800℃的总电导率为3.19×10-2 S/cm。
基于3D打印的柔性三频微带天线的设计与加工
钟智东1,2舒霞云1,2,3常雪峰4唐毅泉1,2诸世敏1
厦门理工学院机械与汽车工程学院2. 精密驱动与传动福建省高校重点实验室(厦门理工学院)3. 福建省绿色智能清洗技术与装备重点实验室4. 集美大学海洋装备与机械工程学院
摘要：
为解决可穿戴设备在复杂应用场景中无线信号响应范围较窄的问题，该文提出了一种柔性三频微带天线，在2.5 GHz、3.5 GHz、5.4 GHz微波频段采用双“T”型+双“L”型表面结构实现天线的谐振，采用聚酰亚胺为基底材料，纳米银为辐射贴片及接地面的导电材料以实现柔性化。
使用ANSYS HFSS对天线进行建模并进行仿真分析，使用微滴喷射3D打印工艺对其加工，有效地解决了传统微机电系统(MEMS)加工在柔性电子领域上成本高及步骤复杂等问题。最后使用场发射扫描电镜分析打印面形貌，并使用矢量网络分析仪分别测试天线成品的回波损耗、可弯折性及弯折抗疲劳性，测试结果与仿真结果基本一致，且天线具有较好的弯折性能。
基于3D打印的高增益超材料龙伯透镜天线
李炫静1,2冯瑞1,2谭秋林1,2
中北大学仪器与电子学院微纳器件与系统教育部重点实验室2. 中北大学仪器与电子学院省部共建动态测试技术国家重点实验室
摘要：
龙伯透镜天线由于可以满足不同应用场景而引起了广泛的研究兴趣。本文研制了一种满足高增益要求的超材料龙伯透镜天线。基于光学理论和有效介质理论,设计了各向同性的新型单元晶胞,通过调整单元晶胞中介质材料与球形空气腔的体积比,实现球壳的相对介电常数梯度渐变。
为此,采用3D打印技术并结合结构变换方法,制作了半径为120 mm的球形龙伯透镜,基于单元晶胞的各向同性实现了透镜的全向均匀性。使用工作频率为6 GHz的贴片天线对透镜进行馈电,在测量中发射多个角度的指向波束以进行实验验证。实验表明,仿真和测试结果具有良好的一致性,证实所制作的龙伯透镜天线具有良好的波束聚焦能力,验证了方案的可行性。最终测得透镜天线的最大增益为25.1 d Bi,且制作成本低,有着广阔的应用前景。
基于电场驱动微3D打印增减材复合制造高精度铜基柔性透明电路
刘俊杰、张友超、张厚超、张兵、许权、朱晓阳、兰红波
青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心
摘要：
高精度柔性透明电路作为柔性微纳电子、光电子等产品的重要组成部分，在5G/6G柔性透明天线、可穿戴设备、透明电加热膜、柔性透明电子等领域有着非常广泛的应用。然而兼顾高分辨率、高光电性能与机械性能的高精度电路(尤其是铜基电路)的室温高效、低成本、柔性制造是当前亟待解决的难题，本课题提出了一种结合电场驱动微3D打印和湿法刻蚀增减材复合制造高精度铜基柔性透明电路的新方法，其不仅完成了高分辨率、高精度抗蚀掩模的低成本灵活打印，更通过快速刻蚀工艺实现了超微细电路线宽的进一步缩小；阐述了基本成形原理和关键技术实现，通过试验揭示了主要工艺参数对制造微细铜电路精度、形貌以及性能的影响和规律；研究了刻蚀速度影响规律，探讨了刻蚀过程中的两个阶段(速刻和侧刻)的可控性，对侧刻过程精确调控；结合优化的打印参数，以及对侧刻速度的精确调控，实现了最小线宽2.4 μm，最小线间距4 μm的高精度(高密度)铜基柔性透明电路的制造。制造的典型样件电阻率4×10-6 Ω·cm，在透光率高达87.65％(550 nm波长，包含基底)时，方阻3.58 Ω/sq，同时具有优异的机械稳定性和电加热性能。制备的高密度柔性透明叉指电极具有优异灵敏度，在100～10 000 Hz频率下能检测出最低仅为1 nmol/L的稀硫酸溶液浓度变化。提出的方法为高效低成本制造高精度铜基柔性透明电路提供了一种全新的解决方案，显示出良好的工业化应用前景。
