劉安吉 李林福

摘 要 伴隨著5G時(shí)代的到來(lái)，3D打印技術(shù)被越來(lái)越多的人知曉和接受，在很多工程實(shí)踐中該項(xiàng)技術(shù)也獲得了運(yùn)用。對(duì)于3D打印技術(shù)的相關(guān)研究也獲得了國(guó)家的大力支持，很多研究單位和高校都設(shè)有單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究。本文分析了3D打印技術(shù)面臨的問(wèn)題、主要優(yōu)勢(shì)、現(xiàn)階段取得的成就，進(jìn)一步探討了3D打印技術(shù)在電子信息類學(xué)科在專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 3D打印;電子信息;實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

引言

近年來(lái)，隨著檢測(cè)手段和檢測(cè)儀器以及新材料研究技術(shù)的突破發(fā)展，促進(jìn)了3D打印技術(shù)的極大進(jìn)步。3D打印技術(shù)在研究領(lǐng)域和生產(chǎn)生活中得到重視，3D打印技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展沉淀，憑借著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸被大多數(shù)人所接受，在各大媒體版面上也持續(xù)占領(lǐng)著一席之地。3D打印技術(shù)在電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)方面也體現(xiàn)出了其高精度、高效率、高品質(zhì)的生產(chǎn)方式的同時(shí)又節(jié)約了設(shè)計(jì)和制造成本。3D打印技術(shù)融入電子信息設(shè)計(jì)領(lǐng)域，無(wú)疑改變了漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期和流程。在平時(shí)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室里損壞的部分元器件，可以通過(guò)掃描構(gòu)建損壞的電子元件的3D視圖模型，再憑借構(gòu)建好的數(shù)字化模型進(jìn)行3D打印，及時(shí)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)元件的缺損，同時(shí)3D打印技術(shù)也為電子器件的設(shè)計(jì)提供了更多樣的選擇。

13D打印的主要優(yōu)勢(shì)

1.1 材料利用率高

由于3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)屬于“增材制造”的過(guò)程，所以材料的利用率很高。舉一個(gè)常見(jiàn)的例子，雕刻技術(shù)就是一種典型的“減材制造”。它將材料進(jìn)行切割削減和打磨，材料是逐漸減少的，最后的成品最大的特點(diǎn)就是十分精細(xì)。但越精細(xì)的產(chǎn)品，由于屬于“減材制造”的原因，制造過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄材料也越多。而3D打印憑借其“增材制造”的優(yōu)勢(shì)，使得產(chǎn)品在制造的過(guò)程中很少產(chǎn)生廢棄材料，與此同時(shí)制作出來(lái)的成品依然保證了“減材制造”的精細(xì)化。

1.2 滿足個(gè)性化需求

在生活中買到的商品除了設(shè)計(jì)師本人之外，總有讓用戶不滿意的地方。在生產(chǎn)中有些元件的使用中會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣那樣的問(wèn)題，但由于重新設(shè)計(jì)模具十分困難，即使發(fā)現(xiàn)問(wèn)題也難于修改。而有了3D打印機(jī)后，用戶就可以根據(jù)自己的想法和思路，進(jìn)行商品和元件的模型設(shè)計(jì)，不滿意的話還可以多次修改。既鍛煉了用戶創(chuàng)新能力，又讓人們都體驗(yàn)到了自己設(shè)計(jì)的東西呈現(xiàn)在眼前的快樂(lè)，同時(shí)更方便驗(yàn)證想法的可行性。

1.3 減少產(chǎn)品制造的流程

一般的產(chǎn)品制造完成，需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、開模、加工、再加工等一系列煩瑣的步驟。而3D打印能夠做到在設(shè)計(jì)完成之后，一步成形，無(wú)須多次加工，減少了后續(xù)的工作量，節(jié)約了成型時(shí)間和人工成本的同時(shí)，避免了煩瑣的后期加工引起的一系列問(wèn)題，特別適合某些要求高精尖技術(shù)的行業(yè)，比如航天、軍工行業(yè)、核電領(lǐng)域等。

