以下文章来源于nanomicroletters ，作者纳微快报

3D打印在电化学储能领域已经得到广泛的应用。一般情况下，具有优异导电性的轻质碳材料成为研究的热点。然而由于碳基器件相对较低的面积和体积能量密度，极大地限制了其在实际中的应用范围。对称型超级电容器具有高的功率密度和安全稳定性，但是它的工作电压较低阻碍了其能量密度的发挥。

近日，苏州大学能源学院、苏州大学——北京石墨烯研究院协同创新中心的孙靖宇教授课题组，采用湿法化学及热磷化步骤，结合3D打印构筑非对称超级电容器，这为制备高面积/体积能量密度器件提供新的方法。研究成果发表在《Nano-Micro Letters》上，标题为《3D Printing of NiCoP/Ti3C2 MXene Architectures for Energy Storage Devices with High Areal and Volumetric Energy Density》。借助纳微快报的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于3D打印在高能量密度器件领域的突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-020-00483-5

在电化学储能领域，3D打印技术的应用正在迅速发展，尤其是在制造具有高面积和体积能量密度的能源存储设备方面。传统的碳基超级电容器虽然具有高功率密度和良好的安全稳定性，但它们的工作电压较低，限制了能量密度的提高。为了克服这些限制，研究人员正在探索使用3D打印技术来制造新型的电极结构。”

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

关键点：

1. 复合材料的制备：通过湿法化学和原位磷化步骤制备了NiCoP/MXene复合材料，这种材料结合了两种材料的优点，提高了电化学性能。
2. 3D打印技术的应用：利用3D打印技术精确控制电极的厚度和负载量，从而优化了电极的性能。
3. 非对称超级电容器的设计：通过设计非对称超级电容器结构，提高了工作电压，从而增加了能量密度。
4. 电化学性能的测试：通过三电极体系测试了复合材料的循环伏安曲线和充放电性能，验证了材料的高电容和良好的循环稳定性。

最终，该研究实现了面积能量密度为0.89 mWh/cm²和体积能量密度为2.2 mWh/cm³的非对称超级电容器，这为开发具有高能量密度的电化学储能设备提供了新的可能性。

Insights that make better life

 本文亮点

1. 利用3D打印构造厚度和负载量可调可控的电极结构。
2. 全打印的NiCoP/MXene//AC非对称超级电容器全电池最终得到面积和体积能量密度分别为0.89 mWh cm−2和2.2 mWh cm−3。

 内容简介

苏州大学能源学院、苏州大学——北京石墨烯研究院协同创新中心的孙靖宇教授课题组，采用湿法化学及热磷化步骤，结合3D打印构筑非对称超级电容器，这为制备高面积/体积能量密度器件提供新的方法。

该工作可控合成了NiCoP/MXene (NCPM)复合材料，通过3D打印构筑厚度及负载可调的电极，设计制备了NCPM-CNT//AC-CNT的非对称超级电容器，评估了其面积及体积能量密度，得出如下结论：

(1)复合材料相比于单独MXene和NCP具有更好的电化学性能；

(2)CNT作为墨水的调粘材料，不仅可以维持电极结构的骨架，还可以提供良好的导电网络；

(3)3D打印的非对称超级电容器结构最终可实现高的面积和体积能量密度。

 图文导读

I NCPM复合电极的制备及打印器件的制备

NCPM的设计是通过湿法化学和原位磷化步骤得到，如图1a所示，磷化步骤以及与MXene的结合可以有效解决双金属氢氧化物导电性差的问题，促进电化学反应的动力学过程。进一步对墨水的微观形貌进行分析，可以发现活性材料与CNT能够较好地交织在一起，进而有效构筑导电网络(如图1b，c所示)。3D打印可以通过控制打印电极的层数，进而制备不同厚度的电极(图1d)。

▲图1. (a) NCPM材料的合成及3D打印示意图。(b, c) NCPM/CNT墨水的微观形貌。(d) 3D打印设计厚度可调的样品。其中图d中的比例尺分别为8 mm。

II 复合材料的形貌表征

图2考察了NCPM的形貌及结构特征。从高分辨TEM可以发现(图2d)，同一区域存在NCP和MXene两种的晶格条纹，表明NCPM复合材料的成功制备。为了进一步表征合成的NCPM的晶体结构和化学成分，进行了XRD和XPS分析，如图2g-i所示。XRD的数据表明复合材料主要存在NCP的信号；XPS的数据主要表明NCP和Ti3C2之间存在相互作用。

▲图2. (a-c) NCPM的SEM及TEM图。(d) NCPM的HRTEM图。(e, f) NCPM的STEM和对应区域的元素Mapping。(g) NC, NCM和NCPM三种材料对应的XRD图谱。(h, i) NCPM的Ni 2p和Co 2p分别对应的XPS谱图。

III 3D打印墨水的流变特性分析

在进行3D打印前，我们需要分析和表征墨水的流变特性，判断其是否满足打印的要求。如图3d-f所示，浓缩后的CNT与CNT/NCPM墨水两者在整个剪切压力范围内都具有剪切变稀的非牛顿流体特性。通过调整打印的速度，可以获得不同宽度的电极、可调负载量的器件，如图3c所示。进一步对冷冻干燥后的电极断面和表面结构进行观察，发现打印后的电极具有丰富的孔道结构，这有利于电解液的渗透和离子的传输(图3g-i)。

▲图3. (a, b) 3D打印设备和打印电极的实物图。(c) 不同打印速度对应电极宽度分布统计图。(d) 制备的NCPM/CNT和CNT两种墨水的表观粘度与剪切速率的关系。(e, f) 储存模量和损失模量分别与剪切压力和频率之间的关系。(g, h) 打印电极的表面及截面SEM。(i) NCPM/CNT电极在冷冻干燥后的微观形貌图。

IV 打印电极的三电极电化学性能

在扫描速率为10 mV/s的情况下，通过三电极装置分别测试NC、NCP和NCPM三者的循环伏安曲线(CV)，其中较大的曲线面积表明较高的容量存储，从图4b中可以看出NCPM的容量最高。NCPM相对于NCP和NC在结构上具有一定优势，主要由于MXene的引入为双金属氢氧化物的合成提供了更多的生长位点，结合MXene良好的导电性，可以进一步提升电极材料的反应动力学。通过借助3D逐层打印技术，得到厚度不同、负载量不一的电极。分析可得，随着电极厚度的增加，面积负载量也逐渐增大，因此对应较高的面积电容。然而，相对于薄电极，厚电极的离子和电子传输速度较为缓慢，因此相对厚的电极其体积容量可能会受到一定的影响，如图4e所示。

▲图4. (a) 3D打印不同厚度的NCPM电极的光学照片。(b) 三电极体系测试NC、NCP、NCPM三种电极材料的CV曲线。(c, d) NCPM/CNT在不同电流密度下的GCD曲线及循环稳定性。(e) 不同打印电极的面积和体积容量。(f) 本工作制备的电极与其它体系的对比。

V 打印非对称超级电容器

研究人员在打印电极的基础上设计了非对称的超级电容器(ASC)，这可以进一步提高整个器件的能量密度。为了达到ASC的最佳性能，正负极要满足电荷平衡(Q+ = Q−)，可确定两者的材料比例；并通过CV曲线来确定两电极之间的电压区间为0−1.4 V，如图5b，c所示。在充放电电流密度为12 mA cm−2的条件下对电化学储能器件进行循环性能测试，在5000次恒流充放电后，ASC仍然保留初始比电容值的87.5%，显示出较好的循环稳定性，如图5f所示。通过对电极厚度的优化，以及拓宽后的电压窗口，最终可以得到整个器件的面积和体积能量密度分别为0.89 mWh cm−2和2.2 mWh cm−3(图5g)。

▲图5. (a) 3D打印非对称超级电容器正负极电极。(b) 在10 mV/s扫速下打印电极的CV曲线。(c) 不同电压区间内的CV曲线。(d) 不同扫速下的CV曲线。(e) 不同电流密度下的GCD曲线。(f) 两电极对应的长循环稳定性。(g) 打印NCPM与其它体系的面积与体积能量密度对比。

