三維打印是在計算機控制下，将一種或多種材料一層一層地加工成三維物體。3 d 打印，或稱3 d 三維打印，廣泛應用于各種電子應用領域，包括電路闆、儲能設備、執行器和傳感器。它可以使用多種技術來實現，包括選擇性激光燒結、立體光刻、熔融沉積成型、直接墨水書寫和噴墨打印。

4D 打印(也被稱為4d 生物打印，活動折紙，或形狀變形系統)使用相同的技術，如3d 打印，但4d 打印增加了時間維度，并産生一個物體，可以随着時間的推移改變其形狀或其他參數。4 d 打印機可以産生一種可編程材料，這種材料可以響應環境輸入，如濕度、光線或溫度，并轉換成另一種結構。常見問題解答将考慮3 d 和4 d 打印在電路闆、儲能、傳感器、執行器、傳感器和太陽能電池闆中的應用。下一個常見問題解答将回顧3d 打印技術在5g 通信系統中的具體應用。

3 d 印刷電路闆

3D 打印技術正被用于制造印刷電路闆(pcb) ，應用範圍日益廣泛。這些 pcb 可用于原型機，短期生産運行，由于其獨特的性能，或一系列原因。例如，3 d 電路闆的阻抗可以被精确控制，3 d 電路闆可以被設計成多層高密度互連和嵌入組件，使得3 d 電路闆的表面可以容納高密度的組件。内部層可以使用多個電源和地面層，增強隔離性、 EMC 兼容性、電源和信号完整性。

混合信号印刷電路闆可以特别受益于使用3d 打印。使用最近開發的介電聚合物油墨和導電油墨，3D PCB 現在可以承受将組件放置在 PCB 兩側所需的焊接過程。這些新型油墨已用于制造一個10層印刷電路闆與高性能電子器件焊接到雙方(圖1)。這種能力可用于高性能的軍事傳感器系統。

圖1.3D 印刷的10層印制電路闆，兩面都有高密度元件

多層3d 印刷電路闆還可以在各層中包括嵌入式和3d 印刷電容器、電阻器以及變壓器和電感器等磁性器件。此外，還可以嵌入各種集成電路和其他半導體器件。

3d 打印超級電容器

電池和超級電容器等儲能設備可能限制探測系統在極端寒冷的環境中(如地球極地和火星)運行的性能。例如，在火星上，夜間氣溫可以驟降到零下62攝氏度(零下81華氏度) ，需要加熱器來防止電池結冰。這些加熱器消耗的能量本來可以用于勘探活動。

科學家們最近用纖維素納米晶基油墨3d 打印了一種多孔碳氣凝膠，并利用這種結構制造了一種能夠在 -70 °c (- 94 f)下工作的超級電容器。電極被印刷成基體結構，然後冷凍幹燥，并進行表面處理。其結果是一個多孔結構，孔直徑為500微米。此外，在印刷基體結構的梁上還有較小的孔隙。這些較小的納米尺度的孔隙允許離子擴散和電荷通過電極轉移。

這種印刷結構稱為三維多孔氣凝膠(3D-mca)。它有一個非常大的表面積，使它能夠在低溫下實現高電容。此外，在高的充放電速率下，它仍然保持電容。與其他制備方法相比，3d 印刷氣凝膠的電容保持率提高了6.5倍。

3d 打印傳感器

3D 打印允許制造基于電阻和電容技術的低成本傳感器。傳感器可以有一個獨特的形狀和大小，可以直接打印到機器人的手指。在電阻式傳感器的情況下，當手指伸縮抓取物體時，每個導體都會輕微變形，其電阻也會發生變化，這為監控和控制機械手抓取小物體提供了一種簡單的方法。

3 d 打印的電容式觸摸傳感器已經直接打印在機器人手的指尖上。此外，接口電子學的發展，以産生數字輸出的基礎上的變化，在電容，使觸摸反饋控制。利用銅基導電絲和兩部分柔性橡膠電介質制作了三維印刷電極。電容式觸摸壓力傳感器有兩個類似于人類拇指指尖的軟電容傳感器。該裝置長30毫米，寬20毫米，厚8.3毫米，并行電容傳感器的重疊區域為163.24毫米正方形，介電厚度為1毫米(圖2)。

圖2。具有嵌入式軟電容傳感器(底部)和軟測量指尖(頂部)截面圖的機器人手的 CAD 設計。

觸摸傳感器的電容大約為4 pF。對傳感器進行了靜态和動态測試。靜态測試包括從0到25n 的線性加載和卸載。動态測試包括從0到15n 加載和卸載傳感器，以每秒1個周期進行200次循環。兩種試驗表明，該傳感器具有很高的重複性，這是實際應用所必需的。除了用在機器人手上，這種類型的電容式感應還可以用在各種應用程序中的儀器化對象上。打印的電阻式和電容式傳感器有時被歸類為4d 打印物體。