2目前3D打印技術(shù)存在的問(wèn)題

3D打印有著不可估量的前景，從近幾年來(lái)國(guó)家對(duì)3D打印技術(shù)的投入和關(guān)注度來(lái)看3D打印當(dāng)前正處于一個(gè)快速發(fā)展的階段，3D打印缺乏的是技術(shù)以及材料上的突破。隨著3D打印所存在問(wèn)題的逐步獲得解決，3D打印技術(shù)也迎來(lái)了再一次發(fā)展的高潮，但是目前來(lái)看3D打印技術(shù)仍有一些問(wèn)題需要解決[1]。

2.1 材料問(wèn)題

3D打印無(wú)論在世界上哪個(gè)國(guó)家發(fā)展和應(yīng)用，面臨的首要問(wèn)題都是材料問(wèn)題。這也是普遍存在的一個(gè)難點(diǎn)。到現(xiàn)在為止，雖然加工和制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分完善了，但是相對(duì)而言，各種工藝制造所能夠加工的材料種類仍然非常少，特別的是一些特殊材料加工難度大，還有部分材料本身需要處理的技術(shù)比較復(fù)雜。例如PEEK材料，是目前在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用前景比較廣闊的，可惜只有少數(shù)的廠家能做這種材料的加工處理。除此之外還有很多高要求的企業(yè)上需要用到的特殊材料，有些因?yàn)槠湓谧匀唤缰斜容^稀有，或者對(duì)材料進(jìn)行處理時(shí)需到達(dá)到很苛刻的要求，甚至需要經(jīng)過(guò)很多次高標(biāo)準(zhǔn)的加工才能符合生產(chǎn)制造的需求。

2.2 實(shí)用性有待提高

就現(xiàn)階段來(lái)看，3D打印技術(shù)在學(xué)校研究院所和一些專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)比較常見(jiàn)，對(duì)與設(shè)備生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)都是小范圍小批量生產(chǎn)，機(jī)器制造量較少;并且3D打印技術(shù)目前主要體現(xiàn)在設(shè)備制造方面，材料的制造與軟件設(shè)計(jì)等還缺乏相對(duì)齊全的配備[2]。對(duì)于一部分設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品，由于材料和精度的限制，通常只能夠打印部分零件或者配件的模型，比較難實(shí)現(xiàn)原本的機(jī)器部件所具有的全部功能。這就極大影響了3D打印產(chǎn)品的實(shí)用性，因此這一技術(shù)模式下的產(chǎn)品實(shí)用性有待進(jìn)一步提高。

2.3 打印效率需要提高

目前技術(shù)水平而言，普通的3D打印機(jī)在面對(duì)大規(guī)模加工時(shí)的效率較低，即使是一個(gè)尺寸只有幾厘米的小零件，要實(shí)現(xiàn)高精度的打印，也要花費(fèi)好幾個(gè)小時(shí)才能打印出來(lái)，與傳統(tǒng)的加工方式相比存在明顯的劣勢(shì)，因此3D打印技術(shù)很多時(shí)候常用于制作模型。由于技術(shù)水平的限制，目前速度快的3D打印機(jī)價(jià)格十分昂貴，一般普通高校實(shí)驗(yàn)室和規(guī)模不大的小型加工企業(yè)無(wú)法承擔(dān)其昂貴的使用成本。因此提高打印效率，高速高精度的3D打印技術(shù)發(fā)展十分必要。

33D打印在電子信息實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

除了常規(guī)廣泛的3D打印骨科植入體、人體器官（心臟）、血管等一系列應(yīng)用于醫(yī)藥學(xué)中的3D打印的應(yīng)用，憑借3D打印能夠在工業(yè)制造實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)，隨著該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)大眾關(guān)心的一系列精度、成本問(wèn)題得到解決，3D打印的性能將會(huì)得到大幅度提升。作為新興且具有一定優(yōu)勢(shì)的一項(xiàng)制造技術(shù)，它就必然能夠?yàn)榻窈蟮闹圃鞓I(yè)帶來(lái)一波強(qiáng)烈的沖擊，在電子信息實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用只是其多種應(yīng)用領(lǐng)域中一方面的體現(xiàn)。

