带有嵌入式电子器件的粉末床金属3D打印零件制造工艺获突破

| 3DScienceValley · 2019/11/15

工程服务企业埃特博朗（ Etteplan ）与工业级3D打印企业EOS利用粉末床激光熔化3D打印技术开发了内部嵌入电子器件的金属3D打印零件。埃特博朗表示已找到了实现这类零件批量化生产的方式。

嵌入电子器件的金属3D打印临建
来源：埃特博朗

集成电子功能的智能金属零件

埃特博朗是一家工程服务企业，为世界顶尖的工业用户提供工程设计、技术文档解决方案、嵌入式系统以及物联网服务。埃尔伯特在其工程服务业务中建立了增材制造服务业务，嵌入式系统业务包括嵌入式软件与设计、天线与RF设计等服务。

埃特博朗展示的第一个金属3D打印零件样件内部集成了带有传感器的集成电路，金属外壳具有天线的功能。在埃特博朗展示的新金属3D打印零件中，内部嵌入的电子器件包括跟踪加速度、温度、气压和空气湿度的传感器。迄今为止，通过传统技术制造这样的嵌入式电子金属零件充满着挑战。

面向增材制造的金属粉末、仿真设计、质量控制以及与传统工艺的融合正在快速发展，选区激光熔化（SLM）金属3D打印技术在复杂金属零件的生产中得到了日益广泛的应用，包括热交换器、随形冷却模具、骨科脊椎植入物等产品在内的金属增材制造工艺趋于成熟。

但与金属3D打印零件制造相比，在金属3D打印零件中嵌入电子器件存在诸多新的挑战，例如在金属粉末床熔融过程中产生的高温是电子产品无法承受的。埃特博朗表示目前已经克服了其中的挑战，能够成功地使电子产品保持良好的工作状态。

带有嵌入式电子器件的智能金属零件有多种可能的应用场景，包括应用在目前难以放置传感器，或传感器无法独立承受工作环境的场景中，通过传感器收集数据，并实现感知重量、跟踪疲劳、测量外力等功能，这些数据可用于预测维护需求或估计设备的使用寿命。

3D科学谷Review

根据3D科学谷的市场观察，美国有一家Fabrisonic公司通过一种将超声波焊接与数控加工结合起来的超声增材制造（Ultrasonic Additive Manufacturing–UAM）也实现了嵌入电子器件的金属零件制造。

该工艺的原理为通过超声波去熔融带状金属薄片，一层层叠加起来，从而实现基于叠层制造（Layer Manufacturing），超声增材制造与分层实体的薄材选择性切割（LOM）有些类似，不过不是将纸用激光轮廓切割后一层层粘接成零件，而是使用频率高达20,000Hz的超声波施加在金属片上，借助超声波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续地焊接金属片，并同时通过机械加工来实现精细的三维形状，从而形成坚实的金属物体。[1]

借助Fabrisonic的方法可以同时“打印”多种金属材料，如铝、铜、不锈钢和钛合金。由于超声焊接的工作温度很低，不会产生不必要的金相变化。该工艺能够使用成卷的铝或铜质金属箔片制造出有高度复杂内部通道的金属部件。超声增材制造工艺可以用来将导线、带、箔和所谓的“智能材料”比如传感器、电子电路和致动器等完全嵌入密实的金属结构，而不会导致任何损坏，从而为电子器件的设计带来新的可能性。[1]

有关在粉末床熔化增材制造的过程中如何克服高温对于电子器件的影响以及在设计和打印过程中存在的更多挑战，埃特博朗并未对外明确，但如果嵌入电子器件的金属3D打印零件能够实现批量生产，其应用前景是值得期待的，尤其是在人工智能与物联网技术快速发展的背景下，带有嵌入式传感器的金属3D打印零部件，或将可以在许多以往存在数据收集困难的场景中得到应用。通过这些带有传感器的金属零件收集到的海量数据，正是人工智能机器学习算法优化所需要的，而机器学习算法将反过来用于优化任何可以被测量、被控制的生产过程、服务过程[2]。

参考资料：

[1] 张曙教授，同济大学现代制造技术研究所，《专栏 l 技术解读-增材和切削混合加工机床》；

[2] 王维嘉，《暗知识-机器认知如何颠覆商业和社会》，中信出版社。

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