3D打印电子产品的产业

在过去十多年中，混合3D打印系统获得了飞速的发展，结合喷墨和挤出技术，基于粉末床和气溶胶喷射打印已成功用于3D打印电子设备。针对目前国内业界的投资机构普遍关注的3D打印电子产品的技术发展到哪个阶段了？国内有一些企业将3D打印技术应用于电子封装领域，这些企业值得投资吗？本期，我们将通过深入剖析3D打印电子产品的技术逻辑，与业界分享3D打印电子背后的价值判断逻辑。

亚琛弗劳恩霍夫激光研究所3D打印感应器©德国亚琛Fraunhofer ILT

多材料的3D打印

更复杂、更集成

目前每一种技术的成熟程度是不一样的，完全3D打印电子产品还处在科研及圆形制造的阶段，在走向规模化生产的方向上，还需要效率、经济型、产品质量一致性等多种关键因素的配合。根据IDTechEx最新的电子行业报告，这份报告评估了部分PCB被集成电设备取代，从而节省空间、减轻重量并降低制造复杂性的竞争技术。这种发展趋势涵盖了3D表面电子加工、模内电子(IME)和全3D打印电子设备的电子功能。

3D电子全景图© 3D科学谷白皮书

3D电子技术是一种新兴的方法，将电子元器件集成于目标对象表面或内部。虽然长期以来3D电子技术一直被用于在3D注塑物体表面添加天线和简单的导电互连，但越来越多的复杂电路通过利用新技术被添加到由各种材料制成的表面上。此外，根据IDTechEx模内电子设备和3D打印电子设备可以将完整的电路集成到一个物体内，从而提供多种优势，包括简化制造和新颖的外形尺寸。

3D打印电子产© Research Gate

亚琛弗劳恩霍夫激光研究所3D打印感应器©德国亚琛Fraunhofer ILT

根据ACAM亚琛增材制造中心，3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面，当前的一大发展趋势包括多材料发展趋势，发挥3D打印实现复杂产品的优势（包括几何特征的复杂性，以及多材料结合的复杂性）是3D打印突破当前应用对经济性要求的限制，向应用端深度延伸走向产业化的一条发展路径。

3D表面电子加工

3D打印天线© Research Gate

目前3D打印天线的材料种类繁多，大致包括混合材料（金属油墨与非导电材料的混合等等），陶瓷，金属材料。3D打印在各种天线的制造中，有应用于便携式通讯设备的，有应用于5G基站的，有应用于卫星接收装置，有应用于航天器设备上的等等，在3D科学谷看来，3D打印在天线制造方面具有两大技术逻辑：3D打印实现更复杂更精致的结构提升天线性能；3D打印实现轻量化、结构一体化的天线结构更节约材料与空间占用、更紧凑。

3D打印天线© 3D科学谷白皮书

3D表面加工方面，气溶胶喷射3D打印技术和激光诱导前向转移(LIFT)是其他新兴的数字沉积技术，这两种技术都提供了更高分辨率和各种材料的快速沉积。

气溶胶3D打印© 3D科学谷白皮书

目前Optomec气溶胶喷射3D打印技术正在走向上升的商业化发展阶段，其中一家年销售额超过200亿美元的全球领先的电子系统和其他先进技术产品制造商已经购买了15台Optomec的设备。而早期使用Optomec气溶胶喷射3D打印技术的客户已经将该技术应用到智能设备和微流控领域。使用该技术可以在无需添加支撑结构的情况下使用光聚合物等材料打印出微米级的高纵横比以及拥有不规则形状的3D结构。通过将这些3D结构直接喷印在天线、传感器、半导体芯片、医疗设备或工业零部件等结构上，在一台设备上即可制造出功能性3D电子组件。这种直接的数字方法优化了制造工艺，减少了生产步骤和材料用量，因此气溶胶喷射3D微结构打印技术也是一种经济的、绿色技术。

完全3D打印电子

根据IDTechEx，全3D打印电子产品的挑战在于，制造过程从根本上说比通过注塑成型制造零件要慢得多，因为每一层都需要按顺序沉积（虽然使用多个喷嘴可以加速打印过程）。此外，确保可靠性也是一项挑战，因为嵌入式电子产品无法进行事后修复——当前的一种质量控制策略是使用图像分析检查每一层，并在下一层沉积之前进行修复。

模内电子

3D打印开辟了更多的电子产品制造方式，除了上述的模式，例如2019年，工程服务企业埃特博朗（Etteplan）与工业级3D打印企业EOS利用粉末床激光熔化3D打印技术开发了内部嵌入电子器件的金属3D打印零件。埃特博朗表示已找到了实现这类零件批量化生产的方式。

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