AM易道技術(shù)分享

最近，F(xiàn)raunhofer IWU（弗勞恩霍夫機(jī)床與成形技術(shù)研究所）和設(shè)備制造商CR3D聯(lián)手推出了WEAM技術(shù)，即將在Formnext展示。

他不再依賴那些特種導(dǎo)電材料，而是直接將標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電線集成到3D打印部件中。

AM易道認(rèn)為，這個(gè)技術(shù)非常值得關(guān)注：

它代表著增材制造正在從"會(huì)造型"（控形）進(jìn)化到"能賦性"（控性），再躍升到"造系統(tǒng)"（集成化）

是3D打印又一次技術(shù)和應(yīng)用升維。

什么是WEAM？

WEAM，全稱Wire Encapsulating Additive Manufacturing，本質(zhì)上是一種用標(biāo)準(zhǔn)金屬線材替代導(dǎo)電漿料，在增材制造過程中直接布線并包覆的工藝路線。

傳統(tǒng)的功能化3D打印件大概有幾種做法：

要么先打結(jié)構(gòu)，再用噴墨、氣溶膠噴射之類的方法噴銀漿/銅漿形成線路；

要么先做電子，再用包覆成型或者灌封把它們封在塑料結(jié)構(gòu)里。

再高級(jí)一點(diǎn)是LDS/MID（激光直接成形電路），先注塑出3D結(jié)構(gòu)，再用激光激活表面，然后電鍍出銅線路。

它們都有一個(gè)共性：

導(dǎo)電部分通常是薄層，經(jīng)由化學(xué)或物理沉積形成，厚度有限，載流能力和機(jī)械健壯性都不算強(qiáng)，且對(duì)工藝和材料體系的約束非常大。

WEAM的路線是反過來的：

直接用均勻合金絲，也就是平時(shí)我們常用的線材。

先在增材過程中把線嵌進(jìn)去，再用同類高分子把它們完全封裝。

你可以把它理解成：

把傳統(tǒng)線束工程師在2D/3D空間里布線的工作，搬到一只可以旋轉(zhuǎn)的打印噴頭上，和FFF/FDM打印頭綁在一起，一邊打印塑料，一邊縫進(jìn)銅線或其它合金線。

這次FraunhoferIWU帶到Formnext的，是一個(gè)已經(jīng)接近量產(chǎn)形態(tài)的WEAM打印頭，并且直接集成在CR3D的系統(tǒng)上。

WEAM的可玩空間在哪？

從Fraunhofer的描述來看，整個(gè)系統(tǒng)可調(diào)的自由度其實(shí)非常多：

首先是合金體系。

用銅只是最直觀的選擇，高導(dǎo)電、成熟、便宜。

但如果你想做應(yīng)變/溫度傳感，可能會(huì)選電阻溫度系數(shù)更適合的合金（比如常用在應(yīng)變計(jì)里的銅、鎳鉻系），或者干脆用多材料并聯(lián)/串聯(lián)結(jié)構(gòu)做冗余和多通道。

對(duì)于電磁感應(yīng)和線圈，電阻、磁性、機(jī)械疲勞性能都是聯(lián)動(dòng)考慮的。

其次是導(dǎo)線直徑。

相比導(dǎo)電油墨那種幾微米厚的層，0.1–0.3mm甚至更粗的線材意味著完全不同級(jí)別的載流能力和散熱能力，也就可以安全地承擔(dān)功率級(jí)應(yīng)用，比如加熱、功率供電、甚至部分電機(jī)繞組。

這也直接改變了設(shè)計(jì)思路：

你不再把它當(dāng)印刷線路，而是當(dāng)結(jié)構(gòu)化的線束/匯流排。

再往上，是走線布局。

傳統(tǒng)PCB工程師關(guān)心的是阻抗匹配、電磁兼容和制造工藝約束。

到3D結(jié)構(gòu)里之后，線的空間路徑會(huì)同時(shí)影響應(yīng)力分布、散熱路徑和整機(jī)裝配順序。

Fraunhofer特別提到，通過走線布局可以精確調(diào)控電學(xué)行為，本質(zhì)上就是在3D空間里做立體PCB+線圈+屏蔽體的綜合設(shè)計(jì)。

