目前，越来越多有关3D打印技术的研究着眼于功能性产品的快速制造^[1-3]。与传统打印技术相比，3D打印在定制化加工、复杂产品的快速成型以及绿色制造等方面具有独特优势，其在生物医疗^[4]、无线通信^[5-6]和工程建筑^[7]等应用领域迅速拓展。多材料3D打印作为3D打印技术的拓展，其原理是在同一项打印作业中同时打印多种材料，可用于直接制造含嵌入式组件的产品或用于增强打印件的机械性能。这项技术使3D打印产品摆脱了材料功能性单一的限制，丰富了3D打印产品的应用场景^[8-9]。

在微波通信领域，RFID（radio frequency identification，射频识别）天线正面临着在保证辐射效率的同时进一步实现小型化的技术障碍，如何尽可能地减小天线体积是目前RFID天线设计中备受关注的问题^[10]。不仅如此，因受工作环境的影响，许多RFID天线须埋藏在特定的介质中进行持续工作，例如水下通信天线以及用于土壤埋藏物体定位的天线^[11-12]。目前，RFID天线常采用刻蚀或电镀的方式附着到对应的基板上，这种工艺仅适用于平面天线成型且相对复杂，同时还会排放废液，污染环境。近年来，3D打印技术在实现RFID天线小型化、增大RFID天线读取距离以及降低RFID天线定制化成本等方面已被证实有巨大的发展潜力。

熔融沉积成形（fused deposition modeling, FDM）是通过送丝装置将热塑性丝状聚合物材料送到喷嘴处加热至熔融状态后挤出，挤出材料能够在底板上快速冷却固化，并随着底板在垂直方向上的进给运动逐层累积成形^[13-14]。在FDM打印工艺中，所采用的聚乳酸（polylactic acid, PLA）等热塑性塑料往往具有较低的损耗角正切值，因此在一些有关RFID天线3D打印的研究中常被用作天线基板的材料^[15-16]。不同于FDM打印技术，直写成形（direct ink writing, DIW）是一种在室温下以非牛顿黏性浆料为打印材料的挤压式成形工艺。由于DIW工艺特殊的成形方式，适用于DIW打印的材料种类繁多，例如陶瓷、金属合金、聚合物等具有适当流变性的浆料均可作为DIW打印材料^[17-18]。

RFID天线及其基板的材料属性不同，为了实现RFID天线的快速制造，笔者提出了一种基于多材料3D打印技术的一体化打印工艺，其中天线和基板的打印材料分别选择导电银浆和PLA。根据RFID天线的打印工艺，搭建集成FDM以及DIW这2种3D打印技术的多材料3D打印机，该设备可同时打印PLA丝材和导电银浆。使用ANSYS HFSS仿真软件分别分析基板厚度、天线臂长以及天线与基板的放置关系对RFID天线辐射性能的影响。选择4种RFID天线作为打印对象，利用矢量网络分析仪测量这4种RFID天线的回波损耗曲线，并将实测曲线与仿真曲线进行对比。结合分析结果，调整RFID天线结构，以使其能够适用于超高频应用场合。

根据提出的RFID天线一体化打印的工艺目标，给出了图1所示的打印方案：使用PLA丝材打印RFID天线的基板，同时使用导电银浆以DIW打印方式在固化完毕的PLA基板上打印天线。在同一台打印机上集成FDM和DIW是实现上述工艺的必要前提。FDM与DIW这2种打印工艺在本质上都是采用材料挤出方式，因此2个打印喷头的结构设计以及如何通过打印机固件或切片软件合理分配2个打印喷头的材料挤出量是搭建多材料3D打印机的研究重点。

目前，基于材料挤出成形工艺的打印机结构主要分为并联机械手结构的Delta坐标系机型和笛卡尔坐标系机型两类^[19]。为了降低设备维护的复杂程度，实现打印喷头的方便拆卸和调整，选择基于笛卡尔坐标系的龙门式结构，即经典的Prusa I3结构。该结构机型占地面积小，结构简单，对零部件装配的要求不高，且X轴和Y轴之间的运动相互分离，这不仅有利于在龙门上布置2个打印喷头的相关移动部件，而且可使打印喷头间的运动相互独立，不易产生干涉。考虑到打印机框架的可拓展性，选取2020铝型材和2040铝型材搭建打印机的基本框架。多材料3D打印机的框架结构如图2所示。

