印制電子的轉折：Optomec解析在3D形狀上打印

當前的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打印機系統(tǒng)和Aerosol Jet技術，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用。這項加工工藝比傳統(tǒng)技術快得多，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，總部設在新墨西哥州。我們一直專注于3D打印及增材制造，有兩個產(chǎn)品系列。一個是LENS產(chǎn)品系列，這是一種定向能量沉積技術，可以打印金屬，如鈦和不銹鋼。LENS產(chǎn)品系列主要應用于向現(xiàn)有原件添加材料，例如金屬零件修復、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技術與數(shù)控機床相結合，以在同一臺機器上實現(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，中國臺灣地區(qū)的東臺精機等數(shù)控機床供應商合作，我們還在亞洲尋求其他的合作機會。我們也有自己的混合系統(tǒng)，其名稱是LENS機床系列。

另一個產(chǎn)品系列是Aerosol Jet，這是一種將電子產(chǎn)品打印到3D結構上的獨特技術。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技術的獨特之處在于能夠將高分辨率保形元件打印到任何3D形狀上。

問：所以，Aerosol Jet是3D打印電子產(chǎn)品；該技術很有趣，因為它利用氣體進行“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，分別是氣動霧化器和超聲波霧化器，它們能夠將源材料（例如銀納米顆粒油墨）霧化成直徑為2~5微米的非常細小的液滴濃霧。每個液滴含有數(shù)千個銀納米顆粒。然后將帶有納米顆粒的濃密氣霧引導到氣溶膠噴射沉積噴嘴，同時，其被護套氣體所包圍。此技術的最大優(yōu)勢是，護套氣體將氣霧動態(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，由于使用了護套氣體，氣霧會加速到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保持所需的元件分辨率。市場上沒有其他技術具有這種能力。

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

問：在3D表面打印的市場相當廣泛，因為有各種各樣的應用。

Pierra：是的，我們現(xiàn)在主攻的市場之一就是制造智能手機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互連打印在一起，因為我們還可以在交叉點打印介電材料，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，這對于手持移動設備、航空航天和物聯(lián)網(wǎng)應用的智能設備非常理想。我們還有客戶將Aerosol Jet應用于生命科學。例如，新加坡有一所大學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基板上的一個例子，撓性的也可以。

問：對于電路板設計人員來說，這能用于標準電路的快速樣板設計工具嗎？

Pierra：快速樣板設計將是這項技術的一個非常好的應用，因為其可以打印元件，如電阻、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)建和修改原型設計。例如，我們在美國有很多軍事客戶，使用我們的技術進行原型設計和批量生產(chǎn)。

問：我們來談談3D打印，這種技術存在很久了嗎？

Pierra：是的，這項技術已經(jīng)存在超過十五年了。3D打印和Aerosol Jet之間有一點微妙的區(qū)別。Aerosol Jet實際上是在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結構，但其主要應用還是將保形電子設備打印到3D形狀上。在某些需要達到一定電阻率的情況下，可以通過打印多個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)存在的物體基礎上進行的增材加工工藝。你們沒有制造新的膝蓋，而是在膝蓋上打印一個電路。
Pierra：非常正確。然后我們還能更進一步，例如我們可以在支架上打印上涂層，這個涂層可以讓身體更好地接受支架，從而減少所需的藥物。

另一個非常成功的應用是與通用電氣合作開發(fā)的。GE將應變傳感器打印到了其工業(yè)燃氣輪機所使用的金屬葉片上。傳感器使用了可以承受發(fā)動機內(nèi)部高工作溫度的陶瓷油墨進行打印。每個傳感器都有獨特的數(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。在維護保養(yǎng)期間，會對傳感器進行掃描，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到GE工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)分析平臺Predix。然后，識別出需要更換的葉片并進行替換，從而降低維護成本和停機時間。這樣操作的優(yōu)點是現(xiàn)在可以知道輪機上的哪些葉片需要更換，哪些葉片不需要更換�？煽啃怨こ處煼Q使用壽命早期的故障模式為“嬰兒死亡率”。實際上，在輪機使用壽命的早期，很少需要更換葉片。在加入蠕變傳感器之前，GE會根據(jù)預測的低概率故障時間更換所有葉片。

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。所以這是一個巨大的市場，只是人們還沒有意識到，這種技術可以通過在零件上添加傳感器來延長關鍵部件的壽命。同樣，也可以在軸上打印應變傳感器，通過測量傳感器來判斷是否需要更換軸。這為許多行業(yè)開辟了非常多應用的大門。打印傳感器只是在每個葉片上增加了幾美元的成本，但節(jié)省了不必要的價值數(shù)千美元的葉片更換，并減少了停機時間。

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�，可以將傳感器添加到軸上，軸是3D形狀的一個很好的例子，這項技術可以打印在任何物體上面。

問：那么汽車應用呢？

Pierra：汽車方面我們有幾種應用，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，它會自動回到車道中間。所有這些技術都是基于攝像頭，而冬天不能讓相機受到冰雪的阻擋。我們有在相機所在的車窗上打印加熱器的應用。同時還可以打印冰傳感器，傳感器會探測到需要打開加熱器，并自動打開。這個應用比較復雜，因為供給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，電阻才會相同，從而達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機翼和冰冷條件。能解釋一下嗎？