来源
微纳快报 l

3D打印NiCoP/MXene复合电极材料：构建高面积/体积能量密度储能器件

纳微快报：

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。

Citation
3D Printing of NiCoP/Ti3C2 MXene Architectures for Energy Storage Devices with High Areal and Volumetric Energy Density

Lianghao Yu, Weiping Li, Chaohui Wei, Qifeng Yang, Yuanlong Shao, Jingyu Sun*

Nano‑Micro Lett.(2020)12:143

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00483-5

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在汽车领域，发夹技术是一种用于制造电机定子绕组的技术。这种技术通过使用形状像发夹的薄铜条来提高电机的功率密度和效率。然而，传统的发夹定子生产方式存在一些限制，比如需要高度复杂的生产机器和工具，以及在生产不同产品变体时的灵活性较低。

增材制造技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，提供了一种新的解决方案。这种技术允许直接在传统铜导体上打印发夹绕组，从而实现复杂的3D几何形状的无工具生产。这不仅可以减少对生产机器和工具的投资，还可以提高生产过程中的灵活性。

▲ 混合增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

 突破

在汽车领域，发夹技术是一种用于制造电机定子绕组的技术。这种技术通过使用形状像发夹的薄铜条来提高电机的功率密度和效率。然而，传统的发夹定子生产方式存在一些限制，比如需要高度复杂的生产机器和工具，以及在生产不同产品变体时的灵活性较低。

增材制造技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，提供了一种新的解决方案。这种技术允许直接在传统铜导体上打印发夹绕组，从而实现复杂的3D几何形状的无工具生产。这不仅可以减少对生产机器和工具的投资，还可以提高生产过程中的灵活性。

© 3D科学谷白皮书

在汽车领域，发夹技术是一种用于制造电机定子绕组的技术。这种技术通过使用形状像发夹的薄铜条来提高电机的功率密度和效率。然而，传统的发夹定子生产方式存在一些限制，比如需要高度复杂的生产机器和工具，以及在生产不同产品变体时的灵活性较低。

增材制造技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，提供了一种新的解决方案。这种技术允许直接在传统铜导体上打印发夹绕组，从而实现复杂的3D几何形状的无工具生产。这不仅可以减少对生产机器和工具的投资，还可以提高生产过程中的灵活性。

此前，根据3D科学谷《亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”在科隆与福特合作开设电动机研究基地》一文，福特与亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”(PEM) 系，蒂森克虏伯系统工程，亚琛工业大学DAP学院一起，在一条生产线上开发灵活而可持续的电动机零部件生产。该项目的名称是HaiPiPro²，指的是发夹技术，研究目标是开发灵活的制造发夹技术及生产概念。

通过亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”（PEM）系与福特在科隆的福特工厂合作的1,000 平方米的电动机研究场地，“HaPiPro2”项目中的众多知名工业合作伙伴一起对电动机的生产进行研究，通过科隆的福特工厂内的一条原型演示线，对电动机组件的不同变体进行性能和效率测试，这些测试数据对于延伸到生产领域的应用至关重要，最终推动福特德国的生产基地发展。

 传统+增材制造

HaiPiPro²项目在电动机制造领域取得了一些创新性的进展。使用3D打印技术直接将铜绕组头打印到发夹定子上，不仅减少了传统制造过程中的多个步骤，还降低了成本和提高了生产效率。L-PBF技术的应用为电动机的制造带来了革命性的变化。

自动化设计配置器的使用进一步提高了设计的灵活性和生产效率，因为可以快速生成符合各种生产约束和边界条件的3D设计。这种技术的应用不仅加快了设计到生产的转换过程，还提高了对不同导线和定子配置的适应性。

发夹式技术在电力牵引机定子铜绕组中的使用，因其在产品方面的优势而受到许多原始设备制造商（OEM）和供应商的青睐。这种技术通过使用矩形导线横截面来增加铜填充系数，从而提高电机的性能和效率。与传统的圆线绕制定子相比，发夹式定子的生产过程具有更高的确定性。

传统的发夹式定子的生产过程包括12-15个单独的工艺步骤，这些步骤涉及从扁平铜线制成发夹形状，组装到定子叠片堆中，通过扭转工艺将发夹端部带到适当位置，进行接触过程和焊接，以及绝缘和树脂浸渍等。整个过程需要大量的机器和设备投资，从300万欧元到1000万欧元不等，具体取决于生产规模和自动化水平。

▲ 传统制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

尽管发夹式定子生产具有高效率，但其生产工艺链对不同导线和定子变体的灵活性较低。由于尺寸和几何形状的限制，以及生产过程中使用的工具，通常只能生产有限的定子产品变体。随着新电机和定子代代产品的开发周期越来越短，以及导线和定子叠片堆尺寸的变化，提高生产灵活性的需求日益增长，这通常需要对工具和生产线进行进一步投资。

根据3D科学谷《导电材料的增材制造及全篇总结 l 3D打印+拓扑优化=下一代电机》一文，电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制，例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆：首先，以相同的功率减少损耗，其次，改善散热。绕组的设计在这里起主要作用，因为它是主要的热源。

HaiPiPro²项目研究了变体灵活的产品和生产概念，增材制造（AM）技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，被视为一种潜在的技术替代方案。这种技术可以提供直接制造电铜导体的可能性，并通过算法设计等创新方法制造复杂三维结构的潜力，来减少电磁损耗或改善热管理。

项目组研究探讨了粉末床激光熔融（L-PBF）技术是否能够替代发夹定子生产中的传统工艺步骤，并通过无工具生产提高变形灵活性。研究的重点是使用纯铜材料直接在传统导体上打印发夹定子的整个绕组头，特别是扭转侧的绕组头。这种方法有望减少生产成本，提高生产效率，并增加对不同产品变体的适应性。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

通过这种创新的增材制造方法，可以期待在未来的电机制造中实现更高的灵活性和更低的生产成本，同时保持或提高电机的性能。

 整合

为了在正在实施的生产工艺链整合了增材制造技术，3D科学谷了解到在保持现有生产流程稳定的同时寻求创新和改进，以逐步替代传统的电动机绕组头制造步骤，项目组使用粉末床激光熔融（L-PBF）技术在扭绞侧制造整个绕组头，通过增材制造，可以设计更复杂的绕组结构，同时减少材料浪费和生产时间。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

3D科学谷了解到HaiPiPro²项目的一系列亮点：

1. 设计：利用Rhinoceros3D®和Grasshopper®软件，实现了一个自动化的设计生成系统，该系统可以根据定义的边界条件和输入参数自动生成三维设计。
2. 设计算法与配置器：设计人员通过实施设计算法，而不是直接建模，这些算法组合成一个整体的设计配置器，用于快速迭代和生成不同的产品变体。
3. 逻辑运算：输入数据，生成满足粉末床激光熔融（L-PBF）工艺要求的加工参数数据。
4. 边界条件和设计限制：在设计过程中，需要考虑内径、外径、最小间距、悬垂角等边界条件，以及增材制造工艺的设计指南。
5. 绕组头高度与电磁损耗：设计时需要平衡绕组头的高度与电磁损耗，以实现低损耗的目标。
6. 关键几何点 (KGP)：首先计算绕组头区域中单个发夹的关键几何点，同时考虑边界条件和设计限制。
7. 极性阵列函数：根据所需的发夹数量，使用极性阵列函数复制单个发夹设计。
8. 3D打印准备：将传统定子部件插入系统并对齐，附加支撑元件以保护绕组头并防止移位。
9. 构建平台的调整：调整构建平台，确保发夹线圈的端面与粉末涂层平面或光学焦平面齐平。
10. 粉末填充与曝光：填充粉末并对导体端部的位置进行目标/实际比较，使用低功率曝光和高分辨率同轴相机对准激光束。
11. 打印数据的处理：通过处理数据减少或避免传统定子和额外生产的绕组头之间的偏差。

在这项研究中，研究人员面临了混合过程中的对齐问题，以及如何设计自动化方法来重新设计绕组头以适应限制和边界条件的挑战。通过将增材制造技术集成到发夹式定子的生产中，可以替代一些传统的工艺步骤、机器和工具，从而降低成本和提高生产效率。

