【中國智能制造網(wǎng) 名家論壇】當(dāng)前的3D打印機可以使用塑料、金屬、陶瓷等材料制造出3D對象，但是它們還不能廣泛地用于制造電子器件。但是，有一家公司似乎走在了堅持突破這一領(lǐng)域的前沿，那就是——美國Optomec。　　近日，3D打印媒體撰稿人Micheal Petch采訪了Optomec的市場總監(jiān)KenVartanian，為我們講述3D打印是如何滲透電子制造、物聯(lián)網(wǎng)、納米材料和工業(yè)4.0的。
　　
　　“Optomec的獨特之處在于關(guān)注批量制造，將增材制造帶到規(guī)?；a(chǎn)中，”KenVartanian表示。1997年，David Keicher先生——Optomec現(xiàn)任副總裁離開Sandia國家實驗室（SNL）并加入了Optomec。David在SNL的激光材料處理組工作，并深入了解到這些技術(shù)在制造領(lǐng)域的潛力。Optomec很快取得了SNL技術(shù)的許可證，開始進行商業(yè)化，并成長為一個有業(yè)務(wù)能力的公司。
　　
　　據(jù)其新財報顯示，Optomec在過去一年實現(xiàn)了70%的大幅增長，訂單也已經(jīng)排到6個月以后。這家公司曾投資3500萬美元進行研發(fā)，如今看來終于收獲了豐厚的回報。
　　
　　混合式的3D打印技術(shù)將成主流？
　　
　　2012年，Optomec成為America Makes的創(chuàng)始成員。而兩年前，AmericaMakes發(fā)起了一個項目，探討怎么使增材制造更接近一種制造終端產(chǎn)品的方式。Optomec發(fā)現(xiàn)，大的障礙在于工業(yè)級的金屬增材制造設(shè)備成本太高，往往超過100萬美元。為了解決這個難題，Optomec咨詢了幾個潛在的客戶，發(fā)現(xiàn)了兩個關(guān)鍵的驅(qū)動因素。
　　
　　“一個因素是現(xiàn)今用于金屬部件的增材制造設(shè)備出售數(shù)量太少，”根據(jù)Wohlers報告，2015年世界范圍內(nèi)的金屬3d打印機才賣出800臺，雖然有了大幅度增長，但相比于減材的CNC機床數(shù)量簡直太少了，大量的CNC出售形成了規(guī)模經(jīng)濟，因此每臺CNC機器的制造成本比3D打印機要少得多。“第二個因素是CNC機床的尺寸和形狀有一系列廣泛的選擇，和其他3D打印設(shè)備供應(yīng)商一樣，Optomec也只生產(chǎn)有限的機器。”Vartanian解釋，“客戶會提出定制要求，成本自然會更高——‘你可以把你的設(shè)備做得稍微寬一點或者高一點嗎？好適應(yīng)我們的部件尺寸’，這就是一個常常會被問及卻又難以協(xié)調(diào)的問題。這些都促使公司考慮——怎么將CNC和增材制造結(jié)合起來，為客戶提供更靈活、更低成本的解決方案？”
　　
　　“LENS定向沉積是一種更靈活的金屬增材制造方法，在我看來，這個行業(yè)還未充分認識到它的優(yōu)勢。”Vartanian稱。
　　
　　如何從750億美元的市場分一瓢羹？
　　
　　“CNC每年的銷售數(shù)量非常大，根據(jù)Gardner Publications的一份調(diào)查，2015年CNC銷售超過了750億美元。我們估計，隨著時間的推移，其中5-10%的CNC將會集成增材制造的能力，”Vartanian認為。但是這并不是Optomec公司3D打印的方向，他們還將3D打印瞄準了電子器件制造市場。
　　
　　“氣溶膠噴射（AerosolJet）是2000年發(fā)展起來的新型打印技術(shù)，主要用于在3D物體表面打印電子，可以在低溫基本上使用各種各樣的電子材料，”Vartanian解釋，“打印技術(shù)已經(jīng)存在相當(dāng)長的一段時間，像噴墨和絲網(wǎng)印刷已經(jīng)用于電子產(chǎn)業(yè)，但是就可使用的材料而言這些技術(shù)有其自身的局限性，而且只能在像紙這樣的平面上進行打印。所以經(jīng)常來說，氣溶膠噴射技術(shù)是一種新的可以解決這些局限的打印技術(shù)，它的兩個特點使之區(qū)別于其他方法：“它的輸入系統(tǒng)很獨特，可以打印各種材料，同時輸出系統(tǒng)使之可以在各種平面和非平面上進行打印，”Vartanian表示。
　　
　　技術(shù)“后盾”：激光工程化凈成形（LENS）及氣溶膠噴射（AerosolJet）
　　
　　讓Optomec聲名鵲起的兩種技術(shù)分別是：激光工程化凈成形（LENS）及氣溶膠噴射（AerosolJet）。那么，這兩種技術(shù)有何特別之處呢？
　　
