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美国巨头Optomec揭秘3D打印的前沿领域

童程童美 2016-09-22

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。

摘要

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。

“Optomec的独特之处在于关注批量制造,将增材制造带到规模化生产中,”Ken Vartanian表示。1997年,David Keicher先生——Optomec现任副总裁离开Sandia国家实验室(SNL)并加入了Optomec。David在SNL的激光材料处理组工作,并深入了解到这些技术在制造领域的潜力。Optomec很快取得了SNL技术的许可证,开始进行商业化,并成长为一个有国际业务能力的公司。

美国巨头Optomec揭秘3D打印的前沿领域

据其最新财报显示,Optomec在过去一年实现了70%的大幅增长,订单也已经排到6个月以后。这家公司曾投资3500万美元进行研发,如今看来终于收获了丰厚的回报。

混合式的3D打印技术将成主流?

2012年,Optomec成为AmericaMakes的创始成员。而两年前,America Makes发起了一个项目,探讨怎么使增材制造更接近一种制造终端产品的方式。Optomec发现,最大的障碍在于工业级的金属增材制造设备成本太高,往往超过100万美元。为了解决这个难题,Optomec咨询了几个潜在的客户,发现了两个关键的驱动因素。

“一个因素是现今用于金属部件的增材制造设备出售数量太少,”根据Wohlers报告,2015年世界范围内的金属3d打印机才卖出800台,虽然有了大幅度增长,但相比于减材的CNC机床数量简直太少了,大量的CNC出售形成了规模经济,因此每台CNC机器的制造成本比3D打印机要少得多。“第二个因素是CNC机床的尺寸和形状有一系列广泛的选择,和其他3D打印设备供应商一样,Optomec也只生产有限的机器。”Vartanian解释,“客户会提出定制要求,成本自然会更高——‘你可以把你的设备做得稍微宽一点或者高一点吗?好适应我们的部件尺寸’,这就是一个常常会被问及却又难以协调的问题。这些都促使公司考虑——怎么将CNC和增材制造结合起来,为客户提供更灵活、更低成本的解决方案?”

“LENS定向沉积是一种更灵活的金属增材制造方法,在我看来,这个行业还未充分认识到它的优势。”Vartanian称。

如何从750亿美元的市场分一瓢羹?

“CNC每年的销售数量非常大,根据Gardner Publications的一份调查,2015年CNC销售超过了750亿美元。我们估计,随着时间的推移,其中5-10%的CNC将会集成增材制造的能力,” Vartanian认为。但是这并不是Optomec公司3D打印的唯一方向,他们还将3D打印瞄准了电子器件制造市场。

“气溶胶喷射(AerosolJet)是2000年发展起来的新型打印技术,主要用于在3D物体表面打印电子,可以在低温基本上使用各种各样的电子材料,” Vartanian解释,“打印技术已经存在相当长的一段时间,像喷墨和丝网印刷已经用于电子产业,但是就可使用的材料而言这些技术有其自身的局限性,而且只能在像纸这样的平面上进行打印。所以经常来说,气溶胶喷射技术是一种新的可以解决这些局限的打印技术,它的两个特点使之区别于其他方法:“它的输入系统很独特,可以打印各种材料,同时输出系统使之可以在各种平面和非平面上进行打印,”Vartanian表示。

技术“后盾”:激光工程化净成形(LENS)及气溶胶喷射(Aerosol Jet)

让Optomec声名鹊起的两种技术分别是:激光工程化净成形(LENS)及气溶胶喷射(Aerosol Jet)。那么,这两种技术有何特别之处呢?

