對(duì)于一些人而言，3D打印仍然可能被視為快速但粗糙的原型或塑料模型，然而這一刻板印象正在迅速被打破。作為一種增材制造 (AM) 技術(shù)，3D打印能夠快速制造復(fù)雜的、多材料的電子零部件——從定制外殼到功能性電路元件。

但是，隨著增材制造從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)車間，新的問題隨之出現(xiàn)。新材料的性能如何？打印的導(dǎo)電材料能否與傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品媲美？AM零部件是否足夠可靠，適用于高頻、高電壓或安全關(guān)鍵型應(yīng)用？

本文將探討增材制造在電氣設(shè)計(jì)中的潛力以及隨之而來的技術(shù)挑戰(zhàn)和局限性。首先，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下行業(yè)現(xiàn)狀：

Part 1

增材制造的現(xiàn)狀

現(xiàn)代3D打印機(jī)可以加工高性能聚合物、金屬、陶瓷，甚至功能性復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)功能性最終使用零部件的制造。制造商利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)從輕量化航空零部件、定制醫(yī)療植入物到復(fù)雜電子外殼和連接器等各類產(chǎn)品。此外，增材制造拓展了設(shè)計(jì)的可能性，有望實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造技術(shù)難以完成或成本過高的高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

與注塑成型或計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 加工等技術(shù)相比，增材制造具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榱悴考ㄟ^逐層堆疊方式制造，幾乎無多余材料，因此大幅減少材料浪費(fèi)。生產(chǎn)周期可從數(shù)周縮短至數(shù)天，尤其適用于定制或小批量零部件。最重要的是，增材制造賦予了設(shè)計(jì)更大的靈活性，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以圍繞性能進(jìn)行快速迭代和優(yōu)化，而不再受限于可制造性。

盡管這些通用優(yōu)勢(shì)為采用AM提供了堅(jiān)實(shí)的依據(jù)，但電氣工程領(lǐng)域還能從更具針對(duì)性的技術(shù)進(jìn)步中獲益。值得注意的是，新材料的快速發(fā)展為尋求改進(jìn)傳統(tǒng)制造方法的電氣設(shè)計(jì)工程師帶來了新機(jī)遇。

Part 2

電氣應(yīng)用領(lǐng)域的新型材料

雖然增材制造技術(shù)的演變?yōu)楦鼜V泛的采用奠定了基礎(chǔ)，但新材料的快速發(fā)展也為電氣設(shè)計(jì)工程師帶來了新的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。使用先進(jìn)的聚合物、金屬和功能復(fù)合材料進(jìn)行打印，使工程師能夠創(chuàng)建以前在性能和設(shè)計(jì)靈活性方面難以企及的零部件。

先進(jìn)聚合物

聚醚醚酮 (PEEK) 和聚醚酰亞胺（PEI，也以其品牌名稱Ultem而廣為人知）等高溫聚合物已成為增材制造工具箱中的標(biāo)配材料。這些材料提供了理想的電氣絕緣性能，可耐受電力電子設(shè)備、連接器及外殼等應(yīng)用場(chǎng)景中常見的高溫環(huán)境。其化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度使其成為制造需保護(hù)敏感電路的耐候性外殼的理想選擇。這使工程師能夠打印定制、堅(jiān)固的絕緣組件，而這些組件以前需要復(fù)雜的加工或模具制造。

金屬打印創(chuàng)新

在導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度至關(guān)重要的應(yīng)用中，金屬材料具有顯著優(yōu)勢(shì)。銅以其導(dǎo)電性而聞名，現(xiàn)在可以將其打印成復(fù)雜的形狀，用于定制母排、散熱器和電氣接觸件——這些都是配電和熱管理中必不可少的組件。

鋁因其輕質(zhì)、耐用、成本低和散熱性能好，常用于智能手機(jī)、筆記本電腦、電視和其他電子產(chǎn)品的外殼。然而，鋁的熱膨脹系數(shù)較高（比銅高35%），可能在電氣應(yīng)用中引發(fā)機(jī)械應(yīng)力、接頭及可靠性問題，尤其是在溫度變化頻繁的環(huán)境中。對(duì)于需要尺寸穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性的應(yīng)用，銅通常是更好的選擇。