▲ 增材制造电机发夹绕组头
© 亚琛工业大学DAP研究所

此外，利用增材制造的设计潜力，可以进一步降低绕组头的高度，这有助于减少电机的损耗并节省铜材料的使用。这种方法已经在汽车行业的发夹式定子上进行了验证，并与传统生产的发夹式定子进行了比较，以评估混合定子的性能。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

与传统绕组头相比，增材制造的绕组头可以减少轴向长度，降低电磁损耗，提高电机效率。可以看出PBF-LB/M工艺在特定应用场景下具有明显的优势，尤其是在需要高度定制化和小批量生产的情况下。同时，这种工艺也为电动机设计和制造领域带来了新的创新机会。

技术挑战包括增材制造的绕组头表面粗糙度较高，可能影响绝缘层的封装质量，需要额外的测试以确保绝缘层的可靠性。后续考虑对增材制造的绕组头表面进行后处理，如化学蚀刻，以提高表面质量。目前传统+粉末床激光熔融（L-PBF）技术在提高生产灵活性和降低设备投资成本方面具有优势，但生产率相对较低。进一步的研究将集中在提高设计配置器的自动化程度，以及研究表面粗糙度对绝缘工艺的影响。

总的来说，这项研究展示了增材制造技术在汽车电机定子生产中的潜力，特别是在提高生产效率、降低成本和提高电机性能方面。通过进一步的研究和开发，这种技术有望在未来的汽车制造中发挥更大的作用。

参考资料：

https://link.springer.com/article/10.1007/s00501-023-01420-w?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20240109&utm_content=10.1007%2Fs00501-023-01420-w

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近日，表面技术和增材制造解决方案的领先供应商欧瑞康，在 SEMICON West 2024 上推出突破性的增材制造解决方案，以高效和精确的方式彻底改变半导体设备制造。

▲ 3D打印热交换组件
© 欧瑞康

热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破以及对后处理、产品机械性能的预测与控制。

3D科学谷

▲ 3D打印热交换器
© 3D科学谷白皮书

 让设备更好用

在今年的 SEMICON West 贸易展上，欧瑞康 AM 自豪地推出了其在增材制造 (AM) 技术方面的最新进展，有望彻底改变半导体设备制造。增材制造通过为资本设备制造商提供前所未有的设计灵活性以及从原型设计到定制零件生产的无缝过渡，正在改变行业。这一突破带来了立竿见影的好处和显著的竞争优势。

欧瑞康增材制造的突出优势之一是改进了关键部件（如基座或卡盘）的热管理。这种改进可提高设备精度、加快处理速度并提高整体生命周期价值。此外，欧瑞康的增材制造技术正在优化复杂歧管内的流体流动，从而进一步提高设备性能。

可以见得，增材制造通过改进热管理和优化流体流动来增强半导体设备制造。

欧瑞康通过3D 打印技术实现结构一体化的优化设计，生产出具有更高强度和强度重量比的轻质高强度部件。增材制造技术可以优化关键部件的热管理，提高设备精度和处理速度，延长设备使用寿命。这些部件还具有耐腐蚀性，可提高耐用性并延长设备的使用寿命。此外，欧瑞康增材制造通过消除劳动密集型钎焊和多部件组装的需求，简化了制造流程。这种简化不仅缩短了生产时间，还降低了成本，加快了新半导体设备的上市时间。

 长期向上

金属3D打印已被认为是传统半导体生产的潜在长期替代方案，鉴于其令人难以置信的复杂性，半导体芯片的3D打印还需要一段时间，但随着世界努力去创造足够的GPU来推动人工智能的繁荣，英伟达和其他公司有动力加速这一发展。利用现有的芯片处理技术，即使是非常小的设计变更也需要几周的交付时间：下一代 3D 打印技术旨在消除这种延迟，从而减轻供应链的压力。

© 3D科学谷白皮书

3D打印还可以成就更好的产品性能，根据《创成式设计和增材制造重定义芯片光刻机晶圆台的热管理性能》一文，在下一代增材制造晶圆工作台部件的设计开发中，正在从人工设计向计算机生成（即创成式设计）和人工辅助设计（相对于计算机辅助设计）过渡。举例来说，3D打印可以最大限度地提高晶圆台的热均匀性，同时不引起系统中的流体压力下降。先进冷却策略的一个额外好处是缩短热稳定时间，提高生产效率。通过新颖的创成式设计方法（使用Diabatix的 ColdStream平台）可以自动生成最佳的自支撑冷却结构，降低了整体温差，将流体压力保持在系统要求的范围内，并使整个系统生产晶圆产品的周期缩短。

此前另一个案例是通过3D打印晶片卡盘，可以提高定位速度，降低半导体行业的成本。对于ASML这类公司来说，每小时可以移动的晶圆数量非常重要。晶片台越轻，加速越容易，因此生产率越高，这对ASML来说具有很高的价值。一个典型的解决方案是Additive Industries提供的，Additive Industries制作了ASML卡盘的两个原型，已经实现了30％的重量减轻，并且平台仅重约8公斤。

 抢滩生态圈布局

3D科学谷认为半导体相关产业链正在“抢滩”3D打印技术，“半导体光刻机”被称为“史上最精密机器”之一，在这方面，尼康作为全球为数不多可以生产光刻机的制造商，无独有偶，尼康早先就通过资本投资进入到金属3D打印领域。在尼康长达一个世纪的尖端光电和精密技术基础之上，2019年，尼康成立专门事业部加速推进先进制造等新增长业务。从那时起，通过利用战略投资产生的协同效应，包括收购全球金属增材制造解决方案提供商 SLM Solutions Group AG (SLM)，以及在此之前收购端到端增材制造解决方案提供商 Morf3D Inc. (Morf3D) ，尼康向数字制造产业化迈出了重要一步。

关于尼康收购 SLM Solutions的战略出发点，3D科学谷曾给出了两个判断，一个是尼康的测量技术将进一步提升SLM Solutions设备的智能化水平；另一个战略出发点是金属3D打印将提升尼康在光刻机领域的技术地位。

正如轮胎巨人米其林投资了3D打印企业Addup, 阿迪达斯投资了Carbon，随着3D打印对重塑下游企业竞争力的重要性显现，这一价值链的变化也在影响和重塑投资逻辑。

欧瑞康在材料开发和生产方面拥有超过 85 年的经验，为增材制造提供了全面的金属粉末产品组合。这些高品质粉末包括镍、钴、铁和钛合金，每种粉末都经过严格设计、测试和制造，以满足严格的行业标准。欧瑞康的开创性 AM 增材制造解决方案代表了半导体行业的一项改变游戏规则的进步，在这方面，欧瑞康正在为效率、精度和创新设定新标准。在3D科学谷看来，欧瑞康将这些创新带入半导体市场也进一步验证了包括尼康、英伟达等半导体芯片领域巨头抢滩3D打印产业链布局的商业逻辑。

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通过3D打印加工各种电活性材料，例如金属或碳掺杂聚合物，以形成晶体管、电容器和电阻器等设备，以及将它们连接在一起的电连接器。3D打印电子电气设备部件的主要优点是灵活性，几乎可以打印成任何形状，并沿着复杂的几何形状铺设柔性基材，这在传统制造中几乎是不可能的。

本期，通过节选近期国内其他科研机构在电子结构件增材制造方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

© 3D科学谷白皮书

 基于DLP技术制备SOFC电解质及性能研究

王戌1樊贝贝1徐晓倩2董昕虹2郭学2

淄博联创聚氨酯有限公司2. 山东理工大学

摘要：

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种清洁、高效的新型燃料电池，其电解质是决定电池整体性能的关键因素。以改性后的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为原料，光敏树脂作为固化剂，利用数字光处理技术(DLP)将固含量为20%YSZ进行逐层打印，通过控制变量的方法进行探究不同分散剂YSZ悬浮液稳定性影响，以及不同烧结温度下，YSZ电解质片致密度的影响。

