新加坡国立大学CHARM3D技术3D打印微电子三维电路，无支撑

2024年8月1日，南极熊获悉，新加坡国立大学(NUS)研究团队开发了一种新型3D打印技术CHARM3D，无支撑，可以进一步推动电子产品微型化的发展。

通过CHARM3D技术微电子行业能够制造出多种紧凑型电子产品，包括可穿戴传感器、无线通信系统以及电磁超材料。该技术的独特之处在于，它能够在不依赖传统支撑材料的情况下构建稳定的金属结构，并且这些结构具备自修复能力，大大提高了制造灵活性和产品耐用性。

新加坡国立大学材料科学与工程系副教授Benjamin Tee领导了该研究的进展，他表示：“"CHARM3D的研发标志着我们在3D打印技术应用方面的重大突破。我们相信这项技术将为电子产品的微型化和医疗设备的发展带来全新的可能性。”

△该研究已发表在《Nature Electronics》期刊，题目为“基于张力驱动的3D打印独立式Field金属结构”（传送门）

更简化的3D电路制造方法

现代电子产品，包括机器人、机器人技术和传感器，越来越依赖3D电子电路来提高功能并实现进一步小型化。例如，3D结构由于其巨大的有效表面积而提高了传感器灵敏度和电池容量。

目前用于构建3D电路的一种潜在3D打印方法是直接墨水书写（DIW），但它存在一定的局限性。这种方法使用复合墨水，其中包含支撑成分，有助于打印后固化，但它的导电性较差。此外，墨水的高粘度会影响打印速度。

△利用CHARM3D技术能够打印独立金属结构，无需支撑材料和外部压力

相比之下，Field金属是一种由铟、铋和锡组成的共晶合金，具有较低的熔点和良好的导电性，因此成为3D打印的理想材料替代品。Field金属的硬化速度快，打印过程中不需要支撑材料或外部压力。

CHARM3D技术利用Field金属的低熔点，通过控制喷嘴中的熔融金属与打印部件之间的张力，形成均匀、光滑的微线结构。这些微线的宽度可调节，通常在100至300微米之间，大致相当于一至三根人类头发的宽度。CHARM3D技术避免了DIW中常见的珠状和不平整表面问题，具有高达每秒100毫米的打印速度，比传统DIW技术有更高的分辨率，因此能够实现更复杂和精确的电路构造。

另外，CHARM3D无需后处理，能够创造出复杂的独立3D结构，如垂直字母、立方体框架和可伸缩螺旋。这些设计具有良好的结构保持性和自修复能力，能够从机械损伤中恢复，并支持可回收利用。

△通过应用CHARM3D技术，设计和制造了一种可穿戴的无电池温度传感器系统的3D电路。该系统可以佩戴在人手上

深远的应用

该团队特别指出，CHARM3D技术在医疗保健领域具有显著应用潜力。他们成功打印了无需电池的可穿戴温度传感器的3D电路、用于无线生命体征监测的天线，以及用于电磁波操控的超材料，展示了CHARM3D在多种应用中的实现。

传统的医院设备如脉搏血氧仪和心电图需要与皮肤接触，这可能令人不适且增加感染风险。利用CHARM3D技术，非接触式传感器可以集成到智能服装和天线中，从而在家庭、辅助生活机构和医院中实现持续精确的健康监测。

△该设备由NFC供电，由LCD演示温度变化

此外，利用CHARM3D创建的3D天线阵列或电磁超材料传感器可能改善信号检测和处理应用，提升信噪比并增加带宽。这项技术为开发用于特定通信的定制天线，以及更精确的医学成像（如微波乳房成像用于早期肿瘤检测）和先进的安全应用（如探测隐藏设备或违禁品发出的特定电磁特征）铺平了道路。

Tee表示：“作为先进电子电路制造的解决方案，CHARM3D提供了一种更快、更简单的金属3D打印方法，为工业规模生产和复杂3D电子电路的广泛应用带来了巨大的希望。”