在多材料3D打印机各轴的运动设计中，X、Y、Z轴均采用滚珠式微型直线导轨作为导向机构。其中，X、Y轴采用带轮与同步带啮合的方式传递电机动力。对于Z轴的运动，在每一层结构打印完成后，X轴所在横梁须要沿Z轴方向上升1个层高的距离，因此Z轴要承载X轴横梁、打印喷头、导轨、电机和Z轴滑车等部件的重量。为了保证Z轴在每执行完1次进给运动后保持稳定，避免因打印喷头沿Z轴方向运动时发生抖动而导致材料挤出不畅，选择具有自锁能力的梯形丝杆副作为Z轴的传动部件。本文多材料3D打印机的加热平台的尺寸为220 mm×220 mm，但由于2个打印喷头占用了部分X轴空间，加热平台的实际可用面积为220 mm×190 mm。

FDM打印喷头采用近程挤出设计，其中挤出机选择由Anlin和Annex团队开发的Sherpa_Mini型近程挤出机。该款挤出机是一种双齿轮长丝挤出机，装有36步进电机并采用5∶1的齿轮减速设计，它在实现小尺寸以及轻量化的同时可产生较大的挤出扭矩。FDM打印喷头加热端选择E3D公司制造的E3DV6加热头。该加热头包含环状散热片、喉管、加热铝块、喷嘴、加热棒和NTC（negative temperature coefficient，负温度系数）热敏电阻。FDM打印喷头利用1个3010风扇对环状散热片进行散热，利用2个3010涡轮鼓风机对打印件进行散热，其喷嘴的出料口直径为0.4 mm。Sherpa_Mini型近程挤出机和E3DV6加热头采用螺栓固定在同一块铝板上，组成FDM打印喷头，如图3所示。如此组合设计减小了FDM打印喷头在X轴上的占用空间并实现了轻量化，保证了X轴方向具有足够的可打印尺寸，能够良好地满足市面上常见的1.75 mm直径热塑性耗材的挤出需求。

DIW打印工艺的材料挤出方式主要分为气压挤出、活塞挤出以及螺杆挤出三种。考虑到快干型导电银浆暴露在空气中会迅速固化且打印喷头内壁上的导电银浆不易清洗，选择一次性玻璃注射器作为存放导电银浆的料筒。基于导电银浆的存放需求，以微型直线导轨滑台为基础设计图4所示的DIW打印喷头。DIW打印喷头中玻璃注射器的料筒通过2组杯口螺栓固定在滑台外侧的固定架上，无需外部工具即可实现玻璃注射器的快速更换。玻璃注射器尾端柱塞部分与安装在滑台上的打印件接触，通过改变滑台的位移速度和位移量，可实现对玻璃注射器内导电银浆的挤出速度和挤出量的控制。安装在滑台上的推杆挡块、玻璃注射器固定架均通过3D打印方式制作而成。为了保证DIW打印喷头的运动稳定性及结构刚度，上述2个结构件均采用碳纤维增强PLA复合材料进行打印，并在Cura切片软件中将模型设置为完全填充。

由于多材料3D打印机中的FDM打印喷头和DIW打印喷头均由步进电机来控制材料的挤出，市面上常见的3D打印机控制板均可满足使用需求。考虑到多材料3D打印机所需的接口数量，选择Makerbase公司生产的MKS Monster8控制板作为打印机的主板，如图5所示。该控制板最多可插入8个TMC2208集成式步进电机驱动器，还配备了3个加热棒接口、1个热床接口、6个散热风扇接口、4个温度传感器接口以及6个限位开关接口，其丰富的接口数量可使多材料3D打印机在满足现有控制需求的同时具备良好的可拓展性。

常见的打印机开源控制固件有Marlin、Klipper等。这些固件均能通过修改Configuration文件中的引脚配置适配不同类型的控制板。考虑到要对固件进行多次更改与调试，选择Klipper固件，以便对多材料3D打印机进行在线监控。多材料3D打印机的主板连接Orange Pi Zero上位机开发板，以同步实现在网页端对打印过程的监控以及对打印机固件参数的调试，从而避免了在调试过程中因更新主板固件而频繁烧录主板微控制器的环节。

目前，Klipper固件主要用于FDM打印机的开发。本文所搭建的多材料3D打印机与双喷头FDM打印机的区别主要在于打印喷头，具体表现为其中一个打印喷头更换为以微型直线导轨滑台为基础的柱塞式DIW打印喷头。DIW打印喷头与FDM打印喷头之间存在较大差异，主要体现在以下2个方面：

