印制電子的轉(zhuǎn)折：Optomec解析在3D形狀上打印

當(dāng)前的3D打印機(jī)可以使用塑料,、金屬、陶瓷等材料制造出3D對(duì)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(jiān)持突破這一領(lǐng)域的前沿,，那就是——美國Optomec。近日,，3D打印知名媒體撰稿人Barry Matties與Optomec公司的Pascal Pierra討論了Optomec最新的LENS打印機(jī)系統(tǒng)和Aerosol Jet技術(shù),，以及如何能夠讓制造商在3D物體上打印傳感器和天線等應(yīng)用。這項(xiàng)加工工藝比傳統(tǒng)技術(shù)快得多,，也更環(huán)保,。

問：Pascal，能為我們介紹一下您的公司嗎,？

Pascal Pierra：Optomec是一家美國公司,，總部設(shè)在新墨西哥州。我們一直專注于3D打印及增材制造,，有兩個(gè)產(chǎn)品系列,。一個(gè)是LENS產(chǎn)品系列，這是一種定向能量沉積技術(shù),，可以打印金屬,，如鈦和不銹鋼。LENS產(chǎn)品系列主要應(yīng)用于向現(xiàn)有原件添加材料,，例如金屬零件修復(fù),、再制造和添加功能。Optomec提供增材制造系統(tǒng)和混合系統(tǒng),，可以將LENS技術(shù)與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合,，以在同一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)增材和減材金屬加工。我們已經(jīng)與美國國內(nèi)、墨西哥VIWA,，中國臺(tái)灣地區(qū)的東臺(tái)精機(jī)等數(shù)控機(jī)床供應(yīng)商合作,，我們還在亞洲尋求其他的合作機(jī)會(huì)。我們也有自己的混合系統(tǒng),，其名稱是LENS機(jī)床系列,。

另一個(gè)產(chǎn)品系列是Aerosol Jet，這是一種將電子產(chǎn)品打印到3D結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特技術(shù),。它允許用戶在10微米到幾毫米的分辨率下將各種各樣的電子材料,、甚至生物材料噴印到基板上。Aerosol Jet技術(shù)的獨(dú)特之處在于能夠?qū)⒏叻直媛时Ｐ卧�件打印到任�?D形狀上,。

問：所以,，Aerosol Jet是3D打印電子產(chǎn)品；該技術(shù)很有趣,，因?yàn)樗�利用氣體進(jìn)行“聚焦”和顆粒物霧化,。

Pierra：是的。Aerosol Jet打印使用了Optomec的專利技術(shù)來形成噴霧,。我們有兩種不同類型的霧化器可供選擇,，分別是氣動(dòng)霧化器和超聲波霧化器，它們能夠?qū)⒃床牧希ɡ�如銀納米顆粒油墨）霧化成直徑為2~5微米的非常細(xì)小的液滴濃霧,。每個(gè)液滴含有數(shù)千個(gè)銀納米顆粒,。然后將帶有納米顆粒的濃密氣霧引導(dǎo)到氣溶膠噴射沉積噴嘴，同時(shí),，其被護(hù)套氣體所包圍,。此技術(shù)的最大優(yōu)勢是，護(hù)套氣體將氣霧動(dòng)態(tài)聚焦成緊密的流,，以產(chǎn)生從10微米到幾毫米的分辨率,。此外，由于使用了護(hù)套氣體,，氣霧會(huì)加速到50米/秒的速度,，因此在從噴嘴出口到基板的最大5mm的行進(jìn)過程中，它能保持聚焦,。這種長焦距使其能夠在非平面表面打印時(shí)保持所需的元件分辨率,。市場上沒有其他技術(shù)具有這種能力。