研究结果表明：以吐温-80和聚乙二醇400(PEG-400)作为分散剂的YSZ悬浮液稳定性较好，其中以吐温-80为分散剂的YSZ悬浮液最为稳定。将打印后的固含量为20%的YSZ电解质前驱体分别在1400℃、1450℃和1500℃进行烧结后，其收缩率分别为41.01%、48.81%和49.36%。在1500℃的烧结温度下，YSZ电解质在800℃的总电导率为3.19×10-2 S/cm。

 基于3D打印的柔性三频微带天线的设计与加工

钟智东1,2舒霞云1,2,3常雪峰4唐毅泉1,2诸世敏1

厦门理工学院机械与汽车工程学院2. 精密驱动与传动福建省高校重点实验室(厦门理工学院)3. 福建省绿色智能清洗技术与装备重点实验室4. 集美大学海洋装备与机械工程学院

摘要：

为解决可穿戴设备在复杂应用场景中无线信号响应范围较窄的问题，该文提出了一种柔性三频微带天线，在2.5 GHz、3.5 GHz、5.4 GHz微波频段采用双“T”型+双“L”型表面结构实现天线的谐振，采用聚酰亚胺为基底材料，纳米银为辐射贴片及接地面的导电材料以实现柔性化。

使用ANSYS HFSS对天线进行建模并进行仿真分析，使用微滴喷射3D打印工艺对其加工，有效地解决了传统微机电系统(MEMS)加工在柔性电子领域上成本高及步骤复杂等问题。最后使用场发射扫描电镜分析打印面形貌，并使用矢量网络分析仪分别测试天线成品的回波损耗、可弯折性及弯折抗疲劳性，测试结果与仿真结果基本一致，且天线具有较好的弯折性能。

 基于3D打印的高增益超材料龙伯透镜天线

李炫静1,2冯瑞1,2谭秋林1,2

中北大学仪器与电子学院微纳器件与系统教育部重点实验室2. 中北大学仪器与电子学院省部共建动态测试技术国家重点实验室

摘要：

龙伯透镜天线由于可以满足不同应用场景而引起了广泛的研究兴趣。本文研制了一种满足高增益要求的超材料龙伯透镜天线。基于光学理论和有效介质理论,设计了各向同性的新型单元晶胞,通过调整单元晶胞中介质材料与球形空气腔的体积比,实现球壳的相对介电常数梯度渐变。

为此,采用3D打印技术并结合结构变换方法,制作了半径为120 mm的球形龙伯透镜,基于单元晶胞的各向同性实现了透镜的全向均匀性。使用工作频率为6 GHz的贴片天线对透镜进行馈电,在测量中发射多个角度的指向波束以进行实验验证。实验表明,仿真和测试结果具有良好的一致性,证实所制作的龙伯透镜天线具有良好的波束聚焦能力,验证了方案的可行性。最终测得透镜天线的最大增益为25.1 d Bi,且制作成本低,有着广阔的应用前景。

 基于电场驱动微3D打印增减材复合制造高精度铜基柔性透明电路

刘俊杰、张友超、张厚超、张兵、许权、朱晓阳、兰红波

青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心

摘要：

高精度柔性透明电路作为柔性微纳电子、光电子等产品的重要组成部分，在5G/6G柔性透明天线、可穿戴设备、透明电加热膜、柔性透明电子等领域有着非常广泛的应用。然而兼顾高分辨率、高光电性能与机械性能的高精度电路(尤其是铜基电路)的室温高效、低成本、柔性制造是当前亟待解决的难题，本课题提出了一种结合电场驱动微3D打印和湿法刻蚀增减材复合制造高精度铜基柔性透明电路的新方法，其不仅完成了高分辨率、高精度抗蚀掩模的低成本灵活打印，更通过快速刻蚀工艺实现了超微细电路线宽的进一步缩小；阐述了基本成形原理和关键技术实现，通过试验揭示了主要工艺参数对制造微细铜电路精度、形貌以及性能的影响和规律；研究了刻蚀速度影响规律，探讨了刻蚀过程中的两个阶段(速刻和侧刻)的可控性，对侧刻过程精确调控；结合优化的打印参数，以及对侧刻速度的精确调控，实现了最小线宽2.4 μm，最小线间距4 μm的高精度(高密度)铜基柔性透明电路的制造。制造的典型样件电阻率4×10-6 Ω·cm，在透光率高达87.65％(550 nm波长，包含基底)时，方阻3.58 Ω/sq，同时具有优异的机械稳定性和电加热性能。制备的高密度柔性透明叉指电极具有优异灵敏度，在100～10 000 Hz频率下能检测出最低仅为1 nmol/L的稀硫酸溶液浓度变化。提出的方法为高效低成本制造高精度铜基柔性透明电路提供了一种全新的解决方案，显示出良好的工业化应用前景。

 基于双光子聚合3D打印的MEMS传感器研究进展

王裕鑫1,2廖常锐1,2邹梦强1,2包维佳1,2刘德军1,2张立3王义平1,2,4

深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,深圳市超快激光微纳制造重点实验室2. 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室,广东省光纤传感技术粤港联合研究中心,深圳物联网光子器件与传感系统重点实验室3. 香港中文大学机械与自动化工程学系4. 深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部,广东省重点实验室,深圳市超快激光微纳制造重点实验室

摘要：

双光子聚合3D打印技术结合了光学非线性效应与飞秒激光超短脉冲和超高峰值强度的特点，给材料加工带来了革命性的改变。从时间和空间两个维度将飞秒激光脉冲紧聚焦于光刻胶内部诱导双光子聚合发生，实现了聚合物3D微纳结构的增材制造，为MEMS传感器方向的发展和应用提出了新方法。本课题首先介绍了双光子聚合3D打印的概念和原理，然后对该技术在MEMS传感器方向的研究进展进行了全面综述，最后对该技术的发展方向提出了展望。

 面向双马树脂基复合材料电场驱动微3D打印高精度电路

刘亚东1张厚超1朱晓阳1许权1李义睿1韩志峰1赵佳伟1刘琦2兰红波1

青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心2. 中国航空制造技术研究院增材制造航空科技重点实验室

摘要：

纤维改性双马树脂基复合材料凭借其优异的力学性能、耐高温、耐腐蚀特性，被广泛应用于航空航天、智能蒙皮、共形天线、电磁屏蔽、高频电路基板、电加热等领域。然而，由于石英纤维增强双马树脂基复合材料具有非平整、异质、各向异性的特点，在此基材上简单、高效、低成本制造高分辨率微细电路是当前亟待解决的难题。

本课题提出了一种基于电场驱动微3D打印在石英纤维增强双马树脂基复合材料上制造高精度电路的新方法，阐述了基本成形原理和关键技术实现，探究了非平整异质复合材料表面电场分布特点和场强变化规律，提出通过调节电场强度阈值实现稳定打印的策略；通过实验揭示了主要工艺参数对制造电路精度、形貌以及性能的影响规律，并结合优化的工艺窗口，实现了最小线宽50 μm的多种图案微细电路的制造。制造的典型样件电导率为4.5×107 S/m，经100次附着力实验和100分钟超声实验后电阻变化率在1%左右；在电加热应用方面展现出优异的热响应速度，在3 V电压下最高温度可达158℃，能够在200 s内实现除冰。该技术为高效低成本制造纤维改性双马树脂复合材料基微细电路提供了一种有效方法，显示出良好的工业化应用前景。

 基于在机测量的曲面共形电路3D打印误差补偿方法

刘清涛1魏栋杰1杨鹏涛1尹恩怀2吕景祥1

长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室2. 西安瑞特三维科技有限公司

摘要：

基于3D 打印技术制备曲面共形电路具有广阔的应用前景，然而，由于曲面基材加工误差和导电线路定位误差的影响，导致曲面电路3D打印头高度难以精确控制，进而影响打印精度。

