印制电子的转折：Optomec解析在3D形状上打印

当前的3D打印机可以使用塑料、金属、陶瓷等材料制造出3D对象，但是它们还不能广泛地用于制造电子器件。但是，有一家公司似乎走在了坚持突破这一领域的前沿，那就是——美国Optomec。近日，3D打印知名媒体撰稿人Barry Matties与Optomec公司的Pascal Pierra讨论了Optomec最新的LENS打印机系统和Aerosol Jet技术，以及如何能够让制造商在3D物体上打印传感器和天线等应用。这项加工工艺比传统技术快得多，也更环保。

问：Pascal，能为我们介绍一下您的公司吗？

Pascal Pierra：Optomec是一家美国公司，总部设在新墨西哥州。我们一直专注于3D打印及增材制造，有两个产品系列。一个是LENS产品系列，这是一种定向能量沉积技术，可以打印金属，如钛和不锈钢。LENS产品系列主要应用于向现有原件添加材料，例如金属零件修复、再制造和添加功能。Optomec提供增材制造系统和混合系统，可以将LENS技术与数控机床相结合，以在同一台机器上实现增材和减材金属加工。我们已经与美国国内、墨西哥VIWA，中国台湾地区的东台精机等数控机床供应商合作，我们还在亚洲寻求其他的合作机会。我们也有自己的混合系统，其名称是LENS机床系列。

另一个产品系列是Aerosol Jet，这是一种将电子产品打印到3D结构上的独特技术。它允许用户在10微米到几毫米的分辨率下将各种各样的电子材料、甚至生物材料喷印到基板上。Aerosol Jet技术的独特之处在于能够将高分辨率保形元件打印到任何3D形状上。

问：所以，Aerosol Jet是3D打印电子产品；该技术很有趣，因为它利用气体进行“聚焦”和颗粒物雾化。

Pierra：是的。Aerosol Jet打印使用了Optomec的专利技术来形成喷雾。我们有两种不同类型的雾化器可供选择，分别是气动雾化器和超声波雾化器，它们能够将源材料（例如银纳米颗粒油墨）雾化成直径为2~5微米的非常细小的液滴浓雾。每个液滴含有数千个银纳米颗粒。然后将带有纳米颗粒的浓密气雾引导到气溶胶喷射沉积喷嘴，同时，其被护套气体所包围。此技术的最大优势是，护套气体将气雾动态聚焦成紧密的流，以产生从10微米到几毫米的分辨率。此外，由于使用了护套气体，气雾会加速到50米/秒的速度，因此在从喷嘴出口到基板的最大5mm的行进过程中，它能保持聚焦。这种长焦距使其能够在非平面表面打印时保持所需的元件分辨率。市场上没有其他技术具有这种能力。

对于诸如喷墨的其他打印技术，喷嘴必须非常靠近基板，因此它们不能在非平面表面上打印。

问：在3D表面打印的市场相当广泛，因为有各种各样的应用。

Pierra：是的，我们现在主攻的市场之一就是制造智能手机天线以及打印各种传感器的IoT市场。我们可以将天线和传感器以及多级互连打印在一起，因为我们还可以在交叉点打印介电材料，从而无需多层电路板。这一切意味着我们可以将更多的电子产品打印到更小的空间中，这对于手持移动设备、航空航天和物联网应用的智能设备非常理想。我们还有客户将Aerosol Jet应用于生命科学。例如，新加坡有一所大学在绷带上打印加热器，然后在伤口上使用包含打印电子产品的绷带，将热量施加到伤口上。这就是将电路打印到3D基板上的一个例子，挠性的也可以。

问：对于电路板设计人员来说，这能用于标准电路的快速样板设计工具吗？

Pierra：快速样板设计将是这项技术的一个非常好的应用，因为其可以打印元件，如电阻、电容、传感器、天线，甚至薄膜晶体管以及互连，以形成完整的电路。由于打印过程使用的是数字CAD数据，用户可以非常快速地创建和修改原型设计。例如，我们在美国有很多军事客户，使用我们的技术进行原型设计和批量生产。

问：我们来谈谈3D打印，这种技术存在很久了吗？

Pierra：是的，这项技术已经存在超过十五年了。3D打印和Aerosol Jet之间有一点微妙的区别。Aerosol Jet实际上是在3D形状上打印。

问s：所以并不是打印出完整的零件。

Pierra：是的。微流体针可以用于打印整个结构，但其主要应用还是将保形电子设备打印到3D形状上。在某些需要达到一定电阻率的情况下，可以通过打印多个层来使打印的迹线变得更粗一些，但是这和大家所说的3D打印有所不同，例如使用各种不同的材料打印各种不同的形状。使用Aerosol Jet的用法更多是我们所说的打印到3D零件“上”，而这些零件通常采用常规的方法制造，如注塑成型。

