目前，3D打印正迅速成為推進電子制造的關鍵技術之一，它主要用于通過快速原型開發來加速產品開發。但是，越來越多的人看到技術轉移到功能性電子元件的生產過程中。預計 到2029年，3D打印電子產品的總市場價值將超過20億美元。在今天的文章中，我們一起探討一下未來發展趨勢

是什么推動3D打印在電子行業中的應用？

電路板的3D打印原型[納米尺寸]

當前電子產品的生命周期正在縮短，這意味著電子制造商不得不找到加速產品開發和制造的方法。此外，*小訂貨量通常大于制造商的需求量，迫使他們購買的原型數量超過測試和驗證所需的數量。考慮到這些問題，制造商正在尋找使原型設計更接近其設計團隊的想法。對于國外客戶來說， 實現此目標的一種方法是使用本地合同制造商。但是，這帶來了另一個可能侵犯知識產權的問題。理想情況下，制造商需要有一種在內部進行原型制作的解決方案，這就是電子3D打印應運而生的地方。
專為電子應用開發的3D打印機之所以受到青睞，是因為它們允許電子公司在內部進行原型制作。這樣的系統通常以緊湊的桌面式出現，這使得它們很容易放在產品開發部門中。 重要的是，3D打印機可以在幾個小時內創建電子組件的原型，例如印刷電路板（PCB），天線，電容器和傳感器。結果，設計驗證變得更快，從而可以進行更頻繁的重新設計。此外，內部保留用于電子產品的3D打印系統還可以降低IP盜用的風險。
推動電子3D打印的另一個因素是電子組件的不斷發展和小型化，以及對高級功能的需求不斷增加。對非標準，靈活的電子產品的需求呈指數增長，但由于使用傳統技術制造此類組件可能會面臨挑戰，因此3D打印技術已開始提供滿足需求的方法。
打印電子產品不是一個新概念。幾年來，諸如噴墨和絲網印刷的2D打印技術已用于制造電子組件。所有這些過程仍然運行良好，但是有局限性：大多數2D工藝被開發為可以二維打印，這意味著它們只能用于在平面上制造電子組件。例如，在傳統的PCB制造中，工程師以2D設計，并以2D制造不同的PCB層。然后，他們必須完成各種附加的處理步驟，例如鉆孔，壓制和電鍍，以便開始將許多單獨的層連接到多層三維電路板上。
3D打印擴展了設計選項，使工程師可以在非平面表面上打印整個電路，該技術目前主要用于原型制作。但是，經過改進的新的系統開始進入市場，這標志著不久的將來，我們可能會看到3D打印的電子產品用于功能齊全的量產產品。

3D打印電子產品的關鍵應用

3D打印天線

天線是所有商用和軍用飛機以及衛星，無人機和地面終端中永遠存在的組成部分。 3D打印的出現加快了新型天線設計的發展，而傳統的制造技術則無法實現。3D打印還使制造商可以生產重量更輕，成本更低的傳統天線形狀。

Optisys是一家致力于使用金屬3D打印設計，制造和測試輕型天線的公司。為了制造天線，Optisys使用了粉末床熔合工藝，其中通過高功率激光將粉末的薄層焊接到固體金屬中。 通過該焊接過程，零件一次被構造成一個小層。此制造過程僅允許在需要的區域添加材料，以實現給定的機械或射頻（RF）功能。

Optisys生產了一個演示部件– X波段SATCOM集成跟蹤陣列（XSITA）天線。3D打印與仿真軟件相結合，使Optisys可以將組件中的零件數量從100多個減少到1個。Optisys還報告說，交貨時間從11個月減少到2個月，減少了9個月，生產成本減少了至少20％ 互連線

互連是任何電子系統的固有部分，是將兩個或多個電路元件（例如晶體管）電連接在一起的結構。 當前制造互連的方法（例如引線鍵合）具有一些局限性，包括較長的導體路徑和易碎部件上的高機械應力，將互連直接打印在PCB和RF組件焊盤上可能解決這些挑戰。

由Optomec開發的Aerosol Jet技術是可以在3D表面上打印共形互連的技術之一，而無需進行引線鍵合。氣溶膠噴射印刷從油墨霧化開始，產生直徑為1到2微米的液滴。霧化的液滴被氣流夾帶并輸送到打印頭。然后，打印機以高速噴射材料的小滴，使它們粘在基材上。該過程在室溫下進行，無需使用真空室或壓力室。

航空航天和國防科技公司諾斯羅普·格魯曼公司（Northrop Grumman）的一個團隊已使用這種方法生產砷化鎵（GaAs）半導體。在這項研究中，研究人員在基于GaAs的微波單片集成電路（MMIC）上進行3D打印的介電層和橋式金互連。

打印后，對MMIC器件進行了RF測試和可靠性測試，包括熱沖擊，熱循環和電流應力測試。在如此嚴酷的條件下幸存下來之后，MMIC沒有表現出任何性能下降的跡象，證明了3D打印的互連可以在現實世界中發揮作用。

