當(dāng)前的3D打印機(jī)可以使用塑料、金屬、陶瓷等材料制造出3D對(duì)象，但是它們還不能廣泛地用于制造電子器件。但是，有一家公司似乎走在了堅(jiān)持突破這一領(lǐng)域的前沿，那就是——美國(guó)Optomec。

“Optomec的獨(dú)特之處在于關(guān)注批量制造，將增材制造帶到規(guī)模化生產(chǎn)中，”Ken Vartanian表示。1997年，David Keicher先生——Optomec現(xiàn)任副總裁離開Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)并加入了Optomec。David在SNL的激光材料處理組工作，并深入了解到這些技術(shù)在制造領(lǐng)域的潛力。Optomec很快取得了SNL技術(shù)的許可證，開始進(jìn)行商業(yè)化，并成長(zhǎng)為一個(gè)有國(guó)際業(yè)務(wù)能力的公司。

據(jù)其最新財(cái)報(bào)顯示，Optomec在過(guò)去一年實(shí)現(xiàn)了70%的大幅增長(zhǎng)，訂單也已經(jīng)排到6個(gè)月以后。這家公司曾投資3500萬(wàn)美元進(jìn)行研發(fā)，如今看來(lái)終于收獲了豐厚的回報(bào)。

混合式的3D打印技術(shù)將成主流？

2012年，Optomec成為AmericaMakes的創(chuàng)始成員。而兩年前，America Makes發(fā)起了一個(gè)項(xiàng)目，探討怎么使增材制造更接近一種制造終端產(chǎn)品的方式。Optomec發(fā)現(xiàn)，最大的障礙在于工業(yè)級(jí)的金屬增材制造設(shè)備成本太高，往往超過(guò)100萬(wàn)美元。為了解決這個(gè)難題，Optomec咨詢了幾個(gè)潛在的客戶，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因素。

“一個(gè)因素是現(xiàn)今用于金屬部件的增材制造設(shè)備出售數(shù)量太少，”根據(jù)Wohlers報(bào)告，2015年世界范圍內(nèi)的金屬3d打印機(jī)才賣出800臺(tái)，雖然有了大幅度增長(zhǎng)，但相比于減材的CNC機(jī)床數(shù)量簡(jiǎn)直太少了，大量的CNC出售形成了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，因此每臺(tái)CNC機(jī)器的制造成本比3D打印機(jī)要少得多。“第二個(gè)因素是CNC機(jī)床的尺寸和形狀有一系列廣泛的選擇，和其他3D打印設(shè)備供應(yīng)商一樣，Optomec也只生產(chǎn)有限的機(jī)器。”Vartanian解釋，“客戶會(huì)提出定制要求，成本自然會(huì)更高——‘你可以把你的設(shè)備做得稍微寬一點(diǎn)或者高一點(diǎn)嗎?好適應(yīng)我們的部件尺寸’，這就是一個(gè)常常會(huì)被問及卻又難以協(xié)調(diào)的問題。這些都促使公司考慮——怎么將CNC和增材制造結(jié)合起來(lái)，為客戶提供更靈活、更低成本的解決方案?”

“LENS定向沉積是一種更靈活的金屬增材制造方法，在我看來(lái)，這個(gè)行業(yè)還未充分認(rèn)識(shí)到它的優(yōu)勢(shì)。”Vartanian稱。

如何從750億美元的市場(chǎng)分一瓢羹？

“CNC每年的銷售數(shù)量非常大，根據(jù)Gardner Publications的一份調(diào)查，2015年CNC銷售超過(guò)了750億美元。我們估計(jì)，隨著時(shí)間的推移，其中5-10%的CNC將會(huì)集成增材制造的能力，” Vartanian認(rèn)為。但是這并不是Optomec公司3D打印的唯一方向，他們還將3D打印瞄準(zhǔn)了電子器件制造市場(chǎng)。

“氣溶膠噴射(AerosolJet)是2000年發(fā)展起來(lái)的新型打印技術(shù)，主要用于在3D物體表面打印電子，可以在低溫基本上使用各種各樣的電子材料，” Vartanian解釋，“打印技術(shù)已經(jīng)存在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，像噴墨和絲網(wǎng)印刷已經(jīng)用于電子產(chǎn)業(yè)，但是就可使用的材料而言這些技術(shù)有其自身的局限性，而且只能在像紙這樣的平面上進(jìn)行打印。所以經(jīng)常來(lái)說(shuō)，氣溶膠噴射技術(shù)是一種新的可以解決這些局限的打印技術(shù)，它的兩個(gè)特點(diǎn)使之區(qū)別于其他方法：“它的輸入系統(tǒng)很獨(dú)特，可以打印各種材料，同時(shí)輸出系統(tǒng)使之可以在各種平面和非平面上進(jìn)行打印，”Vartanian表示。

技術(shù)“后盾”：激光工程化凈成形(LENS)及氣溶膠噴射(Aerosol Jet)

讓Optomec聲名鵲起的兩種技術(shù)分別是：激光工程化凈成形(LENS)及氣溶膠噴射(Aerosol Jet)。那么，這兩種技術(shù)有何特別之處呢?

