利用3D列印，科學家製造了世界上第一個三維立體電路

德克薩斯大學埃爾帕索分校（UTEP）工程學院的 Raymond C. Rumpf 博士是電磁（EM）實驗室的總負責人，EM 實驗室致力於利用 3-D 列印，開發電磁和光電相關的革命性技術。

他們對那些別人認為不可能實現的挑戰非常感興趣。Rumpf 開玩笑說，「我們的垃圾桶上貼著一個標語，上面寫著"增值想法"。如果我們認為這個想法較容易實現，那我們可能會對這個想法提不起興趣。」

圖∣Raymond C. Rumpf 博士與一個學生正在 UTEP 工程學院的 EM 實驗室里工作。（來源：UTEP Communications）

自 2010 年以來，Rumpf 團隊取得了一些革命性成果，比如超高頻率選擇表面以及世界上最薄的介電天線之一等。不過，EM 實驗室最新的研究成果，意義最深遠。2018 年早些時候，EM 實驗室的研究人員通過完全自動化的流程，製造了世界上第一個真正的三維立體電路。Rumpf 認為這是一個有可能改變傳統電子產品設計和製造方式的壯舉。

全自動化 3D 列印電路是領域內熱點方向，很多其他團隊也開展了相關研究，但是並沒有人成功。Rumpf 團隊在 UTEP 取得的這項成果有點像 3D 列印電路的「聖杯」。

三維電路可以使電路更小、更輕、更有效率，為實際應用提供更高的可操作性，因此引起了廣泛的研究。3D 列印可以製造出任意形式的立體電路，然後集成到任何物體中或者表面。「三維立體電路」這個概念為製造業提供了更多的機會。

Rumpf 表示他們的成果經過了很多年的積累，集成了所有工具和流程才得以實現。EM 實驗室相關研究成員包括 Gilbert Carranza, Ubaldo Robles, Cesar Valle 和 Rumpf。團隊成員花了 3 年時間開發「未來主義」的CAD工具，用於生產三維/立體電路。這些工具是他們自主設計的，不同於其他研究團隊使用的軟體工具。

Carranza 是一名博士生，兩年前加入 EM 實驗室。當 Rumpf 提出開發一種方式設計三維電路時，Carranza 抓住了機會，並參與到其中。他通過一種開源的 CAD 軟體來集成定製化功能，用於設計三維電路。Carranza 表示，「我建造一個定製化的工具，可以將電子組件放置在任意位置、任意方向，可以在三維方向設計電路連接。」Carranza 用了 1 年的時間，做出第一版 CAD 軟體。他表示，「沒有軟體，我們就沒真正能將設計翻譯成 3D 印表機可讀代碼的工具。」

Robles 和 Valle 也是 EM 實驗室的博士生，他們主要負責 3D 列印方面。他們用了近 1 年時間搭建 Carranza 開發的設計軟體和 3D 列印過程之間的聯繫。2018 年下半年初，Robles 成功地完成了一個界面，可將電路設計轉化成 3-D 印表機可以讀取的代碼，使之可以一步列印出電路。之後，Valle 和 Carranza 對其進行了微調，列印出世界上第一個三維立體電路。

Valle 表示，「在整個過程中是最難的一步，是讓CAD、代碼生成器和 3-D 印表機器能夠很好地協同工作。通常而言，製造一個電路板，一般分為兩步。首先要有一塊塑料薄板，在上面製造金屬痕迹，然後再把電子元件集成到上面。而我們的方法獨特之處在於，我們把這些過程結合起來，並且列印出三維結構，再設計電路時就可以擁有很高的自由度。」

Rumpf 表示，這項技術的應用範圍很廣泛，它能夠把電路集成到任何形狀物體中或者表面，同時並沒有相應增加電子器件的尺寸或者重量。「我們可以根據需求製造任何形式或樣式的電路，例如把電路置於軍需品、眼鏡、鞋子甚至是咖啡杯中。這樣的話，當我們在咖啡館喝咖啡，咖啡快沒有的時候，服務員就會提前過來給你續杯。這個技術可以讓電子無處不在。」這項研究得到了美國陸軍研究實驗室、和美國空軍研究實驗室的資金支持。

Rumpf 表示，這項研究還有可能帶來另一個變革。他表示，「未來，我認為可能看不到大型電子製造企業，生產大批量產品，統治著市場的場景。取而代之的是成千上萬的小企業，生產數以千計的產品，既有批量生產，也有定製化生產。」

圖∣從左到右依次是 Gilbert Carranza 、Raymond C. Rumpf 博士和 Cesar Valle。他們展示的是 EM 實驗室的研究成果。（來源：Laura Trejo / UTEP Communications）

對於 EM 實驗室的研究生而言，參與開發一項有望為電路製造帶來革命的技術，將會激勵著他們繼續學術研究生涯。另外，他們的研究成果也在埃爾帕索提供一個商業機會，即 EM 實驗室的多個成果商業化。

Carranza 表示，「我曾經希望畢業後去其他地方。我從沒想過一生都待在埃爾帕索，我也從沒想過我會參與到哪項改變世界的研究工作中，直到我來到 EM 實驗室。四年前，如果你問我想不想讀博士，我的回答會是 No。而現在，我馬上就要博士畢業了。我從未想到 UTEP 會有如此難得的研究機會。」

Rumpf 表示，他們實驗室的學生為相關研究帶來了幫助。他表示，「我們所做的都是一些極度困難和高風險的研究。他們了解一旦開始研究，將可能花費大量時間和精力，因為我們會對研究進展有所要求。願意接受風險和挑戰的人才是 UTEP 需要的，這也是我們一貫的風格。」

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