對于一些人而言，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，隨著增材制造從實驗室走向生產(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)計的可能性，有望實現(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)。

與注塑成型或計算機數(shù)控 (CNC) 加工等技術(shù)相比，增材制造具有多項優(yōu)勢。因為零部件通過逐層堆疊方式制造，幾乎無多余材料，因此大幅減少材料浪費。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)計更大的靈活性，使得產(chǎn)品設(shè)計可以圍繞性能進行快速迭代和優(yōu)化，而不再受限于可制造性。

盡管這些通用優(yōu)勢為采用AM提供了堅實的依據(jù)，但電氣工程領(lǐng)域還能從更具針對性的技術(shù)進步中獲益。值得注意的是，新材料的快速發(fā)展為尋求改進傳統(tǒng)制造方法的電氣設(shè)計工程師帶來了新機遇。

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)計工程師帶來了新的創(chuàng)新機會。使用先進的聚合物、金屬和功能復(fù)合材料進行打印，使工程師能夠創(chuàng)建以前在性能和設(shè)計靈活性方面難以企及的零部件。

先進聚合物

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)用場景中常見的高溫環(huán)境。其化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度使其成為制造需保護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)電性和機械強度至關(guān)重要的應(yīng)用中，金屬材料具有顯著優(yōu)勢。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、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。對于需要尺寸穩(wěn)定性和長期可靠性的應(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，簡化了裝配流程并開辟了新的設(shè)計可能性。

隨著可打印材料種類的不斷豐富，設(shè)計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)計的邊界。

Part 3

技術(shù)進步推動增材制造

雖然創(chuàng)新材料開辟了新的可能性，但先進打印技術(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可行。

Part 4

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

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

高精度和微尺度打印

當(dāng)前的3D打印機具有足夠的精度，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)用場景中發(fā)揮作用，如消費電子、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。實際優(yōu)勢包括減少裝配步驟及開辟新設(shè)計可能性，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)測系統(tǒng)可實時跟蹤打印過程，并在制造過程中識別潛在缺陷。生產(chǎn)過程中檢測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，而是逐漸推進的。技術(shù)挑戰(zhàn)在關(guān)鍵電氣應(yīng)用中的實施進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，常伴隨明顯缺陷，如阻礙流體流動的粗糙表面、威脅機械強度的內(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化已取得顯著進展，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現(xiàn)更高程度的自動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更加謹(jǐn)慎。

疲勞性能

最近在表面處理方面的進步顯著延長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，同時盡量減少塑性流動。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展，從而增強其強度，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時可實現(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。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)的競爭力。最近的技術(shù)進步，如多激光增材制造系統(tǒng)，通過允許多個激光器同時在不同區(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，因為重新涂覆的時間沒有改變。
多激光器系統(tǒng)的成本效益因應(yīng)用場景和投資規(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

使用氧化物分散強化 (ODS Cu) 的新型3D可打印銅合金的導(dǎo)電性可達純銅的80%，同時具有高屈服強度和精細(xì)的特征分辨率。該工藝將納米級的氧化物顆粒均勻分布在銅基體中，防止在高溫下發(fā)生位錯運動和晶粒生長，同時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械強度和耐熱性。

介電材料與熱性能

專有的介電油墨和先進的聚合物復(fù)合材料（如PEEK和Ultem）提供了高絕緣性和機械穩(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，具有出色的介電強度和阻燃性（UL94 V0等級），這對于安全至關(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步，正在推動那些曾被認(rèn)為無法實現(xiàn)的應(yīng)用逐步落地。

Part 6

增材制造突破性成功案例

盡管理論上的進展聽起來很美好，但實際應(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)用不僅僅是漸進式的改進，它們代表了在設(shè)計限制被解除、增材制造全部潛力得以釋放的情況下，對可能性的根本性重塑。

Optisys：重新定義航空航天天線設(shè)計

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)計與制造。通過將100多個單獨的部件整合為一個單一的集成結(jié)構(gòu)，大幅縮短了組裝時間、減少了潛在故障點，同時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。這種方法實現(xiàn)了快速設(shè)計與定制化，并展示了增材制造如何在高風(fēng)險環(huán)境中解決工程與運營挑戰(zhàn)。

SLM 500增材制造系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，實現(xiàn)高精度金屬3D打印，為先進射頻 (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，因此非常適合用于呼吸機和成像設(shè)備等醫(yī)療設(shè)備。這一突破不僅簡化了生產(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)險零部件的挑戰(zhàn)。該工廠通過開發(fā)一個低成本、開源的3D打印平臺，集成IIoT傳感器、人工智能視覺技術(shù)進行實時質(zhì)量控制，以及企業(yè)資源計劃 (ERP) 系統(tǒng)進行自動化任務(wù)調(diào)度，成功轉(zhuǎn)型為卓越中心。這個增材制造生產(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、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。對于工程師來說，增材制造供了他們夢寐以求的獨特組合：設(shè)計自由、快速生產(chǎn)和增強功能。