四個(gè)Demo值得重點(diǎn)關(guān)注
Fraunhofer這次帶到Formnext的4個(gè)工業(yè)Demo，分別來自汽車電子、柔性電子、小型無人機(jī)幾個(gè)方向。

表面上都是很合理的應(yīng)用，但每一個(gè)背后其實(shí)都對(duì)應(yīng)著現(xiàn)有供應(yīng)鏈的一個(gè)痛點(diǎn)。

先看為Nissha做的雷達(dá)罩加熱器。

我們都知道，在L2+/L3級(jí)自動(dòng)駕駛架構(gòu)下，車前后那幾塊雷達(dá)罩的可用時(shí)間就是系統(tǒng)可靠性的一個(gè)硬指標(biāo)。

結(jié)冰、積雪、泥沙都會(huì)直接把毫米波雷達(dá)致盲，所以車廠這幾年一直在給雷達(dá)罩堆各種加熱方案：

集成加熱玻璃、膠貼加熱膜、甚至在雷達(dá)前面再疊一個(gè)可加熱的小帽檐。

而WEAM的路線，是直接在一層薄膜上打印加熱線，然后再進(jìn)行成型和背注塑。

加熱線和基材之間本質(zhì)上是一體化熔融包覆關(guān)系，而不是靠膠水黏上去的獨(dú)立層，抗剝離性和耐冷熱沖擊表現(xiàn)天然更好。

此外，因?yàn)榧訜峋€的三維布局可以精確控制，你可以根據(jù)雷達(dá)波束分布、易結(jié)冰位置、甚至氣流路徑做場(chǎng)景化的加熱設(shè)計(jì)，而不是貼一塊均勻電阻膜了事。

第二個(gè)Demo是在0.1mmTPU薄膜上打印的柔性/可拉伸電路。

0.1mmTPU自身就是一個(gè)非常薄的彈性基材，和傳統(tǒng)FPC用的PI（聚酰亞胺）完全不是一個(gè)力學(xué)檔次。

PI更適合反復(fù)彎折但不太拉伸的場(chǎng)景，TPU則更適合希望這塊電路在拉伸、扭曲甚至表面形變較大的可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人、車內(nèi)飾復(fù)雜皮革件上跟著皮膚走的情況。

第三個(gè)Demo，是一副超輕量的4D打印紡織耳機(jī)，電功能同樣通過 WEAM 直接集成在結(jié)構(gòu)里。

項(xiàng)目的起點(diǎn)是一個(gè)很簡單的問題：

我們今天對(duì)耳機(jī)、乃至大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品外形的既定印象，其實(shí)是被注塑、CNC、傳統(tǒng)PCB和線束工藝限制出來的。

如果你換一套完全不同的制造工具—比如紡織+FDM+WEAM+4D形變，能不能逼迫設(shè)計(jì)語言發(fā)生改變？

Fraunhofer團(tuán)隊(duì)在打印耳機(jī)外殼的時(shí)候，同步使用WEAM，在同一平面狀態(tài)下直接鋪設(shè)導(dǎo)線、加功能構(gòu)件和電子元件。

導(dǎo)體被嵌入紡織+塑料復(fù)合體中，形成完整的電路拓?fù)洌?qū)動(dòng)單元、傳感、可能的控制與電源路徑等。

也就是說，耳機(jī)的線束+PCB在2D展開狀態(tài)下就已經(jīng)一次性做完。

最后一個(gè)Demo，是嵌有線圈和傳感器的無人機(jī)機(jī)身:

也就是Fraunhofer所說的housing-as-PCB。

從電子架構(gòu)角度看，無人機(jī)是一個(gè)高度集成的小型系統(tǒng):

