3D打印技术在电子设备行业的应用

3D打印技术在电子设备行业的应用
作者：朱安超
来源：《无线互联科技》2015年第12期
摘要：3D打印是最近几年开始流行的，以成形速度快为特点的打印新技术，最基本的组成元件，就是数字模型，能够按照实物本身的特点和结构，进行分层次的打印，最终形成实际产品，这项技术涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个学科领域。

在电子设备行业中，
3D打印技术也得到了广泛的应用，文章将对3D打印技术进行简单介绍，并对3D技术在电子设备行业中所发挥的作用和应用进行简单探讨。

关键字：3D打印技术；电子设备
1 引言
3D打印技术是基于增材制造法原理的一种高新技术，是快速成形技术的延续与发展，也是数字制造技术发展的典型产物。

实现3D打印技术的关键是3D打印机和3D打印自由成形工艺。

3D打印机用微喷射式喷头来配送和操控成形材料，按照预定的工件CAD模型，将材料一层层地逐步喷射于工作台上，最终堆积为3D工件。

3D打印这项技术，集合了多个学科，包括CAD、分层制造、数控、材料等等，还有逆向工程、机械工程、激光的加入，所以才能够在非常迅速的时间内，将设计思维转变成实物元件或是成品，同时，3D技术成本并不高，这也是投入市场的最大优势。

这种技术不受产品结构和形状的限制的，任何复杂的造型和结构，只要有CAD数据，都可以轻松完成，这样就给个性化、定制化提供了可能性；而且使用3D打印技术，是不需要开模具的，实现了无模化制造，可使新产品研制的成本下降为传统方式的1/3-1/5，周期缩短为1/5-1/10。

再加上3D打印设备大部分可以实现无人值守、24小时不间断加工，也就为厂商节约了人工成本，提高了生产效率。

由此可见研究3D打印技术具有重要的现实意义。

2 3D打印技术概述
2.1 发展历程
3D打印技术起源于20世纪80年代，经过30多年的演变和发展，如今已然成为产品产业化发展中的重要应用技术。

3D打印技术作为一种近些年发展起来的新兴技术，正在以迅猛的发展速度占领产业链中的主导地位。

这种技术是通过应用物理层逐层的叠加材料从而形成三维模型的实体展现技术，这种技术应用了数字建模技术、机电控制技术、计算机科学技术、材料科学与化学技术等多方面前沿科学技术知识，有极高的技术含量。

在当今技术高速运转的今天，企业的建设与发展必然脱离不开先进技术的应用，企业产品的生产周期的缩短是提高产业生产率的重要条件，企业之间的竞争不仅仅是产品质量以及制造成本上的竞争，更主要的竞争
是产品生产效率上的竞争角逐，通过应用3D打印技术将产品设计构造模型展现出来，以便加快产品设计的完成从而加快产品的生产制造，以此来缩短产品生产周期从而增强企业的综合竞争实力。

3D打印技术具有易用性高、工艺周期短且精度高、费用陈本低等优点因而备受欢迎。

前文提到了其技术基础是数字模型，实践过程中将产品原生形态，如金属粉末、塑料材质，这类具有粘合性的原材料可以进行分层的打印制造，从而叠加成产品模型形状，3D打印技术实质上就是产品在短时期内被制造出来的现代方式。

其技术组成有熔融沉积成型技术、快速成型技术，还有选择性激光烧结技术以及光敏固化成型技术。

2.2 3D打印的特点
与普通的打印方式不同的是，3D技术并不使用过多的工具，既不需要刀具、夹具，制造过程也相对简单，即便是要制造的元件非常精密和复杂，也可以以三维设计为基础，利用电子设备，快速而准确地复制出成品。

这也是“自由制造”宣传标语的来源。

原来需要长期、专业的制造业，如今被分层技术所替代，极大地提高了生产效率。

另一个特点就是，3D打印的目标并非大型实物，而是较为精密的小体积产品，所以很多新兴产业愿意使用这种低成本、高效率的技术，短短20年，该打印技术就取得了长足的进步。

3D打印技术原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。

其发展和推广得到了市场的迅速认可，很快就覆盖了国计民生的各行各业，逐渐形成了以工艺创新、装备研发、原材料、元器件、应用推广等相融合的3D 打印产业。

3 电子设备行业中对3D打印技术的运用
在电子设备行业中，产品的结构设计过程中常常会应用到3D打印技术，通过3D打印技术将产品的结构快速生产出来，以便进行后期的各种测试验证。

产品的快速生成能够减少产品的生产周期，从而加快产品的生产效率。

3.1 电子设备中的应用
众所周知电子设备行业中的电子设备系统设计极为复杂，因此需要各种仿真技术和前期的样机测试来提高产品的设计效率、降低产品研发后期的质量性能风险。

