利用3D打印 科学家制造世界上首个三维立体电路

德克萨斯大学埃尔帕索分校（UTEP）工程学院的 Raymond C. Rumpf 博士是电磁（EM）实验室的总负责人，EM 实验室致力于利用 3-D 打印，开发电磁和光电相关的革命性技术。

他们对那些别人认为不可能实现的挑战非常感兴趣。Rumpf 开玩笑说，“我们的垃圾桶上贴着一个标语，上面写着"增值想法"。如果我们认为这个想法较容易实现，那我们可能会对这个想法提不起兴趣。”

图∣Raymond C. Rumpf 博士与一个学生正在 UTEP 工程学院的 EM 实验室里工作。（来源：UTEP Communications）

自 2010 年以来，Rumpf 团队取得了一些革命性成果，比如超高频率选择表面以及世界上最薄的介电天线之一等。不过，EM 实验室最新的研究成果，意义最深远。2018 年早些时候，EM 实验室的研究人员通过完全自动化的流程，制造了世界上第一个真正的三维立体电路。Rumpf 认为这是一个有可能改变传统电子产品设计和制造方式的壮举。

全自动化 3D 打印电路是领域内热点方向，很多其他团队也开展了相关研究，但是并没有人成功。Rumpf 团队在 UTEP 取得的这项成果有点像 3D 打印电路的“圣杯”。

三维电路可以使电路更小、更轻、更有效率，为实际应用提供更高的可操作性，因此引起了广泛的研究。3D 打印可以制造出任意形式的立体电路，然后集成到任何物体中或者表面。“三维立体电路”这个概念为制造业提供了更多的机会。

Rumpf 表示他们的成果经过了很多年的积累，集成了所有工具和流程才得以实现。EM 实验室相关研究成员包括 Gilbert Carranza, Ubaldo Robles, Cesar Valle 和 Rumpf。团队成员花了 3 年时间开发“未来主义”的CAD工具，用于生产三维/立体电路。这些工具是他们自主设计的，不同于其他研究团队使用的软件工具。

Carranza 是一名博士生，两年前加入 EM 实验室。当 Rumpf 提出开发一种方式设计三维电路时，Carranza 抓住了机会，并参与到其中。他通过一种开源的 CAD 软件来集成定制化功能，用于设计三维电路。Carranza 表示，“我建造一个定制化的工具，可以将电子组件放置在任意位置、任意方向，可以在三维方向设计电路连接。”Carranza 用了 1 年的时间，做出第一版 CAD 软件。他表示，“没有软件，我们就没真正能将设计翻译成 3D 打印机可读代码的工具。”

Robles 和 Valle 也是 EM 实验室的博士生，他们主要负责 3D 打印方面。他们用了近 1 年时间搭建 Carranza 开发的设计软件和 3D 打印过程之间的联系。2018 年下半年初，Robles 成功地完成了一个界面，可将电路设计转化成 3-D 打印机可以读取的代码，使之可以一步打印出电路。之后，Valle 和 Carranza 对其进行了微调，打印出世界上第一个三维立体电路。

Valle 表示，“在整个过程中是最难的一步，是让CAD、代码生成器和 3-D 打印机器能够很好地协同工作。通常而言，制造一个电路板，一般分为两步。首先要有一块塑料薄板，在上面制造金属痕迹，然后再把电子元件集成到上面。而我们的方法独特之处在于，我们把这些过程结合起来，并且打印出三维结构，再设计电路时就可以拥有很高的自由度。”

Rumpf 表示，这项技术的应用范围很广泛，它能够把电路集成到任何形状物体中或者表面，同时并没有相应增加电子器件的尺寸或者重量。“我们可以根据需求制造任何形式或样式的电路，例如把电路置于军需品、眼镜、鞋子甚至是咖啡杯中。这样的话，当我们在咖啡馆喝咖啡，咖啡快没有的时候，服务员就会提前过来给你续杯。这个技术可以让电子无处不在。”这项研究得到了美国陆军研究实验室、和美国空军研究实验室的资金支持。

Rumpf 表示，这项研究还有可能带来另一个变革。他表示，“未来，我认为可能看不到大型电子制造企业，生产大批量产品，统治着市场的场景。取而代之的是成千上万的小企业，生产数以千计的产品，既有批量生产，也有定制化生产。”

图∣从左到右依次是 Gilbert Carranza 、Raymond C. Rumpf 博士和 Cesar Valle。他们展示的是 EM 实验室的研究成果。（来源：Laura Trejo / UTEP Communications）

对于 EM 实验室的研究生而言，参与开发一项有望为电路制造带来革命的技术，将会激励着他们继续学术研究生涯。另外，他们的研究成果也在埃尔帕索提供一个商业机会，即 EM 实验室的多个成果商业化。

Carranza 表示，“我曾经希望毕业后去其他地方。我从没想过一生都待在埃尔帕索，我也从没想过我会参与到哪项改变世界的研究工作中，直到我来到 EM 实验室。四年前，如果你问我想不想读博士，我的回答会是 No。而现在，我马上就要博士毕业了。我从未想到 UTEP 会有如此难得的研究机会。”

Rumpf 表示，他们实验室的学生为相关研究带来了帮助。他表示，“我们所做的都是一些极度困难和高风险的研究。他们了解一旦开始研究，将可能花费大量时间和精力，因为我们会对研究进展有所要求。愿意接受风险和挑战的人才是 UTEP 需要的，这也是我们一贯的风格。”