局部极化电场驱动垂直喷射曲面共形3D打印—用于高分辨率高性能任意曲面电路制造

三维曲面电子器件在共形天线、智能飞行器蒙皮、结构健康监测等领域的应用范围日益扩展。然而，在自由曲面上实现兼具高分辨率与高性能的三维曲面多层电子器件的集成制造仍面临重大挑战。研发团队提出了一种基于局部极化电场驱动（LP-EFD）垂直喷射曲面共形3D打印技术（图1），用于制造高分辨率、高性能三维曲面电子器件（图2）。相关研究成果“Directly printing high-resolution, high-performance 3D curved electronics based on locally polarized electric-field-driven vertical jetting”为题，发表在《Additive Manufacturing》期刊上。

团队通过数值模拟表明通过构建高度稳定且对称分布的电场（图3），可产生垂直向下的稳态喷射流，确保三维曲面/共形结构的高精度打印。并通过试验探究工艺参数对线宽和打印一致性的影响，系统优化了打印参数体系。同时探究了不同打印工艺参数对导电层和层间介质层的一致性的影响规律，以及针对曲面共形多层电路中垂直互联的问题，提出了紫外激光打孔和电场驱动共形微3D打印技术相结合的方法，解决了曲面多层电路中的垂直互联问题（图4-6），成功实现了多种典型三维曲面电路的打印（7-9），包括：不同曲率表面的单层电路图案、圆柱结构表面多层电路图案以及曲面透明加热器。所制电路达到最小线宽8 μm、最大高度差50 mm的高精度标准，且线宽一致性优异（波动率小于±3.7%）。制备的三维曲面电路展现出4.44×10^{^7} S/m的优异导电性能与高附着特性（经100次剥离测试后电阻变化率小于1%）。该制造方法为开发高分辨率三维曲面共形电路及曲面多层电子器件提供了创新解决方案。

图1 喷嘴和三维曲面基底之间的电荷分布和受力分布示意图；（b） 喷嘴在三维曲面不同位置示意图；（c-e）喷嘴在曲面基底不同位置的电荷分布。

图2 （a） -（c）在尺寸为60 mm×60 mm×30 mm、曲率半径为30 mm的半圆柱上打印8μm、50μm和100μm可变线宽的螺旋图案；（d）-（f）在尺寸为60 mm×60 mm×30 mm、曲率半径为30 mm的半圆柱上打印线宽为18μm的银网格透明电极；（g）在直径为50 mm、高度为50 mm的锥形玻璃上打印叉指状电极阵列；（h）在直径为80 mm、曲率半径为40 mm的尼龙半球结构上打印3D曲面电路图案；（i）在阶梯结构树脂基底表面打印用于连接LED灯的共形电路，线宽为120μm，尺寸为60 mm×30 mm×15 mm，高差为15 mm。

图3 电场分布仿真结果：（a）和（d）为LP-EFD喷嘴位于非对称表面结构（自由曲面）顶部时的电场分布模拟结果；（b） 和（e）为LP-EFD喷嘴位于非对称表面结构侧面（X=15mm）时的电场分布模拟结果；（c）和（f）为LP-EFD喷嘴位于非对称表面结构的横向侧（X=15mm）时的电场分布模拟结果；（g） 为当喷嘴位于曲率半径为10 mm的非对称表面结构的不同位置时，E1的变化率；（h）为基板高度为25 mm的非不对称表面结构的喷嘴两侧在不同位置之间的差值（E2-E3）；（i）为LP-EFD喷嘴位于非对称表面结构表面不同高度上E1变化率。

图4 （a） 显示了传统三轴EFD喷射3D打印喷嘴在不同位置的喷射行为；（b） 通过高速摄像机拍摄了传统三轴EFD喷射3D打印在不同位置的射流；（c） 为LP-EFD喷嘴不同位置的喷射行为的示意图；（d） 通过高速摄像机拍摄了LP-EFD在不同位置的真实射流。

图5 打印参数对PI膜厚度的影响：（a）打印间距；（b） 背压；（c） 打印速度；（d） 打印高度；（e） PI膜厚度在不同区域的变化率；（f） PI膜厚度在不同方向上的分散度。

图6（a）为曲面多层电路中垂直互联线形成的示意图；不同激光参数对孔深的影响：（b）频率，（c）脉冲宽度，（d）打孔数，（e）孔径；（f）不同孔径的截面图

图7（a） -（c）为制造的曲面透明加热玻璃，加热线线宽为18μm，尺寸为70 mm×70 mm，玻璃曲率半径为53 mm。（d）为加热线周期和方阻的关系；（e） 为加热线周期和透光率的关系；（f）为加热时间与温度的关系；（g） -（i）不同电压下曲面透明电加热玻璃红外热成像示意图。

图8 (a)曲面多层互联电路原理图；（b）圆柱面打印多层互联电路实物图，尺寸为60 mm×60 mm×30 mm，曲率半径为30 mm；（c）-(f)不同导电层之间Q-U-T的红外热分布图像;(g) LED阵列多层显示电路原理图;(h)不同导电层间层间垂直互联原理示意图；(i)打印多层LED阵列数字显示电路实物图，位于半圆柱表面，尺寸为60 mm×60 mm×30 mm，曲率半径为30 mm；（j）（-i）不同导电层电路显示的数字。