3D列印碰上太赫茲科技
文/尤柏仁 編/ 梁瀚友
一、前言
在過去的十年裡，積層製造（Additive Manufacturing）的採用已經觸及了各個行業，不再主要是業餘愛好者的領域。強大、可靠的 3D 列印機已發展為新創公司必不可少的工具，3D 列印可以提高製造速度、降低成本、實現快速原型製作並促進創新產品和設計，不在只是小朋友科學實驗裡的噱頭。從地上跑的、天上飛的，甚至人們吃的到飛上太空的都能看到3D列印的影子，功能如此強大的3D列印現在發展到什麼程度了呢？如此廣泛的應用若與近年興起的太赫茲科技結合會擦出什麼火花呢？
二、積層製造與3D列印
關於3D列印的起源有數種說法，有一說是在1981年名古屋市工業研究所的小玉秀男發明了兩種利用光硬化聚合物的增材製造三維塑膠模型的方法；另一說則是1984年美國工程師查克．赫爾（Chuck Hull）透過數種樹脂調製成可由紫外光固化的材料，一層一層地對幾起來做成物體，並稱其為立體光刻（Stereolithography）也發明了後來廣為自造者熟知的「STL」檔案格式，該格式被廣泛應用在現今各種快速製造機具與切片軟體中。隨著開源（Open-source）的浪潮，3D列印的軟硬體透過網路開放給世界各地有志之士一同開發，3D列印才逐漸平價、簡化、多樣化，並從實驗室走入車庫中。
三、3D列印成型種類
根據物體成型的方式可劃分成各種不同的3D列印類型，常見的有熔融沉積成型（Fused deposition modeling, FDM）、光固化立體造型（stereolithography, SLA）、選擇性雷射燒結（selective laser sintering, SLS）
(1) 熔融沉積成型（Fused deposition modeling, FDM）
因低廉的價格、穩定的列印品質，FDM最受消費大眾喜愛。運作原理類似在平台上擠牙膏，將線狀原料推入加熱噴頭加熱融化，接著用步進馬達移動載台，一層一層將材料擠在載台上直到完成製作。材料多為塑膠等高分子材料，例如ABS、PLA等等，近年不少變體出現，透過改裝可以印製金屬，甚至將肉類當作材料印製3D列印肉排等等。
(2) 光固化立體造型（stereolithography, SLA）
近一兩年，隨著公仔、模型、GK等玩具逐漸被大眾接受，SLA也因其高解析度的特性走入消費者視野。使用液態的光敏樹脂，藉由雷射或紫外線光束一層一層地將樹脂固化。成品的精度最高可達數個微米，表面光滑度及細緻度已經相當接近射出成型加工的塑膠製品。不過樹脂具有特殊氣味，且製作工序中需要使用較多種化工材料做清洗，因此還是具有一定門檻。此外還有一類型是運用LCD螢幕作為光罩的光固化機型，價格通常較雷射機型便宜，卻能達到差不多的精度，近年也是熱門選項之一。
(3) 選擇性雷射燒結（selective laser sintering, SLS）
同樣也是透過數位控制雷射，但使用的材料為粉狀，將粉末一層一層熔融成固體。常見 的材料包括鋼、鈦等金屬粉末，以及熱塑 性高分子材料如尼龍、陶瓷粉末等。相較於SLM與FDM，SLS還不普及，近年才慢慢出現桌上型SLS機型，價格相對也是最高的。
四、太赫茲科技
太赫茲波是頻率0.3到3 THz的一段電磁波波段，位於毫米波及紅外光之間。在太赫茲波段，物質與電磁波有獨特的交互作用，因此賦予太赫茲波幾個獨特的特性：
(1) 許多分子(固液氣態分子、蛋白質、塑膠、DNA、RNA 等)在太赫茲波段有其獨特的分子指紋。可用來做化學分子偵測辨別。
(2) 太赫茲波可穿透許多不透可見光物體(包括皮革、紙箱、瓷器等)。可用來做物品透視。
(3) 太赫茲波不具電離性及破壞性。可用來做生物活體即時偵測。
這些特性讓太赫茲適合用於國土安全、生醫檢測、製藥、無線通訊、食品安全、材料分析等。
