通過多進程3D打印增加器件功能綜述

增量制造，也就是通俗所說的3D打印，正在成為公眾和媒體的焦點，不同于傳統的制造技術（比如鑄造、鍛造、機械加工、注塑成型）只能制造統一造型和結構的物品，3D打印因為沒有具體的模板或者造型作為參考，所以可以按照具體的需要制造具有不同復雜幾何形狀的產品。

雖然3D打印在制造金屬、陶瓷、聚合物等方面取得了巨大的成功，但是傳統的3D打印僅僅局限于以單一材料為原料的制造，這就限制了3D打印在更廣泛領域的應用和研究，所以，將多種材料進行復合使得材料的功能性進一步提高就成為必要的了。最近出現的多進程3D打印，或者叫做混合3D打印就兼具了幾何形狀的復雜性和實用的多功能性兩大優點。

這篇綜述主要包括了3D打印的研究背景、多功能3D打印概述、多功能3D打印與傳統制造技術的比較、3D打印器件的不同功能性、總結與展望五部分。

1 3D打印的研究背景

傳統的工業制造在生產大規模統一部件時，裝配步驟復雜，也會造成原材料的浪費。3D打印由于其不需要額外的模具，并且可以靈活定制生產各種具有復雜幾何形狀的產品，所以吸引了大眾的目光。3D打印就是利用層與層之間材料的堆積來形成各種在空間延伸的幾何形狀的技術。過去的幾十年間，得益于空間分辨率的提高和多種原材料的使用，3D打印正日益廣泛的應用于消費產品、航空航天、生化器件等領域，很多企業已經投身于3D打印的浪潮中，例如，美國通用電氣公司就計劃到2020年，要為噴氣式發動機制造超過十萬個3D打印組件。

然而，3D打印也面臨著許多挑戰和亟待解決的問題，其中之一就是增加3D打印不同組件的功能性。下一代的3D打印就需要能整合不同組件之間的特性，利用統一的、無需額外工具的、多進程的打印環境進行器件的制造。因此，伴隨互相補充的制作過程，一種稱作多進程3D打印，或者叫做混合3D打印的技術應運而生。這種互補的制作流程既包括傳統的制作方法（例如機械加工、切削、滴涂、機器人操作等），也可以使產品同時結合電子、電磁、光學、流體、制動、化學以及熱學等特性，具有巨大的應用潛力。

2 多功能3D打印概述

3D打印就是利用層間堆砌的方式制作器件的技術，它具有制作過程靈活的特點。美國材料與試驗協會（ASTM）下屬的F42委員會在2009年確定了3D打印的基本術語、測試方法、文件格式等，并且認定了3D打印的七種基本分類：

①光固化就是在光源照射下，利用對特定能量光敏感的聚合物進行固化的過程。這個過程在選擇性地固化每一層后就會降低。

②材料的擠出就是將材料通過擠壓嘴進行選擇性地分配。常用的材料就是熱塑性塑料。這個過程通常需要結合移動平臺和擠壓機的共同作用。

③粉末層融合就是將激光或者電子束作為熱源，把粉末中的特定部分進行融合的過程。在此過程中，會使用耙手或者滾筒把多余的粉末聚集起來形成新的一層。

④粘合劑的噴射就是把粉末原料利用粘合劑進行結合的過程。大部分都需要利用浸漬劑和熔爐循環加熱。

⑤材料的噴射是將材料的液滴有選擇的進行沉積的過程，這個過程也需要光固化的作用。并且沉積和光固化需要在每一層重復進行。

⑥層壓就是將材料的每一層結合在一起組成一個完整結構的過程。在此期間，還需要用機械加工、切削等方法把每一層精確塑形。

⑦定向能量沉積就是結合原材料沉積和能量源（激光或電子束）在材料表面進行構建的過程。

上述的每一個過程的目的都是為了強化結構的穩定性并增加功能性。早在上世紀九十年代就有學者報道了3D打印的分步操作，來加強材料的功能性和結構性。此后，也有很多研究者報道了在3D打印制造技術上的各種進展。

增量制造上的多功能化可以廣義理解為在材料的基礎功能上引入附加的特性。例如，多種顏色和密度的分步就貫穿了整個結構，事實上，多種顏色過程的使用已經商業化多年。另一個關于商業3D打印機多功能性的例子就是使用機械超材料去減少負剛度來抑制震動并降低艙內噪音。

大部分多功能結構的制造都需要整合多種制造技術，包括結合3D打印，同時使用其他補充技術提高材料的空間控制、幾何形狀和功能性。這些附加制造能力可以結合金屬線、電池、天線和其他部分來實現。電和熱的引入和相互作用可以加強子系統間的通信或者在整個結構間傳遞能量或熱。例如，在2D打印領域，導電墨水和導電膠已經被用于制造可用于直接書寫的柔性器件。

