本研究由帝国理工学院（Imperial College London）的Freddie Hong、Borut Lampret、Connor Myant、David Boyle以及微软研究院（Microsoft Research）的Steve Hodges共同完成。论文发表于*Additive Manufacturing*期刊第70卷，文章编号103546，于2023年4月11日在线发表。论文标题为《5-axis multi-material 3D printing of curved electrical traces》（曲面电路的五轴多材料3D打印）。
研究背景方面，近年来，随着商用导电丝材的日益普及，基于材料挤出（material extrusion，MEX）的三维打印电子技术逐渐成为快速原型制造的重要手段。然而，传统的平面逐层堆积式3D打印在打印倾斜表面上的导电走线（conductive traces）时存在明显缺陷。平面打印的固有局限性限制了基于聚乳酸（polylactic acid，PLA）导电丝材的三维打印电子物体的设计自由度。具体来说，导电走线在倾斜表面上打印时，由于层间结合（inter-layer bonding）薄弱，容易导致电阻增大甚至断路。已有文献中虽然报道了多种在三维打印部件中集成导电元素的方法，如超声波嵌入导线、导电银墨水的材料挤出与材料喷射、导电PLA丝材的材料挤出等，但这些方法普遍难以在倾斜表面制造导电结构。为克服这一问题，研究者们探索了多种共形电路（conformal circuits）打印方法，例如增材压印、水转印、热成型、碳纳米管复合材料的非平面挤出以及多轴平台上的导电墨水挤出等。然而，此前尚没有关于在多轴MEX 3D打印机上使用导电PLA的报道。本研究的目标是利用自制的多材料五轴MEX 3D打印机，在不同倾斜角度和曲率半径的基底上打印两种商用导电PLA，系统表征打印走线电阻率的变化，并最终在自由曲面双曲基底上制造复杂导电图案，以展示桌面级多材料五轴3D打印机制造曲面电路的能力。
在工作流程方面，研究采用了两种商用导电PLA：碳基PLA（Protopasta）和铜基PLA（Electrifi）。Protopasta的打印温度为210°C，电阻率较高；Electrifi的打印温度为145°C，电阻率较低但对打印环境敏感。基底采用标准非导电PLA，打印温度为220°C。研究团队构建了一台基于E3D ToolChanger硬件的多材料五轴3D打印机，采用旋转打印床方案，并使用0.4 mm加长喷嘴以减少挤出头部与基底之间的接触角。五轴切片采用开源的Open5X切片器，该切片器基于Rhinoceros/Grasshopper环境，能够可视化打印过程并检测潜在碰撞。
实验分为三个主要部分。第一部分是倾斜基底实验。研究者使用平面打印方式制造了七个直角三角形基底，倾斜角从15°到105°每15°递增，其中105°为倒扣面，传统三轴非平面打印无法实现。在基底上以共形和平面两种方式打印三条导电走线，走线宽度0.6 mm、深度1.2 mm、长度40 mm，两端带有接触焊盘。打印层高为0.3 mm，不加热床。第二部分是曲率半径实验。采用与倾斜实验相同的打印设置，制造了曲率半径从0到10 mm每2 mm递增的曲面基底，并在其上打印导电走线。第三部分是双曲自由曲面基底实验。在一个尺寸约为50 mm×45 mm×60 mm的花瓶状双曲基底上打印了六种不同形状和长度的导电图案，长度分别为116 mm、93 mm、115 mm、131 mm、79 mm和69 mm。电阻测量使用Fluke 77IV万用表，接触焊盘上涂覆Kemo L100导电银墨水以降低接触电阻。电阻率根据公式ρ = RA/l计算，并通过光学显微镜测量走线截面面积进行验证。
在结果方面，倾斜基底实验表明，碳基PLA平面打印样品的电阻率随倾斜角增大而显著增加，0°时电阻率为84 Ω·mm，最高与最低电阻率差为197 Ω·mm；而共形打印样品的电阻率变化很小，差仅为16 Ω·mm。显微镜图像显示，平面打印样品在45°倾斜时层间结合明显依赖，而共形打印样品则更多依赖层内结合。铜基PLA的结果趋势相似，但平面打印样品的电阻率相对增幅更大，0°时电阻率为0.56 Ω·mm，平面样品最高与最低电阻率差高达1831.7 Ω·mm，而共形样品仅为0.8 Ω·mm。研究者认为铜基PLA对热退火更为敏感，基底PLA喷嘴的高温行程和热沉积会显著影响铜基走线的导电性。截面图像显示，共形打印的四个椭圆形挤出层清晰可见，而平面打印样品层间融合严重，铜基平面样品还出现拖拽效应导致的截面变薄现象。曲率半径实验显示，共形打印走线的电阻率在曲率半径0–10 mm范围内保持高度一致，碳基共形样品电阻率差为18.5 Ω·mm，铜基共形样品为0.8 Ω·mm，而平面打印样品的波动明显更大。研究还发现，共形打印在凹面上的可行性受限于喷嘴形状，本机器可打印的最小凹面曲率半径为6 mm。凹面走线电阻率与对应凸面走线电阻率相当。在双曲花瓶基底上，使用倾斜实验测得的平均电阻率预测复杂图案的电阻，碳基走线的预测值与实测值吻合良好，误差在10%以内；铜基走线的实测值普遍接近预测范围的上限，研究者将其归因于花瓶表面大部分处于60°–90°倾斜角区间，铜基PLA对该角度区间的电阻率变化更为敏感。
研究的结论表明，多材料五轴3D打印能够在自由曲面和任意弯曲的基底上共形打印电路走线。共形方法显著稳定了不同基底几何形状下的走线导电性。影响打印走线导电性下降的最主要因素是层间结合的依赖程度，这一点在铜基PLA上尤为突出。铜基PLA对打印环境更为敏感，这可能与热塑性塑料中金属颗粒在不同温度分布下的重新分布有关。此外，基底表面的粗糙纹理也会影响共形走线的导电性。显微镜图像表明，多轴3D打印显著改善了共形特征的质量，消除了溢料和拉丝现象。研究还展示了基于倾斜样品电阻率预测花瓶基底上复杂走线电阻的可行性。本研究的科学价值在于系统表征了多轴MEX打印导电PLA的电阻率变化规律，揭示了层间结合和热环境对导电性能的影响机制；应用价值在于为桌面级五轴3D打印机在曲面电子制造领域的推广提供了实验依据和方法参考。研究的亮点包括：首次在多轴MEX 3D打印机上使用导电PLA制造共形电路；自制桌面级五轴3D打印机和开源切片器Open5X的使用，降低了多轴打印的门槛；系统比较了碳基和铜基两种导电PLA在倾斜和曲面基底上的电阻率差异；展示了在具有任意形状因子的双曲基底上制造复杂导电图案的能力。此外，研究团队还将五轴打印机的硬件设计和控制器固件在GitHub上开源，为后续研究者提供了可复用的平台。未来工作将开展五轴打印电气物体的机械性能评估，包括粘附性、弯曲和耐温特性等。