五、3D列印與太赫茲科技
近年來，3D 列印在毫米波和太赫茲器件的設計中受到了極大的關注，有許多研究3D列印太赫茲器件已經被發表在的論文中，例如發射陣列/電磁 (EM) 透鏡、反射陣列、射頻電路、頻率選擇面 (FSS) 以及波導和天線。這些設計中，大多數整個結構都是使用單一材料與工藝製作的，如純介電材料或純金屬 3D 列印。為增加器件光學特性，金屬鑄件裝載金屬塗料的多步驟加工也是一些 3D 打印系統在不同基材（如紡織品和紙張）上使用的流行方法，用金屬塗層印刷（如燙金列印、電鍍）介電材料也是常見的低成本做法之一。然而，所有技術存在優點就必然存在缺點，這種快速原型製造的太赫茲器件也需要面對許多挑戰，這些限制在設計、建模和原型設計之前應該考慮進去。首先，不同的 3D 列印技術限制了可使用的材料，由於介電常數選擇有限、材料損耗高和製造精度受限，大多數材料可能不適用於毫米波和太赫茲器件。
參考近年相關論文，可歸類出四個解決方法：
(1) 依舊使用單一材料，著重於結構設計改善光學特性
(2) 以3D列印高分子材料作為基底，再以電鍍或熱壓等方式加上金屬層
(3) 在高分子材料上使用金屬3D列印
(4) 使用可同時列印金屬與塑料的3D列印機型
六、3D列印太赫茲器件實例
(1) 金屬3D列印太赫茲天線
使用選擇性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）以Cu-15Sn為材料的金屬3D列印技術，成功製作一系列Sub-THz（最高約325GHz）波導結構和喇叭天線原型，與CNC製造的產品相比具有優異的性能。如圖 1 所示，製造的 D 波段喇叭具有出色的表面光潔度和 22dBi 的測量增益和帶內阻抗帶寬 |S11| < -20 分貝。
（圖四）金屬3D列印太赫茲天線
(2) 3D列印太赫茲衍射透鏡
使用3D打印機製作的衍射太赫茲透鏡，以周期性和非週期性徑向輪廓的相位二元透鏡，工作頻率為 0.625 THz。通過計算和測量它們的軸向點擴散函數 (PSF) 來評估此類鏡片的非常規聚焦特性，實驗顯示 3D 打印太赫茲衍射透鏡可以有效地將太赫茲波的聚焦和成像。
(3) 全3D列印太赫茲通訊系統
本實驗證實了全3D列印太赫茲通訊系統的可行性，論文中展示了一個G-Band(140–220 GHz)多通道前端子系統，此系統結合了八種不同類型的3D 列印器件（總共 30 個單獨元件）。此外，論文中的兩個測試系統的外殼和子系統都是單件3D列印製成，即插即用開發，實現輕鬆的元件組裝和對齊。該研究開發、結合多種3D列印太赫茲器件，包括分光器、透鏡、反射鏡等等，並詳細記錄每個器件的能量損耗、穿透效率、反射效率，可以說是3D列印太赫茲器件應用的一個新里程碑。
3D列印無疑使各領域、產業都有了新的機會，以更低成本、更快速度完成設計與驗證使得研究與開發都比以往更容易。隨著技術不斷突破與創新，3D列印也逐漸從驗證概念發展到現在可以直接製作出完成品。雖然以太赫茲領域來說，3D列印還是存在這一些挑戰，但相信不久的將來這些問題都將被克服，成為太赫茲領域突破與創新的一大利器。
七、3D列印技術的未來發展
3D列印技術的快速發展和普及，使得各種創新應用成為可能。未來，隨著材料科學的進步和列印技術的進一步完善，3D列印在太赫茲科技中的應用將變得更加廣泛和多樣化。
(1) 新材料的開發
目前，3D列印技術在太赫茲器件製造中的應用受限於可用材料的種類和性能。隨著材料科學的進步，新型高性能材料的開發將進一步提升3D列印在太赫茲領域的應用潛力。例如，具有更高介電常數、更低損耗的新型聚合物材料，將使得3D列印的太赫茲器件具有更優異的性能。同時，混合材料技術的發展，也將使得3D列印能夠同時列印多種材料，實現更加複雜的器件結構。