为此，本课题以气动式直写打印为研究对象，提出了一种“在机测量+线路模型重构”的打印头高度误差补偿方法。设计了一种曲率自适应测量点选取方法，利用NURBS曲线反算法对测量数据进行重构，还原真实线路模型。通过生成真实线路的打印轨迹，替换原始理论打印轨迹，补偿了打印头高度误差。自主搭建了一套集成了在机测量系统的曲面共形电路3D打印平台，设计了直线、圆弧与NURBS自由曲线3种形状的线路，进行补偿前后电路打印的对比实验。结果表明，未进行补偿前，在线路曲率较大的地方，线路在基板上的波峰处会产生拉丝现象，波谷处会产生堆叠现象，而补偿后的导线线宽比较均匀；进一步对每条导线的电阻进行测量，发现各条线路补偿前的电阻值波动较大，补偿后的电路的电阻值均匀，且相较补偿前平均降低65.99%，最大电阻降幅达85.75%。

 具有随机高度分布的柱状阵列高灵敏度柔性压力传感器设计与制造

岳伊帆、于志恒、王公海、李苏墨、李雨柔

嘉兴南湖学院机电工程学院

摘要：

柔性压力传感器因其在人体健康监测和机器人运用等方面的潜在优势，成为当下研究的热点。现有的制备高灵敏度传感器的方法，无论是3D打印还是倒模技术都存在制备成本高、制备流程复杂等问题。

本课题利用气溶胶打印技术直接打印随机分布柱形微结构阵列柔性压力传感器。结果表明，器件具有良好的传感性能，同时在一些简单的人体生理信号（包括手指弯曲、膝盖弯曲等）测试上表现很好。本文提出了一种高精度低成本微结构制备工艺，为柔性电子器件的制备提供了一种新的可能。

 仿人皮肤感受器的柔性多功能传感器3D/4D打印研究

王振国

吉林大学

摘要：

随着软体机器人、可穿戴设备、医疗康复器具的发展,以及柔性电子材料、仿生学技术及微加工技术的进步,模仿生物感知功能的柔性/可穿戴电子技术近年来成为电子器件研究的重要领域。能够实现对多种外界信号进行精准感知的高性能柔性传感器是柔性电子的核心元器件之一。人皮肤中特定的感受器能精准感知多种外部刺激,例如压力、应变和温度,从而使人可以感知周围环境并调整自身行为。由于具有多功能性及形状适应性,模仿皮肤的仿生柔性传感器在共融机器人、可穿戴设备和健康监测方面具有重要应用潜力。目前,大多数电子皮肤传感器只能实现部分皮肤传感功能,不能满足人机工程对多功能传感的要求。这主要是由于目前的柔性电子材料难以同时满足电学和变形特性的要求,以及缺少复杂的材料-结构一体化器件成型技术。因此,研究柔性传感材料及其一体化成型3D打印技术,实现柔性传感器的多功能性和高精度,是发展柔性电子材料的迫切需要。

4D打印是3D打印的材料和结构,在特定激励下,其形状或性质能够产生预先设计的变化,为柔性电子带来了新的机遇。使用4D打印技术制造柔性传感器,使其具备形状、量程和灵敏度的可调节性,是柔性传感技术未来的发展方向。本文研究了仿皮肤感受器的传感结构设计方法,制备了导电柔性可打印材料,开发了柔性传感材料打印技术,成功制备了仿人皮肤感受器的柔性多功能仿生传感器。

具体研究内容包括以下几个方面:

(1)研发了一种可切换打印模式的直写3D打印工艺,构建了从建模到打印全流程打印软硬件环境。开发了在保证电性能基础上还能够满足打印适性的3D打印油墨,分析了其可打印性和导电性。基于柔性传感器制造需求,设计开发了可切换气动挤出、螺杆挤出和颗粒熔融(270℃)挤出三种打印头的直写3D打印设备。通过打印不同粘度的导电油墨,证明了该工艺的高打印精度(100μm),良好的成型效果及多种导电油墨的适配能力。研究了两种导电填料(MWCNT/石墨烯)的弹性体复合打印油墨的制备工艺,分析了溶剂、乳化剂及分散工艺对导电油墨流变学特性和导电特性的影响,获得了优化的以碳基类纳米颗粒为导电填料的导电油墨的制备方法,制备的打印油墨具有良好的剪切稀化特性和电导率(<10-4S/m)。另外,通过在复合导电油墨中加入乳化剂二甘醇,使得打印油墨的弹性模量从0.06 MPa提高至0.09 MPa,提高了油墨挤出后的保形能力。其次,从模仿人体皮肤感受器材料系统出发,设计制备了Na Cl/PAM离子水凝胶,通过加入卡波姆改善了离子水凝胶的可打印性。分析了卡波姆含量对前体溶液打印性的影响,离子水凝胶粘度从卡波姆含量1%w/v时的75 Pa·s增加到4%w/v时的2852 Pa·s,并表现出同样良好的剪切稀化行为,弹性模量从1%w/v时的47 Pa提高至3%w/v时的1031 Pa。

(2)受人体皮肤表皮与真皮间模量梯度的启发,设计制备了具有多级梯度孔结构的柔性温度-压力双模传感器。双模传感器采用直写3D打印方法制作,打印材料是掺杂了造孔剂(一水柠檬酸)的多壁碳纳米管(MWCNT)/石墨烯导电复合油墨。通过优化试验,确定质量比为3.5:4的MWCNT和石墨烯纳米片添加量具有最佳的温度传感效果。通过改变打印速度进行打印纤维直径的调节,不同直径线条形成了梯度的网格孔隙结构。在打印材料中添加造孔剂,使打印线条中形成内部空隙结构。线条内孔隙和线条间的空隙形成了多级梯度孔隙结构,使压力传感器的灵敏度从0.0043 k Pa-1提高至0.57 k Pa-1。同时,线性传感范围也从0.12 MPa增加到了0.49 MPa,比多数类似传感器量程更大。多级梯度孔结构不仅提高了传感器的灵敏度,同时扩展了线性传感的范围,实现了大量程的压力传感。仿生梯度结构传感器具有高的灵敏度和宽的测试量程,使其能够分别应用于人体生理信号的监测和大压力条件下的人体载重监测。

(3)受人体皮肤中集成了拉伸和压力机械感受器的启发,设计制备了应变和压力双模仿生传感器,可实现软体机器人的多功能传感。传感器整体采用平板电容结构设计,由两个具有应变传感功能的弹性纺织物电极层和直写打印的双网络离子水凝胶中间层组成三明治结构。弹性纺织物电极层经过SWCNT/石墨烯混合液喷涂处理,产生拉伸应变时,纺织物电极层产生的电阻变化可以测试应变量。应变传感系数可达1.87,最大可测量300%的应变。受到压力时,由纺织电极和离子水凝胶介电层组成的平板电容器的电容发生变化,实现压力检测。按压过程中,电容的电极和介电层间形成双电层,能够克服纺织品电极初始电阻较大导致电容传感器灵敏度下降的问题,其压力灵敏度可达1.12 k Pa-1,较传统电容式传感器提升了636倍。由于可拉伸性、柔性和双感知能力,这种双模传感器非常适合与软体机器人集成在一起,以增加其自感知能力。作为概念性的验证,将柔性双模传感器和气动软体机械手集成,实现了对水果形状和硬度的识别;与软体爬行机器人集成,能够使其在监测自身的运动状态的同时感知周围环境。

(4)受人体皮肤感受器的触觉辨识和自适应功能的启发,运用4D打印技术制备了可调量程和灵敏度的多功能柔性传感器,能够感知压力并识别接触的物质。该传感器是采用纳米炭黑颗粒/聚乳酸复合材料和形状记忆聚氨酯材料,运用直写工艺4D打印成型的。聚氨酯材料作为基底,导电聚乳酸材料作为电极,打印在基底上并设计成叉指结构。测试范围的自调节能力来源于叉指电极结构的共面电容传感器的形状记忆(SM)能力。在形状记忆过程中,传感器在不同的临时形状下具有不同的电极高度和间距,从而使传感器的灵敏度和传感范围能够转换调节,实现了传感灵敏度从0.46-2.13的调节和量传感量程从43-103 k Pa的调节能力。通过打印共面电容还能够进行材质(玻璃、木材、橡胶等)和溶液(丙酮、乙醇、去离子水等)的识别。另外,利用聚合物熔融沉积打印过程中产生热应力,设计打印可变形传感器,实现了与复杂曲面的贴合,能够好的发挥传感作用。

