利用3D打印 科學家制造世界上首個三維立體電路

德克薩斯大學埃爾帕索分校（UTEP）工程學院的 Raymond C. Rumpf 博士是電磁（EM）實驗室的總負責人，EM 實驗室致力于利用 3-D 打印，開發(fā)電磁和光電相關(guān)的革命性技術(shù)。

他們對那些別人認為不可能實現(xiàn)的挑戰(zhàn)非常感興趣。Rumpf 開玩笑說，“我們的垃圾桶上貼著一個標語，上面寫著"增值想法"。如果我們認為這個想法較容易實現(xiàn)，那我們可能會對這個想法提不起興趣。”

圖∣Raymond C. Rumpf 博士與一個學生正在 UTEP 工程學院的 EM 實驗室里工作。（來源：UTEP Communications）

自 2010 年以來，Rumpf 團隊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，EM 實驗室最新的研究成果，意義最深遠。2018 年早些時候，EM 實驗室的研究人員通過完全自動化的流程，制造了世界上第一個真正的三維立體電路。Rumpf 認為這是一個有可能改變傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計和制造方式的壯舉。

全自動化 3D 打印電路是領(lǐng)域內(nèi)熱點方向，很多其他團隊也開展了相關(guān)研究，但是并沒有人成功。Rumpf 團隊在 UTEP 取得的這項成果有點像 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，為實際應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”這個概念為制造業(yè)提供了更多的機會。

Rumpf 表示他們的成果經(jīng)過了很多年的積累，集成了所有工具和流程才得以實現(xiàn)。EM 實驗室相關(guān)研究成員包括 Gilbert Carranza, Ubaldo Robles, Cesar Valle 和 Rumpf。團隊成員花了 3 年時間開發(fā)“未來主義”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)計的，不同于其他研究團隊使用的軟件工具。

Carranza 是一名博士生，兩年前加入 EM 實驗室。當 Rumpf 提出開發(fā)一種方式設(shè)計三維電路時，Carranza 抓住了機會，并參與到其中。他通過一種開源的 CAD 軟件來集成定制化功能，用于設(shè)計三維電路。Carranza 表示，“我建造一個定制化的工具，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)計電路連接。”Carranza 用了 1 年的時間，做出第一版 CAD 軟件。他表示，“沒有軟件，我們就沒真正能將設(shè)計翻譯成 3D 打印機可讀代碼的工具。”

Robles 和 Valle 也是 EM 實驗室的博士生，他們主要負責 3D 打印方面。他們用了近 1 年時間搭建 Carranza 開發(fā)的設(shè)計軟件和 3D 打印過程之間的聯(lián)系。2018 年下半年初，Robles 成功地完成了一個界面，可將電路設(shè)計轉(zhuǎn)化成 3-D 打印機可以讀取的代碼，使之可以一步打印出電路。之后，Valle 和 Carranza 對其進行了微調(diào)，打印出世界上第一個三維立體電路。

Valle 表示，“在整個過程中是最難的一步，是讓CAD、代碼生成器和 3-D 打印機器能夠很好地協(xié)同工作。通常而言，制造一個電路板，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。而我們的方法獨特之處在于，我們把這些過程結(jié)合起來，并且打印出三維結(jié)構(gòu)，再設(shè)計電路時就可以擁有很高的自由度。”

Rumpf 表示，這項技術(shù)的應用范圍很廣泛，它能夠把電路集成到任何形狀物體中或者表面，同時并沒有相應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，當我們在咖啡館喝咖啡，咖啡快沒有的時候，服務員就會提前過來給你續(xù)杯。這個技術(shù)可以讓電子無處不在。”這項研究得到了美國陸軍研究實驗室、和美國空軍研究實驗室的資金支持。

Rumpf 表示，這項研究還有可能帶來另一個變革。他表示，“未來，我認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)治著市場的場景。取而代之的是成千上萬的小企業(yè)，生產(chǎn)數(shù)以千計的產(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 實驗室的研究成果。（來源：Laura Trejo / UTEP Communications）

對于 EM 實驗室的研究生而言，參與開發(fā)一項有望為電路制造帶來革命的技術(shù)，將會激勵著他們繼續(xù)學術(shù)研究生涯。另外，他們的研究成果也在埃爾帕索提供一個商業(yè)機會，即 EM 實驗室的多個成果商業(yè)化。

Carranza 表示，“我曾經(jīng)希望畢業(yè)后去其他地方。我從沒想過一生都待在埃爾帕索，我也從沒想過我會參與到哪項改變世界的研究工作中，直到我來到 EM 實驗室。四年前，如果你問我想不想讀博士，我的回答會是 No。而現(xiàn)在，我馬上就要博士畢業(yè)了。我從未想到 UTEP 會有如此難得的研究機會。”

Rumpf 表示，他們實驗室的學生為相關(guān)研究帶來了幫助。他表示，“我們所做的都是一些極度困難和高風險的研究。他們了解一旦開始研究，將可能花費大量時間和精力，因為我們會對研究進展有所要求。愿意接受風險和挑戰(zhàn)的人才是 UTEP 需要的，這也是我們一貫的風格。”