电子工程增材制造研究现状及进展

电子工程增材制造研究现状及进展

王文琦

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摘要：改革后，在社会高速发展下，经济水平不断提升，带动了我国科学技术水平的进步。目前，随着5G技术、可穿戴电子、物联网、智慧城市、工业网络化等的高速发展,智能化、轻薄化、小型化、高频、高精密度的电子产品市场需求越来越大。长期以来,传统电子制造行业普遍存在工序繁琐、交付周期长、供应链弹性低、污染严重等问题,且随着集成电路频率的增加,传统金丝/带键合技术在连接时产生诸多电性能弊端。随着工业4.0的兴起和增材制造产业的迅速发展,符合低碳经济发展战略的电子工程增材制造因诸多优势受到学术界与工业界高度关注,促使相关产业链发展方兴未艾。

关键词：电子工程;增材制造;综述

引言

随着工业生产的智能化以及全球市场的激烈竞争，如何快速开发产品，缩短产品制造周期并提高产品质量等已成为当前的热点话题。电弧熔丝3D打印技术，是机加工领域中快速成形的重要手段。近年来，华中科技大学相关团队开展了基于铝合金板材的电弧熔丝增材制造技术研究，其中，对焊接产品的力学行为进行仿真与计算，从力学性能的角度改善3D打印的工艺。在3D打印工艺结束后，对打印缺陷的排查，需要跟踪分析打印过程的焊接参数与焊接状态数据，因此对生产工艺数据的采集与监测就成为生产技术改进的有力依据和手段。采用工业以太网建立了工业平台生产数据的采集监控网络，开发了基于C＃的PLC数据集中采集监控系统；采用多线程方式对激光3D打印生产过程的加工数据进行了实时监控；开发平台设计了一种能够相互配合，结构独立的数据采集系统并支持各软件在离线或在线状态下的交互方式，获得了较强的适应性。

1压电喷墨技术

压电喷墨技术是一种近场直接打印方法,通过压电晶体在外场作用下的胀大变形使墨腔内空间变小从而完成墨滴喷射,可兼容多种纳米材料。该类喷头制造工艺简单,其喷头流道呈弯折形状,在通道的一侧存在振膜,外侧附有压电元件。为绕过国外企业技术与专利壁垒,我国也一直重视压电材料的研制与应用,其中超高压电性能透明铁电单晶曾入选2020年度中国科学十大进展。最近,采用压电喷墨实验发现打印样件在外形尺寸、打印线路精度和驻波损耗等方面均达到设计指标要求,论证了该技术可有效用于射频多层电路的快速制造和快速验证。使用压电喷墨技术将碳纳米洋葱沉积在柔性聚合物基板上,实现了多个印刷通道中的沉积,且无需在层之间进行中间固化,进一步的电性能测量表明该器件适用于温度补偿、湿度传感、气体传感等应用领域。利用压电喷墨的多喷嘴喷头阵列化排布打印,还可在常温常压下实现显示器件的大面积快速制造,比如最近报道了采用压电喷墨技术制备的3英寸发光二极管阵列器件,表现出优异的电荷传输能力和发光性能。在压电喷墨技术的商业化应用方面,以色列的NanoDimension公司一直走在世界前列,2020年推出了增材制造设备DragonFly2020Pro。该设备采用三轴运动方式,基于阵列压电喷墨沉积技术和紫外/红外固化技术。可打印的材料固定为两种,即光敏树脂和导电银墨水,因此其打印耗材种类范围大大受限。目前涉及的打印业务有:快速成型和短期制造印刷电路板、传感器和天线等。2021年3月,NanoDimension公司打印的集成射频电路板通过NASA发射太空并测试了低轨道太空环境飞行6个月后的射频性能。此外,独树一帜的美国BotFactory公司和Voltera公司一直致力于生产桌面级电子3D打印机。相比百万美元级的气溶胶喷墨打印设备和NanoDimension公司推出的设备,几千美元的桌面级打印机的价格优势已促使世界各地的高校和实验室购买使用,用于打印柔性和环形电路。

2智能产线的快速建设，将持续推动柔性智能制造的发展

近年来，各类软件的开发应用实现了增材制造在单独制造过程中各个阶段的自动化，但要想实现增材制造的规模化应用，需要解决制造过程中的可重复性与一致性问题，这就增加了对增材制造自动化与数字化的需求。当前，多家企业成功建设具有百台以上增材制造装备的加工服务与研发中心；国内首条“5G+工业互联网”增材制造生产线成功研发，实现从订单接收、计划排产到生产转运的端到端自动化生产，其智慧管理平台可实现全流程的数据采集，通过5G连线，可实现增材制造跨地域数字工厂之间的连接；采用中央控制系统的无人操作管理技术的隐形牙套增材制造产业化基地，可实现无人值守的数字化口腔正畸牙模批量化增材制造，年产隐形牙套5000万个。下一步，制造商将利用数字工作流程和自动化系统进一步简化增材制造生产线，不断打通工艺文件远程传输、自动化粉末清理、智能化产品转运、设备状态在线监测与预测性维护等环节，逐步实现泛在感知、数据贯通、集成互联、人机协作和分析优化，建设数字化、网络化、智能化工厂。此外，增材制造将广泛应用于制造业各领域的智能车间、智能工厂、智慧供应链中，成为分布式制造、离散智能工厂、个性化规模定制、共享制造、工业电子商务的核心基础。

3过渡层连接

当两种材料的物理性质差异较大时，如铜–不锈钢材料体系的物理、化学和机械性能相差较大，导热系数和热膨胀系数存在明显差异，梯度连接难以提高界面结合强度，需要增加过渡层连接。提出通过增加镍基合金D22作为过渡层，制成的Cu–D22–SS结构大幅度提高了界面结合强度，Cu–D22和D22–SS界面的结合强度值大于226MPa和648.2MPa，均大于Cu–SS的124MPa，并且导热率提高了约100%，热扩散率提高了近370%。FGM结构不能避免两种材料生成金属间相，在FGM结构的Ti6Al4V–In718体系中观察到，因Ti2Ni相引起的裂纹需要通过添加过渡层来避免两种材料的直接接触，降低缺陷的产生并且提高结合强度；将V–Cr–Fe夹层添加至Ti6Al4V–SS316结构中，这种结构有效减少了裂纹产生，还防止了金属间相的产生。制造了一种具有Nb夹层的Ti6Al4V–SS410双金属结构，在过渡区未发现脆性金属间相，并且抗剪强度和抗压强度增加，具有良好的抗裂纹扩展能力。使用Inconel625作为过渡层制造了FGM结构的SS316L–Ti6Al4V多材料，同时使用同步预热降低样品中的温度梯度，结果发现没有形成金属间相，组织更加均匀且精细，有效防止了裂纹产生。

结语

当前，全球主要经济体都在争先抢占增材制造这一先进制造技术的科技制高点。随着网络化、数字化、数据库、云平台等信息化技术的发展，增材制造这一对制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响的智能制造技术，将在全球范围内持续迅猛发展。增材制造的发展完美契合中国新型工业化道路科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的目标要求，正成为加快推进新型工业化、迈进中国式现代化新征程的重要支撑。展望未来，增材制造产业的发展，必将不断为中国经济社会高质量发展、建设现代化产业体系、全面建成社会主义现代化强国贡献重要力量！

参考文献

[1]张礼兵,左春柽,黄风立,等.电流体动力学喷印电压控制模式及其应用现状[J].微纳电子技术,2016,53(11):743-750.

[2]曹睿,余隽,吴昊,等.EHD喷墨打印制备微热板气敏材料的研究[J].仪表技术与传感器,2020(4):11-14.