增材制造：印刷电子和3D打印技术
你是否想过，未来的电路和零件可以像打印文件一样被“打印”出来？这一切的起点，源于上世纪90年代美国工业界启动的数据驱动材料沉积（DDMD）技术。它最初的目标，就是为了解决传统电子电路与机械零部件制造中存在的单一、随机和不确定的痛点。这项技术的神奇之处在于，一旦设计完成，就能通过数字指令直接定位、增材成型，彻底跳过了等待模具加工的漫长周期。无论是电路板导线、芯片焊点，还是飞机机翼的裂纹修复，DDMD都能快速响应。其工艺家族庞大，包括喷墨打印、挤压打印、激光固化、气雾喷射等，所使用的材料也跨越了纳米金属油墨、低熔点焊锡等先进领域。正是这种从设计到实物的极速飞跃，大幅压缩了生产周期与成本，从而引爆了近年的3D打印研发热潮。3D打印专注于通过逐层堆积来构建三维实体，其材料多为可结构成型的塑料、金属粉末等。尽管DDMD与3D打印都根植于数字打印技术，但它们的核心差异在于所使用的材料形态及后续的固化工艺。
如果说DDMD和3D打印是增材制造的先锋，那么印刷电子技术则构建了一个更为庞大的技术生态。它将增材制造工艺划分为两大阵营：非接触与接触。非接触工艺，如喷墨、激光打印，其打印头无需触碰基底表面，对基底形态极不“挑剔”，因而能优雅地在复杂三维曲面上作画。相反，接触性工艺，如丝网、凹版印刷，则需要印版与基底亲密接触，对表面平整度要求更高，这使其在大面积平面制造中称王。印刷电子的魔力，在于它将功能性有机/无机纳米材料转化为“电子油墨”，通过层层套印，直接在基材上创造出电路、传感器乃至发光器件。自2000年诺贝尔化学奖授予导电高分子研究以来，印刷电子便被寄予厚望，被视为开启21世纪柔性电子产业革命的核心钥匙。
本文将深入对比印刷电子与3D打印这两大增材制造路径的工艺、材料与应用前沿，旨在融合二者优势，共同优化在光电、传感、医疗及物联网等领域的创新应用。
增材制造印刷电子
传统微电子制造依赖于洁净室和高成本的真空蒸镀与减材刻蚀。其弊端显而易见：设备天价、耗材严重、化学污染沉重，且后续贴片封装工艺繁琐。相比之下，印刷电子技术则如同一位高效的“画家”，它以增材印刷为笔，让功能性材料在基材上一次性精准成形，跳过了所有减材与贴片环节。这意味着，从电路到功能器件（如传感器、电容）均可同步印刷完成（见图1）。这不仅是一场生产工艺的简化革命，更实现了近乎零排放的绿色制造。同时，它赋予产品以柔性、大面积和低成本量产的基因，从而打开了传统微电子难以触及的全新市场蓝海。
图1 减材与增材工艺对比
印刷电子作为一个系统学科，在2004年通过专著走向大众。而其核心，在于利用可溶液加工的功能性材料“油墨”，通过印刷定义器件的光学与电学性能。它如何构建复杂的器件？
增材印刷光电器件结构
与呈现图像的网点不同，制造功能性电子器件需要精密、连续的几何图形来构建电子通道。这些器件本质上是三维的，依赖多层材料的精确套印。如图2所示，一个典型器件在平面是精密的图形，在剖面则是层层堆叠的立体结构。增材制造每层仅需“印刷+干燥”两步，而传统减材工艺则需5-6步（图1），其在时间、材料和环保上的优势不言而喻。挑战与机遇并存。以图2中的场效应晶体管为例，从栅极到半导体层，每一层图形的印刷精度、套印对准精度，都直接决定着最终器件的性能。毫厘之间的误差可能导致电子迁移率骤降。同时，层与层材料之间的化学与物理兼容性，也深刻影响着器件效率。更复杂的是，一个器件往往需要多种功能、不同流变性的材料，这可能要求在同一制造流程中集成丝网印刷、喷墨打印等多种工艺。这种“组合拳”式的制造，对设备集成与工艺协同提出了极高要求。表1揭示了不同印刷工艺对材料黏度的“偏好”及其所能实现的图形特征。
图2 可增材制造的电子/光电器件结构示意
表1 典型印刷电子工艺的技术要求
实践是检验真理的标准。图3(a)展示了通过非接触挤压打印制造的无源器件：银质高频传输线与碳电阻。通过精准控制图形设计，印刷电阻的稳定性极高。虽然印刷银的导电性略逊于铜膜，导致传输线振幅有差异，但这恰恰说明了材料、设计与工艺必须协同优化。图3(b)中丝网印刷的RCL电路，其测试数据与理论完美吻合，展现了印刷电子制造标准无源电路的卓越能力。这种将电阻、电容、电感直接“埋入”基板的“嵌入式”无源器件技术，能极大节省电路板空间并简化工艺。
图3 增材制造在PET 基材上印制的器件及性能
全印刷有源器件（如三极管、二极管）乃至集成电路，一直是研发皇冠上的明珠。通过有机合成化学家的努力，可溶、稳定、高性能的有机半导体材料被不断创造出来。图4展示了全印刷的三极管与太阳能电池。早在本世纪初，就有团队实现了全印刷有机晶体管的卷对卷量产。当前的研究前沿，正致力于通过新材料与新结构（如超高k介质、超薄绝缘层），将工作电压降至10V以下，从而与硅基微电子无缝融合，催生出功能与成本俱佳的柔性混合电子产品。