對(duì)于諸如噴墨的其他打印技術(shù),，噴嘴必須非�,？拷�基板，因此它們不能在非平面表面上打��,。

問：在3D表面打印的市場相當(dāng)廣泛,，因?yàn)橛懈鞣N各樣的應(yīng)用,。

Pierra：是的，我們現(xiàn)在主攻的市場之一就是制造智能手機(jī)天線以及打印各種傳感器的IoT市場,。我們可以將天線和傳感器以及多級(jí)互連打印在一起,，因?yàn)槲覀冞�可以在交叉點(diǎn)打印介電材料，從而無需多層電路板,。這一切意味著我們可以將更多的電子產(chǎn)品打印到更小的空間中,，這對(duì)于手持移動(dòng)設(shè)備、航空航天和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能設(shè)備非常理想,。我們還有客戶將Aerosol Jet應(yīng)用于生命科學(xué),。例如，新加坡有一所大學(xué)在繃帶上打印加熱器,，然后在傷口上使用包含打印電子產(chǎn)品的繃帶,，將熱量施加到傷口上。這就是將電路打印到3D基板上的一個(gè)例子,，撓性的也可以,。

問：對(duì)于電路板設(shè)計(jì)人員來說，這能用于標(biāo)準(zhǔn)電路的快速樣板設(shè)計(jì)工具嗎,？

Pierra：快速樣板設(shè)計(jì)將是這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)非常好的應(yīng)用,，因?yàn)槠淇梢源蛴≡�件，如電��,、電容、傳感器,、天線,，甚至薄膜晶體管以及互連，以形成完整的電路,。由于打印過程使用的是數(shù)字CAD數(shù)據(jù),，用戶可以非常快速地創(chuàng)建和修改原型設(shè)計(jì),。例如,，我們?cè)诿绹�有很多軍事客戶，使用我們的技術(shù)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn),。

問：我們來談?wù)?D打印,，這種技術(shù)存在很久了嗎？

Pierra：是的,，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在超過十五年了,。3D打印和Aerosol Jet之間有一點(diǎn)微妙的區(qū)別。Aerosol Jet實(shí)際上是在3D形狀上打印,。

問s：所以并不是打印出完整的零件,。

Pierra：是的。微流體針可以用于打印整個(gè)結(jié)構(gòu)，但其主要應(yīng)用還是將保形電子設(shè)備打印到3D形狀上,。在某些需要達(dá)到一定電阻率的情況下,，可以通過打印多個(gè)層來使打印的跡線變得更粗一些，但是這和大家所說的3D打印有所不同,，例如使用各種不同的材料打印各種不同的形狀,。使用Aerosol Jet的用法更多是我們所說的打印到3D零件“上”，而這些零件通常采用常規(guī)的方法制造,，如注塑成型,。

問：所以這是一種在已經(jīng)存在的物體基礎(chǔ)上進(jìn)行的增材加工工藝。你們沒有制造新的膝蓋,，而是在膝蓋上打印一個(gè)電路,。
Pierra：非常正確。然后我們還能更進(jìn)一步,，例如我們可以在支架上打印上涂層,，這個(gè)涂層可以讓身體更好地接受支架，從而減少所需的藥物,。

另一個(gè)非常成功的應(yīng)用是與通用電氣合作開發(fā)的,。GE將應(yīng)變傳感器打印到了其工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)所使用的金屬葉片上。傳感器使用了可以承受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部高工作溫度的陶瓷油墨進(jìn)行打印,。每個(gè)傳感器都有獨(dú)特的數(shù)字代碼和精確打印的圖案,，用于測量扇葉的伸長——這種情況被稱為蠕變。在維護(hù)保養(yǎng)期間,，會(huì)對(duì)傳感器進(jìn)行掃描,，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到GE工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)分析平臺(tái)Predix。然后,，識(shí)別出需要更換的葉片并進(jìn)行替換,，從而降低維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。這樣操作的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)在可以知道輪機(jī)上的哪些葉片需要更換,，哪些葉片不需要更換,。可靠性工程師稱使用壽命早期的故障模式為“嬰兒死亡率”,。實(shí)際上,，在輪機(jī)使用壽命的早期，很少需要更換葉片,。在加入蠕變傳感器之前,，GE會(huì)根據(jù)預(yù)測的低概率故障時(shí)間更換所有葉片。

