淺談3D打印技術(shù)在電子信息實驗中的應用

劉安吉 李林福

摘 要 伴隨著5G時代的到來，3D打印技術(shù)被越來越多的人知曉和接受，在很多工程實踐中該項技術(shù)也獲得了運用。對于3D打印技術(shù)的相關(guān)研究也獲得了國家的大力支持，很多研究單位和高校都設(shè)有單獨的實驗室開展相關(guān)研究。本文分析了3D打印技術(shù)面臨的問題、主要優(yōu)勢、現(xiàn)階段取得的成就，進一步探討了3D打印技術(shù)在電子信息類學科在專業(yè)實驗中的應用。

關(guān)鍵詞 3D打印;電子信息;實驗應用

引言

近年來，隨著檢測手段和檢測儀器以及新材料研究技術(shù)的突破發(fā)展，促進了3D打印技術(shù)的極大進步。3D打印技術(shù)在研究領(lǐng)域和生產(chǎn)生活中得到重視，3D打印技術(shù)經(jīng)過長時間的發(fā)展沉淀，憑借著獨特的優(yōu)勢逐漸被大多數(shù)人所接受，在各大媒體版面上也持續(xù)占領(lǐng)著一席之地。3D打印技術(shù)在電子信息技術(shù)實驗方面也體現(xiàn)出了其高精度、高效率、高品質(zhì)的生產(chǎn)方式的同時又節(jié)約了設(shè)計和制造成本。3D打印技術(shù)融入電子信息設(shè)計領(lǐng)域，無疑改變了漫長的設(shè)計周期和流程。在平時實驗運行中，對于實驗室里損壞的部分元器件，可以通過掃描構(gòu)建損壞的電子元件的3D視圖模型，再憑借構(gòu)建好的數(shù)字化模型進行3D打印，及時補充實驗元件的缺損，同時3D打印技術(shù)也為電子器件的設(shè)計提供了更多樣的選擇。

13D打印的主要優(yōu)勢

1.1 材料利用率高

由于3D打印技術(shù)的實現(xiàn)屬于“增材制造”的過程，所以材料的利用率很高。舉一個常見的例子，雕刻技術(shù)就是一種典型的“減材制造”。它將材料進行切割削減和打磨，材料是逐漸減少的，最后的成品最大的特點就是十分精細。但越精細的產(chǎn)品，由于屬于“減材制造”的原因，制造過程中產(chǎn)生的廢棄材料也越多。而3D打印憑借其“增材制造”的優(yōu)勢，使得產(chǎn)品在制造的過程中很少產(chǎn)生廢棄材料，與此同時制作出來的成品依然保證了“減材制造”的精細化。

1.2 滿足個性化需求

在生活中買到的商品除了設(shè)計師本人之外，總有讓用戶不滿意的地方。在生產(chǎn)中有些元件的使用中會發(fā)現(xiàn)這樣那樣的問題，但由于重新設(shè)計模具十分困難，即使發(fā)現(xiàn)問題也難于修改。而有了3D打印機后，用戶就可以根據(jù)自己的想法和思路，進行商品和元件的模型設(shè)計，不滿意的話還可以多次修改。既鍛煉了用戶創(chuàng)新能力，又讓人們都體驗到了自己設(shè)計的東西呈現(xiàn)在眼前的快樂，同時更方便驗證想法的可行性。

1.3 減少產(chǎn)品制造的流程

一般的產(chǎn)品制造完成，需要經(jīng)過設(shè)計、開模、加工、再加工等一系列煩瑣的步驟。而3D打印能夠做到在設(shè)計完成之后，一步成形，無須多次加工，減少了后續(xù)的工作量，節(jié)約了成型時間和人工成本的同時，避免了煩瑣的后期加工引起的一系列問題，特別適合某些要求高精尖技術(shù)的行業(yè)，比如航天、軍工行業(yè)、核電領(lǐng)域等。

2目前3D打印技術(shù)存在的問題

3D打印有著不可估量的前景，從近幾年來國家對3D打印技術(shù)的投入和關(guān)注度來看3D打印當前正處于一個快速發(fā)展的階段，3D打印缺乏的是技術(shù)以及材料上的突破。隨著3D打印所存在問題的逐步獲得解決，3D打印技術(shù)也迎來了再一次發(fā)展的高潮，但是目前來看3D打印技術(shù)仍有一些問題需要解決[1]。

2.1 材料問題

3D打印無論在世界上哪個國家發(fā)展和應用，面臨的首要問題都是材料問題。這也是普遍存在的一個難點。到現(xiàn)在為止，雖然加工和制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分完善了，但是相對而言，各種工藝制造所能夠加工的材料種類仍然非常少，特別的是一些特殊材料加工難度大，還有部分材料本身需要處理的技術(shù)比較復雜。例如PEEK材料，是目前在醫(yī)學上應用前景比較廣闊的，可惜只有少數(shù)的廠家能做這種材料的加工處理。除此之外還有很多高要求的企業(yè)上需要用到的特殊材料，有些因為其在自然界中比較稀有，或者對材料進行處理時需到達到很苛刻的要求，甚至需要經(jīng)過很多次高標準的加工才能符合生產(chǎn)制造的需求。

