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西湖未来智造创始人周南嘉:小型无人机打印完成即可飞行
深科技 | 2020-12-30 22:50:17    阅读:27   发布文章

12 月 10 日 - 11 日,由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖典礼在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式发布。


在现场,作为 2019 年 “35 岁以下科技创新 35 人” 的上榜者之一,西湖大学特聘研究员、西湖未来智造创始人周南嘉围绕西湖未来智造公司的独特电子 3D 打印技术做了主题演讲。


据悉,西湖未来智造是在西湖大学工学院落地的一家企业,同时也是该校落地的第二家企业,并在近期完成了天使轮融资。


始终专注于电子行业打印,打印机明年上半年将面世


“我们企业的定位首先是电子 3D 打印。但与大家所熟知的市面上的 3D 打印不一样,我们主要不做结构件,而是做功能器件。举个例子,我们打印无人机不像很多人只是打印一个机身,而是把机身连带内部所有电子元器件一体化打印出来,打印完成后即可飞。” 周南嘉介绍道。


他强调说,西湖未来智造无论是在研究层面还是在产业化应用层面,专注的始终是电子行业,例如先进封装、射频 / 微波、显示、柔性电子、微流控、光电集成等。在具体产品方面,刚刚列举的无人机外还可以打印其他小型化的嵌入型电子产品,如手表、助听器、耳机小型机器人、医疗设备等等。此外,该公司在人机交互、脑机接口等新兴领域也有涉足。


这家企业在电子 3D 打印行业中的最大特色就是可做到非常高的精度、复杂三维结构的成型,也能做到多材料集成,同时他们的团队有丰富的新材料研发经验。“市场上主流的 3D 打印技术几乎都在百微米的精度级别,而我们却做到了将精度范围定义在 1-10 微米,可以说是世界上唯一一家在电子 3D 打印领域能做到 10 微米以下精度的企业。” 周南嘉颇为自信地表示。


在现场,他还展示了自主开发的打印机雏形,并表示距离投产还需要一段时间,最快大约将于明年上半年跟用户见面。这款打印机的特色十分鲜明,首先它采用具有高精度的运动控制体系,精度可达到百纳米至微米级,其次是它的微打印头系统采用挤出式方法,打印出的结构是立体成形,不是液体状而是固体状,这也是和大多数喷墨打印的不同之处。


他表示,在西湖大学两年多期间,其团队成员对设备进行了多次升级,比如将自动化体系整合进去。另据悉,其设备也在与一些高校、研发机构和企业开展论证,也得到了合作方的充分肯定。


打印材料也 “不一般”,主要是绝缘与非绝缘金属


除了设备以外,西湖未来智造采用的打印材料也与其他企业不一样。


周南嘉本人有着深厚的材料学背景,曾师从于在微纳米 3D 打印材料墨水制备的领域里深耕长达 30 多年的哈佛大学 Jennifer Lewis 教授,所以他对材料研发拥有较多经验。 


据介绍,该公司能提供的可打印材料非常广泛,但这并不意味着任何材料都去开发,其主要做的是电子或光学领域里的金属和介质材料,例如银、铜、镍、钛等及一些合金材料。


在介质方面,他们可以打印多种多样的聚合物和陶瓷材料,在电子封装领域的常用材料也都可以打印完成。


据他介绍,他们还会和企业合作定制开发一些特殊的材料,比如电池的电极材料,或者是打印电池;还与企业合作做光互联和光波导材料,以及开发生物材料等。


通常来说,元素周期表上的金属都特别难加工,针对这些特别硬的材料,3D 打印技术无外乎会采用两种形式,要么进行熔化,要么做成墨水。


对电子加工来说,熔化这种方式非常困难,比如铜的融点在一千摄氏度以上,虽然理论上也可以把它用熔化的方式打印出来,但其兼容性、集成电路的匹配性就会非常差,而另外一种方式就是做成墨水,那么该如何做呢?


“首先我们可以想到的是,把金属做成颗粒,但如果只是单纯做成颗粒,把铜泡在水里面,结果一定是不相容的。所以我们选择把这个材料做成纳米级颗粒,这体现的正是材料学原理 —— 当金属变成纳米级尺度时,可达到一定溶解性,但这个还不够,所以在墨水里面,我们加入了特殊的配方 —— 做一些粘结剂让金属纳米颗粒可以非常均匀地分散在墨水当中。” 周南嘉说道。


以银为例,经过这样处理后的墨水状态实际上非常接近于固体,固含量非常高,可达到 80% 甚至 90% 以上,跟市场上液态的银浆差别很大。


浆料固含量大大提升后有什么好处呢?


