快速制作功能电子电路的桌面式3D打印技术

中国科学院理化技术研究所科研小组首次研制出了室温下直接生成功能电子电路乃至3D机电器件的液态金属桌面式自动打印机原型（图1.3）［15］，为新技术向普及化推进迈出了关键性的一步［16］。这是在国内外文献中首次明确提出液态金属3D打印并研制出有一定实用性3D打印设备的尝试。值得一提的是，该项研究还展示了同时打印金属和非金属封装材料的基本理念和技术可行性（图1.4），并促成了后续混合3D打印技术的提出。

图1.3　液态金属桌面3D打印系统原型机及其多孔芯体打印头［15］

在研究中，科研人员基于对液态金属输运及打印机理的深入解析，提出了旨在确保高精度印刷线宽的多孔芯体打印技术，筛选出与液态金属油墨黏性相匹配的纸质基底，并研制出可突破液态金属高表面张力限制的电子打印机原型，提出了有别于传统电路板（printed circuits board，PCB）技术内涵的纸上印刷电路（printed-circuits-on-paper，PCP）概念［16］。应用该系统，只需提前设定好控制程序，即可在普通的铜版纸上自动打印出电路、天线、RFID（radio frequency identification）等电子器件并实现封装（图1.5）；特别是通过设置各类导电或绝缘类油墨间的层叠组合程序，还可实现3D机电复合系统的直接打印，这一特性并不为以往技术所具备。已有的3D打印方法大多只能实现模型自身的打印，尚不能完成包含电子功能在内的器件制造任务，可在室温下同时打印电气系统乃至机械及封装部件的液态金属印刷电子学为此带来了新希望［16］。

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图1.4　液态金属3D多层电子线路或机电器件制造过程原理［15］

图1.5　利用毛刷气动系统直接在铜版纸上印刷的液态金属结构［15］

al.电阻打印过程；a2.所印刷的直导线，包括被封装完好的液态金属导线；a3.所印刷的多层结构；a4.纸上3D金属结构；a5.所制作的简易功能器件。b1.印刷的电感线圈；b2.所打印的RFID天线；b3.展示了封装后金属结构的良好柔性。

液态金属桌面打印方法的成功实现及所引申出的打印工具，为电子器件的个性化制造创造了条件，有可能影响到未来电子技术的发展模式［16］。正如国际上一些科学媒体所评论的那样，“印刷电子对于制造业有着直接而重要的影响”，“找到室温下直接制造电子的方法，就意味着打开了极为广阔的应用领域乃至通过家用打印机制造电子器件的大门”。可以预见的是，随着液态金属桌面3D打印系统精度及性能的不断提升，将催生出一系列超越传统理念的电子工程学及3D机电打印技术，一定程度上加快电子工业和制造业革新的步伐［16］。