根据3D科学谷的了解，3D 打印的众多圣杯之一是能够在单个构建过程中 3D 打印功能齐全的产品， Inkbit 和 Sakuu 等公司的多材料工艺正是追求这样的目标。其中，根据3D科学谷的分享，Inkbit是2017年从麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）分离出来的公司，3D打印设备能够准确、灵活的制造零部件，例如制造结构性电子零件，如果将芯片或其他电子元件放置在打印区域，3D打印设备可以精确地在电子元器件周围打印材料。其应用方向还包括隐形矫正器生产、睡眠呼吸暂停面罩等。Sakuu 将实现 3D 打印固态电池 (SSB) 的快速和大批量生产，与锂离子电池相比，具有相同容量但尺寸减半，几乎轻了三分之一。
本期，3D科学谷结合Fraunhofer IPA研究所的最新进展，与谷友一起来了解通过市售的标准3D打印设备实现混合增材制造案例。
Fraunhofer IPA 的 3D 打印传感器，包括线圈、电路板和塑料外壳内的插头。图片由弗劳恩霍夫 IPA 提供
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多材料打印开辟应用新空间
近日，Fraunhofer弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所 (IPA) 的一个研究小组展示了使用 ARBURG-阿博格的材料沉积技术制造传感器的能力。
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根据3D科学谷的了解，与市场上使用丝材或者液态的塑料原材料不同，ARBURG-阿博格的塑料无模成型技术 (APF) 可以使用注射成型的塑料粒子。
在沿袭上一代打印机优良特性的基础上，包括开放系统及开放材料，RBURG-阿博格的Freeformer 300-3X增材制造设备实现了全新的升级，卸料单元升级为3个，即最多可以同时打印3种材料（例如打印由ABS、TPU和支撑材料组成的组合），这是全球首款可对带支撑结构且软/硬胶结合的三组分部件进行增材制造的机器。此外可选配高温选项：打印舱的最高温度提高到200℃，卸料单元的最高熔融温度可达450℃。这种开放式系统可打印弹性材料和经过认证的原材料，特别适用于要求严苛的应用。
3D 打印复杂的多材料的能力有很多好处。除了减少劳动步骤外，这种增材制造 (AM)多材料的能力 还可以实现电子产品或复杂几何形状的大规模定制，从而提高设备的性能。例如，通过将智能手机电池和天线直接集成到其聚合物外壳中，手机可以变得更小、更轻，同时增加能量密度或通信范围。
Fraunhofer IPA 的团队设计的电感式传感器由线圈、电路板和金属外壳内的插头组成，可用于在工业制造和其他应用中测量金属物体的距离。然而，由于传感器的标准、批量生产的形状，传统制造工艺的限制使得并不总是能完美地适应给定的环境。
更加灵活的制造方式带来更加灵活的产品
Fraunhofer IPA 在尝试将一个传感器直接集成到机器人抓手中，以便对生产线上的物品进行更智能的处理。为了证明这种可能性，Fraunhofer 团队与 ARBURG-阿博格以及自动化公司 Balluff GmbH 合作，尝试通过打印多种材料的组合来实现更紧凑的传感器设计。
这里有必要使用具有高介电强度和阻燃性能的塑料，Fraunhofer的科学家选择了塑料聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)。虽然 PBT 是用于电子外壳的标准注塑材料，目前并未广泛被3D 打印技术所采用。在这里，ARBURG-阿博格体现了其Freeformer 的优势，可以打印注塑用的塑料颗粒，因此可以使用更广泛的材料。
更加灵活
该团队 3D 打印了零件，留下了可以在制造过程中集成外部组件的开口。机器被编程为在必要时停止，以便线圈、电路板和插头可以插入打印部件中。同时，分配器在外壳内施加了银导体轨道。完成这些步骤后，ARBURG-阿博格的Freeformer 3D打印机会在开口上进行打印。
Fraunhofer 总共创建了 30 个定制传感器，并在标准操作环境中运行它们，展示了它们承受温度和振动变化的能力。这些传感器还具有防水功能，可以通过电绝缘测试。
该项目被称为“增材制造组件中的电子功能集成”，历时 18 个月，Fraunhofer IPA研究所目前正与 ARBURG（阿博格）合作探索导电塑料的进一步用途。
3D打印传感器正在进行时
关于传感器的3D打印，有报道显示，耐克正在使用纳米科技将传感器嵌入至服装。而不远的未来，用户将可以使用3D打印技术去制作自己的智能T恤。运动员和教练将可以更好地了解是否训练过度，以及运动员的身体是否缺水，或是过于紧张。这也将降低耐克等公司生产和供应链管理的成本。
嵌入传感器的3D打印也将改变医疗设备行业。国外一家诊所-梅约诊所已开发了首个这样的设备。该医院正在探索，如何将传感器植入设备，从而加强对病人身体状况的监控。
传感器市场，来源：3D科学谷《3D打印与电子产品白皮书》
当然根据3D科学谷的《3D打印与电子产品白皮书》3D打印传感器技术有很多，究竟哪一种技术将来占据市场主导地位，目前还很难断言，3D科学谷将保持持续关注。
此外，3D打印MEMS也在以不可思议的进展建立新的里程碑，此前，根据3D科学谷的深度市场了解，位于德国伊策霍的Fraunhofer ISIT弗劳恩霍夫硅研究所携手位于德国亚琛的Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所开发出3D打印压电MEMS微执行器，这个压电MEMS有六个角，大约只有1美分的大小。这种压电MEMS微执行器价格低廉，创造了小批量压电MEMS的经济性生产可行性。
压电MEMS通过单片即可实现微执行、能量收集、传感和无线通信，是应用潜力巨大的热点技术。压电MEMS微执行器能够精确、自主地执行复杂动作如直线、旋转、加速度、钳动等，以此完成对极微小器件与结构的纳米尺度精确操作。
增材制造的执行器比常规执行器具有更好的性能和更高的再现质量。PZT层和电极层像两个非常细的梳子一样互锁。层的快速激光处理将每层的处理时间减少了几秒钟，而原本需要几分钟的处理时间仅为几秒钟。
此外，为了代替普通且非常昂贵的铂，科学家使用导电陶瓷镧镍氧化物（LNO）作为电极材料。通过省去金属部件，可以显着提高这些纯陶瓷多材料叠层的耐用性，同时降低材料成本。
以经济化的方式制造传统方式实现起来很昂贵的MEMS产品制造，这进一步使得3D打印走向更加广阔的应用空间。
此外，3D科学谷还分享过Fraunhofer ILT通过金属3D打印的方式将感应器即成到金属零件上，Fraunhofer在不断践行其科研改变人类生活的努力。
© 亚琛Fraunhofer ILT研究所
更多关于3D打印在电子零件领域的应用，请参考3D科学谷发布的《3D打印与电子产品白皮书》。
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