　　在Optomec任職十年的KenVartanian向我們解釋：“傳統(tǒng)上有兩種將粉末轉(zhuǎn)化為3D金屬部件的方法，一種是粉末床熔融，使用激光選擇性地逐層燒結(jié)沉積的粉末；第二種稱為定向能量沉積，也就是Optomec的LENS技術(shù)——該工藝將激光束聚焦于由金屬粉末注射形成的熔池表面，而整個裝置處于惰性氣體保護之下。通過激光束的掃描運動，使金屬粉末材料逐層堆積，終形成復(fù)雜形狀的零件或模具。
　　
　　LENS技術(shù)實現(xiàn)了大尺寸金屬部件的制造，同時也有利于在現(xiàn)有部件上增加其他材料對象。將增材制造技術(shù)與減材制造（如CNC加工）結(jié)合，可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和簡易后處理的雙重優(yōu)勢，大幅節(jié)約成本。
　　
　　材料揭秘：納米顆粒“墨水”
　　
　　“我們將液態(tài)材料霧化，形成富含某種材料的濃霧水滴。使用的材料很豐富，包括金屬納米顆粒油墨、稀釋的厚膜漿料、熱固性聚合物（如UV固化環(huán)氧樹脂）、溶劑型聚氨酯（如聚合物和聚酰亞胺）?；旧希魏尾牧隙伎梢詰腋≡谌芤褐?，然后我們采用氣溶膠噴射技術(shù)將其霧化。“Vartanian解釋道。使用導(dǎo)電金屬油墨時，每個液滴內(nèi)包含了成千上萬的納米粒子。通常這些納米粒子（納米）的直徑范圍在50-100nm之間，霧化器產(chǎn)生的液滴直徑則大約是2-5微米。霧化后的致密材料將會填充到打印頭，再引入鞘流氣體進行壓縮同時防止噴嘴堵塞。通過控制氣體流，霧化材料可以被壓縮成一個緊湊的光束。例如，100微米直徑噴嘴的氣溶膠噴射打印機，通過調(diào)整氣流，可以形成小于10微米的光束。
　　
　　當(dāng)材料擠出噴嘴時，它的速度大約是每秒70米。由于高速，氣溶膠噴射有一個長焦距，材料噴射到不規(guī)則、崎嶇表面仍然可以保持足夠的分辨率。
　　
　　3D打印智能手機的“核心”制造
　　
　　為手機制作外殼是一種頗歡迎的桌面3D打印項目，而Optomec公司則是在3D打印手機的內(nèi)部電子器件。Vartanian舉例說：“光寶科技（Lite-OnMobile）是一個非常大的電子器件合約制造，在各地都有業(yè)務(wù)，其中一個是在中國的廣州。他們的這個分部配置了我們的設(shè)備，用來打印生產(chǎn)智能手機等移動設(shè)備上的電子器件，供應(yīng)給一些的品牌手機廠商。那是在大約一年前，現(xiàn)在我們提供了多臺機器，可以每天24小時不間斷運作，每周7天，將電子器件打印好，再安裝到數(shù)以百萬計的手機上。我們的設(shè)備安裝了一個5軸數(shù)控機床平臺，可以迅速更換多個打印頭。我們和光寶科技達成了很好的伙伴關(guān)系，他們充分利用了這項技術(shù)，并針對自己的流程進行了相關(guān)調(diào)整。結(jié)果證明，他們也得到了非常好的收益。
　　
　　3D打印在電子器件生產(chǎn)方面具有一些無可比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在四個方面：靈活性、速度、成本和對環(huán)境的影響。據(jù)了解，傳統(tǒng)工藝制造手機所需的電子部件，往往需要電鍍和使用大量有毒有害化學(xué)物質(zhì)。
　　
　　“在智能手機的電子產(chǎn)品中，利用增材制造的空間很廣。傳感器、天線、疊層模具的三維互連，和觸摸屏顯示電容網(wǎng)格/電路都可以采用氣溶膠噴射技術(shù)來打印。”Vartanian說。該技術(shù)也有物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。“物聯(lián)網(wǎng)是一個很大的市場機會。智能/連接設(shè)備的概念同樣適用于消費者和工業(yè)產(chǎn)品。例如，燃氣渦輪發(fā)動機的維修可以將共形傳感器打印到渦輪葉片上。這些傳感器可以被用來監(jiān)測葉片中的尺寸變化。”
　　
　　石墨烯與納米材料
　　
　　石墨烯是一種具有誘人性能的納米材料，包括高導(dǎo)電性和的強度。然而，充分發(fā)揮這些屬性。石墨烯的應(yīng)用包括靈活的電子產(chǎn)品或改進的電動汽車的儲能。Vartanian說，“我們有幾個客戶會使用氣溶膠噴射沉積石墨烯、氧化石墨烯，或納米碳管。對于石墨烯/氧化石墨烯，他們使用的是市售的材料，有的也來自研究機構(gòu)。典型的應(yīng)用是厚度范圍從50nm-1um的薄膜導(dǎo)體。
　　
　　結(jié)語
　　
　　Optomec是在工業(yè)4.0背景下實現(xiàn)技術(shù)集合的一個好例子?；旌鲜街圃煅由炝藗鹘y(tǒng)工藝的能力，3D打印與納米材料的接合更是一個讓人興奮的前沿領(lǐng)域。有鑒于此，那些趕著預(yù)言“3D打印泡沫”的說法，似乎聽來有點為時過早了。