功能材料

或許最令人興奮的是為增材制造設(shè)計(jì)的全新功能材料。導(dǎo)電絲材（如摻入碳、銀或其他導(dǎo)電添加劑的聚合物）使得在一次打印過程中實(shí)現(xiàn)電路走線、天線和傳感器成為可能。磁性復(fù)合材料則可用于制造定制的電感器、變壓器或電磁屏蔽，以滿足特定設(shè)備的需求。這些材料使電氣功能能夠直接集成到組件結(jié)構(gòu)中，簡(jiǎn)化了裝配流程并開辟了新的設(shè)計(jì)可能性。

隨著可打印材料種類的不斷豐富，設(shè)計(jì)工程師如今正以前所未有的方式掌控組件的性能與集成方式。這一材料科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新不僅在探索可能性，更在重新定義電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邊界。

Part 3

技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)增材制造

雖然創(chuàng)新材料開辟了新的可能性，但先進(jìn)打印技術(shù)決定了這些材料能被有效利用的程度。打印過程的精度、速度和可靠性直接影響電子元件的性能。近期出現(xiàn)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破，使在生產(chǎn)環(huán)境中使用這些復(fù)雜材料成為可能且切實(shí)可行。

Part 4

人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在打印優(yōu)化中的應(yīng)用

人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 被用于優(yōu)化增材制造過程的每個(gè)階段。這意味著更智能的軟件可以自動(dòng)優(yōu)化打印參數(shù)，以提高導(dǎo)電性、強(qiáng)度和精度。通過分析復(fù)雜的幾何形狀和材料行為，基于AI的系統(tǒng)能夠減少試錯(cuò)次數(shù)，確保可靠結(jié)果，從而加速開發(fā)周期并降低浪費(fèi)。

高精度和微尺度打印

當(dāng)前的3D打印機(jī)具有足夠的精度，能夠在微尺度上制造諸如電路走線、連接器和傳感元件等微小結(jié)構(gòu)。這一能力支持在空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮作用，如消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療器械。微尺度打印的能力有助于在緊湊設(shè)計(jì)中集成電氣功能。

嵌入式電子和多材料集成

多材料打印技術(shù)可將導(dǎo)電材料與絕緣材料在單一構(gòu)建過程中結(jié)合。這一技術(shù)能力支持制造集成導(dǎo)電通路、絕緣層及嵌入式功能元件的零部件。實(shí)際優(yōu)勢(shì)包括減少裝配步驟及開辟新設(shè)計(jì)可能性，例如內(nèi)置布線的殼體或直接集成屏蔽層的電路板。

監(jiān)測(cè)和質(zhì)量控制

新型增材制造設(shè)備配備了基于熱成像和傳感器反饋的質(zhì)量保證系統(tǒng)。這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)跟蹤打印過程，并在制造過程中識(shí)別潛在缺陷。生產(chǎn)過程中檢測(cè)問題的能力有助于制造商滿足電氣組件所需的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

增材制造在電氣應(yīng)用中的采用并非一蹴而就，而是逐漸推進(jìn)的。技術(shù)挑戰(zhàn)在關(guān)鍵電氣應(yīng)用中的實(shí)施進(jìn)程中起到了一定阻礙作用，但近期發(fā)展已開始解決這些限制。

Part 5

解決電氣應(yīng)用領(lǐng)域的

普遍挑戰(zhàn)

增材制造在電氣系統(tǒng)方面一直面臨持續(xù)的挑戰(zhàn)，但如前所述，用戶現(xiàn)在擁有更先進(jìn)的材料和技術(shù)來幫助克服這些障礙。由于這一領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，解決過去的重要挑戰(zhàn)，并探討近期技術(shù)進(jìn)展所帶來的深遠(yuǎn)影響，顯得尤為重要。

挑戰(zhàn)：后處理要求

當(dāng)零部件從增材制造系統(tǒng)中取出時(shí)，常伴隨明顯缺陷，如阻礙流體流動(dòng)的粗糙表面、威脅機(jī)械強(qiáng)度的內(nèi)部孔隙，或因構(gòu)建方向不同而異化的材料性能。盡管工程師可通過優(yōu)化打印參數(shù)來減緩這些問題，但此類方法往往具有技術(shù)局限性且不全面。

因此，雖然某些材料的后處理自動(dòng)化已取得顯著進(jìn)展，但這一挑戰(zhàn)仍未解決。行業(yè)普遍認(rèn)為，在后處理工作流程中實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)化是提升制造效率的關(guān)鍵。