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随着数据中心等系统的重要性与日俱增，原始设备制造商和运营商越来越关注设备的总体拥有成本，其中包括资本支出和运营成本。温度更低的芯片将运行得更好，寿命更长，从而长期节省成本。对于热应用来说，哪怕是一度的冷却也是一件大事。

据Fabric8Labs的产品和应用副总裁透露，“目前，数据中心有约80%的热管理解决方案使用空气冷却。约40%-50%的能量消耗用于散热。”随着芯片功能变得日益强大，很多芯片厂商和集成商已经面临接近空气冷却能力极限的挑战。液体冷却技术能为这个难题提供一种解决思路，其潜力或许会带来变革。

本文主要介绍能制造形状复杂的液体冷却装置的增材制造技术，即电化学增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing, ECAM）。

用于冷却芯片的冷却板，其中80%的体积由Gyroid填充[1]

 传统制造工艺

如今，半导体行业所依赖的冷却板和其它冷却装置通常是通过挤出成型，压铸成型或称为刨削的工艺制造而成。在后者工艺中，一块平整的金属板（通常是铜）要经过类似刨削的操作，将薄片材料剥离，弯曲成散热片（如下图所示）。所得散热鳍片的效率比前两种工艺生产的散热器的冷却能力分别会高出12%-22%和62%-74%[2]。但是，这种工艺仅限于生产直线、线条规则的散热片，而且只能在一个方向上生产，在几何形状上也受到限制。鳍片的厚度通常为原始板厚的1/3到1倍。当纵横比越低或/和鳍片越多时，整体的散热效率就越高。材料通常为经阳极氧化处理或者电镀镍的铝，以及经抗氧化处理的铜或电镀镍的铜。
此外，这类热管理装置能达到的表面积有限，所以冷却的程度也受限。

用刨削的工艺（左）[2]制造散热鳍片（右）

 电化学增材制造

3D打印不仅可以增加散热装置的表面积和获得利于散热的表面粗糙度，还是面向形状复杂的液体冷却板和热交换器的制造技术。

ECAM工艺使用电镀溶液（一种含有铜离子的水基浴液）作为原料。其精确配方与电镀生产线中的配方略有不同，但由于化学成分相同，因此原材料易得。

工作原理：ECAM并不是将材料均匀地电镀到现成的部件上，而是以局部电沉积为基础（如下图所示）。通过使用浸没在电镀溶液中的阳极阵列，根据每一层的点阵图来有选择性地激活阳极上的电流，实现局部控制，逐个像素地将溶液中的铜离子在阴极基体的精确位置上还原成原子，金属原子一个接一个地沉积成型。该工艺能产生极其精细的特征，典型的层高在10到50微米之间。打印分辨率在50微米左右。

打印速率：根据零件高度和几何形状的不同，通常只需几个小时，例如，一台打印机可以在大约三小时内生产出一批冷板，即四块。部件尺寸可达100-150毫米。

后处理：打印完成后，零件在机器内用去离子水冲洗，流出的水可回收用于补给原溶液。在许多情况下，部件从可重复使用的构建平台上取下后就完成了，但也可以根据应用需求进行电镀、钝化或机加工。

打印原理示意图，图源：Fabric8Labs

 优势

与市面上常见的基于粉末或丝材的增材制造工艺相比，ECAM有以下五大优势：

1. 设备的耗电量更低，所以打印过程更具可持续性。
2. 用作原料的电解质溶液比金属粉末更安全、更易于处理，无需全封闭或惰性气体即可进行打印。基材可以是任何材料，温度敏感的基体比如PCB，硅板，已经存在的金属部件。
3. 室温工艺给操作员提供了更高的安全性。
4. 液体原料有利于大规模生产，包括有机会从一个大型集中罐中为多台打印机提供原料，并始终保持在一定的水平。
5. 机器的设计相对简单，可实现生产线的迅速扩展。

打印件展示品，图源：Fabric8Labs

 应用

因为可以实现复杂设计的精细制造，加上可打印纯铜，所以ECAM在小型且精细的冷板、热交换器、射频天线、医疗设备和汽车应用方面将会大有可为。公司早期的重心集中在开发热和射频领域的应用上。半导体制造商和原始设备制造商选择ECAM的主要原因是，当3D打印与先进的设计和仿真软件相结合时，可以带来设计和性能方面的优势。利用拓扑优化软件生成的设计能提供复杂的结构，其表面积远远超过削片工艺。无论是空气冷却还是液体冷却，以这种方式制造的板材都有可能提供更好的热阻、控制压降并确保整个芯片的温度均匀性。

芯片本身的工作温度并不一致。但是，有了ECAM，可以将特定芯片的热图作为相关冷板设计的输入。Gyroid和其它结构可以精确地放置在需要的位置，以补偿热量，甚至可以在整个板上分级，以优化各处的性能。冷板甚至可以为每个芯片量身定制，这是传统制造技术无法实现的。

从硅到PCB的价值链仍在学习AM以及如何将AM整合到现有的供应链和生产体系中。和其它增材制造技术一样，ECAM给产品的几何形状设计赋予了极大的灵活性，例如三维天线设计，能使通信系统能够利用更宽的带宽。

随着首批纯铜热管理产品的投产，下一步该公司计划探索使用其它材料，如铜和镍合金、锡、铂、钯、钨和金。该公司还展示了使用ECAM直接在溅射铜的硅片上打印的能力，从而消除了目前在冷板和芯片之间使用热界面材料的需要。

带螺旋几何形状的射频设备[1]

 商业模式

公司的业务模式是生产零部件，而不是销售机器，并计划在2024年将20台设备扩到250台ECAM机器，并投入使用，用于在概念验证阶段大批量生产小尺寸组件。这种快速增长反映了该公司在半导体领域看到的机遇，也反映了该公司的目标，即在其所能提供的解决方案的成本基础上，与传统制造业形成直接竞争关系。

参考资料：
[1] https://www.additivemanufacturing.media/articles/with-electrochemical-additive-manufacturing-(ecam)-cooling-technology-is-advancing-by-degrees?utm_source=linkedin&utm_medium=social&utm_campaign=ecam
[2] https://www.finskiving.com/de/heat-sink-fin-skiving-technology/heat-sink-fin-skiving-technology

文章来源：洞察金属增材制造

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▲封测车间
© 感测通

感测通MEMS振镜模组通过不同的镜面尺寸扩展新的一维系列产品，可被激光雷达、工业机器人等行业和从事相关技术产品研发的公司、研究机构和大专院校等采用。

根据感测通发布的信息，在光学扫描系统中MEMS振镜相较于传统机械振镜有着如下优势：

• MEMS材料单晶硅，不会疲劳，极限应力内拥有无限使用寿命；
• 千摄氏度下没有塑性形变，不存在机械装配间隙位移或磨损，重复精度极高且稳定；
• 弹性形变，平滑无极运动，高精度控制可带来高精度分辨率；
• 半导体流片，芯片级封装，测控一体集成，体积小，可靠稳定。

苏州感测通信息科技有限公司的芯片团队，两年内研发出了一系列的MEMS振镜模组产品。

该系列MEMS振镜产品经历了导远车规级测试中心严苛的可靠性测试。各种类模组内测冲击均通过了1000G，3方向扫频振动均通过15G，85°高温老化均通过1000h测试，表现正常。

▲从左至右：模组冲击测试、模组扫频振动测试、高温老化测试

该系列二维振镜模组可进行光栅扫描。精度高，体积小，角度大。

▲从左至右：5*7mm二维振镜模组，8mm二维振镜模组，10mm二维振镜模组

二维振镜模组采用单通道驱动来满足快慢两轴同时扫描的效果，快轴由谐振信号激发谐振模态正弦扫描，慢轴可以定制频率调制信号匀速扫描，从而形成光栅扫描。

▲光栅扫描轨迹图

因为压阻反馈直接通过半导体工艺制作在振镜芯片的快慢轴扭转梁上，相比于机械振镜外加的光电或光栅外部传感器，反馈直接输出的位置信号干扰更小且不会故障。感测通提供的开发驱动板提供双轴反馈信号输出端口，二维光栅扫描下可提供的慢轴帧信号与快轴的反向时的行信号。