電容器類

電容器是電子電路中用于存儲能量和電荷的設備，是可以進行3D打印的另一個組件。 當今的傳統PCB制造技術要求將電容器安裝到PCB上。然而，這導致PCB表面積的使用不是非常有效。 另一方面，3D打印允許將電容器直接打印在PCB上，從而使電子工程師可以避免潛在的耗時和復雜的組裝過程，同時還能減小電路板的占位面積。其他好處可能包括更短的電路路徑，擴展的帶寬，提高的信號速度和*小的噪聲。

*近，電子3D打印機開發商Nano Dimension宣布已成功開發嵌入式3D打印電容器。他們的技術為3D打印機的DragonFly系列提供動力，其工作方式是按照設計文件指定的位置，從基材開始逐層沉積兩種材料（一種導電性和一種介電質）。 據報道，經過260多次測試，使用30種不同的3D打印電容器尺寸，該公司證明了一致的結果：表明各組件之間的差異小于1％。

Nano Dimension表示，其電容器可用于射頻傳輸線，音頻處理，無線電接收和電源電路調節。 這一里程碑與電子行業朝著電子設備的小型化和扁平化發展趨勢相一致。顯然，3D打印生產較小電容器的能力正在擴展，這為電子工程師提供了優化PCB設計的新方法。

射頻組件

哈里斯公司和Nano Dimension成功地合作生產了3D打印的射頻電路[哈里斯公司]

除電容器外，Nano Dimension的3D打印機還用于設計RF組件。這些是用于長距離傳輸數據，視頻，語音和其他信息的任何電子系統的關鍵要素。 哈里斯公司（Harris Corporation）是一家專門從事戰術通信，地理空間系統和服務以及航空電子和電子戰的公司，該公司已使用DragonFly Pro 2020 3D打印機開發了3D打印的RF放大器。

通過使用3D打印，哈里斯在10小時內制造了101 x 38毫米厚的電路。使用Nano Dimensions的銀納米粒子導電和電介質油墨在單張印刷中創建功能性電子零件，然后將這些組件手動焊接到PCB。

與傳統制造的放大器相比，3D打印的放大器顯示出相似的RF性能，清楚地證明了3D打印的電子產品在RF電路中的可行性。

傳感器

3D打印傳感器是3D打印電子產品*令人興奮的應用之一。這些設備可以檢測并響應物理環境中的某些類型的輸入，從汽車的排放控制系統到自動門和移動電話，無處不在。

生物醫學傳感器是可以從3D打印中受益的一種應用。例如，佐治亞理工大學和埃默里大學的研究人員正在開發一種3D打印的傳感器，該傳感器可以潛在地幫助臨床醫生無線監測和評估動脈瘤的愈合。

該傳感器是在3D氣溶膠噴射技術的幫助下創建的。它包括由生物相容性聚酰亞胺制成的六層，由銀納米顆粒制成的網狀圖案的兩個獨立層，電介質和柔軟的聚合物封裝材料。

根據研究團隊的說法，3D打印使一步一步生產非常小的電子功能成為可能。這消除了對傳統的多步光刻工藝的需求。這也意味著可以以更高的體積和更低的成本來制造傳感器。這項技術使人們可以一窺智能設備和電子3D打印的組合如何促進醫療保健。

除醫療應用外，3D打印的傳感器還可用于監控渦輪葉片的性能。例如，通用電氣正在使用Optomec的Aerosol Jet技術將陶瓷應變傳感器直接打印到渦輪葉片上。這些傳感器用于檢測金屬的疲勞和蠕變，以防止造成高成本和危險的故障。 據報道，使用3D打印傳感器為GE 節省了10億美元，維護渦輪葉片既昂貴又費時，但是在燃氣輪機組件上進行3D打印傳感器可以幫助優化該過程。

3D打印和傳感器技術的結合為醫療，能源和航空航天領域的廣泛應用打開了大門。隨著該領域研究的繼續，我們將看到3D打印傳感器的使用在不斷增長，這是由于對更小，性能更高的監控解決方案的需求所推動。

未來發展

隨著電子行業不斷發展的需求而不斷增長， 3D打印電子產品是3D打印領域中一個年輕但迅速成熟的行業。目前，電子產品3D打印提供了快速的原型解決方案，但是距離我們看到更高數量的電子產品增材制造還需要幾年的時間。通過發布改進的，具有生產能力的系統并開發性能更好的導電和介電材料，正在使這一愿景變為現實。
例如，Nano Dimension*近發布了其新的DragonFly Lights-Out數字制造（LDM）系統。該公司表示，該系統可用于小批量生產功能性3D打印的多層PCB，電容器，線圈，傳感器和天線。
繼傳統機械3D打印的腳步之后，電子3D打印領域看起來將在未來幾年經歷巨大的增長。