基于双光子聚合3D打印的MEMS传感器研究进展
王裕鑫1,2廖常锐1,2邹梦强1,2包维佳1,2刘德军1,2张立3王义平1,2,4
深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,深圳市超快激光微纳制造重点实验室2. 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室,广东省光纤传感技术粤港联合研究中心,深圳物联网光子器件与传感系统重点实验室3. 香港中文大学机械与自动化工程学系4. 深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部,广东省重点实验室,深圳市超快激光微纳制造重点实验室
摘要：
双光子聚合3D打印技术结合了光学非线性效应与飞秒激光超短脉冲和超高峰值强度的特点，给材料加工带来了革命性的改变。从时间和空间两个维度将飞秒激光脉冲紧聚焦于光刻胶内部诱导双光子聚合发生，实现了聚合物3D微纳结构的增材制造，为MEMS传感器方向的发展和应用提出了新方法。本课题首先介绍了双光子聚合3D打印的概念和原理，然后对该技术在MEMS传感器方向的研究进展进行了全面综述，最后对该技术的发展方向提出了展望。
面向双马树脂基复合材料电场驱动微3D打印高精度电路
刘亚东1张厚超1朱晓阳1许权1李义睿1韩志峰1赵佳伟1刘琦2兰红波1
青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心2. 中国航空制造技术研究院增材制造航空科技重点实验室
摘要：
纤维改性双马树脂基复合材料凭借其优异的力学性能、耐高温、耐腐蚀特性，被广泛应用于航空航天、智能蒙皮、共形天线、电磁屏蔽、高频电路基板、电加热等领域。然而，由于石英纤维增强双马树脂基复合材料具有非平整、异质、各向异性的特点，在此基材上简单、高效、低成本制造高分辨率微细电路是当前亟待解决的难题。
本课题提出了一种基于电场驱动微3D打印在石英纤维增强双马树脂基复合材料上制造高精度电路的新方法，阐述了基本成形原理和关键技术实现，探究了非平整异质复合材料表面电场分布特点和场强变化规律，提出通过调节电场强度阈值实现稳定打印的策略；通过实验揭示了主要工艺参数对制造电路精度、形貌以及性能的影响规律，并结合优化的工艺窗口，实现了最小线宽50 μm的多种图案微细电路的制造。制造的典型样件电导率为4.5×107 S/m，经100次附着力实验和100分钟超声实验后电阻变化率在1%左右；在电加热应用方面展现出优异的热响应速度，在3 V电压下最高温度可达158℃，能够在200 s内实现除冰。该技术为高效低成本制造纤维改性双马树脂复合材料基微细电路提供了一种有效方法，显示出良好的工业化应用前景。
基于在机测量的曲面共形电路3D打印误差补偿方法
刘清涛1魏栋杰1杨鹏涛1尹恩怀2吕景祥1
长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室2. 西安瑞特三维科技有限公司
摘要：
基于3D 打印技术制备曲面共形电路具有广阔的应用前景，然而，由于曲面基材加工误差和导电线路定位误差的影响，导致曲面电路3D打印头高度难以精确控制，进而影响打印精度。