1）用于DIW打印的打印材料无需加热；

2）虽然2个打印喷头均采用控制步进电机脉冲数的方式来调节打印材料的挤出量，但由于2个打印喷头对应的打印材料挤出原理不同，不能采用相同的固件配置。

针对2个打印喷头在硬件方面的区别，本文采用修改Klipper固件中打印喷头参数的方式来控制打印材料的挤出速度和挤出量。在固件设置中，FDM打印喷头和DIW打印喷头的主要参数如表1所示。根据表1所示参数，2个打印喷头所使用的步进电机均采用1/16细分驱动模式，即电机旋转1周需要3 200（200×16）个脉冲。

打印喷头固件设置中的转动距离（rotation distance）在传统意义上表示FDM打印喷头送丝轮转动1周所对应的丝材前进距离。FDM打印喷头所使用的送丝轮直径D₁=7.5 mm，计算得到送丝轮转动1圈时PLA丝材的前进距离R₁：

由于FDM打印喷头中步进电机输出端与送丝轮之间的减速齿轮组的齿数比i₁=5∶1，由此计算得到步进电机旋转1周所对应的PLA丝材的实际前进距离L₁：

FDM打印所采用的PLA丝材的直径d₁=1.75 mm，进一步计算得到步进电机旋转1周所对应的PLA丝材挤出量V₁：

由此可知，在步进电机驱动器细分数为16的条件下，每给予步进电机3 200个脉冲，FDM打印喷头将挤出长度为4.712 mm、体积为11.33 mm³的PLA丝材。

对于DIW打印喷头，结合丝杆导程可以计算得到步进电机旋转1周所对应的微型直线导轨滑台上滑块的移动距离为2 mm。因此，在DIW打印喷头固件设置中，将转动距离R₂设为2 mm，减速齿轮组齿数比i₂设为1∶1。由于玻璃注射器的柱塞杆与滑块的运动同步，可得其推动距离L₂=2 mm。结合玻璃注射器料筒直径d₂=4.7 mm，计算得到DIW打印喷头中步进电机旋转1周所对应的导电银浆挤出量V₂：

综上所述，在Klipper固件中DIW打印喷头的参数设置程序如图6所示。

所设计的多材料3D打印机的最终结构如图7(a)所示。为了验证FDM打印喷头的打印精度，利用搭建的3D打印机打印图7(b)左侧所示的边长为40 mm的空心立方体。经游标卡尺测量，该打印件在X、Y、Z三个方向上的误差较小且错层少，其整体质量符合实际需求。此外，为了验证2个打印喷头之间的重复定位精度，在一块厚度为2 mm的基板上打印图7(b)右侧所示的字母“ H ”和“ i ”。经观察，字母“ H ”和“ i ”能被准确地嵌入基板表面预设的字母槽，验证了2个不同类型的打印喷头在交替打印同一模型时的准确性。

对称振子天线又称偶极子天线，是RFID天线结构中最基本的天线单元。本文基于混合工艺下3D打印所使用的打印材料，利用ANSYS HFSS仿真软件设计了2款谐振频率为915 MHz的偶极子天线。经实验测得，用于打印RFID天线基板的PLA丝材在1 000 MHz下的介电常数ε_r=3.76，损耗角正切值tan δ=0.006 1，用于天线打印的导电银浆固化后的体积电导率（bulk conductivity）为166 667 S/m。基于上述材料属性，构建了2款RFID天线模型：图8(a)所示为天线放置在基板表面的外露式RFID天线；图8(b)所示为天线嵌入基板内部的内嵌式RFID天线。经初步的仿真优化，确定了2款RFID天线模型的部分尺寸：天线的宽度W=2 mm，高度h=0.6 mm，馈电区宽度a=3 mm；基板的长度B₂=150 mm，宽度B₁=25 mm，厚度T=3 mm。

使用ANSYS HFSS仿真软件对2款RFID天线进行仿真分析，以研究基板厚度T和天线臂长L对其谐振频率f₀的影响，结果如图9所示。由图9(a)可知，随着基板厚度T的增加，2款RFID天线的谐振频率均向低频方向发生偏移。由图9(b)可知，增大天线臂长可有效降低RFID天线的谐振频率，且在相同谐振频率下，内嵌式天线所需的臂长较小。