第一,打印出来的产品不容易变形,精度可以显著提高,并更容易形成 3D 结构;


第二,对后处理的要求比较低,只需把粘结剂和溶剂去除就可形成最终的结构;在打印之后进行加热处理(一般为 200℃以下),或用激光、脉冲光烧结就可以完成最终材料结构,且烧结完以后变形量不会很大。


周南嘉在现场还展示了团队基于哈佛大学研究成果开发的一个工艺,这个打印方式可打印一微米左右特征尺寸的三维金属结构,而打印出的材料可直接用激光进行烧结,在打印之后迅速转变成纯金属材料。


他指着他们打印出的金属结构说:“市场上其他做 3D 金属打印模具、航空件的,像德国、国内很多企业因所采用的工艺路径与应用方向不同,所以精度一般都是在几十微米至百微米左右,而我们因为在电子行业所以必须做得小,让精度做到一微米的水平。”


他表示,在中国做电子行业的话,他不想只做原型,而是希望用 3D 打印直接做量产加工。通常大家可能对 3D 打印的认识就是慢,实际上也可以做得非常快。


一般而言,做 3D 打印的公司要么只打印金属要么只打印塑料陶瓷,要想打在一起是非常困难的,目前只有几家企业在做。但是西湖未来智造在这一方面则能够跟国际上一些打印 PCB 公司进行比较,比如在加工精度上,该公司目前可做到将几十微米的精度的金属复合在介质里;在应用场景上,主要是做三维的电路板及射频 / 微波器件,这与常规的层与层堆积的电路板不一样,他们希望将来在做任意三维结构的同时,把里面所有电路一起加工进去,而且走线的方式可以做到完全三维的。


另外,周南嘉的实验室及初创企业团队还涉足了通讯行业射频 / 微波系统等方面的开发。总的来说,他们要做的就是致力于开发出全新的 3D 打印工艺,同时结合材料推动在电子、光电领域的应用。


“我们想达到的效果是打印即可飞”

会上,周南嘉还围绕西湖未来智造公司在产业应用合作的进展做了经验分享。第一是显示行业,目前正在与国内顶尖的龙头企业进行合作。第二是通讯行业,该公司已与国内相关企业开展了合作,针对 5G + 时代的通讯组件的一体化打印开展研究。


周南嘉现场还展示了打印完整通讯电路的过程,并表示像电感、电容、电阻、传输线、变压器等无源器件都可直接生产。并与有源器件集成快速行程完整电路。他补充说,一个 1.8G 的无线****包括一个振荡器、一个放大器和一个天线,这些所有东西都可以一体化打印出来,而且可以打印在柔性基板上。


除了这种方式之外,他们还用很多封装工艺,可用新型 3D 加工方式完成从晶圆到系统的封装。他们认为,在先进封装领域 3D 打印可以解决传统制造方式在成本高、三维结构成型能力不足、工序复杂、多材料集成能力不足方面的问题,因此可以借此摄入非常大的市场。


第三是可穿戴设备行业,他们现在已与一些相关企业展开合作,着手做消费电子类的产品。在这方面,他们可以打印整个柔性电路,做到一键打印出可拉伸器件,这个方面对他们来说是从零开始,所以第一步把基体打印好以后,就会进行器件的表面组装,这是第二步。第三步则是打印一些由特殊材料组成的传感器并实现装联。最后第四步在打印基体材料后完整的电路就可以使用了,而打印这样的电路基本上只需要几分钟。


现在他们正在着手攻克的另一个关键问题是,现有的无源器件在封装以后结构会比较大比较厚,这对柔性器件非常不利,所以他们希望把整个东西全都打印出来,芯片除外。


第四是光学行业,周南嘉认为光电集成是大势所趋,所以在这个行业里面,他们正在与国内的一些企业共同进行光波导方面打印的论证。对标国外产品发现,他们目前实现的一微米左右的精度可以任意做有机光波导材料。


最后就是一体化打印嵌入式电子产品方面,例如无人机,他们利用 3D 打印,把无人机从机身的所有部件,到里面所有的电子元器件,再到装联部分,全部一体化打印完成。


“我们想达到的效果就是打印即可飞。” 周南嘉斩钉截铁地表示。


而之所能够与国内许多企业在多个领域达成合作,周南嘉表示这主要是因为他们能够做到更高的精度,即 1-10 微米,而市场上较常见的技术最小也只可做到 15 微米。另外,他们可做到结构可控,能做任意的范围结构,大大超越了传统技术。 


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