为此，本课题以气动式直写打印为研究对象，提出了一种“在机测量+线路模型重构”的打印头高度误差补偿方法。设计了一种曲率自适应测量点选取方法，利用NURBS曲线反算法对测量数据进行重构，还原真实线路模型。通过生成真实线路的打印轨迹，替换原始理论打印轨迹，补偿了打印头高度误差。自主搭建了一套集成了在机测量系统的曲面共形电路3D打印平台，设计了直线、圆弧与NURBS自由曲线3种形状的线路，进行补偿前后电路打印的对比实验。结果表明，未进行补偿前，在线路曲率较大的地方，线路在基板上的波峰处会产生拉丝现象，波谷处会产生堆叠现象，而补偿后的导线线宽比较均匀；进一步对每条导线的电阻进行测量，发现各条线路补偿前的电阻值波动较大，补偿后的电路的电阻值均匀，且相较补偿前平均降低65.99%，最大电阻降幅达85.75%。
具有随机高度分布的柱状阵列高灵敏度柔性压力传感器设计与制造
岳伊帆、于志恒、王公海、李苏墨、李雨柔
嘉兴南湖学院机电工程学院
摘要：
柔性压力传感器因其在人体健康监测和机器人运用等方面的潜在优势，成为当下研究的热点。现有的制备高灵敏度传感器的方法，无论是3D打印还是倒模技术都存在制备成本高、制备流程复杂等问题。
本课题利用气溶胶打印技术直接打印随机分布柱形微结构阵列柔性压力传感器。结果表明，器件具有良好的传感性能，同时在一些简单的人体生理信号（包括手指弯曲、膝盖弯曲等）测试上表现很好。本文提出了一种高精度低成本微结构制备工艺，为柔性电子器件的制备提供了一种新的可能。
仿人皮肤感受器的柔性多功能传感器3D/4D打印研究
王振国
吉林大学
摘要：
随着软体机器人、可穿戴设备、医疗康复器具的发展,以及柔性电子材料、仿生学技术及微加工技术的进步,模仿生物感知功能的柔性/可穿戴电子技术近年来成为电子器件研究的重要领域。能够实现对多种外界信号进行精准感知的高性能柔性传感器是柔性电子的核心元器件之一。人皮肤中特定的感受器能精准感知多种外部刺激,例如压力、应变和温度,从而使人可以感知周围环境并调整自身行为。由于具有多功能性及形状适应性,模仿皮肤的仿生柔性传感器在共融机器人、可穿戴设备和健康监测方面具有重要应用潜力。目前,大多数电子皮肤传感器只能实现部分皮肤传感功能,不能满足人机工程对多功能传感的要求。这主要是由于目前的柔性电子材料难以同时满足电学和变形特性的要求,以及缺少复杂的材料-结构一体化器件成型技术。因此,研究柔性传感材料及其一体化成型3D打印技术,实现柔性传感器的多功能性和高精度,是发展柔性电子材料的迫切需要。
4D打印是3D打印的材料和结构,在特定激励下,其形状或性质能够产生预先设计的变化,为柔性电子带来了新的机遇。使用4D打印技术制造柔性传感器,使其具备形状、量程和灵敏度的可调节性,是柔性传感技术未来的发展方向。本文研究了仿皮肤感受器的传感结构设计方法,制备了导电柔性可打印材料,开发了柔性传感材料打印技术,成功制备了仿人皮肤感受器的柔性多功能仿生传感器。
具体研究内容包括以下几个方面:
(1)研发了一种可切换打印模式的直写3D打印工艺,构建了从建模到打印全流程打印软硬件环境。开发了在保证电性能基础上还能够满足打印适性的3D打印油墨,分析了其可打印性和导电性。基于柔性传感器制造需求,设计开发了可切换气动挤出、螺杆挤出和颗粒熔融(270℃)挤出三种打印头的直写3D打印设备。通过打印不同粘度的导电油墨,证明了该工艺的高打印精度(100μm),良好的成型效果及多种导电油墨的适配能力。研究了两种导电填料(MWCNT/石墨烯)的弹性体复合打印油墨的制备工艺,分析了溶剂、乳化剂及分散工艺对导电油墨流变学特性和导电特性的影响,获得了优化的以碳基类纳米颗粒为导电填料的导电油墨的制备方法,制备的打印油墨具有良好的剪切稀化特性和电导率(<10-4S/m)。另外,通过在复合导电油墨中加入乳化剂二甘醇,使得打印油墨的弹性模量从0.06 MPa提高至0.09 MPa,提高了油墨挤出后的保形能力。其次,从模仿人体皮肤感受器材料系统出发,设计制备了Na Cl/PAM离子水凝胶,通过加入卡波姆改善了离子水凝胶的可打印性。分析了卡波姆含量对前体溶液打印性的影响,离子水凝胶粘度从卡波姆含量1%w/v时的75 Pa·s增加到4%w/v时的2852 Pa·s,并表现出同样良好的剪切稀化行为,弹性模量从1%w/v时的47 Pa提高至3%w/v时的1031 Pa。
