利用3D打印 科學(xué)家制造世界上首個(gè)三維立體電路

德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（UTEP）工程學(xué)院的 Raymond C. Rumpf 博士是電磁（EM）實(shí)驗(yàn)室的總負(fù)責(zé)人，EM 實(shí)驗(yàn)室致力于利用 3-D 打印，開(kāi)發(fā)電磁和光電相關(guān)的革命性技術(shù)。

他們對(duì)那些別人認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)非常感興趣。Rumpf 開(kāi)玩笑說(shuō)，“我們的垃圾桶上貼著一個(gè)標(biāo)語(yǔ)，上面寫(xiě)著"增值想法"。如果我們認(rèn)為這個(gè)想法較容易實(shí)現(xiàn)，那我們可能會(huì)對(duì)這個(gè)想法提不起興趣。”

圖∣Raymond C. Rumpf 博士與一個(gè)學(xué)生正在 UTEP 工程學(xué)院的 EM 實(shí)驗(yàn)室里工作。（來(lái)源：UTEP Communications）

自 2010 年以來(lái)，Rumpf 團(tuán)隊(duì)取得了一些革命性成果，比如超高頻率選擇表面以及世界上最薄的介電天線之一等。不過(guò)，EM 實(shí)驗(yàn)室最新的研究成果，意義最深遠(yuǎn)。2018 年早些時(shí)候，EM 實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過(guò)完全自動(dòng)化的流程，制造了世界上第一個(gè)真正的三維立體電路。Rumpf 認(rèn)為這是一個(gè)有可能改變傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方式的壯舉。

全自動(dòng)化 3D 打印電路是領(lǐng)域內(nèi)熱點(diǎn)方向，很多其他團(tuán)隊(duì)也開(kāi)展了相關(guān)研究，但是并沒(méi)有人成功。Rumpf 團(tuán)隊(duì)在 UTEP 取得的這項(xiàng)成果有點(diǎn)像 3D 打印電路的“圣杯”。

三維電路可以使電路更小、更輕、更有效率，為實(shí)際應(yīng)用提供更高的可操作性，因此引起了廣泛的研究。3D 打印可以制造出任意形式的立體電路，然后集成到任何物體中或者表面。“三維立體電路”這個(gè)概念為制造業(yè)提供了更多的機(jī)會(huì)。

Rumpf 表示他們的成果經(jīng)過(guò)了很多年的積累，集成了所有工具和流程才得以實(shí)現(xiàn)。EM 實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究成員包括 Gilbert Carranza, Ubaldo Robles, Cesar Valle 和 Rumpf。團(tuán)隊(duì)成員花了 3 年時(shí)間開(kāi)發(fā)“未來(lái)主義”的CAD工具，用于生產(chǎn)三維/立體電路。這些工具是他們自主設(shè)計(jì)的，不同于其他研究團(tuán)隊(duì)使用的軟件工具。

Carranza 是一名博士生，兩年前加入 EM 實(shí)驗(yàn)室。當(dāng) Rumpf 提出開(kāi)發(fā)一種方式設(shè)計(jì)三維電路時(shí)，Carranza 抓住了機(jī)會(huì)，并參與到其中。他通過(guò)一種開(kāi)源的 CAD 軟件來(lái)集成定制化功能，用于設(shè)計(jì)三維電路。Carranza 表示，“我建造一個(gè)定制化的工具，可以將電子組件放置在任意位置、任意方向，可以在三維方向設(shè)計(jì)電路連接。”Carranza 用了 1 年的時(shí)間，做出第一版 CAD 軟件。他表示，“沒(méi)有軟件，我們就沒(méi)真正能將設(shè)計(jì)翻譯成 3D 打印機(jī)可讀代碼的工具。”