導電墨水以及導電膠的研究吸引了打拼研究者和創業公司，例如，位于哈佛大學的路易斯團隊創業公司宣布首次制造出了低成本的結合了氣動導電墨水噴頭的3D打印機，這種打印機可以利用導電墨水來增加3D打印結構間的導電性。此外，德州大學埃爾帕索分校的W. M. Keck 3D創新中心早在2004年就制作了3D打印的電路，并表現了優異的性質。

3 多功能3D打印與傳統制造技術

以3D打印為基礎的多進程附加技術相較傳統制造技術面臨著產量較低的問題。然而，新型的3D打印技術也有其獨特優勢，例如，可以對于每一件產品進行個人化的定制，并且不需要進行繁雜的組裝過程。利用一些附加技術制造的產品還面臨著各向異性的強度問題，但是，最新利用激光或者電子束進行金屬粉末層融合的技術制造出了媲美傳統工藝甚至鍛造材料的產品，這也是直接驅使通用電氣使用3D打印的系統進行大規模生產的原因。

雖然3D打印技術取得了巨大的進步，但是相比傳統工藝制作的產品，在電子器件中的布線密度、導電性、抗電強度、介電常數、介電損失以及穩定性方面還有進步空間。

4 器件印刷或嵌入的功能

多年以來，附加過程總是使用復雜的幾何形狀作為一系列應用的物理模型。然而，過去十年間，利用印刷或者嵌入式的技術使3D打印產品具有傳感、電磁、能量存儲、推進等特性已經取得了巨大成果，下面就作一簡單介紹：

4.1 傳感器

對于利用3D打印技術結合傳感器主要著眼于以下兩個方面：①在打印的過程中直接將傳感器植入結構中;②將傳感器和整個3D打印的結構融為一體。遵循這些研究思路，研究者已經將麥克風、角加速計、相機、LED光源、加速度計、壓力傳感器、灰塵傳感器以及生物電傳感器等直接植入了設計好的腔體中。

4.2 驅動器

從簡單的回縮裝置到全功能的轉動馬達，多種的機械驅動器已經在研究中得以實現。例如，研究者已經制作出了生物激勵的振翼昆蟲、依靠外部運動的假手等。這也為利用3D打印平臺制作出機動化的機器人提供了可能。

4.3 熱量

由于3D打印設計上的自由，多種具有幾何復雜性的熱交換器已經進行了多年的研究。金屬3D打印系統已經被用來制造具有大比表面積結構的高熱導率器件，并已經應用于流體熱交換裝置、3D打印注塑模具甚至熱核反應器中。3D打印技術的發展可以直接將熱管道和相變材料存儲池與產品進行結合。

4.4 儲能

目前，傳統的鋰離子電池制造技術已經能夠制造出任意形狀的電池，并已經用于多種電子產品中，但是這些電池都需要依靠昂貴的模具。近年來的研究已經利用3D打印技術制作出了鋰離子電池。但是，在現階段的研究中，3D打印制作的電池由于其生產溫度較高，且電池能量密度低于傳統電池，這使得其應用還有一段路要走，也是目前擺在研究者面前的問題，亟待解決。

4.5 天線和電磁器件

3D打印的熱潮使人們開始重新反思天線和電磁器件中的傳統制造思路。一些研究團隊已經將諸如金屬線、金屬網、金屬箔等物質嵌入3D打印的結構中去控制介電性和導電性空間分布。利用3D打印技術制作的天線具有恰當的無線電頻率、低的損耗因數，并且可以應用于具有拱形的結構中。然而，在3D打印的電磁器件中，介電常數的減小以及熱塑性塑料所形成的孔都會影響其性能。

4.6 推進器

在NASA的推動下，3D打印技術在航天器和衛星發射等方面取得了長足的進步。此外，美國航天局也委任了一個委員會去研究3D打印在空間探測上的可行性。推進器是驅動器中的特定一種，并且主要應用于空間探測的研究，利用金屬打印技術制造空間飛船的火箭推進器已經見諸報道。

5 總結與展望

本文詳細闡述了利用混合3D打印技術提高產品功能性的主要研究進展，下一代的3D打印技術不僅會結合不同材料，也會將功能性組分嵌入到產品的結構中，得到具有多種功能的產品。現有的研究成果已經表明，混合3D打印技術為未來制造多功能的、個人化定制的產品提供了可能。但是，混合3D打印也面臨著諸多問題需要解決：①材料的強度;②不同材料在柔性、熱學性質、電導率方面的差異;③提高材料的界面性質保證多種組分的穩定性;④利用計算機輔助或計算機建模優化材料性能;⑤打印機的過程反饋控制;⑥3D打印中的硬件制造和軟件開發技術。