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青島理工大學蘭紅波&張廣明：3D打印高分辨率高性能任意曲面電路

時間：2024-12-11 13:30 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次

        三維曲面電子電路作為一種前沿技術，通過將電子元件和電路直接集成在三維曲面結構上，實現了電子設備的小型化、輕量化和功能多樣化。該技術突破了傳統平面電路的局限，為電子產品的創新設計提供了更多可能性，被廣泛的應用于可穿戴設備、智能蒙皮、曲面天線等領域。然而，傳統的制造方法在實現高分辨率、高性能的三維曲面單層及多層電子設備的集成制造仍然面臨著巨大挑戰，特別是在自由形態表面上制造曲面共形電路。
     基于此，青島理工大學蘭紅波教授&張廣明教授提出了一種基于局部極化電場驅動垂直噴射曲面共形3D打印技術，用于制造高分辨率、高性能的三維曲面共形單層/多層電子電路。首先，通過數值模擬和噴射行為的觀察證明了所提出的方法具有更高的電場穩定性和對稱的電場分布，能夠產生穩定且垂直向下的噴射，確保了高精度和高分辨率的三維曲面/共形打印（圖1-圖3）；

然后，探究了不同打印工藝參數對導電層和層間介質層的一致性的影響規律，利用優化的打印工藝參數在不同曲面結構和材料上實現了具有不同線寬（最小可實現線寬為8 μm的螺旋圖案）的曲面共形電路的打印（圖4），所制造的三維曲面共形電路展現出優異的導電性（4.44×10^7 S/m）和良好的附著力（在100次附著力測試中電阻增加可以忽略不計）；

進一步的，針對曲面共形多層電路中垂直互聯的問題，提出了紫外激光打孔和電場驅動共形微3D打印技術相結合的方法，解決了曲面多層電路中的垂直互聯問題，并且研究了激光打孔工藝參數對微孔深度及形貌的影響，獲得了孔深可控的工藝窗口，最后，通過曲面共形多層加熱顯示電路和多層數字顯示LED陣列（圖5-圖7），驗證了該技術在任意曲面基底上制造單層/多層曲面共形電路的可行性與普適性，為探索高分辨率三維曲面共形電路和曲面多層電子設備提供了一種全新的解決方案。

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

圖1.（a）打印噴嘴與3D曲面基板之間電荷分布和應力分布示意圖；（b）打印噴嘴在不同位置參數的3D曲面基板上的運動示意圖；（c-e）打印噴嘴在曲面基板不同位置上的電荷分布示意圖。
圖2.（a）和（d）為LP-EFD技術的打印噴嘴處于非對稱表面結構（自由曲面）頂部時的電場分布模擬結果；（b）和（e）為LP-EFD技術的打印噴嘴位于非對稱表面結構（X=15mm）的側邊時電場分布模擬結果；（c）和（f）為EFD技術的打印噴嘴用于非對稱表面結構的3D打印時相應的電場分布模擬結果；（g）當噴嘴位于曲率半徑為 10mm 的非對稱表面結構的不同位置時，E1處的電場強度變化率；（h）當噴嘴處于不同位置的非對稱表面結構（基板高度為 25mm）的兩側時，E2 - E3的電場強度差異情況；（i）LP-EFD在不同基板高度的非對稱表面結構上的E1處的電場強度變化率。
圖3.（a）傳統三軸EFD噴射打印噴嘴在不同位置的噴射行為示意圖；（b）使用高速攝像機捕捉傳統三維EFD噴射打印在不同位置的實際噴射情況；（c）不同位置的LP-EFD噴嘴噴射行為示意圖；（d）使用高速攝像機捕捉LP-EFD在不同位置的實際噴射情況。

 

圖4.（a）-（c）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm、曲率半徑為30 mm 的半圓柱體上打印的8 μm、50 μm和100 μm可變線寬的螺旋圖案；（d）-（f）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm、曲率半徑30 mm 的半圓柱體上打印的線寬為18 μm的銀網格透明電極；（g）是在直徑為50 mm、高度為50 mm 的錐形玻璃上打印的叉指電極陣列；（h）是在直徑為80 mm、曲率半徑為40 mm的尼龍半球形結構上打印的曲面共形電路圖案；（i）是在尺寸為60 mm×30 mm×15 mm、高度差為15 mm的樹脂基體上打印的共形電路。
圖5. 印刷參數對PI膜厚度的影響：（a）印刷間距；（b）空氣壓力；（c）印刷速度；（d）印刷高度；（e）不同區域PI膜厚度的變化率；（f）不同方向PI膜厚度的離散程度。
圖6.（a）曲面多層電路中垂直互聯線形成的示意圖。不同激光參數對孔深的影響：（b）頻率，（c）脈沖寬度，（d）打孔數，（e）孔徑。（f）不同孔徑的截面圖。
圖7.（a）多層加熱顯示電路的示意圖；（b）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm，曲率半徑為30 mm的半圓柱體上打印的曲面多層加熱顯示電路；（c-f）紅外熱分布圖像，顯示不同導電層之間的Q-U-T；（g）多層數字顯示電路LED陣列的示意圖；（h）不同導電層之間層間互連原理的示意圖；（i）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm，曲率半徑為30 mm的半圓柱體上打印的多層數字顯示電路LED陣列；（j-l）不同導電層之間的數字電路顯示。



 

(責任編輯：admin)

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