纳米材料增材制造推动电子产品开发

来源： 电子工程3D打印

增材制造和它的核心工艺3D打印常常并不被认为是相关的。3D打印通常被看作用于从3D CAD模型生产塑料结构部件，但是3D打印生产的金属部件现在已经被应用在许多工业领域。众多3D打印工艺，像粉床熔融、喷射沉积、压电喷墨、直接能量沉积以及其他等，这些工艺方法对于面向不同应用场合直接从纳米材料增材制造金属零件是非常有用的。

在PCB制造中，应用纳米材料增材制造对于在绝缘基材上（并不限制在平面内）打印焊盘、互联孔、导线是非常有用的工艺。在上述提及的工艺中应用纳米材料于PCB板制造带来了许多优势，远超现在不太先进的工艺，人员熔融沉积（FDM）金属合金于FR4基板上或者标准的PCB基材。

银是常用的增进制造纳米材料之一

应用纳米材料增材制造PCB
在3D打印工艺中应用传统金属材料主要围绕在挤出工艺（如：FDM），这样需要金属合金具有较低的熔点。相比贵族金属如金和银，金属合金丝材相比较为便宜，但是它们的导电性却较低，使得它们不是电子器件的理想材料。在挤出工艺中，丝材的直径和挤出孔径是限制打印精度的主要因素。

  像石墨烯墨水及石墨烯金属混合纳米材料为在电子应用方面提供了潜在的可能，赫瑞瓦特大学传感器、信号和系统研究所的研究人员已经展示了可以应用喷墨3D打印工艺制造柔性电子器件。最近在期刊《Advanced Functional Materials》发表的文章，研究人员展示了采用共形丝网印刷石墨烯墨水制造的几种单层、多层电子器件。

由氧化纳米铁碳混合而成的氧化石墨烯片层（TEM）

导电聚合物丝材和纳米材料
聚合物具有很大范围的电子特性，从绝缘到导体，可以被用于低温成型工艺中。固体导电聚合物丝材可以用在挤出工艺中（如FDM工艺）。类似，导电聚合物纳米材料可以采用喷射技术沉积，溶液和悬浮液都可以。更多采用的是溶液态沉积的方式，因为这样可以消除随后的烧结步骤。从溶液和悬浮液沉积都需要在沉积后聚合环节来生成连续的薄膜。

  由于聚合物的电子和光学特性差异性很大，它们可以通过功能化而被调整。这些材料对于3D打印半导体器件是非常理想的。一个中国研究团队近期展示了采用聚合物纳米材料（PEDOT）3D打印的压电单元和透明电极，说明其在PCB上潜在的光电器件的应用。导电聚合物纳米材料也可以被用于柔性PCB板上的导线。

导电氧化聚噻吩纳米粒子 （SEM）

纳米材料PCB增材制造未来的创新
根据不同的纳米材料形态，在这里讨论的材料可以通过添加有机功能组分很容易被功能化，可以使材料的光电特性可以被调整为与溶液/悬浮液中简单的化学反应过程相关。工程师和研究人员在材料的选择方面正在寻找更具指导性的原则和纳米材料增材制造的功能化方面的应用，通过最近这篇文章（https://www.mdpi.com/1996-1944/11/1/166）可以找到非常好的指导性原则。他们已经针对纳米材料增材制造提供了更加全面的综述。

目前，很多在这个领域的研究和商业系统主要集中在制造过程中的单材料沉积。由于增材制造的发展空间我们将会看到更多持续的创新，期望可以看到更多针对不同应用产品的复合沉积多材料系统。在电子产品、系统及工艺的领域内相比其他工艺可以使复合沉积绝缘材料和导电材料带来更大的突破。

压电喷墨工艺对于采用导电纳米油墨增材制造电子产品是非常理想的，由于它提供了高分辨率、减少材料浪费及固定的生产时间。合适的增材制造系统可以允许复合沉积导电油墨和绝缘油墨，对于3D打印全功能的PCB再合适不过了。层层打印工艺可以制造特殊形状的PCB板、任意层内互联结构，允许器件嵌置及任意几何形状。

如果你是一个电子设计工程师，采用纳米材料和其他先进材料的增材制造需要一个系统，可以适应PCB生产的复杂沉积工艺。Nano的LDM系统是个不错的选择，可以自主打印平面/非平面复杂结构的电子产品。

小编认为未来电子3D打印技术的发展，为了提高打印精度及电子特性，纳米材料及具有优异电子特性的有机材料是应用的必然。虽然目前纳米材料从其成型原理角度相比传统块体材料相比性能略差，但是电子产品应用的角度而言，导电特性或只是其评价的一方面，其功能特性是一个综合化的评价结果。或许纳米材料在牺牲了部分导电性或者机械特性能带来其他方面功能特性的提升。未来开发适用于喷墨打印材料种类的多样化，如文中提及适用于光电耦合PCB的光电材料，打印电子器件的功能特性则会呈指数扩大，与市场应用点的结合将变得更加容易，但这对增材制造系统的开发也提出了更高的要求。