(2) 多功能3D列印機的發展
未來的3D列印機將不僅限於單一材料的列印，而是能夠同時列印多種材料，並進行複合加工。例如，未來的3D列印機可以在一個列印過程中，同時完成金屬和塑料的列印，並進行後續的電鍍、塗層等加工，實現一體化製造。這將大大提升3D列印技術在太赫茲器件製造中的應用範圍和靈活性。
(3) 自動化和智能化
隨著人工智慧（AI）和機器學習技術的發展，未來的3D列印機將變得更加智能化和自動化。通過AI技術，可以實現對列印過程的實時監控和優化，提高列印質量和效率。同時，自動化技術的應用，將使得3D列印機能夠自動完成從設計到製造的全過程，進一步降低人力成本和生產周期。
(4) 應用領域的拓展
隨著3D列印技術的不斷進步，其應用領域將不斷拓展。在太赫茲科技領域，3D列印技術的應用將不僅限於器件製造，還可以應用於太赫茲波的探測、成像和通訊等各個方面。例如，通過3D列印技術，可以製造出高靈敏度的太赫茲探測器，實現對太赫茲波的精確探測；還可以製造出高性能的太赫茲透鏡和反射鏡，實現太赫茲波的高效聚焦和傳輸。
(5) 與其他技術的融合
未來，3D列印技術將與其他先進技術進行深度融合，形成新的技術體系。例如，與納米技術的結合，將使得3D列印能夠製造出具有納米級結構的太赫茲器件；與生物技術的結合，將使得3D列印能夠製造出生物相容性更好的太赫茲醫療器件；與量子技術的結合，將使得3D列印能夠製造出量子級別的太赫茲器件，實現更高的性能和功能。
(6) 市場和產業的影響
隨著3D列印技術的不斷成熟和應用的深入，其對市場和產業的影響也將越來越大。未來，3D列印技術將改變傳統的製造模式，實現個性化、定制化的生產。這將帶動相關產業的升級和轉型，形成新的市場需求和商業模式。同時，3D列印技術的普及，將推動全球製造業的發展，提高生產效率和產品質量，實現更綠色、更可持續的製造。
八、結論
3D列印技術和太赫茲科技的結合，為我們帶來了無限的可能。雖然目前仍面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷進步，這些問題都將逐步被克服。未來，3D列印技術將在太赫茲科技領域發揮越來越重要的作用，推動相關產業的創新和發展。我們有理由相信，在不久的將來，3D列印和太赫茲科技的結合，將為我們帶來更多驚喜和變革。
九、參考資料：
1. 林鼎勝(2014, 11)。〈3D列印的發展現況〉。科學發展，503 期，頁 32–35。
2. 維基百科。2022.06.17 取自https://zh.wikipedia.org/wiki/3D%E6%89%93%E5%8D%B0
3. B. Zhang et al., “Metallic 3-D Printed Antennas for Millimeter- and Submillimeter Wave Applications,” in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 6, no. 4, pp. 592–600, July 2016.
4. Furlan, Walter D., et al. “3D printed diffractive terahertz lenses.” Optics letters 41.8 (2016): 1748–1751.
5. S. -H. Shin et al., “3-D Printed Plug and Play Prototyping for Low-Cost Sub-THz Subsystems,” in IEEE Access, vol. 10, pp. 41708–41719, 2022.
