专家论点：多材料3D和4D打印在增材电子领域的市场和行业潜力

增材制造利用基于计算机的软件，通过将介电材料或导电材料逐层沉积成不同的几何形状来创建产品组件。自 20 世纪 80 年代诞生以来，用于增材制造的 3D 打印技术已成为一项革命性技术。几十年来，3D 打印在众多应用中颠覆了传统的工业生产理念（例如通过机械加工、铣削、雕刻或其他方式去除材料）。

△3D打印的历史。图片由Yang Yang和Manos Tentzeris提供。

4D打印是一项新技术，它除了高度、宽度和深度之外，还引入了额外的维度——时间——来将打印的原型从一种形态自动转换为另一种形态。虽然4D打印技术近年来才进入电气和电子工程领域，但它已在软体机器人、执行器、生物传感器和电磁幻觉等领域率先应用。产品开发人员已经抓住了这项技术前所未有的灵活性、可扩展性和其他优势。例如，4D打印创造性地结合了艺术和折纸的理念，催生了第一代可变形、可改变形状的电子产品，其工作频率高于5G。

在21世纪，利用3D和4D打印技术的增材制造正在发展成为一门跨学科技术，材料科学、自动化以及电气和电子工程领域的科学家和工程师们为此做出了贡献。如今，增材制造电子产品(AME) 能够实现复杂的电子元件设计，并具有快速原型设计、低入门成本和内部小批量生产等显著优势。这些特性使 AME 成为各种组织（包括初创公司以及其他对保密性和加速创新要求极高的公司）的技术和商业突破。

事实上，在第四次工业革命的早期，增材制造已经获得了多个行业工程师的广泛认可，被认为在满足工业 4.0 集成创新技术和电子系统的特殊要求方面发挥了重要作用。

△多材料 AME 设计流程图。图片由 Yang Yang 和 Manos Tentzeris 提供。

超越传统的减材制造

减材制造已在数十年中确立了其地位，并将继续在标准配置的工程设计中发挥重要作用。然而，增材制造则带来了全新的架构类型，而这些架构此前在实际应用中是无法实现的。因此，增材制造在柔性混合电子产品等未来设计领域日益受到青睐也就不足为奇了。

这种颠覆性的思维模式赋予工程师自由，让他们能够以真正的3D布局设计电子设备。原型构建后，逐层推进制造。以往受限于印刷电路板或特定基材，如今工程师们利用增材制造技术，将电子元件沉积在任何可能的材料上（纸张、塑料、木材、织物等）。设计师可以同时集成多种材料，无需后处理即可创建结构。

△杨洋，澳大利亚悉尼科技大学电气与数据工程学院副教授，IEEE高级会员，IEEE论文集“多材料3D和4D打印增材制造电子元件”特刊的客座编辑。研究方向为新兴的增材制造技术和射频 (RF) 材料，以推进3D打印天线和射频电路的发展，并利用5G技术为航天领域赋能。图片由悉尼科技大学提供

这使得增材制造方法成为实现设备小型化和电路定制等产品开发目标的理想选择。用于智能皮肤、数字孪生和精准农业的强大微型传感器（甚至可能融入可生物降解材料）只是增材制造所释放的诸多可能性中的几个例子。减材制造技术可能会导致此类设备（尤其是那些需要微尺度制造公差的设备）制造成本过高，并容易出现对准问题。然而，一台多材料增材制造设备可以避免复杂的电子设备制造程序。

此外，增材制造还具有按需打印（从而可能实现零材料浪费）和小批量生产设计定制的优点。从这个意义上讲，增材制造也极其环保，这在那些出于监管、竞争、道德或其他原因而越来越重视消除浪费的行业中更具吸引力。

能力创新，下一步要克服的挑战

多材料3D打印有着约50年的悠久发展历史，但直到本世纪初，3D打印才首次应用于电子元件原型制作。而仅仅在过去的两三年里，它就取得了以下进展：

(1)   打印机功能的显著、关键改进（例如，在多功能融合和无线模块等领域）；

(2)   宽带应用激增（5G、5G+和6G）；

(3)   多材料增材制造及其电子应用的重大进步（从实验室概念到工业产品）；

此类能力创新的结果是，如今的3D打印技术降低了制造工作频率高达至少150 GHz的设备的成本，并且首次实现了完全3D制造（超越了使用减材制造的准3D/2.5D）。随着技术的进步，业界正在应用3D打印技术来构建各种各样的实用产品，例如立方体卫星和生物医学设备。

4D打印是增材制造领域的最新创新，为产品设计带来了几乎无限的可重构性。定制化可以即时进行，工程师可以自由地尝试以前无法实现的概念和设计（例如空心球体、独特的曲线、稀疏或密集的梯度材料以及其他受折纸影响的形状）。此外，4D打印显然将直接推动人工智能（AI）在AME工业流程中的更广泛应用。鉴于这些因素，可以说4D打印是AME发展中工程与艺术的结合。

应用领域广阔，市场潜力无限

作为一项新技术，AME 仍面临诸多挑战，亟待持续解决。AME 代表着化学与材料工程、电气与电子工程以及机械与机电一体化工程等学科的未来研究方向。导电材料打印、多材料集成打印、材料界面粘附、打印分辨率和精度以及软件设计工具是工业界和学术界亟待研发的关键领域。

△Manos Tentzeris，佐治亚理工学院天线系 Ed and Pat Joy 讲座教授，电气电子工程师学会(IEEE) 院士，ATHENA 研究小组的负责人，IEEE 论文集“多材料 3D 和 4D 打印增材制造电子元件”特刊的客座编辑。Tentzeris教授建立了多项学术项目，涵盖 3D/喷墨打印射频电子器件及模块、折纸和变形电磁学、基于陶瓷和有机柔性材料的射频和无线应用高集成度/多层封装，以及用于射频、无线传感器、能量回收和无线功率传输 (WPT) 的纳米结构。图片由佐治亚理工学院提供

尽管如此，越来越多工业应用领域的工程师已经开始倾向于采用增材制造方法。AME 组件将广泛应用于移动应用，包括个人医疗保健、设备间通信、无人驾驶车辆的雷达传感以及智能交通系统。天线阵列、能量收集器和射频 (RF) 模块可以进行原型设计，并拥有几乎无限的可重构状态。结合人工智能和机器学习算法，4D 打印可以使射频结构能够实时重构，甚至像《变形金刚》中那样适应不断变化的环境场景。

增材制造还与柔性混合电子、大规模MIMO（多输入多输出）、纳米技术传感以及异构集成与封装等颠覆性技术完全兼容。它有望彻底改变可重构智能表面、大面积电子器件、物联网 (IoT)、智能可穿戴设备和植入式设备以及智能制造等领域。

预计各工业领域日益增长的需求将进一步推动市场以相当快的速度增长。作为一种新兴的创新技术和生产系统，AME 利用多材料 3D 和 4D 打印技术，有望彻底颠覆电子制造的价值链。