问：所以这是一种在已经存在的物体基础上进行的增材加工工艺。你们没有制造新的膝盖，而是在膝盖上打印一个电路。
Pierra：非常正确。然后我们还能更进一步，例如我们可以在支架上打印上涂层，这个涂层可以让身体更好地接受支架，从而减少所需的药物。

另一个非常成功的应用是与通用电气合作开发的。GE将应变传感器打印到了其工业燃气轮机所使用的金属叶片上。传感器使用了可以承受发动机内部高工作温度的陶瓷油墨进行打印。每个传感器都有独特的数字代码和精确打印的图案，用于测量扇叶的伸长——这种情况被称为蠕变。在维护保养期间，会对传感器进行扫描，并将数据发送到GE工业物联网分析平台Predix。然后，识别出需要更换的叶片并进行替换，从而降低维护成本和停机时间。这样操作的优点是现在可以知道轮机上的哪些叶片需要更换，哪些叶片不需要更换。可靠性工程师称使用寿命早期的故障模式为“婴儿死亡率”。实际上，在轮机使用寿命的早期，很少需要更换叶片。在加入蠕变传感器之前，GE会根据预测的低概率故障时间更换所有叶片。

问：无论坏没坏都换。

Pierra：是的。现在他们可以找出并替换那些即将发生故障的叶片。所以这是一个巨大的市场，只是人们还没有意识到，这种技术可以通过在零件上添加传感器来延长关键部件的寿命。同样，也可以在轴上打印应变传感器，通过测量传感器来判断是否需要更换轴。这为许多行业开辟了非常多应用的大门。打印传感器只是在每个叶片上增加了几美元的成本，但节省了不必要的价值数千美元的叶片更换，并减少了停机时间。

问：现在，如果客户的仓库里已经有材料和库存，他们想要添加传感器的话并不需要再把东西运到制造商哪里，他们可以在自己的工厂里完成。

Pierra：的确如此。

问：这将改变未来制造电路的方式。

Pierra：是的。可以在制造完成后再添加传感器，可以将传感器添加到轴上，轴是3D形状的一个很好的例子，这项技术可以打印在任何物体上面。

问：那么汽车应用呢？

Pierra：汽车方面我们有几种应用，比较多的是打印加热器。例如，一些新的豪华车型有驾驶员辅助系统，如果你开始偏离车道，它会自动回到车道中间。所有这些技术都是基于摄像头，而冬天不能让相机受到冰雪的阻挡。我们有在相机所在的车窗上打印加热器的应用。同时还可以打印冰传感器，传感器会探测到需要打开加热器，并自动打开。这个应用比较复杂，因为供给车窗的电流是同样的，但是每条线的长度却有所不同。所以，如果想要让每一条线通过的电流相同，就需要进行调整。虽然看起来一样，但一些线比其他的更厚，电阻才会相同，从而达到均匀的加热和熔化。所以，它并不像看起来那么简单。

问：我们之前还讨论了飞机机翼和冰冷条件。能解释一下吗？

Pierra：我们还和一些飞机公司合作开发了在挠性电子设备上打印这种类型的加热器，以便进行机翼除冰，使用相同的传感器来检测冰，然后自动打开加热器，以确保飞机在起飞前没有结冰问题。

问：你们是直接在机翼表面打印还是打印在膜上再贴到机翼上？

Pierra：我们两种都可以做到。

问：尺寸有多大？因为机翼非常大，你们如何加工整个机翼呢？

Pierra：我们正在讨论的这个特定应用目前只在图纸上进行了原型测试，还没有得到实际的应用。实际操作中我们可以打印在挠性电路上，并将其贴到机翼上。

问：你们机器本身，能不能安装在能覆盖到整个机翼的某个地方？

Pierra：可以做到。我们有单独的Aerosol Jet技术的产品，我们称之为气溶胶喷印机（AJPE）。在这个例子中，或任何其他自动化平台上，AJPE都可以安装在机器人手臂上对机翼进行加工，以满足任何可能的大批量制造应用。

问：那有没有便携式的呢，比如装在卡车上，或者军方将其装在战场上或其他地方的越野车上。你们有没有想过这些应用或对这些应用感兴趣？你觉得会有用武之地吗？修复作战中的无线电或其他东西？

Pierra：目前还没有，但是我们确实有一个美国陆军的项目，内容是根据不同的任务，直接在无人机上3D打印各种类型的传感器和电源电路。这是与美国公司Aurora Flight Sciences的合作项目。

问：你们非常有创意。我想到我们刚才谈到的机翼，如果我有一架现成的飞机，我想将所有表面都转换成这种加热器技术。这是非常有趣的技术，它改变了人们思考和经营的方式。因为这不是真正的3D打印，你是怎么描述这项技术的？

