通过多进程3D打印增加器件功能综述

      近日，美国德州大学埃尔帕索分校的Eric MacDonald和Ryan Wicker在Science上发表了一篇题为“Multiprocess 3D printing for increasing component functionality（通过多进程3D打印增加器件功能）”的综述（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf2093）。

增量制造，也就是通俗所说的3D打印，正在成为公众和媒体的焦点，不同于传统的制造技术（比如铸造、锻造、机械加工、注塑成型）只能制造统一造型和结构的物品，3D打印因为没有具体的模板或者造型作为参考，所以可以按照具体的需要制造具有不同复杂几何形状的产品。

虽然3D打印在制造金属、陶瓷、聚合物等方面取得了巨大的成功，但是传统的3D打印仅仅局限于以单一材料为原料的制造，这就限制了3D打印在更广泛领域的应用和研究，所以，将多种材料进行复合使得材料的功能性进一步提高就成为必要的了。最近出现的多进程3D打印，或者叫做混合3D打印就兼具了几何形状的复杂性和实用的多功能性两大优点。

这篇综述主要包括了3D打印的研究背景、多功能3D打印概述、多功能3D打印与传统制造技术的比较、3D打印器件的不同功能性、总结与展望五部分。

图1：一台正在工作的多功能3D打印机

1、3D打印的研究背景

传统的工业制造在生产大规模统一部件时，装配步骤复杂，也会造成原材料的浪费。3D打印由于其不需要额外的模具，并且可以灵活定制生产各种具有复杂几何形状的产品，所以吸引了大众的目光。3D打印就是利用层与层之间材料的堆积来形成各种在空间延伸的几何形状的技术。过去的几十年间，得益于空间分辨率的提高和多种原材料的使用，3D打印正日益广泛的应用于消费产品、航空航天、生化器件等领域，很多企业已经投身于3D打印的浪潮中，例如，美国通用电气公司就计划到2020年，要为喷气式发动机制造超过十万个3D打印组件。

然而，3D打印也面临着许多挑战和亟待解决的问题，其中之一就是增加3D打印不同组件的功能性。下一代的3D打印就需要能整合不同组件之间的特性，利用统一的、无需额外工具的、多进程的打印环境进行器件的制造。因此，伴随互相补充的制作过程，一种称作多进程3D打印，或者叫做混合3D打印的技术应运而生。这种互补的制作流程既包括传统的制作方法（例如机械加工、切削、滴涂、机器人操作等），也可以使产品同时结合电子、电磁、光学、流体、制动、化学以及热学等特性，具有巨大的应用潜力。

图2：利用多进程3D打印技术制作的器件：（A）一个嵌入了处理器和加速度计的骰子；（B）周期性螺旋天线

2、多功能3D打印概述

3D打印就是利用层间堆砌的方式制作器件的技术，它具有制作过程灵活的特点。美国材料与试验协会（ASTM）下属的F42委员会在2009年确定了3D打印的基本术语、测试方法、文件格式等，并且认定了3D打印的七种基本分类：

1）光固化就是在光源照射下，利用对特定能量光敏感的聚合物进行固化的过程。这个过程在选择性地固化每一层后就会降低。

2）材料的挤出就是将材料通过挤压嘴进行选择性地分配。常用的材料就是热塑性塑料。这个过程通常需要结合移动平台和挤压机的共同作用。

3）粉末层融合就是将激光或者电子束作为热源，把粉末中的特定部分进行融合的过程。在此过程中，会使用耙手或者滚筒把多余的粉末聚集起来形成新的一层。

4）粘合剂的喷射就是把粉末原料利用粘合剂进行结合的过程。大部分都需要利用浸渍剂和熔炉循环加热。

5）材料的喷射是将材料的液滴有选择的进行沉积的过程，这个过程也需要光固化的作用。并且沉积和光固化需要在每一层重复进行。

6）层压就是将材料的每一层结合在一起组成一个完整结构的过程。在此期间，还需要用机械加工、切削等方法把每一层精确塑形。

7）定向能量沉积就是结合原材料沉积和能量源（激光或电子束）在材料表面进行构建的过程。

上述的每一个过程的目的都是为了强化结构的稳定性并增加功能性。早在上世纪九十年代就有学者报道了3D打印的分步操作，来加强材料的功能性和结构性。此后，也有很多研究者报道了在3D打印制造技术上的各种进展。

增量制造上的多功能化可以广义理解为在材料的基础功能上引入附加的特性。例如，多种颜色和密度的分步就贯穿了整个结构，事实上，多种颜色过程的使用已经商业化多年。另一个关于商业3D打印机多功能性的例子就是使用机械超材料去减少负刚度来抑制震动并降低舱内噪音。

大部分多功能结构的制造都需要整合多种制造技术，包括结合3D打印，同时使用其他补充技术提高材料的空间控制、几何形状和功能性。这些附加制造能力可以结合金属线、电池、天线和其他部分来实现。电和热的引入和相互作用可以加强子系统间的通信或者在整个结构间传递能量或热。例如，在2D打印领域，导电墨水和导电胶已经被用于制造可用于直接书写的柔性器件。