4d 打印傳感器

軟觸覺傳感器由幾部分組成: 柔性基闆、柔性電極和傳感元件。利用3d 打印技術來精确控制各種材料之間的空間關系，從而賦予最終結構以機械和/或電傳感能力。因為結構的功能會随着時間的推移而改變，它被稱為4d 打印(圖3)。

圖3.4D 打印結合了不同的材料以産生具有新的機電轉換功能的結構

除了上面讨論的電阻和電容傳感器技術之外，STSs 還可以使用其他現象，如

• 由于外加的機械應力或變形，壓電式短路開關産生電壓。它們具有高靈敏度和快速響應時間，并用于檢測動态壓力，如聲音和滑動振動。此外，壓電材料的能量收集元件能力使得低功耗或自供電的觸覺傳感器的設計成為可能(圖4)。

• 磁電 STSs-是一種新興的技術，觸覺傳感器利用磁場，将機械壓力轉換成電信号。以電磁感應為基礎，這些 STSs 是自動供電的，不需要外部電源。

圖4。4D 打印技術可以用于制備多功能皮膚樣 STSs，其基礎是打印溫敏水凝膠。

3D 和4d 打印驅動器

采用電活性聚合物(EAP)技術制作的微型驅動器，傳統的光刻工藝難以實現。3 d 打印工藝正在開發，專門用于生産 EAP 大型生物驅動器，用于小型機器人。3D 打印有望簡化 EAP 執行機構的制造，使其在更大範圍的應用中具有成本效益(圖5)。

3 d 打印了3台微型機器人，分别為6 × 4.5 mm2、7 × 9.5 mm2和14 × 12 mm2，每台機器人有4個微驅動器支架。激活電壓為 -1.0 v 可以驅動這些肢體，簡化了它們與系統的集成。這些微型機器人可以用來抓取和釋放物體，或者作為微型步行器。微驅動器必須結合電離層或其他固态離子源在一個三層驅動器，使空氣操作。

圖5。EAP 長壽驅動器與多種尺寸描繪的制造規模。(a，b)具有四條可活動的臂/腿和一個剛體的微型機械結構的電驅動。手指寬300微米，長2000微米。機身厚度為2000 × 5000 μm2，有多層結構。(c)三個微型機械驅動器處于毫米級的氧化狀态。最小的(插圖)和最大的微型機器人與樂高人仔一起被放置在縮小狀态。

在電緻動器的另一個實例中，制作了一個由熱塑性/導體雙層膜組成的三維打印混合結構，該結構可以由流過其導電面的外部可控電流引起的差熱驅動。由此産生的柔性結構推動機器人前進使用分步施加電壓。使用更大的電流産生更高的溫度可以導緻不可逆變形，一種形式的4d 印刷結構，也可以擴大線性響應範圍的驅動器。有了适當的驅動電路，就有可能交替地驅動雙層結構的兩層産生非常大的變形，這個過程稱為棘輪。多個區域依次啟動的加熱協議打開了各種非常大且易于控制的3 d 打印混合材料變形的大門。

印刷光伏電池

3 d 光伏(PV)闆使用有機半導體聚合物墨水制成。墨水可以印刷在塑料表面，甚至是鋼鐵表面，這意味着這些印刷的太陽能電池闆可以嵌入建築物。目前，PET (聚對苯二甲酸乙二酯)經常被用作基材。這種200微米厚的印刷光伏電池闆的厚度是人類頭發厚度的4倍。

由于活性層很薄，超過99% 的面闆材料是 PET 基闆。這可以是一個優勢，因為 PET 是相對便宜，它是可回收的。傳統的結晶光伏闆不容易回收，許多最終在垃圾填埋場(圖6)。使用印刷光伏闆，PET 基材可以回收和用來制造新的 PV。

不幸的是，這些可打印的太陽能電池闆的效率仍然低于晶體光伏電池闆的數量級。另一方面，印刷光伏電池闆價格低廉，預計生産成本低于每平方米10美元。與晶體矽相比，用于生産印刷太陽能電池闆的原材料便宜。

圖6。印刷太陽能電池闆成本低，靈活，可回收，但目前效率太低，不實用。

摘要

電路闆、儲能裝置、驅動器和傳感器隻是使用3 d 打印技術制造的一些裝置。4D 打印使用的技術與3d 打印相同，但4d 打印使用各種“活性”材料，使物體能夠随着時間的推移改變其形狀或其他參數。4D 打印技術預計将特别适用于制造傳感器和執行器，尤其是機器人平台和無線物聯網設備。要了解更多關于3d 打印在電子産品中的應用，請查看本系列的下兩個常見問題: “5G 系統的3d 打印”和“先進的電力電子包裝”

白紀龍老師從事電子行業已經有15個年頭，

到目前為止已開發過的産品超上百款，目前大部分都已經量産上市，

從2018年開始花了5年的時間，

潛心錄制了上千集的實戰級電子工程師系列課程，

該課程從元器件到核心模塊到完整産品

老白的初心是“願天下工程師 不走彎路”

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