問：無論壞沒壞都換,。

Pierra：是的�,，F(xiàn)在他們可以找出并替換那些即將發(fā)生故障的葉片,。所以這是一個(gè)巨大的市場，只是人們還沒有意識(shí)到,，這種技術(shù)可以通過在零件上添加傳感器來延長關(guān)鍵部件的壽命,。同樣，也可以在軸上打印應(yīng)變傳感器,，通過測量傳感器來判斷是否需要更換軸,。這為許多行業(yè)開辟了非常多應(yīng)用的大門。打印傳感器只是在每個(gè)葉片上增加了幾美元的成本,，但節(jié)省了不必要的價(jià)值數(shù)千美元的葉片更換,，并減少了停機(jī)時(shí)間。

問：現(xiàn)在,，如果客戶的倉庫里已經(jīng)有材料和庫存,，他們想要添加傳感器的話并不需要再把東西運(yùn)到制造商哪里，他們可以在自己的工廠里完成,。

Pierra：的確如此,。

問：這將改變未來制造電路的方式。

Pierra：是的,�,？梢栽谥圃焱瓿珊笤偬砑觽鞲衅鳎�可以將傳感器添加到軸上,，軸是3D形狀的一個(gè)很好的例子,，這項(xiàng)技術(shù)可以打印在任何物體上面。

問：那么汽車應(yīng)用呢,？

Pierra：汽車方面我們有幾種應(yīng)用,，比較多的是打印加熱器。例如,，一些新的豪華車型有駕駛員輔助系統(tǒng)，如果你開始偏離車道,，它會(huì)自動(dòng)回到車道中間,。所有這些技術(shù)都是基于攝像頭，而冬天不能讓相機(jī)受到冰雪的阻擋,。我們有在相機(jī)所在的車窗上打印加熱器的應(yīng)用,。同時(shí)還可以打印冰傳感器，傳感器會(huì)探測到需要打開加熱器,，并自動(dòng)打開,。這個(gè)應(yīng)用比較復(fù)雜，因?yàn)楣┙o車窗的電流是同樣的,，但是每條線的長度卻有所不同,。所以,，如果想要讓每一條線通過的電流相同，就需要進(jìn)行調(diào)整,。雖然看起來一樣,，但一些線比其他的更厚，電阻才會(huì)相同,，從而達(dá)到均勻的加熱和熔化,。所以，它并不像看起來那么簡單,。

問：我們之前還討論了飛機(jī)機(jī)翼和冰冷條件,。能解釋一下嗎？

Pierra：我們還和一些飛機(jī)公司合作開發(fā)了在撓性電子設(shè)備上打印這種類型的加熱器,，以便進(jìn)行機(jī)翼除冰,，使用相同的傳感器來檢測冰，然后自動(dòng)打開加熱器,，以確保飛機(jī)在起飛前沒有結(jié)冰問題,。

問：你們是直接在機(jī)翼表面打印還是打印在膜上再貼到機(jī)翼上？

Pierra：我們兩種都可以做到,。

問：尺寸有多大,？因?yàn)闄C(jī)翼非常大，你們?nèi)绾渭庸ふ麄�(gè)機(jī)翼呢,？

Pierra：我們正在討論的這個(gè)特定應(yīng)用目前只在圖紙上進(jìn)行了原型測試,，還沒有得到實(shí)際的應(yīng)用。實(shí)際操作中我們可以打印在撓性電路上,，并將其貼到機(jī)翼上,。

問：你們機(jī)器本身，能不能安裝在能覆蓋到整個(gè)機(jī)翼的某個(gè)地方,？

Pierra：可以做到,。我們有單獨(dú)的Aerosol Jet技術(shù)的產(chǎn)品，我們稱之為氣溶膠噴印機(jī)（AJPE）,。在這個(gè)例子中,，或任何其他自動(dòng)化平臺(tái)上，AJPE都可以安裝在機(jī)器人手臂上對(duì)機(jī)翼進(jìn)行加工,，以滿足任何可能的大批量制造應(yīng)用,。