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

問：你們是直接在機翼表面打印還是打印在膜上再貼到機翼上？

Pierra：我們兩種都可以做到。

問：尺寸有多大？因為機翼非常大，你們?nèi)绾渭庸ふ麄�機翼呢？

Pierra：我們正在討論的這個特定應用目前只在圖紙上進行了原型測試，還沒有得到實際的應用。實際操作中我們可以打印在撓性電路上，并將其貼到機翼上。

問：你們機器本身，能不能安裝在能覆蓋到整個機翼的某個地方？

Pierra：可以做到。我們有單獨的Aerosol Jet技術的產(chǎn)品，我們稱之為氣溶膠噴印機（AJPE）。在這個例子中，或任何其他自動化平臺上，AJPE都可以安裝在機器人手臂上對機翼進行加工，以滿足任何可能的大批量制造應用。

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用或對這些應用感興趣？你覺得會有用武之地嗎？修復作戰(zhàn)中的無線電或其他東西？

Pierra：目前還沒有，但是我們確實有一個美國陸軍的項目，內(nèi)容是根據(jù)不同的任務，直接在無人機上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的合作項目。

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

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，實際上就是3D打印微結構。我們也有能力使用光敏聚合物打印3D微結構。其主要應用是在3D對象上打印電子天線以及傳感器。當然，它與傳統(tǒng)3D打印機一樣都是數(shù)字化的，具有相同的靈活性，很容易改變設計，能快速進行原型制造。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臺打印機，并為手機打印數(shù)百萬套適形天線和傳感器。他們通過我們的技術獲得了很大的優(yōu)勢，能夠在3-4天內(nèi)向客戶提供原型，而以前的技術需要2-3周。

問：打印的速度如何？會非常緩慢嗎？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參數(shù)。一般來說打印速度為10毫米/秒到20毫米/秒。對于Lite-On的應用來說，他們使用一臺機器同時對四個手機殼進行打印。對于打印圖案復雜程度，打印完4個手機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個打印頭可以達到每月一百萬的加工量。

問：與其他的競爭技術相比，你們的技術有哪些優(yōu)勢？

Pierra：有一種在手機制造領域的類似技術，名稱叫激光直接成型（LDS）。這項工藝分為七個步驟，其中包括通常會外包給第三方供應商的蝕刻和電鍍。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�、環(huán)保，使用的材料也很少；同時還不使用任何烈性化學物質。就成本而言，也比像LDS的其他技術便宜，特別是在打印較大的零件時。LDS加工大型零件的成本效益不佳，但用我們的技術并沒有什么差別。

問：原材料只能在你們這里購買嗎？還是有多個供應商可供選擇？

Pierra：實際上，我們Optomec的兩個產(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商能提供。Optomec會評估這些油墨，以確保它們可以與該技術一起使用。室溫下的油墨粘度范圍可以在1~1000cp的范圍內(nèi)。對于納米顆粒油墨，顆粒直徑最好小于200納米。從本質上來說，如果材料可以懸浮在溶液中并霧化，就可以用Aerosol Jet技術進行打印。

問：我看到你們展示的屏幕上顯示了大約30個供應商，所以供應應該不是問題。那么投資回報方面又如何呢？比較基礎系統(tǒng)價格是多少？

Pierra：跟我們聊材料時所說的一樣，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、粘合劑、導電粘合劑、半導體，甚至生物材料非金屬導體。最近我們還加入了對銅和銅鎳合金（康銅）油墨的支持。

問：的確非常靈活。

Pierra：對，有非常多可能性。

問：一臺機器能使用多種材料，而不必購買單獨的機器，可以今天用銀，明天用碳，是這樣嗎？

Pierra：沒錯，完全可以這樣。實際上，當打印多層電路時，可以先打印銀，然后打印電介質，然后再打印銀，再打印連接元件的導電環(huán)氧樹脂。

問：這種技術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：之前你提到的關于價格的問題，Optomec提供了各種用于批量生產(chǎn)研發(fā)的系統(tǒng)配置。起價在25萬美元左右。

問：購買你們的技術肯定回本很快。

Pierra：是的。當然，投資回報還與應用有關�？梢哉f，我們的技術不僅能降低制造成本，還能減少與整個應用相關的總體成本。

問：我預計，根據(jù)每個公司的情況，收回成本會很快。

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

問：你們現(xiàn)在已經(jīng)售出多少臺了？

Pierra：到目前為止，Optomec在20個國家銷售了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)是很成熟的技術了，經(jīng)過了市場考驗，已經(jīng)上市多年�？蛻艨梢苑判馁徺I。

Pierra：那是肯定的。該技術上市已經(jīng)超過15年了。

問：你們的技術有沒有維護之類的問題？

Pierra：氣溶膠噴射系統(tǒng)維護很簡單。當然，由于它是一種基于油墨的技術，所以必須定期清潔。對于我們的批量生產(chǎn)系統(tǒng)，清潔周期是每四個小時一次。然而，更換干凈的打印頭無需工具，停機時間非常短。接著系統(tǒng)重新開始運行，并將臟的打印頭置于清洗槽中清洗干凈，準備好進行下次更換。

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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