在Optomec任職十年的Ken Vartanian向我們解釋：“傳統(tǒng)上有兩種將粉末轉(zhuǎn)化為3D金屬部件的方法，一種是粉末床熔融，使用激光選擇性地逐層燒結(jié)沉積的粉末;第二種稱為定向能量沉積，也就是Optomec的LENS技術(shù)——該工藝將激光束聚焦于由金屬粉末注射形成的熔池表面，而整個(gè)裝置處于惰性氣體保護(hù)之下。通過(guò)激光束的掃描運(yùn)動(dòng)，使金屬粉末材料逐層堆積，最終形成復(fù)雜形狀的零件或模具。

LENS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大尺寸金屬部件的制造，同時(shí)也有利于在現(xiàn)有部件上增加其他材料對(duì)象。將增材制造技術(shù)與減材制造(如CNC加工)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)易后處理的雙重優(yōu)勢(shì)，大幅節(jié)約成本。

材料揭秘：納米顆粒“墨水”

“我們將液態(tài)材料霧化，形成富含某種材料的濃霧水滴。使用的材料很豐富，包括金屬納米顆粒油墨、稀釋的厚膜漿料、熱固性聚合物(如UV固化環(huán)氧樹脂)、溶劑型聚氨酯(如聚合物和聚酰亞胺)。基本上，任何材料都可以懸浮在溶液中，然后我們采用氣溶膠噴射技術(shù)將其霧化。“Vartanian解釋道。使用導(dǎo)電金屬油墨時(shí)，每個(gè)液滴內(nèi)包含了成千上萬(wàn)的納米粒子。通常這些納米粒子(納米)的直徑范圍在50-100 m之間，霧化器產(chǎn)生的液滴直徑則大約是2-5微米。霧化后的致密材料將會(huì)填充到打印頭，再引入鞘流氣體進(jìn)行壓縮同時(shí)防止噴嘴堵塞。通過(guò)控制氣體流，霧化材料可以被壓縮成一個(gè)緊湊的光束。例如，100微米直徑噴嘴的氣溶膠噴射打印機(jī)，通過(guò)調(diào)整氣流，可以形成小于10微米的光束。

當(dāng)材料擠出噴嘴時(shí)，它的速度大約是每秒70米。由于高速，氣溶膠噴射有一個(gè)長(zhǎng)焦距，材料噴射到不規(guī)則、崎嶇表面仍然可以保持足夠的分辨率。

3D打印智能手機(jī)的“核心”制造

為手機(jī)制作外殼是一種頗歡迎的桌面3D打印項(xiàng)目，而Optomec公司則是在3D打印手機(jī)的內(nèi)部電子器件。Vartanian舉例說(shuō)：“光寶科技(Lite-On Mobile)是一個(gè)非常大的電子器件合約制造，在全球各地都有業(yè)務(wù)，其中一個(gè)是在中國(guó)的廣州。他們的這個(gè)分部配置了我們的設(shè)備，用來(lái)打印生產(chǎn)智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上的電子器件，供應(yīng)給一些領(lǐng)先的品牌手機(jī)廠商。那是在大約一年前，現(xiàn)在我們提供了多臺(tái)機(jī)器，可以每天24小時(shí)不間斷運(yùn)作，每周7天，將電子器件打印好，再安裝到數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的手機(jī)上。我們的設(shè)備安裝了一個(gè)5軸數(shù)控機(jī)床平臺(tái)，可以迅速更換多個(gè)打印頭。我們和光寶科技達(dá)成了很好的伙伴關(guān)系，他們充分利用了這項(xiàng)技術(shù)，并針對(duì)自己的流程進(jìn)行了相關(guān)調(diào)整。結(jié)果證明，他們也得到了非常好的收益。

3D打印在電子器件生產(chǎn)方面具有一些無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：靈活性、速度、成本和對(duì)環(huán)境的影響。據(jù)了解，傳統(tǒng)工藝制造手機(jī)所需的電子部件，往往需要電鍍和使用大量有毒有害化學(xué)物質(zhì)。

“在智能手機(jī)的電子產(chǎn)品中，利用增材制造的空間很廣。傳感器、天線、疊層模具的三維互連，和觸摸屏顯示電容網(wǎng)格/電路都可以采用氣溶膠噴射技術(shù)來(lái)打印。”Vartanian說(shuō)。該技術(shù)也有物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。“物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)很大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。智能/連接設(shè)備的概念同樣適用于消費(fèi)者和工業(yè)產(chǎn)品。例如，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的維修可以將共形傳感器打印到渦輪葉片上。這些傳感器可以被用來(lái)監(jiān)測(cè)葉片中的尺寸變化。”

石墨烯與納米材料

石墨烯是一種具有誘人性能的納米材料，包括高導(dǎo)電性和卓越的強(qiáng)度。然而，充分發(fā)揮這些屬性。石墨烯的應(yīng)用包括靈活的電子產(chǎn)品或改進(jìn)的電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能。Vartanian說(shuō)，“我們有幾個(gè)客戶會(huì)使用氣溶膠噴射沉積石墨烯、氧化石墨烯，或納米碳管。對(duì)于石墨烯/氧化石墨烯，他們使用的是市售的材料，有的也來(lái)自研究機(jī)構(gòu)。典型的應(yīng)用是厚度范圍從50nm-1 um的薄膜導(dǎo)體。

Optomec是在工業(yè)4.0背景下實(shí)現(xiàn)技術(shù)集合的一個(gè)好例子。混合式制造延伸了傳統(tǒng)工藝的能力，3D打印與納米材料的接合更是一個(gè)讓人興奮的前沿領(lǐng)域。有鑒于此，那些趕著預(yù)言“3D打印泡沫”的說(shuō)法，似乎聽來(lái)有點(diǎn)為時(shí)過(guò)早了。