帶有嵌入式電子器件的粉末床金屬3D列印零件製造工藝獲突破

2019-11-15     文章出處：3D科學谷
​工程服務企業埃特博朗（ Etteplan ）與工業級3D列印企業EOS利用粉末床雷射熔化3D列印技術開發了內部嵌入電子器件的金屬3D列印零件。埃特博朗表示已找到了實現這類零件批量化生產的方式。

嵌入電子器件的金屬3D列印臨建
來源：埃特博朗
集成電子功能的智能金屬零件
埃特博朗是一家工程服務企業，為世界頂尖的工業用戶提供工程設計、技術文檔解決方案、嵌入式系統以及物聯網服務。埃爾伯特在其工程服務業務中建立了增材製造服務業務，嵌入式系統業務包括嵌入式軟體與設計、天線與RF設計等服務。

埃特博朗展示的第一個金屬3D列印零件樣件內部集成了帶有傳感器的集成電路，金屬外殼具有天線的功能。在埃特博朗展示的新金屬3D列印零件中，內部嵌入的電子器件包括跟蹤加速度、溫度、氣壓和空氣濕度的傳感器。迄今為止，通過傳統技術製造這樣的嵌入式電子金屬零件充滿著挑戰。
面向增材製造的金屬粉末、仿真設計、質量控制以及與傳統工藝的融合正在快速發展，選區雷射熔化（SLM）金屬3D列印技術在複雜金屬零件的生產中得到了日益廣泛的應用，包括熱交換器、隨形冷卻模具、骨科脊椎植入物等產品在內的金屬增材製造工藝趨於成熟。


但與金屬3D列印零件製造相比，在金屬3D列印零件中嵌入電子器件存在諸多新的挑戰，例如在金屬粉末床熔融過程中產生的高溫是電子產品無法承受的。埃特博朗表示目前已經克服了其中的挑戰，能夠成功地使電子產品保持良好的工作狀態。
帶有嵌入式電子器件的智能金屬零件有多種可能的應用場景，包括應用在目前難以放置傳感器，或傳感器無法獨立承受工作環境的場景中，通過傳感器收集數據，並實現感知重量、跟蹤疲勞、測量外力等功能，這些數據可用於預測維護需求或估計設備的使用壽命。
3D科學谷Review
根據3D科學谷的市場觀察，美國有一家Fabrisonic公司通過一種將超聲波焊接與數控加工結合起來的超聲增材製造（Ultrasonic Additive Manufacturing–UAM）也實現了嵌入電子器件的金屬零件製造。


該工藝的原理為通過超聲波去熔融帶狀金屬薄片，一層層疊加起來，從而實現基於疊層製造（Layer Manufacturing），超聲增材製造與分層實體的薄材選擇性切割（LOM）有些類似，不過不是將紙用雷射輪廓切割後一層層粘接成零件，而是使用頻率高達20,000Hz的超聲波施加在金屬片上，藉助超聲波的振蕩能量使兩個需焊接的表面摩擦，構成分子層間的熔合，然後以同樣的原理逐層連續地焊接金屬片，並同時通過機械加工來實現精細的三維形狀，從而形成堅實的金屬物體。[1]
藉助Fabrisonic的方法可以同時「列印」多種金屬材料，如鋁、銅、不鏽鋼和鈦合金。由於超聲焊接的工作溫度很低，不會產生不必要的金相變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質金屬箔片製造出有高度複雜內部通道的金屬部件。超聲增材製造工藝可以用來將導線、帶、箔和所謂的「智能材料」比如傳感器、電子電路和致動器等完全嵌入密實的金屬結構，而不會導致任何損壞，從而為電子器件的設計帶來新的可能性。[1]

有關在粉末床熔化增材製造的過程中如何克服高溫對於電子器件的影響以及在設計和列印過程中存在的更多挑戰，埃特博朗並未對外明確，但如果嵌入電子器件的金屬3D列印零件能夠實現批量生產，其應用前景是值得期待的，尤其是在人工智慧與物聯網技術快速發展的背景下，帶有嵌入式傳感器的金屬3D列印零部件，或將可以在許多以往存在數據收集困難的場景中得到應用。通過這些帶有傳感器的金屬零件收集到的海量數據，正是人工智慧機器學習算法優化所需要的，而機器學習算法將反過來用於優化任何可以被測量、被控制的生產過程、服務過程[2]。

參考資料：
[1] 張曙教授，同濟大學現代製造技術研究所，《專欄 l 技術解讀-增材和切削混合加工工具機》；
[2] 王維嘉，《暗知識-機器認知如何顛覆商業和社會》，中信出版社。
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