(2)受人体皮肤表皮与真皮间模量梯度的启发,设计制备了具有多级梯度孔结构的柔性温度-压力双模传感器。双模传感器采用直写3D打印方法制作,打印材料是掺杂了造孔剂(一水柠檬酸)的多壁碳纳米管(MWCNT)/石墨烯导电复合油墨。通过优化试验,确定质量比为3.5:4的MWCNT和石墨烯纳米片添加量具有最佳的温度传感效果。通过改变打印速度进行打印纤维直径的调节,不同直径线条形成了梯度的网格孔隙结构。在打印材料中添加造孔剂,使打印线条中形成内部空隙结构。线条内孔隙和线条间的空隙形成了多级梯度孔隙结构,使压力传感器的灵敏度从0.0043 k Pa-1提高至0.57 k Pa-1。同时,线性传感范围也从0.12 MPa增加到了0.49 MPa,比多数类似传感器量程更大。多级梯度孔结构不仅提高了传感器的灵敏度,同时扩展了线性传感的范围,实现了大量程的压力传感。仿生梯度结构传感器具有高的灵敏度和宽的测试量程,使其能够分别应用于人体生理信号的监测和大压力条件下的人体载重监测。
(3)受人体皮肤中集成了拉伸和压力机械感受器的启发,设计制备了应变和压力双模仿生传感器,可实现软体机器人的多功能传感。传感器整体采用平板电容结构设计,由两个具有应变传感功能的弹性纺织物电极层和直写打印的双网络离子水凝胶中间层组成三明治结构。弹性纺织物电极层经过SWCNT/石墨烯混合液喷涂处理,产生拉伸应变时,纺织物电极层产生的电阻变化可以测试应变量。应变传感系数可达1.87,最大可测量300%的应变。受到压力时,由纺织电极和离子水凝胶介电层组成的平板电容器的电容发生变化,实现压力检测。按压过程中,电容的电极和介电层间形成双电层,能够克服纺织品电极初始电阻较大导致电容传感器灵敏度下降的问题,其压力灵敏度可达1.12 k Pa-1,较传统电容式传感器提升了636倍。由于可拉伸性、柔性和双感知能力,这种双模传感器非常适合与软体机器人集成在一起,以增加其自感知能力。作为概念性的验证,将柔性双模传感器和气动软体机械手集成,实现了对水果形状和硬度的识别;与软体爬行机器人集成,能够使其在监测自身的运动状态的同时感知周围环境。
(4)受人体皮肤感受器的触觉辨识和自适应功能的启发,运用4D打印技术制备了可调量程和灵敏度的多功能柔性传感器,能够感知压力并识别接触的物质。该传感器是采用纳米炭黑颗粒/聚乳酸复合材料和形状记忆聚氨酯材料,运用直写工艺4D打印成型的。聚氨酯材料作为基底,导电聚乳酸材料作为电极,打印在基底上并设计成叉指结构。测试范围的自调节能力来源于叉指电极结构的共面电容传感器的形状记忆(SM)能力。在形状记忆过程中,传感器在不同的临时形状下具有不同的电极高度和间距,从而使传感器的灵敏度和传感范围能够转换调节,实现了传感灵敏度从0.46-2.13的调节和量传感量程从43-103 k Pa的调节能力。通过打印共面电容还能够进行材质(玻璃、木材、橡胶等)和溶液(丙酮、乙醇、去离子水等)的识别。另外,利用聚合物熔融沉积打印过程中产生热应力,设计打印可变形传感器,实现了与复杂曲面的贴合,能够好的发挥传感作用。
l 谷专栏 l
欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