图4 在PET 薄膜上增材印刷的有源器件及其光电特征
有机光伏（OPV）和有机发光二极管（OLED）是印刷二极管应用的典范。尽管OPV的转换效率目前徘徊在3%-5%，但其轻柔、可弯曲、可与建筑一体化（BIPV）的特性，使其在可穿戴设备与建筑集成新能源领域独具魅力。
增材印刷电子材料
印刷电子的基石是材料。其核心是电子油墨，通常由功能填料、黏合剂、添加剂和溶剂构成（图5）。基底是器件的承载平台，而填料（功能材料）则是决定性能的灵魂。
图5 印刷电子主要材料构成示意
追求大面积、柔性、耐温且低成本的基底，使有机高分子材料（如PET, PI）成为主流。在功能填料领域，则上演着无机、有机与复合材料的“三国演义”：
导体材料：银、铜纳米材料仍是主力，但液态金属、碳纳米管与石墨烯等新星正冉冉升起。有机导体（如PEDOT:PSS）则以其卓越的机械柔韧性，在可穿戴领域开辟赛道。
半导体材料：无机半导体（如金属氧化物）性能卓越但加工温度高；有机半导体（如P3HT）则胜在可溶液加工与柔性，二者融合的复合材料是当前研究热点。
介电材料：在保证柔性的前提下，通过掺杂高k纳米颗粒（如BaTiO3）提升有机介质的介电常数，是重要的研发方向。
未来，开发兼具优异电学性能与印刷工艺适配性的新材料，将是持续的核心挑战与机遇。
增材制造3D 打印
当我们的目光从平面电路转向立体物件，增材制造的另一主力——3D打印——正在介观尺度（几十微米到厘米）的功能器件制造中大放异彩。与受限于材料与工艺的传统MEMS或LIGA技术相比，融合了数控路径规划的印刷电子技术，天然具备向三维空间拓展的潜力，成为实现功能器件一体化制造的利器（图6）。
图6 介尺度器件增材制造特征示意
增材3D 打印工艺
在众多工艺中，光固化（SLA/DLP）与墨水直写技术尤为耀眼。光固化技术在速度、精度与复杂结构成型上综合优势突出，已被用于制造具有超常力学性能的晶格超材料、电磁隐身罩、超轻金属泡沫乃至复杂的玻璃与陶瓷结构（图7）。这些成果展现了通过结构设计赋予材料全新性能的无限可能。
图7 基于光固化的介尺度器件制造实例
增材3D 打印材料
墨水直写技术则在材料适应性上更胜一筹。通过设计特种功能墨水，研究者已能直接打印出微型锂电池、嵌入式传感器、多孔陶瓷，乃至集成传感与驱动功能的人造心脏组织（图8）。这种将多种功能材料墨水集成打印，直接制造出完整功能系统的方法，代表了“一站式”智能制造的未来方向。
图8 基于墨水打印的介尺度器件制造实例
面对功能器件日益增长的复杂性，未来3D打印的发展必将围绕材料通用性与成型精准性的双重提升，走向多工艺、多材料融合的集成制造新阶段。
结论与展望
历经近三十载耕耘，印刷电子与3D打印这两大增材制造技术已从实验室走向产业前沿。面对个性化定制、快速迭代与绿色制造的时代浪潮，它们正成为智能制造的核心引擎。印刷电子专注赋予物体以“智能”，3D打印擅长构建物体的“形态”，二者的深度融合，将催生出真正意义上的智能三维产品。
全球范围内，从美国DARPA、欧盟框架计划到日韩的产业布局，对印刷电子与增材制造的基础研发投入已持续数十年，部分器件性能已接近实用。中国虽起步稍晚，但发展迅猛，已在多所高校与研究机构建立相关实验室，并获国家科研基金重点支持。当前，产业正处在将技术积累转化为市场产品的关键跨越期。随着“柔性显示”等被列入国家重点研发计划，未来5-10年，中国在增材制造产业化方面的需求与成果必将迎来爆发式增长。
这场由“打印”引发的制造革命正在加速。它不仅是技术的迭代，更是思维的重塑——从“设计适配制造”转向“制造实现想象”。您是否已经准备好，拥抱这个由增材制造定义的未来？
参考文献（略）
（责任编辑 傅雪）
基金项目：国家自然科学基金项目（51475484）；常州龙城英才计划项目（CQ20163022）
作者简介：刘雷，中国科学院中国现代化研究中心，副研究员，研究方向为有机高分子材料，创新发展、现代化；刘禹（通信作者），江南大学机械工程学院，教授，研究方向为3D打印和印刷电子技术；张婕（通信作者），常州印刷电子产业研究院，研发总监，研究方向为增材制造印刷柔性电子和传感器技术。
注：本文发表在2017年第17期《科技导报》，有删节，欢迎关注。
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