挑戰(zhàn)：監(jiān)管與可靠性問題

增材制造零部件在疲勞性能、吸濕性、電磁干擾 (EMI) 以及缺乏通用標(biāo)準(zhǔn)方面一直面臨質(zhì)疑。因此，這些問題使工程師在安全關(guān)鍵和高可靠性電氣應(yīng)用中使用增材制造時(shí)更加謹(jǐn)慎。

疲勞性能

最近在表面處理方面的進(jìn)步顯著延長(zhǎng)了金屬增材制造零部件的壽命。諸如噴丸和低塑性拋光等技術(shù)可產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，使這些組件的耐用性與傳統(tǒng)鍛造材料相媲美。

噴丸處理通過高速將小球形介質(zhì)（通常為金屬、陶瓷或玻璃）撞擊表面，以產(chǎn)生均勻的壓縮應(yīng)力。低塑性拋光則使用高度拋光的球形工具施加受控壓力，使表面變形，同時(shí)盡量減少塑性流動(dòng)。這兩種技術(shù)通過在金屬3D打印零部件表面形成壓縮層，抑制裂紋的形成和擴(kuò)展，從而增強(qiáng)其強(qiáng)度，解決了電氣應(yīng)用受周期性載荷影響的關(guān)鍵可靠性問題。

吸濕性

新的吸濕策略包括疏水涂層、優(yōu)化打印參數(shù)以減少孔隙率、打印前干燥以及先進(jìn)的后處理（例如退火）。所有這些方法都能提高基于聚合物的電氣組件的耐久性。

EMI屏蔽

先進(jìn)的3D打印復(fù)合材料（如碳納米管填充的聚乳酸 (PLA) 與聚苯胺涂層）現(xiàn)在在10GHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)超過50dB的電磁干擾屏蔽效果，成為傳統(tǒng)金屬屏蔽材料的可行替代品。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)管環(huán)境日益成熟，針對(duì)增材制造零部件的新標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證方法正陸續(xù)出臺(tái)。相關(guān)組織正建立材料性能、熱處理及工藝控制的全面數(shù)據(jù)集，而政府與行業(yè)倡議則在加速關(guān)鍵應(yīng)用的認(rèn)證流程。

挑戰(zhàn)：生產(chǎn)速度與可擴(kuò)展性

增材制造傳統(tǒng)上受限于復(fù)雜或高產(chǎn)量零部件的生產(chǎn)速度較慢，這限制了其與傳統(tǒng)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。最近的技術(shù)進(jìn)步，如多激光增材制造系統(tǒng)，通過允許多個(gè)激光器同時(shí)在不同區(qū)域工作，提高了生產(chǎn)速度。然而，效率提升的程度尚不明確。雖然增加激光器數(shù)量可提升速度，但提升幅度并非完全成正比；例如，四激光器系統(tǒng)可能僅比單激光器系統(tǒng)快三倍，因?yàn)橹匦峦扛驳臅r(shí)間沒有改變。
多激光器系統(tǒng)的成本效益因應(yīng)用場(chǎng)景和投資規(guī)模而異。此外，這類系統(tǒng)還面臨激光器精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)和復(fù)雜惰性氣體流管理等挑戰(zhàn)，需嚴(yán)格控制以確保零部件質(zhì)量與單激光器系統(tǒng)相當(dāng)。

挑戰(zhàn)：材料性能的局限性

增材制造電氣材料在導(dǎo)電性方面落后于銅和鋁等傳統(tǒng)材料，且適合的高質(zhì)量絕緣體和耐熱聚合物匱乏。聚合物通常缺乏功率電子設(shè)備所需的熱性能。

導(dǎo)電性

使用氧化物分散強(qiáng)化 (ODS Cu) 的新型3D可打印銅合金的導(dǎo)電性可達(dá)純銅的80%，同時(shí)具有高屈服強(qiáng)度和精細(xì)的特征分辨率。該工藝將納米級(jí)的氧化物顆粒均勻分布在銅基體中，防止在高溫下發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶粒生長(zhǎng)，同時(shí)保持出色的電氣性能。該材料結(jié)合了射頻和天線應(yīng)用所需的導(dǎo)電性，以及純銅所不具備的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。