Pierra：它是在3D形状上打印出电子产品。我们有能力制作更粗的线条，实际上就是3D打印微结构。我们也有能力使用光敏聚合物打印3D微结构。其主要应用是在3D对象上打印电子天线以及传感器。当然，它与传统3D打印机一样都是数字化的，具有相同的灵活性，很容易改变设计，能快速进行原型制造。我们的客户之一，Lite-On Mobile是一家总部位于广州的合同制造公司。他们拥有16台打印机，并为手机打印数百万套适形天线和传感器。他们通过我们的技术获得了很大的优势，能够在3-4天内向客户提供原型，而以前的技术需要2-3周。

问：打印的速度如何？会非常缓慢吗？加工的稳定性如何呢？

Pierra：打印速度取决于元件尺寸和层厚度等几个参数。一般来说打印速度为10毫米/秒到20毫米/秒。对于Lite-On的应用来说，他们使用一台机器同时对四个手机壳进行打印。对于打印图案复杂程度，打印完4个手机壳大约需要一到两分钟。由此可见，该方法能够满足高产量要求，并且具有批量生产成本效益。16个打印头可以达到每月一百万的加工量。

问：与其他的竞争技术相比，你们的技术有哪些优势？

Pierra：有一种在手机制造领域的类似技术，名称叫激光直接成型（LDS）。这项工艺分为七个步骤，其中包括通常会外包给第三方供应商的蚀刻和电镀。此外，这种工艺不太环保，而且加工过程需要的时间比较长。相比之下，我们仅需非常简单的两步——打印天线和固化，非常快速、环保，使用的材料也很少；同时还不使用任何烈性化学物质。就成本而言，也比像LDS的其他技术便宜，特别是在打印较大的零件时。LDS加工大型零件的成本效益不佳，但用我们的技术并没有什么差别。

问：原材料只能在你们这里购买吗？还是有多个供应商可供选择？

Pierra：实际上，我们Optomec的两个产品线都是开放的，我们不向客户出售材料。我们的客户可以直接从材料供应商处购买粉末和油墨。Aerosol Jet所使用的纳米颗粒油墨有很多供应商能提供。Optomec会评估这些油墨，以确保它们可以与该技术一起使用。室温下的油墨粘度范围可以在1~1000cp的范围内。对于纳米颗粒油墨，颗粒直径最好小于200纳米。从本质上来说，如果材料可以悬浮在溶液中并雾化，就可以用Aerosol Jet技术进行打印。

问：我看到你们展示的屏幕上显示了大约30个供应商，所以供应应该不是问题。那么投资回报方面又如何呢？比较基础系统价格是多少？

Pierra：跟我们聊材料时所说的一样，Aerosol Jet支持电子行业中所使用的各种材料。例如，该系统支持打印诸如PDOT：PSS、碳纳米管、电阻油墨、电介质、粘合剂、导电粘合剂、半导体，甚至生物材料非金属导体。最近我们还加入了对铜和铜镍合金（康铜）油墨的支持。

问：的确非常灵活。

Pierra：对，有非常多可能性。

问：一台机器能使用多种材料，而不必购买单独的机器，可以今天用银，明天用碳，是这样吗？

Pierra：没错，完全可以这样。实际上，当打印多层电路时，可以先打印银，然后打印电介质，然后再打印银，再打印连接元件的导电环氧树脂。

问：这种技术的市场前景非常好啊。我们还知道几家其他的公司，他们能够做到从蒸汽到最终板的多层电路打印。

Pierra：之前你提到的关于价格的问题，Optomec提供了各种用于批量生产研发的系统配置。起价在25万美元左右。

问：购买你们的技术肯定回本很快。

Pierra：是的。当然，投资回报还与应用有关。可以说，我们的技术不仅能降低制造成本，还能减少与整个应用相关的总体成本。

问：我预计，根据每个公司的情况，收回成本会很快。

Pierra：是的，出现了许多感兴趣的新潜在客户。价格不是问题。

问：你们现在已经售出多少台了？

Pierra：到目前为止，Optomec在20个国家销售了300多套系统，其中大约70％是Aerosol Jet，其余的是LENS。

问：听起来这已经是很成熟的技术了，经过了市场考验，已经上市多年。客户可以放心购买。

Pierra：那是肯定的。该技术上市已经超过15年了。

问：你们的技术有没有维护之类的问题？

Pierra：气溶胶喷射系统维护很简单。当然，由于它是一种基于油墨的技术，所以必须定期清洁。对于我们的批量生产系统，清洁周期是每四个小时一次。然而，更换干净的打印头无需工具，停机时间非常短。接着系统重新开始运行，并将脏的打印头置于清洗槽中清洗干净，准备好进行下次更换。

问：太好了。Pascal，感谢你今天接受我们的采访。谢谢。

Pierra：谢谢。

来源： 国际电子电路展
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