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帶有嵌入式電子器件的粉末床金屬3D打印零件制造工藝獲突破
發(fā)布時(shí)間：
2023-01-11 12:43
工程服務(wù)企業(yè)埃特博朗( Etteplan )與工業(yè)級3D打印企業(yè)EOS利用粉末床激光熔化3D打印技術(shù)開發(fā)了內(nèi)部嵌入電子器件的金屬3D打印零件。埃特博朗表示已找到了實(shí)現(xiàn)這類零件批量化生產(chǎn)的方式。
嵌入電子器件的金屬3D打印臨建
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(wù)企業(yè)，為世界頂尖的工業(yè)用戶提供工程設(shè)計(jì)、技術(shù)文檔解決方案、嵌入式系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。埃爾伯特在其工程服務(wù)業(yè)務(wù)中建立了增材制造服務(wù)業(yè)務(wù)，嵌入式系統(tǒng)業(yè)務(wù)包括嵌入式軟件與設(shè)計(jì)、天線與RF設(shè)計(jì)等服務(wù)。
埃特博朗展示的第一個(gè)金屬3D打印零件樣件內(nèi)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打印零件中，內(nèi)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(tǒng)技術(shù)制造這樣的嵌入式電子金屬零件充滿著挑戰(zhàn)。
面向增材制造的金屬粉末、仿真設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制以及與傳統(tǒng)工藝的融合正在快速發(fā)展，選區(qū)激光熔化(SLM)金屬3D打印技術(shù)在復(fù)雜金屬零件的生產(chǎn)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，包括熱交換器、隨形冷卻模具、骨科脊椎植入物等產(chǎn)品在內(nèi)的金屬增材制造工藝趨于成熟。
但與金屬3D打印零件制造相比，在金屬3D打印零件中嵌入電子器件存在諸多新的挑戰(zhàn)，例如在金屬粉末床熔融過程中產(chǎn)生的高溫是電子產(chǎn)品無法承受的。埃特博朗表示目前已經(jīng)克服了其中的挑戰(zhàn)，能夠成功地使電子產(chǎn)品保持良好的工作狀態(tài)。
帶有嵌入式電子器件的智能金屬零件有多種可能的應(yīng)用場景，包括應(yīng)用在目前難以放置傳感器，或傳感器無法獨(dú)立承受工作環(huán)境的場景中，通過傳感器收集數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)感知重量、跟蹤疲勞、測量外力等功能，這些數(shù)據(jù)可用于預(yù)測維護(hù)需求或估計(jì)設(shè)備的使用壽命。
3D科學(xué)谷Review
根據(jù)3D科學(xué)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(shù)控加工結(jié)合起來的超聲增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing–UAM)也實(shí)現(xiàn)了嵌入電子器件的金屬零件制造。
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(shí)現(xiàn)基于疊層制造(Layer Manufacturing)，超聲增材制造與分層實(shí)體的薄材選擇性切割(LOM)有些類似，不過不是將紙用激光輪廓切割后一層層粘接成零件，而是使用頻率高達(dá)20,000Hz的超聲波施加在金屬片上，借助超聲波的振蕩能量使兩個(gè)需焊接的表面摩擦，構(gòu)成分子層間的熔合，然后以同樣的原理逐層連續(xù)地焊接金屬片，并同時(shí)通過機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn)精細(xì)的三維形狀，從而形成堅(jiān)實(shí)的金屬物體。[1]
借助Fabrisonic的方法可以同時(shí)“打印”多種金屬材料，如鋁、銅、不銹鋼和鈦合金。由于超聲焊接的工作溫度很低，不會產(chǎn)生不必要的金相變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質(zhì)金屬箔片制造出有高度復(fù)雜內(nèi)部通道的金屬部件。超聲增材制造工藝可以用來將導(dǎo)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(shí)的金屬結(jié)構(gòu)，而不會導(dǎo)致任何損壞，從而為電子器件的設(shè)計(jì)帶來新的可能性。[1]
有關(guān)在粉末床熔化增材制造的過程中如何克服高溫對于電子器件的影響以及在設(shè)計(jì)和打印過程中存在的更多挑戰(zhàn)，埃特博朗并未對外明確，但如果嵌入電子器件的金屬3D打印零件能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，其應(yīng)用前景是值得期待的，尤其是在人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，帶有嵌入式傳感器的金屬3D打印零部件，或?qū)⒖梢栽谠S多以往存在數(shù)據(jù)收集困難的場景中得到應(yīng)用。通過這些帶有傳感器的金屬零件收集到的海量數(shù)據(jù)，正是人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化所需要的，而機(jī)器學(xué)習(xí)算法將反過來用于優(yōu)化任何可以被測量、被控制的生產(chǎn)過程、服務(wù)過程[2]。
參考資料：
[1] 張曙教授，同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，《專欄 l 技術(shù)解讀-增材和切削混合加工機(jī)床》；
[2] 王維嘉，《暗知識-機(jī)器認(rèn)知如何顛覆商業(yè)和社會》，中信出版社。
3D打印,3D打印技術(shù),金屬粉末
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