Robles 和 Valle 也是 EM 實(shí)驗(yàn)室的博士生，他們主要負(fù)責(zé) 3D 打印方面。他們用了近 1 年時(shí)間搭建 Carranza 開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)軟件和 3D 打印過(guò)程之間的聯(lián)系。2018 年下半年初，Robles 成功地完成了一個(gè)界面，可將電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成 3-D 打印機(jī)可以讀取的代碼，使之可以一步打印出電路。之后，Valle 和 Carranza 對(duì)其進(jìn)行了微調(diào)，打印出世界上第一個(gè)三維立體電路。

Valle 表示，“在整個(gè)過(guò)程中是最難的一步，是讓CAD、代碼生成器和 3-D 打印機(jī)器能夠很好地協(xié)同工作。通常而言，制造一個(gè)電路板，一般分為兩步。首先要有一塊塑料薄板，在上面制造金屬痕跡，然后再把電子元件集成到上面。而我們的方法獨(dú)特之處在于，我們把這些過(guò)程結(jié)合起來(lái)，并且打印出三維結(jié)構(gòu)，再設(shè)計(jì)電路時(shí)就可以擁有很高的自由度。”

Rumpf 表示，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣泛，它能夠把電路集成到任何形狀物體中或者表面，同時(shí)并沒(méi)有相應(yīng)增加電子器件的尺寸或者重量。“我們可以根據(jù)需求制造任何形式或樣式的電路，例如把電路置于軍需品、眼鏡、鞋子甚至是咖啡杯中。這樣的話，當(dāng)我們?cè)诳Х瑞^喝咖啡，咖啡快沒(méi)有的時(shí)候，服務(wù)員就會(huì)提前過(guò)來(lái)給你續(xù)杯。這個(gè)技術(shù)可以讓電子無(wú)處不在。”這項(xiàng)研究得到了美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的資金支持。

Rumpf 表示，這項(xiàng)研究還有可能帶來(lái)另一個(gè)變革。他表示，“未來(lái)，我認(rèn)為可能看不到大型電子制造企業(yè)，生產(chǎn)大批量產(chǎn)品，統(tǒng)治著市場(chǎng)的場(chǎng)景。取而代之的是成千上萬(wàn)的小企業(yè)，生產(chǎn)數(shù)以千計(jì)的產(chǎn)品，既有批量生產(chǎn)，也有定制化生產(chǎn)。”

圖∣從左到右依次是 Gilbert Carranza 、Raymond C. Rumpf 博士和 Cesar Valle。他們展示的是 EM 實(shí)驗(yàn)室的研究成果。（來(lái)源：Laura Trejo / UTEP Communications）

對(duì)于 EM 實(shí)驗(yàn)室的研究生而言，參與開(kāi)發(fā)一項(xiàng)有望為電路制造帶來(lái)革命的技術(shù)，將會(huì)激勵(lì)著他們繼續(xù)學(xué)術(shù)研究生涯。另外，他們的研究成果也在埃爾帕索提供一個(gè)商業(yè)機(jī)會(huì)，即 EM 實(shí)驗(yàn)室的多個(gè)成果商業(yè)化。

Carranza 表示，“我曾經(jīng)希望畢業(yè)后去其他地方。我從沒(méi)想過(guò)一生都待在埃爾帕索，我也從沒(méi)想過(guò)我會(huì)參與到哪項(xiàng)改變世界的研究工作中，直到我來(lái)到 EM 實(shí)驗(yàn)室。四年前，如果你問(wèn)我想不想讀博士，我的回答會(huì)是 No。而現(xiàn)在，我馬上就要博士畢業(yè)了。我從未想到 UTEP 會(huì)有如此難得的研究機(jī)會(huì)。”

Rumpf 表示，他們實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生為相關(guān)研究帶來(lái)了幫助。他表示，“我們所做的都是一些極度困難和高風(fēng)險(xiǎn)的研究。他們了解一旦開(kāi)始研究，將可能花費(fèi)大量時(shí)間和精力，因?yàn)槲覀儠?huì)對(duì)研究進(jìn)展有所要求。愿意接受風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)的人才是 UTEP 需要的，這也是我們一貫的風(fēng)格。”