Аддитивное производство использует компьютерное программное обеспечение для создания компонентов изделий путём послойного нанесения диэлектрических или проводящих материалов в различные геометрические формы. С момента своего появления в 1980-х годах технология 3D-печати для аддитивного производства стала революционным решением, и за прошедшие десятилетия 3D-печать превзошла традиционные концепции промышленного производства (такие как удаление материалов посредством механической обработки, фрезерования, резьбы и других методов) в широком спектре применений.

История 3D-печати. Изображение предоставлено Ян Янгом и Маносом Тентцерисом.

Четырёхмерная печать — это новая технология, которая использует дополнительное измерение — время, помимо высоты, ширины и глубины, — для самотрансформации печатных прототипов из одной формы в другую. Хотя 4D-печать появилась в электротехнике и электронной технике лишь в последние годы, её применение уже нашло своё первопроходческое применение в таких областях, как мягкая робототехника, приводы, биосенсоры и электромагнитные иллюзии, среди прочих. Разработчики продуктов воспользовались беспрецедентной гибкостью, масштабируемостью и другими преимуществами этой технологии. Например, 4D-печать, творчески соединённая с идеями из области искусства и оригами, позволила создать первое поколение трансформирующихся, изменяющих форму электронных устройств , работающих на частотах выше 5G.

В XXI веке аддитивное производство, использующее 3D- и 4D-печать, превращается в междисциплинарную технологию, в которую вносят вклад учёные и инженеры, специализирующиеся на материаловедении, автоматизации, электротехнике и электронике. Аддитивное производство электроники (АПЭ) сегодня позволяет разрабатывать сложные электронные компоненты, предлагая значительные преимущества: быстрое прототипирование, низкие первоначальные затраты и возможность собственного мелкосерийного производства. Эти характеристики делают АПЭ технологическим и бизнес-прорывом для самых разных организаций, включая стартапы и другие компании с самыми высокими требованиями к конфиденциальности и ускорению инноваций.

Действительно, на раннем этапе Четвертой промышленной революции аддитивное производство уже получает широкое признание среди инженеров во многих отраслях промышленности как не что иное, как инструмент, позволяющий удовлетворить исключительные требования интеграции инновационных технологий и электронных систем для Индустрии 4.0.

Схема проектирования многокомпонентного AME. Изображение предоставлено Янгом Янгом и Маносом Тентцерисом.

За пределами традиционного субтрактивного производства

Субтрактивное производство зарекомендовало себя на протяжении десятилетий и продолжит играть важную роль в проектировании стандартных конфигураций. Аддитивное же производство приводит к появлению совершенно новых типов архитектур, которые ранее было невозможно реализовать на практике. Неудивительно, что аддитивное производство становится всё более востребованным для футуристических разработок, таких как гибкая гибридная электроника.

Это революционный подход, открывающий инженерам свободу проектирования электронных устройств в по-настоящему трёхмерных макетах. Прототипы создаются, а производство упрощается слой за слоем. Когда-то ограниченные печатными платами или конкретными подложками, инженеры используют аддитивное производство для нанесения электроники практически на любой возможный материал (бумагу, пластик, дерево, ткани и т. д.). Конструкторы создают конструкции, одновременно интегрируя несколько материалов без необходимости постобработки.

Это делает аддитивный подход идеальным для таких задач разработки продуктов, как миниатюризация устройств и кастомизация схем. Мощные миниатюрные датчики для «умной кожи», цифровых двойников и точного земледелия, возможно, даже с использованием биоразлагаемых материалов, — лишь некоторые примеры возможностей, открываемых аддитивным производством. Субтрактивные методы могут привести к несостоятельному увеличению стоимости производства и проблемам с несоосностью таких устройств (особенно тех, которые требуют микромасштабных допусков); однако, использование одной машины для аддитивного производства нескольких материалов позволяет избежать сложных процедур изготовления электронных устройств.

