【科技动向】美空军研究实验室和哈佛大学联合开发出柔性电子设备混合3D打印新方法

2017年10月17日，美空军研究实验室报道了其与美国哈佛大学联合开发出柔性电子设备混合增材制造（俗称3D打印）的新进展。

俗话说：“人多智广！”对于美空军来说，利用学术界的专业知识和见解，促进新材料的研发和工艺技术的进步，注定将成为未来战斗的游戏规则。

在上述背景下，美空军研究实验室和哈佛大学维斯研究所联合开发出一项称为“混合3D打印”的新技术，采用増材制造将柔性、导电油墨集成在基板材料上，创建可拉伸的柔性电子设备。工艺流程可分为以下几步：首先，以柔性的、掺银的热塑性聚氨酯作为原料，利用3D打印机在聚氨酯电路基板上打印出电路轨迹；然后，采用一种“拾取－放置方法”，利用中空的3D打印机喷嘴和真空系统，精准的将微控芯片和LED灯在拾取并放置在柔性材料基板上。

图1  美空军研究实验室与哈佛大学维斯研究所科研人员合作开发的“混合3D打印”的技术（美国哈佛大学威斯研究所图片）

图2  “拾取－放置”方法（美国哈佛大学威斯研究所图片）

AFRL材料和制造总监、研究科学家丹•贝里干博士表示：“这是3D打印机首次展示其采用一套完整工艺，打印具有集成微电子元件的可拉伸传感器。从无到有，打印机构建了一个完整的可拉伸柔性电路，实现了将3D打印组件的机械耐久性与现有的电子元器件的强大性能相结合。”

经过测试，增材制造的混合电子设备即使在从原始尺寸拉伸超过30％后也能够保持原有功能。

图3  采用“混合3D打印”得到的柔性电子元器件（美国哈佛大学威斯研究所图片）

“这项技术在空军领域上具有很大应用潜力，特别是在快速成型技术，可穿戴电子设备，传感器和人体机能监测等方面。”贝里干表示。“可穿戴电子产品有可能提供关于行动，体温，疲劳，体水含量和其他对于了解飞行员身体机能至关重要的指标的反馈。然而，虽然可穿戴设备使用的外部材质本质上是柔软和可拉伸的，但电子元器件和传感器并不是。”

图4  这里采用LED灯显示的空军首字母缩写，采用美空军研究实验室与哈佛大学维斯研究所合作开发的混合3D打印技术制成（美空军研究实验室图片）

他补充说：“利用增材制造的方法，我们可以定制设计复杂的外形，电子元器件可利用这种独特的设计轻松的融入可穿戴设备中。将高性能的电子元器件重新封装以实现柔性可伸展，并针对个体进行量身定做，这一想法开始于对用于生产制造这些设备所用的材料和制造工艺的反思。”

作为此次研究的一部分，哈佛大学团队对这项技术进行了简单的概念演示验证，并将微控芯片和LED指示灯安置在氨纶弹力纤维袖套上，它可通过点亮LED灯，响应穿戴者手臂的弯曲程度。

图5  哈佛大学制作的可穿戴电子袖套（美国哈佛大学威斯研究所图片）

此外，团队还创建了一个人脚形状的压力传感器，当一个人走到传感器上面的时候，会形成一个可视化的脚部“热点图”，能够感测和监测穿戴者步态。

图6  哈佛大学团队制作的压力感应装置（美国哈佛大学威斯研究所图片）

美空军实验室的研究人员还对实验室的工艺方法进行测试，并正在研究使用相同方法将天线和传感器构建到结构中的可能性。

贝里干表示：“使用3D打印技术，我们可以从根本上重新思考如何将电子元器件封装和设计，以满足空军的需求。我们将不再拘泥于航空电子制造业，这将为实现结构与电子功能的融合带来很大的机遇。”

目前团队关注的一个挑战将是解决未来设备工作过程中的供电问题，这需要将可拉伸电池或其他可3D打印的电源整合到制造工艺中。

美空军实验室软件材料分公司总裁兼总经理，该项研究的联合作者迈克尔•杜尔斯托克博士说：“集成强大、灵活和高能量密度的电池是非常困难的，因为生产出一块好的电池所用的材料，不一定能制成优异的柔性材料系统。”

尽管目前相关的材料和方法还处于发展的初期阶段，但在未来，该技术潜在的应用空间是巨大的。

哈佛大学威斯研究所的联合作者詹妮弗•刘易斯博士表示：“我们已经扩大了可打印电子材料的选材范围，并扩充了可编程的多材料打印平台。这是实现低成本并保持机械稳定性的制造的可定制，可穿戴电子产品的重要第一步。”

本文是美空军研究实验室和哈佛研究人员在这一领域合作的首次公布。贝里干表示：“在此次合作中的努力突出了我们与学术界的关系，我们可以从他们的专业知识和理论理解中吸取教训并将理论联系实际，尽可能快地将相关的技术和成果应用到飞行员身上。刘易斯教授的团队对我们非常宝贵，我们期待未来的合作。”

该研究的相关论文成果发表在了2017年9月6日发表的德国《先进材料》（Advanced Materials）期刊中，论文题目为《混合3D打印柔性电子设备》（Hybrid 3D Printing of Soft Electronics）。

本篇动向的提供者陈济桁先生已为《空天防务观察》提供2篇专栏文章，如下表：

序号	篇名	发表日期
1		2017年6月2日
2		9月22日

有兴趣的读者，可点击相关文章的“篇名”阅读原文。

（中国航空工业发展研究中心  陈济桁 胡燕萍）

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