3D打印最常见和最简便的应用是加工产品样机。

虽然目前还不能使用3D打印机来打印整个产品（实际上，使用
3D打印技术直接打印整个电子设备的可能性几近于零，因为电子设备构造复杂，从外壳到到内部的电路板及其各种电子芯片，层层关卡，困难重重），但电子设备上越来越多的结构类零部件将能够实现3D打印，例如，各种各样的塑胶外壳，金属外壳，以及各种安装附件等等。

3.2 在设备生产中的应用
在社会经济高速发展的今天，电子设备行业的市场竞争极为残酷，各家厂商为了在市场上立足，_直都在争取能够相对较快的推出新品，以求领先对手一步。

但是在投放市场之前，电
子设备的各种测试和验证工作受各方面因素的影响，并不能无限压缩，所需的时间是接近刚性的。

为了快速开发，前期样机的生产时间如果能够大幅压缩无疑是非常有利的。

所以，3D打印技术在这个阶段得到了充分的应用。

各种塑胶和金属零件如果使用传统工艺，需要开模生产，而在开发初期的样机阶段就投入大量资金用于模具开发是十分不利的，因为产品的散热、EMC等方面都可能会影响最终的零件形态。

而3D打印这种快速成型的生产技术正好可以满足样机的生产需求，以最快的速度加工出产品样机中的一些关键结构类零件，从而可以组装出完整的样机。

除进行前期的外观效果验证、评审之外，还可以在此基础上进行散热、EMC、可装配性、可使用性以及其他相关的各种可靠性实验测试。

帮助设计人员尽早发现各种设计问题，及时进行修正或者补救。

从而可以最大可能的避免有问题的产品被生产出来，并流向市场，在提高产品的可靠性和易用性等方面有重大意义。

4 提高3D打印技术在电子设备行业应用的建议
4.1 加强精密控制技术的研究
3D打印或电子设备需要高度精密的仪器和技术，而要实现这一目标，则要在增材制造方面，具有极强的控制能力，这种制造不同于切削制造，而是需要系统性的材料积累，但是成品的元件尺寸，要进行符合标准精度的生产，一般采用激光束、电子束，进行材料本体上的逐点制造，控制能力直接影响制造精度。

目前，激光光斑尺寸多为0.1～0.2毫米，限制了该工艺所能达到的成形精度，而新工艺就会受到影响无法进一步升级。

4.2 加强多材料功能零件制造技术的研究
通过设计多材料复合结构零件微结构与材料的三维分布，可获得奇特的物理、化学和力学性能，如导电、传热、导磁、耐腐蚀、耐磨等物理化学特性，高强度、高韧性性能等。

可用于电子信息、电子通讯等领域，如可控制电磁波传播的光子晶体与超材料结构，可制备特殊功能的三维电路板结构，可实现装备实时监测的嵌入式传感结构，等等。

传统3D打印工艺很难实现这种多材料复合结构器件的制造。

从原理上讲，增材制造技术采用逐层累加的方式，可实现多材料复合零件微/宏观结构的一体化制造，需要对增材制造技术进行工艺创新，克服传统工艺中不同材料热学性能的不兼容性，才能够实现这种多材料复合功能零件的结构、材料、功能的一体化制造。

5 3D打印技术在电子设备行业的发展趋势
从产品制造的效率与质量角度上来看，3D打印技术与传统的制造技术形成互补，相较于传统生产方式，3D打印技术的确是生产制造上的重大变革。

从电子设备行业发展的角度来看，整个3D打印产业链都存在着巨大的潜在发展空间。

同时将3D打印加入到通讯企业日常生产中，这也是促进这类企业产品更新换代的根本动力，3D打印技术及其产业发展的趋势可归纳为如下两个方向。

（1）多功能性零件方向。

现有的激光束、电子束可以将金属材质的粉
末直接融化，而在形成产品过程中，则将金属材质进行分层次的堆积和制造，复杂的结构不再是生产的难题，高标准的锻件性能指标，也可以通过低成本的技术，进行快速、精准地制造。

功能零件的3D打印制造技术可与传统制造手段相结合形成新型的产业链条模式。

（2）多重结构一体化方向。

现代制造业涉及到了产品设计、结构分析、制造加工等等环节，高精度的
3D打印技术可以同时完成这些步骤，实现了实物结构的宏观到微观分解。

采用3D打印技术还可以破除设计过程与制造工艺之间的壁垒，使得制造工艺成为一种便捷可用的实现手段，为创新设计提供了支持，这种设计导向的工艺过程，将导致产品及产业形态发生巨大的变革。

6 结语
3D打印技术是上个世纪80年代兴起的一种新兴技术，也是2l世纪制造业最具影响的技术之一。

这种打印技术是一种快速原型制造技术，这种快速原型制造技术由于其自身的制造优势而受到制造产业的重视，随着3D打印技术的不断成熟向发展，这种打印技术也必将成为产品研发，研制等方面中不可缺少的应用。

同时随着3D打印技术应用领域的不断扩大，又将为电子设备行业的发展开辟出更广阔的新天地。

可以相信，3D打印技术不仅在科学研究和工业生产领域会有令人难以置信的作为。

而且还会普及家庭，深入人们生活的方方面面。