介電材料與熱性能

專有的介電油墨和先進(jìn)的聚合物復(fù)合材料（如PEEK和Ultem）提供了高絕緣性和機(jī)械穩(wěn)定性，從而能夠打印出復(fù)雜、高性能的電子設(shè)備。PEEK具有出色的電氣絕緣性能，體積電阻率為1016Ω·cm，即使在高達(dá)250℃的溫度下也能保持其電介質(zhì)性能，因此非常適合高功率應(yīng)用。Ultem是一種高性能的熱塑性塑料，具有出色的介電強(qiáng)度和阻燃性（UL94 V0等級(jí)），這對(duì)于安全至關(guān)重要的電氣部件來說是必要的。
材料、工藝和可靠性方面的進(jìn)步，正在推動(dòng)那些曾被認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用逐步落地。

Part 6

增材制造突破性成功案例

盡管理論上的進(jìn)展聽起來很美好，但實(shí)際應(yīng)用才真正展現(xiàn)了增材制造在電氣工程領(lǐng)域的潛力。這些開創(chuàng)性的應(yīng)用不僅僅是漸進(jìn)式的改進(jìn)，它們代表了在設(shè)計(jì)限制被解除、增材制造全部潛力得以釋放的情況下，對(duì)可能性的根本性重塑。

Optisys：重新定義航空航天天線設(shè)計(jì)

航空航天技術(shù)公司Optisys利用金屬3D打印改變了衛(wèi)星天線的設(shè)計(jì)與制造。通過將100多個(gè)單獨(dú)的部件整合為一個(gè)單一的集成結(jié)構(gòu)，大幅縮短了組裝時(shí)間、減少了潛在故障點(diǎn)，同時(shí)提升了電氣性能并減輕了重量，所有這些都是航空航天應(yīng)用的關(guān)鍵因素。這種方法實(shí)現(xiàn)了快速設(shè)計(jì)與定制化，并展示了增材制造如何在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中解決工程與運(yùn)營(yíng)挑戰(zhàn)。

SLM 500增材制造系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)高精度金屬3D打印，為先進(jìn)射頻 (RF) 和天線解決方案提供支持。

麻省理工學(xué)院：為醫(yī)療設(shè)備3D打印電磁鐵

麻省理工學(xué)院 (MIT) 的研究人員開發(fā)了一種方法，利用先進(jìn)的多材料打印技術(shù)，一步完成緊湊型磁芯電磁線圈的3D打印。與傳統(tǒng)制造的電磁鐵相比，這些電磁鐵體積更小、效率更高、功率更強(qiáng)，因此非常適合用于呼吸機(jī)和成像設(shè)備等醫(yī)療設(shè)備。這一突破不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，還使在緊急情況或資源匱乏的環(huán)境中快速生產(chǎn)救命組件成為可能。

安捷倫馬來西亞：通過自動(dòng)化提升系統(tǒng)韌性并降低成本

安捷倫的馬來西亞工廠面臨著在潛在供應(yīng)中斷的情況下生產(chǎn)高風(fēng)險(xiǎn)零部件的挑戰(zhàn)。該工廠通過開發(fā)一個(gè)低成本、開源的3D打印平臺(tái)，集成IIoT傳感器、人工智能視覺技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，以及企業(yè)資源計(jì)劃 (ERP) 系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化任務(wù)調(diào)度，成功轉(zhuǎn)型為卓越中心。這個(gè)增材制造生產(chǎn)系統(tǒng)將零部件成本降低了83%，生產(chǎn)周期縮短了75%，這一成果充分證明了增材制造在現(xiàn)代電子制造中提升效率的潛力。

這些案例僅是增材制造成熟過程中涌現(xiàn)的無限可能的冰山一角。從技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用實(shí)踐的雙重視角，我們已能清晰勾勒出電氣工程應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景。

Part 7

未來發(fā)展

增材制造從原型制作技術(shù)向生產(chǎn)就緒解決方案的轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著電氣工程領(lǐng)域的一次重大變革。隨著材料創(chuàng)新、打印技術(shù)及質(zhì)量控制方法的不斷成熟，增材制造有望從根本上改變電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造與部署方式。

從節(jié)省空間的天線到集成電磁組件，本文中提到的成功案例表明，增材制造不僅僅是傳統(tǒng)技術(shù)的替代品，它為解決電氣工程挑戰(zhàn)提供了全新的方法。

在材料導(dǎo)電性、熱性能和可靠性方面取得的持續(xù)進(jìn)展解決了歷史限制，為在關(guān)鍵應(yīng)用中更廣泛地采用開辟了道路。對(duì)于工程師來說，增材制造供了他們夢(mèng)寐以求的獨(dú)特組合：設(shè)計(jì)自由、快速生產(chǎn)和增強(qiáng)功能。