3.1 修復(fù)損壞零件

從技術(shù)上來(lái)看，經(jīng)過(guò)最近幾年的發(fā)展，在全球市場(chǎng)上，3D打印已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，金屬及其更多的工程塑料等3D打印材料被研發(fā)出來(lái)。當(dāng)面對(duì)電子信息實(shí)驗(yàn)室中，各種材料組成的損壞元器件時(shí)，想要制造出一模一樣的元件，只需要準(zhǔn)備好原材料就可以利用3D打印機(jī)的逆向工程技術(shù)制造出來(lái)。

例如在電子信息的實(shí)驗(yàn)室中，由于做實(shí)驗(yàn)學(xué)生多，元件損耗較大。特別是使用不當(dāng)、電路問(wèn)題等原因?qū)е碌脑骷p壞較多，而實(shí)驗(yàn)室中大大小小各式各樣因不同原因而壞掉的實(shí)驗(yàn)箱，有的版本老舊修復(fù)不容易，全部換新又成本太高。這時(shí)有了3D打印機(jī)就可以通過(guò)3D打印的逆向思維，把壞掉的電子元件的3D視圖模型構(gòu)建出來(lái)，再憑借構(gòu)建好的數(shù)字化模型進(jìn)行3D打印，實(shí)現(xiàn)部分元件的修復(fù)。

3.2 打印設(shè)計(jì)電路

3D打印技術(shù)在解決了諸多問(wèn)題與創(chuàng)造了諸多有利因素的條件下，正在朝著大規(guī)模制造和小眾零件的制造發(fā)展。對(duì)于眾多發(fā)燒友及電子專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，電路板的設(shè)計(jì)是電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)并重要的部分，每一種關(guān)于電子的設(shè)備都會(huì)使用到電路板。以前的生產(chǎn)方式，通常是要經(jīng)過(guò)一系列的技術(shù)處理，如高溫銅膜蒸鍍、化學(xué)試劑蝕刻等。耗費(fèi)的人力物力財(cái)力都較大。對(duì)于剛接觸3D打印的人來(lái)說(shuō)，會(huì)認(rèn)為3D打印機(jī)只能打印出一些工藝品和生活中常見(jiàn)的物品。實(shí)際上3D打印技術(shù)除了可以打印一般的日常所見(jiàn)之物，還可以打印PCB。中國(guó)在這方面已經(jīng)有了先進(jìn)的技術(shù)，北京夢(mèng)之墨便是其中的代表。夢(mèng)之墨是一種液態(tài)金屬墨水，墨水可以導(dǎo)電，置入3D打印機(jī)中，便可精確地把PCB打印出來(lái)[3]。此項(xiàng)技術(shù)打破了電子制造技術(shù)的瓶頸和壁壘，使打印機(jī)在低成本下快速、隨意地制作電子電路。為電路設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。有了3D打印，實(shí)驗(yàn)室里所用到的電路板都可以快速高效打印出來(lái)，并且保證了成品的精度。另外電子信息實(shí)驗(yàn)室中的電路板因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)的功能多樣而電路板也隨著變化。當(dāng)電路需要改動(dòng)時(shí)只需要對(duì)軟件中建立的數(shù)字模型進(jìn)行更改，就可以在最短的時(shí)間內(nèi)打印出成品。這解決了學(xué)生通過(guò)手動(dòng)焊接電路板的安全問(wèn)題和美觀問(wèn)題，并且大大節(jié)約了時(shí)間。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，3D打印技術(shù)的發(fā)展雖然有一些制約因素，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們終將解決這些問(wèn)題，這一技術(shù)正朝著滿足精密精細(xì)儀器制造和小眾個(gè)性化產(chǎn)品制造的方向發(fā)展。3D打印技術(shù)在電子信息實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也越來(lái)越便捷和廣泛，為電路設(shè)計(jì)乃至芯片設(shè)計(jì)提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)支撐，加強(qiáng)3D打印技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，十分有利于促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)和電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃天鳳.國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（18）：149.

[2] 王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（1）：90-93.

[3] Graham，Warwick.打破3D打印技術(shù)發(fā)展壁壘[J].國(guó)際航空，2014（1）：25.

作者簡(jiǎn)介

劉安吉（1998-），女，貴州興義人;畢業(yè)院校：貴州民族大學(xué)，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：貴州民族大學(xué)，研究方向：電路設(shè)計(jì)與數(shù)字信號(hào)處理。