問：那有沒有便攜式的呢，比如裝在卡車上,，或者軍方將其裝在戰(zhàn)場上或其他地方的越野車上,。你們有沒有想過這些應(yīng)用或?qū)�這些應(yīng)用感興趣？你覺得會(huì)有用武之地嗎,？修復(fù)作戰(zhàn)中的無線電或其他東西,？

Pierra：目前還沒有,，但是我們確實(shí)有一個(gè)美國陸軍的項(xiàng)目，內(nèi)容是根據(jù)不同的任務(wù),，直接在無人機(jī)上3D打印各種類型的傳感器和電源電路,。這是與美國公司Aurora Flight Sciences的合作項(xiàng)目。

問：你們非常有創(chuàng)意,。我想到我們剛才談到的機(jī)翼,，如果我有一架現(xiàn)成的飛機(jī)，我想將所有表面都轉(zhuǎn)換成這種加熱器技術(shù),。這是非常有趣的技術(shù),，它改變了人們思考和經(jīng)營的方式。因?yàn)檫@不是真正的3D打印,，你是怎么描述這項(xiàng)技術(shù)的,？

Pierra：它是在3D形狀上打印出電子產(chǎn)品。我們有能力制作更粗的線條,，實(shí)際上就是3D打印微結(jié)構(gòu),。我們也有能力使用光敏聚合物打印3D微結(jié)構(gòu)。其主要應(yīng)用是在3D對(duì)象上打印電子天線以及傳感器,。當(dāng)然,，它與傳統(tǒng)3D打印機(jī)一樣都是數(shù)字化的，具有相同的靈活性,，很容易改變?cè)O(shè)計(jì),，能快速進(jìn)行原型制造。我們的客戶之一,，Lite-On Mobile是一家總部位于廣州的合同制造公司,。他們擁有16臺(tái)打印機(jī)，并為手機(jī)打印數(shù)百萬套適形天線和傳感器,。他們通過我們的技術(shù)獲得了很大的優(yōu)勢,，能夠在3-4天內(nèi)向客戶提供原型，而以前的技術(shù)需要2-3周,。

問：打印的速度如何,？會(huì)非常緩慢嗎？加工的穩(wěn)定性如何呢,？

Pierra：打印速度取決于元件尺寸和層厚度等幾個(gè)參數(shù),。一般來說打印速度為10毫米/秒到20毫米/秒,。對(duì)于Lite-On的應(yīng)用來說,，他們使用一臺(tái)機(jī)器同時(shí)對(duì)四個(gè)手機(jī)殼進(jìn)行打印。對(duì)于打印圖案復(fù)雜程度,，打印完4個(gè)手機(jī)殼大約需要一到兩分鐘,。由此可見,，該方法能夠滿足高產(chǎn)量要求，并且具有批量生產(chǎn)成本效益,。16個(gè)打印頭可以達(dá)到每月一百萬的加工量,。

問：與其他的競爭技術(shù)相比，你們的技術(shù)有哪些優(yōu)勢,？

Pierra：有一種在手機(jī)制造領(lǐng)域的類似技術(shù),，名稱叫激光直接成型（LDS）。這項(xiàng)工藝分為七個(gè)步驟,，其中包括通常會(huì)外包給第三方供應(yīng)商的蝕刻和電鍍,。此外，這種工藝不太環(huán)保,，而且加工過程需要的時(shí)間比較長,。相比之下，我們僅需非常簡單的兩步——打印天線和固化,，非�,？焖佟�環(huán)保,，使用的材料也很少,；同時(shí)還不使用任何烈性化學(xué)物質(zhì)。就成本而言,，也比像LDS的其他技術(shù)便宜,，特別是在打印較大的零件時(shí)。LDS加工大型零件的成本效益不佳,，但用我們的技術(shù)并沒有什么差別,。

