青岛理工大学兰红波&张广明：3D打印高分辨率高性能任意曲面电路

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三维曲面电子电路作为一种前沿技术，通过将电子元件和电路直接集成在三维曲面结构上，实现了电子设备的小型化、轻量化和功能多样化。该技术突破了传统平面电路的局限，为电子产品的创新设计提供了更多可能性，被广泛的应用于可穿戴设备、智能蒙皮、曲面天线等领域。然而，传统的制造方法在实现高分辨率、高性能的三维曲面单层及多层电子设备的集成制造仍然面临着巨大挑战，特别是在自由形态表面上制造曲面共形电路。
基于此，青岛理工大学兰红波教授&张广明教授提出了一种基于局部极化电场驱动垂直喷射曲面共形3D打印技术，用于制造高分辨率、高性能的三维曲面共形单层/多层电子电路。首先，通过数值模拟和喷射行为的观察证明了所提出的方法具有更高的电场稳定性和对称的电场分布，能够产生稳定且垂直向下的喷射，确保了高精度和高分辨率的三维曲面/共形打印（图1-图3）；

然后，探究了不同打印工艺参数对导电层和层间介质层的一致性的影响规律，利用优化的打印工艺参数在不同曲面结构和材料上实现了具有不同线宽（最小可实现线宽为8 μm的螺旋图案）的曲面共形电路的打印（图4），所制造的三维曲面共形电路展现出优异的导电性（4.44×10^7 S/m）和良好的附着力（在100次附着力测试中电阻增加可以忽略不计）；

进一步的，针对曲面共形多层电路中垂直互联的问题，提出了紫外激光打孔和电场驱动共形微3D打印技术相结合的方法，解决了曲面多层电路中的垂直互联问题，并且研究了激光打孔工艺参数对微孔深度及形貌的影响，获得了孔深可控的工艺窗口，最后，通过曲面共形多层加热显示电路和多层数字显示LED阵列（图5-图7），验证了该技术在任意曲面基底上制造单层/多层曲面共形电路的可行性与普适性，为探索高分辨率三维曲面共形电路和曲面多层电子设备提供了一种全新的解决方案。

相关研究成果以“Directly printing high-resolution, high-performance 3D curved electronics based on locally polarized electric-field-driven vertical jetting”为题，发表在《Additive Manufacturing》期刊上。

图1.（a）打印喷嘴与3D曲面基板之间电荷分布和应力分布示意图；（b）打印喷嘴在不同位置参数的3D曲面基板上的运动示意图；（c-e）打印喷嘴在曲面基板不同位置上的电荷分布示意图。

图2.（a）和（d）为LP-EFD技术的打印喷嘴处于非对称表面结构（自由曲面）顶部时的电场分布模拟结果；（b）和（e）为LP-EFD技术的打印喷嘴位于非对称表面结构（X=15mm）的侧边时电场分布模拟结果；（c）和（f）为EFD技术的打印喷嘴用于非对称表面结构的3D打印时相应的电场分布模拟结果；（g）当喷嘴位于曲率半径为 10mm 的非对称表面结构的不同位置时，E1处的电场强度变化率；（h）当喷嘴处于不同位置的非对称表面结构（基板高度为 25mm）的两侧时，E2 - E3的电场强度差异情况；（i）LP-EFD在不同基板高度的非对称表面结构上的E1处的电场强度变化率。

图3.（a）传统三轴EFD喷射打印喷嘴在不同位置的喷射行为示意图；（b）使用高速摄像机捕捉传统三维EFD喷射打印在不同位置的实际喷射情况；（c）不同位置的LP-EFD喷嘴喷射行为示意图；（d）使用高速摄像机捕捉LP-EFD在不同位置的实际喷射情况。

图4.（a）-（c）在尺寸为60 mm×60 mm×30 mm、曲率半径为30 mm 的半圆柱体上打印的8 μm、50 μm和100 μm可变线宽的螺旋图案；（d）-（f）在尺寸为60 mm×60 mm×30 mm、曲率半径30 mm 的半圆柱体上打印的线宽为18 μm的银网格透明电极；（g）是在直径为50 mm、高度为50 mm 的锥形玻璃上打印的叉指电极阵列；（h）是在直径为80 mm、曲率半径为40 mm的尼龙半球形结构上打印的曲面共形电路图案；（i）是在尺寸为60 mm×30 mm×15 mm、高度差为15 mm的树脂基体上打印的共形电路。

图5. 印刷参数对PI膜厚度的影响：（a）印刷间距；（b）空气压力；（c）印刷速度；（d）印刷高度；（e）不同区域PI膜厚度的变化率；（f）不同方向PI膜厚度的离散程度。

图6.（a）曲面多层电路中垂直互联线形成的示意图。不同激光参数对孔深的影响：（b）频率，（c）脉冲宽度，（d）打孔数，（e）孔径。（f）不同孔径的截面图。

图7.（a）多层加热显示电路的示意图；（b）在尺寸为60 mm×60 mm×30 mm，曲率半径为30 mm的半圆柱体上打印的曲面多层加热显示电路；（c-f）红外热分布图像，显示不同导电层之间的Q-U-T；（g）多层数字显示电路LED阵列的示意图；（h）不同导电层之间层间互连原理的示意图；（i）在尺寸为60 mm×60 mm×30 mm，曲率半径为30 mm的半圆柱体上打印的多层数字显示电路LED阵列；（j-l）不同导电层之间的数字电路显示。