▲光栅扫描下的反馈信号：绿线为慢轴角度反馈信号，黄线为快轴角度反馈信号，红线为快轴反向脉冲信号

▲驱动开发板，左侧为通信控制板，右侧为驱动板

感测通新推出的一系列体积更小的一维振镜可满足更多的应用场景，镜子包含准静态和高频谐振模式，均配备对应的开发板供客户拓展应用场景。

▲从左至右：准静态8mm一维振镜，谐振8mm一维振镜，20*12mm一维振镜

感测通专注于研发和生产MEMS振镜，拥有独立的芯片自主设计能力，产业链完整，MEMS振镜加工工艺和封装工艺可控，模组成本将随着产量的增长稳步降低，为MEMS振镜规模化量产和应用提供保障。

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引线键合工艺，又称为线键合工艺，是将集成电路芯片内部的电极与外部引线连接的一种技术。其主要目的是实现集成电路与外部电路的可靠连接，确保电子产品正常运行。芯片与载板围框的互连采用金丝键合、银丝键合、铜丝键合、铝丝键合等工艺，将芯片管脚与封装框架的管脚相连接。封装后的芯片再采用焊接的方式将封装壳体上的管脚与基板上焊盘进行焊接而形成连接。因此这种连接方式凸显的问题为金属丝键合在高频（＞20GHz）场景下由于键合所形成的线路弯角会随着频率的增加而产生的寄生电感、寄生电容逐渐增大，进而产生寄生电阻将严重影响芯片在高频特性下的功能性。另外一方面这种键合方式在连接一些对温度和压力敏感的芯片时，通常会导致裸芯碎裂或者出现损伤等问题。此外封装后的芯片由于采用贴装焊接的方式，在面向针对温度敏感型基材时这种连接方式往往导致连接的可靠性变差。同时在面向超薄器件时，现有金丝键合这种方式很难降低管壳封装的厚度，难以满足这种超薄器件的应用。随着集成电路在向异质集成技术发展过程中，对于裸芯贴装后原位键合的需求日益凸显，有待寻求新的线路互联解决方案。

图1 引线键合方式示意（来源于网络）

图2 实际金丝键合场景（来源于网络）

西安瑞特三维科技有限公司开发的单孔压电喷墨技术，结合高精度墨滴观测系统，验证了采用喷墨技术芯片管脚的引线互连方案的可行性。通过点胶工艺实现芯片在基膜上的固定，在芯片四周边缘打印树脂围坝实现芯片高度与基膜高度差的过渡。采用高精度视觉定位校准后打印引线实现芯片管脚与基膜线路的互连。通过采用近红外或者激光固化等方式实现打印线路的固化，实现电连通特性。通过打印引线互连方式可以进一步增加芯片应用场景的灵活度，如针对异型构件上芯片贴装后的原位互连，避免了焊接对于耐温性较差基材的影响，同时可以对其原位进行打印树脂材料进行封装。

图3 打印芯片引线互连示例

图4 薄膜基材上芯片引线互连演示说明

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Alvier Mechatronics推出了iDS RX 牵引电机，采用基于 SMC 的定子设计，由 Alvier Mechatronics 使用 Höganäs AB 的新型粉末基软磁复合材料 (SMC) 进行设计。通过与Additive Drives合作，将3D打印发夹设计应用到这款采用 SMC 定子铁芯的创新电机中。使用SMC材料的定子铁芯可显着减少二氧化碳排放量，并具有出色的批量生产自动化潜力。

3D打印电机绕组
© Additive Drives

Additive Drives的3D 打印电动汽车电机：功率密度可进一步提高 45%，设计自由度更高，上市时间更快！

 iDS RX 牵引电机的诞生

设计和优化：一旦确定了最佳候选机器，Alvier Mechatronics就会进行更详细的热和机械分析。同时，在CAD中进行设计和建模，通常使用 Creo 或 Solid Works建模软件。在电磁方面，详细分析可以包括退磁分析、趋肤损耗和邻近损耗分析，Alvier Mechatronics提供效率和性能的优化。

验证和测试：Alvier Mechatronics采用组装好的电机原型并进行测试和验证。从几何尺寸、相电阻、相电感和绝缘测试等基本观察开始，然后通过 BEMF 和静态扭矩测试来进行表征，最后，经过全面测试，以验证峰值和连续性能以及效率。

从车辆驾驶循环规范开始，Alvier Mechatronics定义了电机、逆变器和变速器组合的设计空间，并使用电气化动力总成优化流程 (ePOP) 生成和评估这些组合，结合应用成本、可持续性、重量和效率等指标来确定将开发哪种机器和系统组合作为原型。

根据3D科学谷，让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。目前主要有四种途径加工铜金属，一种是PBF金属3D打印技术类别中的EBM电子束熔化金属3D打印技术；一种是PBF金属3D打印技术类别中的L-PBF激光选区熔化金属3D打印；一种是BJ粘结剂喷射金属3D打印；第四种是FDM挤出式3D打印，不过根据3D科学谷的市场研究，当前FDM挤出式3D打印铜合金的电导率还不足以满足电机的应用。在这方面，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术。

© 3D科学谷白皮书

在该项目中，Alvier Mechatronics 和 Additive Drives 联手将3D打印发夹设计应用到采用 SMC 定子铁芯的创新电机中。使用 SMC 材料的定子铁芯可显着减少二氧化碳排放量，并具有出色的批量生产自动化潜力。

 不仅仅是绕组

根据3D科学谷，3D打印-增材制造电机（EM）似乎只是时间问题。预测在未来几年内原型拓扑优化电机组件的3D打印将急剧增加，最有可能集中在3D打印机器绕组、热交换器和同步转子上。

与传统制造相比，使用 3D 打印电机有哪些优势？

l 设计自由

很简单，卓越的设计意味着卓越的电机。3D 打印使得能够测试和增强重要的属性，例如热性能、绕组拓扑、绝缘材料等。最终，与传统制造相比，功率密度可提高 45%。

l 快速上市并降低单位成本

无论是轴向磁通电机还是磁通电机，通过 3D 打印，还可以提供任意数量的定制电动机。尤其是对于要求高但数量少的电机制造来说，3D打印让设计与制造变得简单。

轴向、径向磁通电机
© 3D科学谷白皮书

创新的材料也非常重要，根据3D科学谷的市场了解，Additive Drives与材料制造商大金化学建立了战略合作伙伴关系，开发 PFA 等初级绝缘材料，并且即将推出更多初级绝缘材料，以实现更薄的绝缘材料、更好的油相容性和更长的使用寿命，从而提高电机的效率。

© 3D科学谷白皮书

Additive Drives还在设计新的电线技术，包括专利 NextPin 技术，该技术可显着降低交流损耗。其背后的理念是一种创新的导体技术， 例如，通过在汽车中使用 NextPin 技术，长途旅行可节省高达 50% 的能源。

为了处理 NVH（电机振动噪声），优化定子接线并创建正弦气隙场非常重要。这种电路背后的努力通常与传统生产中的高成本相关。在这方面，3D科学谷了解到Additive Drives的创新流程可以轻松解决这个问题。减少 NVH 问题不仅可以降低噪音水平，还可以提高使用寿命和效率。

转子和定子是电机应用的重要零件,国内方面，2023年TCT 亚洲展期间，铂力特展示了新方案六激光金属3D打印设备BLT-S400制造的满版转子定子。单件转子尺寸为39mm×39mm×20mm，单件定子尺寸为46mm×46mm×20mm，满版可成形27个转子和27个定子。3D打印的转子定子一致性高，在保证成形效率的同时兼顾成形质量。

此外，3D打印电机外壳是有意义的，因为特殊的几何形状有助于优化冷却，通常使用铝合金。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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 磁性材料3D打印，未来已来！

通过欧盟资助的 SOMA 项目，有机硅材料专家埃肯与研究合作伙伴和客户合作，开发了一种新型专用铁硅粉末，可以更高效地 3D 打印电机组件。SOMA 项目于 2021 年 1 月启动，为期 3 年，得到了 EIT Raw Materials 的支持，该项目由欧盟资助，项目总预算略高于 560 万欧元。