根据图9所示结果，基于915 MHz的谐振频率选取4种具有代表性的RFID天线，并对其回波损耗（S₁₁）曲线进行仿真分析，结果如图10所示。图中：天线1为天线臂长为66 mm、基板厚度为1 mm的外露式RFID天线，天线2为天线臂长为61 mm、基板厚度为1 mm的内嵌式RFID天线，天线3为天线臂长为60 mm、基板厚度为3 mm的外露式RFID天线，天线4为天线臂长为53 mm、基板厚度为3 mm的内嵌式天线，下文同。由图10结果可知，在基板厚度同为1 mm的条件下，相较于外露式RFID天线（天线1），内嵌式RFID天线（天线2）在满足相同谐振频率要求时所需的臂长更小，且具有更好的辐射性能；当基板厚度增加到3 mm时，相较于外露式RFID天线（天线3），内嵌式RFID天线（天线4）在减小天线臂长方面的效果更好，其辐射性能也更为突出。

综上所述，将RFID天线内嵌于基板中，不仅能够保护天线，还能够增强天线的辐射性能，且有利于天线小型化。

在RFID天线的多材料3D打印过程中，DIW打印所采用的导电银浆是一种非牛顿黏弹性浆料，虽然这种浆料具有一定的保形性，但是当打印一些存在镂空或具有悬臂梁结构的模型时，在重力影响下易产生塌陷。而热塑性塑料PLA固化迅速，能够快速形成稳定的结构支撑，因此预先打印PLA基板，能够对DIW打印喷头挤出的导电银浆起良好的承托作用，如图11(a)所示。在实际打印过程中，由于玻璃注射器内的导电银浆受到注射器管壁内外的压差以及材料自身重力的影响，在DIW打印喷头静止等待的过程中会有少量导电银浆从针头处析出。此时，若DIW打印喷头移动至PLA基板表面，则针头处析出的导电银浆会黏附在该表面上。为了解决这一问题，在Cura切片软件中开启FDM打印喷头的渗出罩和装填塔指令，如图11(b)所示。开启装填塔指令的目的是在天线模型一侧引入笔筒状的装填塔模型，使得DIW打印喷头在打印天线前先在装填塔内侧进行预打印，从而避免由导电银浆析出引起的初始挤出量不均匀问题。开启渗出罩指令的目的是在PLA基板四周建立一个与DIW打印喷头底端几乎等高的围墙，在DIW打印喷头从装填塔移动至PLA基板的过程中，PLA基板表面四周的渗出罩能刮除玻璃注射器针头处析出的导电银浆，从而避免导电银浆黏附在PLA基板表面上。

基于上述打印方案，打印了图12所示的4种不同尺寸的RFID天线，由于打印件2，4的天线内嵌于PLA基板中，无法在打印结束后对PLA基板内部的天线进行测量。考虑到测量需要，对打印件2，4表面作部分开槽处理。同时，为了充分展示内嵌于PLA基板中的天线的形貌，对打印件2，4拍摄X射线透射照片，如图12右侧所示。

采用矢量网络分析仪对4种RFID天线打印件的回波损耗进行测量。本次测量基于差分探头法^[20]，天线的测量夹具由2根相互连接的半刚性同轴线制作而成。RFID天线打印件与测量夹具的连接情况及测量现场如图13所示。测量夹具一端与天线相连，并使用导电银浆在连接处作进一步固定，另一端连接矢量网络分析仪端口处的同轴线。在同一环境下分别对上述4种RFID天线打印件的进行多次测量。基于回波损耗曲线测量结果得到RFID天线的辐射性能参数，如表2所示。表中：B、G、ρ分别为RFID天线的带宽、增益和驻波系数。

图14所示为4种RFID天线回波损耗的实测曲线与仿真曲线对比。由于导电银浆固化后的电导率存在变化，且基板材料的介电常数存在测量误差，4种RFID天线的谐振频率f₀相比其设计频率915 MHz均向低频方向发生了约185 MHz的偏移，约为740 MHz。选取在谐振频率为740 MHz下辐射性能最优的天线4，结合图9(b)所示的谐振频率随天线臂长减小而增大的变化规律，将天线臂长进一步缩短至55 mm，打印了1款基板厚度为3 mm的内嵌式RFID天线。如图15所示，该款RFID天线的谐振频率为915 MHz且其在-10 dB下的带宽大于150 MHz，能良好满足超高频应用场合的使用需求。

本文提出了一种基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造工艺，搭建了一台集成FDM和DIW这2种3D打印技术的多材料3D打印机，并打印了经仿真设计后的4种RFID天线。采用矢量网络分析仪对4种RFID天线打印件的回波损耗曲线进行测量。结合测量结果，选取天线4进行优化，最终打印了一款能良好应用于超高频应用场合的内嵌式RFID天线。实验结果验证了RFID天线多材料3D打印工艺的可行性，即在同一工序中实现了天线与基板的交替成形以及内嵌式天线结构的打印，为包含RFID天线产品的一体化制造提供了参考。