在Optomec任职十年的Ken Vartanian向我们解释:“传统上有两种将粉末转化为3D金属部件的方法,一种是粉末床熔融,使用激光选择性地逐层烧结沉积的粉末;第二种称为定向能量沉积,也就是Optomec的LENS技术——该工艺将激光束聚焦于由金属粉末注射形成的熔池表面,而整个装置处于惰性气体保护之下。通过激光束的扫描运动,使金属粉末材料逐层堆积,最终形成复杂形状的零件或模具。

LENS技术实现了大尺寸金属部件的制造,同时也有利于在现有部件上增加其他材料对象。将增材制造技术与减材制造(如CNC加工)结合,可以实现复杂结构和简易后处理的双重优势,大幅节约成本。

材料揭秘:纳米颗粒“墨水”

“我们将液态材料雾化,形成富含某种材料的浓雾水滴。使用的材料很丰富,包括金属纳米颗粒油墨、稀释的厚膜浆料、热固性聚合物(如UV固化环氧树脂)、溶剂型聚氨酯(如聚合物和聚酰亚胺)。基本上,任何材料都可以悬浮在溶液中,然后我们采用气溶胶喷射技术将其雾化。“Vartanian解释道。使用导电金属油墨时,每个液滴内包含了成千上万的纳米粒子。通常这些纳米粒子(纳米)的直径范围在50-100 m之间,雾化器产生的液滴直径则大约是2-5微米。雾化后的致密材料将会填充到打印头,再引入鞘流气体进行压缩同时防止喷嘴堵塞。通过控制气体流,雾化材料可以被压缩成一个紧凑的光束。例如,100微米直径喷嘴的气溶胶喷射打印机,通过调整气流,可以形成小于10微米的光束。

当材料挤出喷嘴时,它的速度大约是每秒70米。由于高速,气溶胶喷射有一个长焦距,材料喷射到不规则、崎岖表面仍然可以保持足够的分辨率。

3D打印智能手机的“核心”制造

为手机制作外壳是一种颇欢迎的桌面3D打印项目,而Optomec公司则是在3D打印手机的内部电子器件。Vartanian举例说:“光宝科技(Lite-On Mobile)是一个非常大的电子器件合约制造,在全球各地都有业务,其中一个是在中国的广州。他们的这个分部配置了我们的设备,用来打印生产智能手机等移动设备上的电子器件,供应给一些领先的品牌手机厂商。那是在大约一年前,现在我们提供了多台机器,可以每天24小时不间断运作,每周7天,将电子器件打印好,再安装到数以百万计的手机上。我们的设备安装了一个5轴数控机床平台,可以迅速更换多个打印头。我们和光宝科技达成了很好的伙伴关系,他们充分利用了这项技术,并针对自己的流程进行了相关调整。结果证明,他们也得到了非常好的收益。

3D打印在电子器件生产方面具有一些无可比拟的优势,主要体现在四个方面:灵活性、速度、成本和对环境的影响。据了解,传统工艺制造手机所需的电子部件,往往需要电镀和使用大量有毒有害化学物质。

“在智能手机的电子产品中,利用增材制造的空间很广。传感器、天线、叠层模具的三维互连,和触摸屏显示电容网格/电路都可以采用气溶胶喷射技术来打印。”Vartanian说。该技术也有物联网的应用。“物联网是一个很大的市场机会。智能/连接设备的概念同样适用于消费者和工业产品。例如,燃气涡轮发动机的维修可以将共形传感器打印到涡轮叶片上。这些传感器可以被用来监测叶片中的尺寸变化。”

石墨烯与纳米材料

石墨烯是一种具有诱人性能的纳米材料,包括高导电性和卓越的强度。然而,充分发挥这些属性。石墨烯的应用包括灵活的电子产品或改进的电动汽车的储能。Vartanian说,“我们有几个客户会使用气溶胶喷射沉积石墨烯、氧化石墨烯,或纳米碳管。对于石墨烯/氧化石墨烯,他们使用的是市售的材料,有的也来自研究机构。典型的应用是厚度范围从50nm-1 um的薄膜导体。

Optomec是在工业4.0背景下实现技术集合的一个好例子。混合式制造延伸了传统工艺的能力,3D打印与纳米材料的接合更是一个让人兴奋的前沿领域。有鉴于此,那些赶着预言“3D打印泡沫”的说法,似乎听来有点为时过早了。

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