导电墨水以及导电胶的研究吸引了打拼研究者和创业公司，例如，位于哈佛大学的路易斯团队创业公司宣布首次制造出了低成本的结合了气动导电墨水喷头的3D打印机，这种打印机可以利用导电墨水来增加3D打印结构间的导电性。此外，德州大学埃尔帕索分校的W. M. Keck 3D创新中心早在2004年就制作了3D打印的电路，并表现了优异的性质。

3、多功能3D打印与传统制造技术

以3D打印为基础的多进程附加技术相较传统制造技术面临着产量较低的问题。然而，新型的3D打印技术也有其独特优势，例如，可以对于每一件产品进行个人化的定制，并且不需要进行繁杂的组装过程。利用一些附加技术制造的产品还面临着各向异性的强度问题，但是，最新利用激光或者电子束进行金属粉末层融合的技术制造出了媲美传统工艺甚至锻造材料的产品，这也是直接驱使通用电气使用3D打印的系统进行大规模生产的原因。

虽然3D打印技术取得了巨大的进步，但是相比传统工艺制作的产品，在电子器件中的布线密度、导电性、抗电强度、介电常数、介电损失以及稳定性方面还有进步空间。

4、器件印刷或嵌入的功能

多年以来，附加过程总是使用复杂的几何形状作为一系列应用的物理模型。然而，过去十年间，利用印刷或者嵌入式的技术使3D打印产品具有传感、电磁、能量存储、推进等特性已经取得了巨大成果，下面就作一简单介绍：

4.1、传感器

对于利用3D打印技术结合传感器主要着眼于以下两个方面：1）在打印的过程中直接将传感器植入结构中；2）将传感器和整个3D打印的结构融为一体。遵循这些研究思路，研究者已经将麦克风、角加速计、相机、LED光源、加速度计、压力传感器、灰尘传感器以及生物电传感器等直接植入了设计好的腔体中。

图3：3D打印的触觉传感器：（A）可拉伸式触觉传感器；（B）电容式触觉传感器

4.2、驱动器

从简单的回缩装置到全功能的转动马达，多种的机械驱动器已经在研究中得以实现。例如，研究者已经制作出了生物激励的振翼昆虫、依靠外部运动的假手等。这也为利用3D打印平台制作出机动化的机器人提供了可能。

4.3、热量

由于3D打印设计上的自由，多种具有几何复杂性的热交换器已经进行了多年的研究。金属3D打印系统已经被用来制造具有大比表面积结构的高热导率器件，并已经应用于流体热交换装置、3D打印注塑模具甚至热核反应器中。3D打印技术的发展可以直接将热管道和相变材料存储池与产品进行结合。

4.4、储能

目前，传统的锂离子电池制造技术已经能够制造出任意形状的电池，并已经用于多种电子产品中，但是这些电池都需要依靠昂贵的模具。近年来的研究已经利用3D打印技术制作出了锂离子电池。但是，在现阶段的研究中，3D打印制作的电池由于其生产温度较高，且电池能量密度低于传统电池，这使得其应用还有一段路要走，也是目前摆在研究者面前的问题，亟待解决。

图4：3D打印的锂离子电池

4.5、天线和电磁器件

3D打印的热潮使人们开始重新反思天线和电磁器件中的传统制造思路。一些研究团队已经将诸如金属线、金属网、金属箔等物质嵌入3D打印的结构中去控制介电性和导电性空间分布。利用3D打印技术制作的天线具有恰当的无线电频率、低的损耗因数，并且可以应用于具有拱形的结构中。然而，在3D打印的电磁器件中，介电常数的减小以及热塑性塑料所形成的孔都会影响其性能。

图5：3D打印的天线结构：（A）圆柱型的贴片天线；（B）阿基米德天线；（C）多贴片天线

4.6、推进器

在NASA的推动下，3D打印技术在航天器和卫星发射等方面取得了长足的进步。此外，美国航天局也委任了一个委员会去研究3D打印在空间探测上的可行性。推进器是驱动器中的特定一种，并且主要应用于空间探测的研究，利用金属打印技术制造空间飞船的火箭推进器已经见诸报道。

5、总结与展望

本文详细阐述了利用混合3D打印技术提高产品功能性的主要研究进展，下一代的3D打印技术不仅会结合不同材料，也会将功能性组分嵌入到产品的结构中，得到具有多种功能的产品。现有的研究成果已经表明，混合3D打印技术为未来制造多功能的、个人化定制的产品提供了可能。但是，混合3D打印也面临着诸多问题需要解决：1)材料的强度；2）不同材料在柔性、热学性质、电导率方面的差异；3）提高材料的界面性质保证多种组分的稳定性；4）利用计算机辅助或计算机建模优化材料性能；5）打印机的过程反馈控制；6）3D打印中的硬件制造和软件开发技术。