問：原材料只能在你們這里購買嗎？還是有多個(gè)供應(yīng)商可供選擇,？

Pierra：實(shí)際上,，我們Optomec的兩個(gè)產(chǎn)品線都是開放的，我們不向客戶出售材料,。我們的客戶可以直接從材料供應(yīng)商處購買粉末和油墨,。Aerosol Jet所使用的納米顆粒油墨有很多供應(yīng)商能提供。Optomec會(huì)評(píng)估這些油墨,，以確保它們可以與該技術(shù)一起使用,。室溫下的油墨粘度范圍可以在1~1000cp的范圍內(nèi)。對(duì)于納米顆粒油墨,，顆粒直徑最好小于200納米,。從本質(zhì)上來說，如果材料可以懸浮在溶液中并霧化,，就可以用Aerosol Jet技術(shù)進(jìn)行打印,。

問：我看到你們展示的屏幕上顯示了大約30個(gè)供應(yīng)商,，所以供應(yīng)應(yīng)該不是問題。那么投資回報(bào)方面又如何呢,？比較基礎(chǔ)系統(tǒng)價(jià)格是多少,？

Pierra：跟我們聊材料時(shí)所說的一樣，Aerosol Jet支持電子行業(yè)中所使用的各種材料,。例如,，該系統(tǒng)支持打印諸如PDOT：PSS、碳納米管,、電阻油墨,、電介質(zhì)、粘合劑,、導(dǎo)電粘合劑,、半導(dǎo)體，甚至生物材料非金屬導(dǎo)體,。最近我們還加入了對(duì)銅和銅鎳合金（康銅）油墨的支持,。

問：的確非常靈活。

Pierra：對(duì),，有非常多可能性,。

問：一臺(tái)機(jī)器能使用多種材料，而不必購買單獨(dú)的機(jī)器,，可以今天用銀,，明天用碳，是這樣嗎,？

Pierra：沒錯(cuò),，完全可以這樣。實(shí)際上,，當(dāng)打印多層電路時(shí),，可以先打印銀，然后打印電介質(zhì),，然后再打印銀,，再打印連接元件的導(dǎo)電環(huán)氧樹脂。

問：這種技術(shù)的市場前景非常好啊,。我們還知道幾家其他的公司,，他們能夠做到從蒸汽到最終板的多層電路打印。

Pierra：之前你提到的關(guān)于價(jià)格的問題,，Optomec提供了各種用于批量生產(chǎn)研發(fā)的系統(tǒng)配置,。起價(jià)在25萬美元左右。

問：購買你們的技術(shù)肯定回本很快。

Pierra：是的,。當(dāng)然，投資回報(bào)還與應(yīng)用有關(guān),�,？梢哉f，我們的技術(shù)不僅能降低制造成本,，還能減少與整個(gè)應(yīng)用相關(guān)的總體成本,。

問：我預(yù)計(jì)，根據(jù)每個(gè)公司的情況,，收回成本會(huì)很快,。

Pierra：是的，出現(xiàn)了許多感興趣的新潛在客戶,。價(jià)格不是問題,。

問：你們現(xiàn)在已經(jīng)售出多少臺(tái)了？

Pierra：到目前為止,，Optomec在20個(gè)國家銷售了300多套系統(tǒng),，其中大約70％是Aerosol Jet，其余的是LENS,。

問：聽起來這已經(jīng)是很成熟的技術(shù)了,，經(jīng)過了市場考驗(yàn)，已經(jīng)上市多年,�,？蛻艨梢苑判馁徺I。

Pierra：那是肯定的,。該技術(shù)上市已經(jīng)超過15年了,。

問：你們的技術(shù)有沒有維護(hù)之類的問題？

Pierra：氣溶膠噴射系統(tǒng)維護(hù)很簡單,。當(dāng)然,，由于它是一種基于油墨的技術(shù)，所以必須定期清潔,。對(duì)于我們的批量生產(chǎn)系統(tǒng),，清潔周期是每四個(gè)小時(shí)一次。然而,，更換干凈的打印頭無需工具,，停機(jī)時(shí)間非常短。接著系統(tǒng)重新開始運(yùn)行,，并將臟的打印頭置于清洗槽中清洗干凈,，準(zhǔn)備好進(jìn)行下次更換。

問：太好了。Pascal,，感謝你今天接受我們的采訪,。謝謝。

Pierra：謝謝,。

來源： 國際電子電路展
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