2.2 實用性有待提高

就現(xiàn)階段來看，3D打印技術(shù)在學校研究院所和一些專業(yè)的實驗室內(nèi)比較常見，對與設(shè)備生產(chǎn)廠家來說都是小范圍小批量生產(chǎn)，機器制造量較少;并且3D打印技術(shù)目前主要體現(xiàn)在設(shè)備制造方面，材料的制造與軟件設(shè)計等還缺乏相對齊全的配備[2]。對于一部分設(shè)計出來的產(chǎn)品，由于材料和精度的限制，通常只能夠打印部分零件或者配件的模型，比較難實現(xiàn)原本的機器部件所具有的全部功能。這就極大影響了3D打印產(chǎn)品的實用性，因此這一技術(shù)模式下的產(chǎn)品實用性有待進一步提高。

2.3 打印效率需要提高

目前技術(shù)水平而言，普通的3D打印機在面對大規(guī)模加工時的效率較低，即使是一個尺寸只有幾厘米的小零件，要實現(xiàn)高精度的打印，也要花費好幾個小時才能打印出來，與傳統(tǒng)的加工方式相比存在明顯的劣勢，因此3D打印技術(shù)很多時候常用于制作模型。由于技術(shù)水平的限制，目前速度快的3D打印機價格十分昂貴，一般普通高校實驗室和規(guī)模不大的小型加工企業(yè)無法承擔其昂貴的使用成本。因此提高打印效率，高速高精度的3D打印技術(shù)發(fā)展十分必要。

33D打印在電子信息實驗中的應用

除了常規(guī)廣泛的3D打印骨科植入體、人體器官（心臟）、血管等一系列應用于醫(yī)藥學中的3D打印的應用，憑借3D打印能夠在工業(yè)制造實際應用中實現(xiàn)，隨著該項技術(shù)的進一步發(fā)展，當大眾關(guān)心的一系列精度、成本問題得到解決，3D打印的性能將會得到大幅度提升。作為新興且具有一定優(yōu)勢的一項制造技術(shù)，它就必然能夠為今后的制造業(yè)帶來一波強烈的沖擊，在電子信息實驗中的應用只是其多種應用領(lǐng)域中一方面的體現(xiàn)。

3.1 修復損壞零件

從技術(shù)上來看，經(jīng)過最近幾年的發(fā)展，在全球市場上，3D打印已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)工業(yè)應用場景的需求，金屬及其更多的工程塑料等3D打印材料被研發(fā)出來。當面對電子信息實驗室中，各種材料組成的損壞元器件時，想要制造出一模一樣的元件，只需要準備好原材料就可以利用3D打印機的逆向工程技術(shù)制造出來。

例如在電子信息的實驗室中，由于做實驗學生多，元件損耗較大。特別是使用不當、電路問題等原因?qū)е碌脑骷p壞較多，而實驗室中大大小小各式各樣因不同原因而壞掉的實驗箱，有的版本老舊修復不容易，全部換新又成本太高。這時有了3D打印機就可以通過3D打印的逆向思維，把壞掉的電子元件的3D視圖模型構(gòu)建出來，再憑借構(gòu)建好的數(shù)字化模型進行3D打印，實現(xiàn)部分元件的修復。

3.2 打印設(shè)計電路

3D打印技術(shù)在解決了諸多問題與創(chuàng)造了諸多有利因素的條件下，正在朝著大規(guī)模制造和小眾零件的制造發(fā)展。對于眾多發(fā)燒友及電子專業(yè)的學生來說，電路板的設(shè)計是電子技術(shù)實驗的基礎(chǔ)并重要的部分，每一種關(guān)于電子的設(shè)備都會使用到電路板。以前的生產(chǎn)方式，通常是要經(jīng)過一系列的技術(shù)處理，如高溫銅膜蒸鍍、化學試劑蝕刻等。耗費的人力物力財力都較大。對于剛接觸3D打印的人來說，會認為3D打印機只能打印出一些工藝品和生活中常見的物品。實際上3D打印技術(shù)除了可以打印一般的日常所見之物，還可以打印PCB。中國在這方面已經(jīng)有了先進的技術(shù)，北京夢之墨便是其中的代表。夢之墨是一種液態(tài)金屬墨水，墨水可以導電，置入3D打印機中，便可精確地把PCB打印出來[3]。此項技術(shù)打破了電子制造技術(shù)的瓶頸和壁壘，使打印機在低成本下快速、隨意地制作電子電路。為電路設(shè)計提供了更多的可能性。有了3D打印，實驗室里所用到的電路板都可以快速高效打印出來，并且保證了成品的精度。另外電子信息實驗室中的電路板因為其實現(xiàn)的功能多樣而電路板也隨著變化。當電路需要改動時只需要對軟件中建立的數(shù)字模型進行更改，就可以在最短的時間內(nèi)打印出成品。這解決了學生通過手動焊接電路板的安全問題和美觀問題，并且大大節(jié)約了時間。

4結(jié)束語

綜上所述，3D打印技術(shù)的發(fā)展雖然有一些制約因素，但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們終將解決這些問題，這一技術(shù)正朝著滿足精密精細儀器制造和小眾個性化產(chǎn)品制造的方向發(fā)展。3D打印技術(shù)在電子信息實驗中的應用也越來越便捷和廣泛，為電路設(shè)計乃至芯片設(shè)計提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)支撐，加強3D打印技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應用，十分有利于促進我國制造業(yè)和電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1] 黃天鳳.國內(nèi)3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（18）：149.

[2] 王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟縱橫，2013（1）：90-93.

[3] Graham，Warwick.打破3D打印技術(shù)發(fā)展壁壘[J].國際航空，2014（1）：25.

作者簡介

劉安吉（1998-），女，貴州興義人;畢業(yè)院校：貴州民族大學，學歷：本科，現(xiàn)就職單位：貴州民族大學，研究方向：電路設(shè)計與數(shù)字信號處理。