3D打印软磁合金
© Elkem

根据Additive Drives，3D 打印电动汽车电机：功率密度可进一步提高 45%，设计自由度更高，上市时间更快！

3D科学谷表示，3D打印-增材制造电机（EM）似乎只是时间问题。预测在未来几年内原型拓扑优化电机组件的3D打印将急剧增加，最有可能集中在3D打印机器绕组、热交换器和同步转子上。

 改变汽车零件制造

据称这是一个有潜力改变汽车零部件制造的项目，埃肯成功地创造了一种基于硅钢的具有良好3D打印适用性的新型特种粉末。3D 打印组件显示出增强的灵活性和具有竞争力的磁性。

磁芯是一种具有高磁导率的片状磁性材料。它们通常被用于各式电气系统和机器中的磁场引导，包括电磁铁、变压器、电机、发电机、电感器和其他磁性组件。至今，由于磁芯效率较难保持，所以磁芯的3D打印问题一直是个挑战。

© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷，具有电磁特性金属的增材制造是一个新兴研究领域。一些电机研发团队正在开发和集成自己的3D打印组件并将其应用到系统中，设计自由是创新的关键之一。

举个例子，具有磁性和电气特性的3D打印功能性复杂部件能为定制的嵌入式电机、执行器、电路及变速箱铺平道路。这样的机器可以在数字化的制造设备中生产，只需较少的装配与后处理等，因为许多部件都是3D打印。但碍于种种原因，3D打印大型复杂电机部件这一愿景并未实现。主要是因为设备方面有某些需要达到具有挑战性的要求，例如用于提高功率密度的小气隙等，多材料组件的问题更不用说了。

因此到目前为止，研究主要集中在更“基本”的部件上，如3D打印软磁转子，铜线圈和氧化铝导热器。当然软磁芯也是重点之一，但在3D打印过程中最需要解决的障碍是怎样最大限度地减少磁芯损耗。

此前，科研人员发现基于激光的金属增材制造是一种可行的3D打印电机磁芯材料方法。在今后的研究工作中，科研人员打算表征零件的微观结构，以了解晶粒尺寸和晶粒取向，以及它们对磁导率和强度的影响。研究人员还将进一步研究优化3D打印核心几何形状的方法，以提高性能。

 良好的磁性材料

根据粉体圈《“第四代软磁材料”：软磁粉芯应用选择指南》，作为电力电子功率变换设备中的关键性材料，软磁材料是一类具有良好磁性能的材料，它们在外加磁场的作用下能够达到饱和磁化状态，并且在去除外部磁场后能够迅速失去磁性，可用于实现电能的变化与传输。随着电子行业的快速发展，新型电力电子设备及器件体积减小，根据粉体圈的报道，对软磁材料的主要性能指标也提出了具体要求：

1、高饱和磁化强度：以保证磁性元件具有较小的体积

2、高的磁导率和较低的矫顽力：以保证磁性元件单位体积的高储能和对外界具有灵敏的响应。

3、磁性能稳定性好：包括频率稳定性、热稳定性和时间稳定性，确保设备的可靠性

4、低功率损耗 ：降低设备的功率损耗，并避免因元器件发热引起的额外损耗和故障

在 SOMA 项目（软磁合金增材制造电动汽车轻量化解决方案）中，埃肯与项目合作伙伴 VTT（作为协调者）、西门子、Stellantis 和 Gemmate Technologies 一起开发了用于3D打印的软磁合金新材料。

© 3D科学谷白皮书

这种粉末被称为软磁，这意味着它很容易磁化和消磁，这对于电动机来说很重要。该粉末已用于 3D 打印组件，以评估演示设备的质量和制造，3D打印和零件鉴定已在芬兰VTT和德国西门子进行。

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无独有偶，SWISSto12 正在与法国泰雷兹集团(THALES)合作为机载、陆地和海上平台开发有源电子可操纵天线 (AESA)。

根据3D科学谷，3D打印正在改变天线的制造方式，提高天线的性能，是3D打印正在改变天线制造的一大颇为“接地气”的商业逻辑。目前3D打印天线的材料种类繁多，大致包括混合材料（金属油墨与非导电材料的混合等等），陶瓷，金属材料。在3D科学谷看来，3D打印在天线制造方面具有两大技术逻辑：3D打印实现更复杂更精致的结构提升天线性能；3D打印实现轻量化、结构一体化的天线结构更节约材料与空间占用、更紧凑。

3D打印天线
© 3D科学谷白皮书

 超简单的集成

SWISSto12是一家总部位于瑞士的增材制造卫星、天线和射频 (RF) 系统产品供应商，有源电子可操纵天线是一个天线元件阵列，可以电子方式转向各个方向上的任何点，而无需物理移动天线。有源电子可操纵天线 (AESA) 可以产生以大仰角扫描的光束，此功能可轻松集成到船舶、陆地车辆或飞机中的平面阵列天线系统。

3D打印天线
© SWISSto12

低地球轨道（LEO）卫星系统天线必须在非常宽的视场范围内控制波束。这一要求对阵列元素施加了严格的限制，而以前必须使用有损辩证法来生成阵列元素。利用SWISSto12专有的3D打印技术，采用波导技术设计和制造电气小型阵列元件，具有无与伦比的低损耗。该阵列可包含多达 500 多个双偏振元件（喇叭、OMT 偏振器、滤光片），并确保了超简单的集成，这种3D打印的天线特别适合卫星星座。

3D打印天线
© SWISSto12

SWISSto12 的有源电子可操纵天线 (AESA)利用增材制造的微型喇叭天线作为传统贴片天线的替代品。与贴片天线相比，这些AM 增材制造的天线孔径可提供更高的效率和卓越的整体性能，这些特性对于保持 AESA天线的广角扫描能力至关重要。

SWISSto12 的增材制造天线安装在泰雷兹提供的平面波束形成器上。据报道，这些波束形成器使用最新的波束形成集成电路（BFIC）和创新的专利互连解决方案。

新的AESA有源电子可操纵天线产品将利用尺寸、重量和功耗 (SWaP) 方面的改进，从 Ka 频段卫星通信开始，并在不久的未来实现在一根天线中跨Ku 和 Ka 频段的联合操作。这种新型AESA使用SWISSto12独特的3D打印天线技术，将为跨机载、海军和陆地平台的移动卫星通信用户带来突破。

 实现具有竞争力的批量生产

通过与 SWISSto12 的合作，泰雷兹能够扩展其射频功率放大器和波束成形解决方案产品组合。此次合作的结果将是卫星通信移动应用的新解决方案，泰雷兹将把其在制造设计和成本设计方面的技能应用于电子组件，以实现具有竞争力的批量生产。这些紧凑型AESA有源电子可操纵天线产品将为SWISSto12和泰雷兹提供各种市场的机会。

GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段的弹导弹，该型卫星的载荷约450 kg，3D科学谷了解到SWISSto12即将推出的GEO卫星天线将需要大于 2 平方米的阵列。为了实现这一点，SWISSto12 对大型阵列采用模块化方法。SWISSto12 的模块非常轻（比传统天线轻 5 倍），需要最少的组装，并且还简化了与航天器的集成。其他优势包括一流的射频性能、极低的插入损耗、增强的有效负载机械性能、包含热管理功能的能力以及阵列形状的设计自由度，设计范围涵盖 X 频段到Q频段。

3D打印GEO卫星天线
© SWISSto12

3D打印GEO卫星天线
© SWISSto12

此外，根据3D科学谷的市场观察，SWISSto12 的突破性 3D 打印技术将有助于提高有效载荷性能、简化制造流程并减少构建时间和生产成本。SWISSto12已发展成为新的卫星主承包商，并建立了欧洲供应链。2023年，SWISSto12 还获得了瑞银集团为其HummingSat 蜂鸟卫星业务提供的2500 万瑞士法郎（2615 万欧元）的营运资金融资，HummingSat蜂鸟卫星业务预计将为参与该计划的欧洲和加拿大国家带来非凡的投资回报。

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