電機(jī)驅(qū)動(dòng)、IMU、GNSS/RTK、通信鏈路、電源管理、傳感器網(wǎng)絡(luò)、甚至天線和屏蔽結(jié)構(gòu)，都擠在小小的機(jī)體里。

傳統(tǒng)做法要么是多塊PCB+線束+獨(dú)立屏蔽殼，要么用多板疊層再配合復(fù)雜的線纜走線。

重量和裝配復(fù)雜度在小機(jī)體上都是非常敏感的成本因子。

如果機(jī)身本身就是 PCB，那意味著幾件事：

一是部分線束消失了，信號(hào)和電源可以通過機(jī)身內(nèi)嵌的導(dǎo)線直接分發(fā)；

二是線圈可以直接成為結(jié)構(gòu)的一部分，比如做無線充電接收線圈、位置感應(yīng)線圈，甚至部分電磁屏蔽網(wǎng)；

三是傳感器可以非常貼近受力/受熱關(guān)鍵區(qū)域，而不必被一塊平面 PCB 的形狀限制。

而且同時(shí)，因?yàn)樗窃霾倪^程的一部分，線圈和結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置可以保證設(shè)計(jì)時(shí)的精度，不用擔(dān)心后裝配帶來的偏差。

誰會(huì)先吃螃蟹，誰會(huì)被迫轉(zhuǎn)型？

這種housing-as-PCB的概念不僅適用于無人機(jī)。

從需求側(cè)看，幾個(gè)優(yōu)先候選很明顯。

一是高端汽車電子（雷達(dá)、攝像頭模組、智能內(nèi)飾），因?yàn)樗鼈兗扔畜w積/重量壓力，又被功能集成和成本逼著不停優(yōu)化架構(gòu)。

二是工業(yè)機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人末端執(zhí)行器，那里對(duì)定制化和線束簡化有極強(qiáng)訴求。

三是無人系統(tǒng)（無人機(jī)、AMR、AGV等），它們天然愿意為減重和簡化裝配買單。

從增材制造的內(nèi)部視角來看，WEAM代表的是行業(yè)從幾何自由度走向功能自由度的又一次躍遷。

過去十年，我們談得最多的是尺寸精度、表面粗糙度、材料力學(xué)性能、打印速度；

現(xiàn)在開始出現(xiàn)越來越多順帶集成點(diǎn)別的東西的技術(shù)：

內(nèi)嵌光纖的復(fù)材打印、直接打印電機(jī)繞組和冷卻通道、現(xiàn)在又多了內(nèi)嵌線束和電路。

這對(duì)整個(gè)行業(yè)有幾個(gè)潛移默化的影響：

設(shè)計(jì)端會(huì)被迫升級(jí)。

單純會(huì)建3D模型已經(jīng)不夠了，你需要懂材料、懂電、懂熱，或者至少和這些領(lǐng)域的工程師真正協(xié)同。

服務(wù)商會(huì)進(jìn)一步走向垂直化。

通用打印服務(wù)很難吃下這種工藝，因?yàn)樗鼱可娴娇蛻粝到y(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證；

真正能做起來的一定是熟悉某個(gè)行業(yè)應(yīng)用（比如汽車?yán)走_(dá)、無人機(jī)、醫(yī)療器械）的垂直服務(wù)商。

如果本文的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，一個(gè)部件被打印出來時(shí)，它就已經(jīng)是一個(gè)集成了機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣連接、傳感功能的子系統(tǒng)。

當(dāng)3D打印機(jī)開始能夠可靠、低成本地集成標(biāo)準(zhǔn)電氣、光學(xué)和傳感元件時(shí)，它就從一個(gè)零件制造機(jī)轉(zhuǎn)變成了系統(tǒng)制造機(jī)。

我們不確定什么時(shí)候能夠完全產(chǎn)業(yè)化，但我們確定這一天到來時(shí)，將打開一個(gè)更大的市場(chǎng)大門。

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