Кроме того, аддитивное производство обладает такими преимуществами, как печать по запросу (и, следовательно, потенциальное отсутствие отходов) и адаптация дизайна для мелкосерийного производства. В этом смысле аддитивное производство также чрезвычайно экологично, что делает его привлекательным для отраслей, где сокращение отходов приобретает всё большее значение по нормативным, конкурентным, этическим и другим причинам.

Инновации возможностей и следующие вызовы, которые предстоит преодолеть

Многокомпонентная 3D-печать имеет долгую историю развития, насчитывающую около 50 лет, но только в начале этого века 3D-печать впервые была применена для создания прототипов электронных компонентов. И только за последние два-три года:

• Значительные, ключевые улучшения возможностей принтера (например, в таких областях, как многофункциональная конвергенция и беспроводные модули)
• Распространение широкополосных приложений (5G, 5G-plus и 6G)
• Значительные достижения в области многокомпонентного аддитивного производства и его применения в электронике (от лабораторных концепций до промышленных продуктов)

Результатом таких инновационных возможностей стало то, что современная 3D-печать снижает стоимость производства устройств, работающих на частотах до 150 ГГц и более, а также впервые позволяет производить изделия полностью в 3D (за пределами квази-3D/2,5D, использующих субтрактивное производство). Благодаря технологическим усовершенствованиям отрасль использует 3D-печать для создания огромного спектра практичных изделий — от кубических спутников до биомедицинских устройств.

4D-печать — новейшая инновация в аддитивном производстве, обеспечивающая практически неограниченные возможности реконфигурации при проектировании изделий. Индивидуализация происходит «на лету», и инженеры могут экспериментировать с концепциями и конструкциями, которые ранее были недоступны (полые сферы, уникальные изгибы, материалы с очень низкой или высокой плотностью градации и другие формы, напоминающие оригами). Кроме того, очевидно, что 4D-печать напрямую приведёт к более широкому применению искусственного интеллекта (ИИ) в промышленных процессах для производства изделий из стали и меди. Учитывая эти факторы, можно сказать, что 4D-печать — это место, где инженерия встречается с искусством при разработке изделий из стали и меди.

Широкие возможности применения, безграничный рыночный потенциал

Будучи новой технологией, AME по-прежнему сталкивается с рядом проблем, требующих постоянного решения, что представляет собой будущие направления исследований в таких дисциплинах, как химическая и материаловедение, электротехника и электроника, а также машиностроение и мехатроника. Печать проводящими материалами, многоматериальная интегрированная печать, адгезия на границе раздела материалов, разрешение и точность печати, а также инструменты разработки программного обеспечения – вот ключевые области исследований и разработок для промышленности и академических кругов.

Тем не менее, инженеры, работающие во всё большем числе промышленных приложений, уже склоняются к подходу аддитивного производства. Компоненты AME будут широко использоваться в мобильных приложениях, включая персональное здравоохранение, межустройство связи, радиолокационные датчики для беспилотных транспортных средств и интеллектуальные транспортные системы. Антенные решётки, устройства сбора энергии и радиочастотные (РЧ) модули могут быть прототипированы с практически неограниченным количеством вариантов реконфигурации. В сочетании с искусственным интеллектом и алгоритмами машинного обучения 4D-печать может позволить создавать РЧ-структуры, способные перестраиваться в режиме реального времени, даже подстраиваясь под изменяющиеся условия окружающей среды, как в «Трансформерах» .

Аддитивное производство также полностью совместимо с такими передовыми технологиями, как гибкая гибридная электроника, массив MIMO (множественный вход, множественный выход), датчики на основе нанотехнологий, а также гетерогенная интеграция и упаковка. Оно может произвести революцию в таких областях, как реконфигурируемые интеллектуальные поверхности, электроника большой площади, Интернет вещей (IoT), умные носимые устройства и имплантируемые устройства, а также интеллектуальное производство.

Ожидается, что растущий спрос во всех отраслях промышленности будет и дальше стимулировать развитие рынка. AME, являясь новой инновационной технологией и производственной системой, использующей многоматериальную 3D- и 4D-печать, готова полностью изменить цепочку создания стоимости в производстве электроники.