柔性混合電子3D打印， NextFlex為渦輪發(fā)動機(jī)精密傳感器制造提供新思路

導(dǎo)讀：近年來，在可穿戴電子設(shè)備、智能皮膚、醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域內(nèi)，柔性和可拉伸電子器件受到越來越多的關(guān)注。然而，由于電子元件制造方法的限制，大多數(shù)柔性電子元件只能通過平面架構(gòu)的形式進(jìn)行制造。而將3D打印技術(shù)用于柔性電子元件的制造，則能夠?qū)崿F(xiàn)對細(xì)微復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制造，甚至在渦輪發(fā)動機(jī)等尖端設(shè)備領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

Sierra Turbines 是一家來自加州小型國防承包商，主要從事設(shè)計(jì)創(chuàng)新、緊湊、高效的渦輪機(jī)，并應(yīng)用到大型商用和軍用噴氣式飛機(jī)上。近日，南極熊獲悉，該公司通過使用NextFlex的柔性混合電子電路（FHE）3D打印技術(shù)開發(fā)了一種擁有多項(xiàng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的渦輪發(fā)動機(jī)，例如專有的電子控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測以及壓縮和燃燒中的精確熱力學(xué)流動，這些功能件的裝配使渦輪發(fā)動機(jī)在可靠性方面表現(xiàn)出色。

Sierra Turbines 最初的市場重點(diǎn)是無人駕駛飛行器 (UAV) 和地面混合電力系統(tǒng)領(lǐng)域?？紤]到柔性混合電子（FHE）結(jié)構(gòu)的固有性質(zhì)，以及在結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性能監(jiān)測方面的應(yīng)用，柔性混合電子技術(shù)在微型渦輪機(jī)應(yīng)用顯示上展示出的巨大潛力和優(yōu)勢。

Nextflex推進(jìn)FHE技術(shù)

Sierra Turbines 的新型渦輪發(fā)動機(jī)上所應(yīng)用到的新型技術(shù)來自于NextFlex，它是美國的一家柔性混合電子 (FHE) 制造研究所。該機(jī)構(gòu)于2015 年 8 月由DoD 和 FlexTech 聯(lián)盟聯(lián)合成立的，組織成員包括公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、非營利組織和國家機(jī)構(gòu)，其共同目標(biāo)是推動美國的 FHE 制造。Nextflex 的研究重點(diǎn)是為醫(yī)療、機(jī)器人和通信市場設(shè)計(jì)一種新型輕質(zhì)、低成本、可拉伸的 FHE 設(shè)備。通過在新材料中添加電子產(chǎn)品并創(chuàng)造符合要求的產(chǎn)品，該組織旨在實(shí)現(xiàn)“萬物皆有電子化”的狀態(tài)，即旨在將 FHE 應(yīng)用到日常生活的各個(gè)方面。

NextFlex擁有先進(jìn)的技術(shù)中心，能夠利用先進(jìn)的制造工藝和工具制造完全集成的 FHE 設(shè)備和系統(tǒng)。一直以來，該技術(shù)中心憑借著FHE技術(shù)上的優(yōu)勢，在降低產(chǎn)品成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和開發(fā)環(huán)保制造能力方面做出努力，并為國防部和商業(yè)電子制造商提供支持。

△美國財(cái)團(tuán)Nextflex公司目前已在柔性混合電子（FHE）方面投資超過1億美元。照片來自Nextflex公司。

渦輪發(fā)動機(jī)上的FHE技術(shù)應(yīng)用

在最新的研究中，Sierra Turbines在渦輪發(fā)動機(jī)上使用到了美國宇航局蘭利研究中心的 SansEC 傳感系統(tǒng)。SansEC 是一種無需電氣連接的開路諧振傳感器（因此得名 SansEC 或“無電氣連接”）。傳感器結(jié)構(gòu)由印刷在柔性基板上的導(dǎo)電阿基米德螺旋狀形狀陣列組成。NextFlex 通過將銀導(dǎo)電跡線直接寫入柔性基板上來制造這些樣品。鑒于 SierraTurbines 的設(shè)備要求和技術(shù)中心功能，NextFlex 開發(fā)了 SansEC 傳感器的模式、工藝和材料以及制造的原型概念驗(yàn)證樣品。反過來，SierraTurbines 針對目的和應(yīng)用進(jìn)行了評估。NextFlex 進(jìn)一步開發(fā)了另一種模式，針對特定的 Sierra Turbine 應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)整。

△塞拉渦輪機(jī)；由銀色螺旋跡線組成的 SansEC 傳感器使用 nScrypt 打印機(jī)在 NextFlex 的 3D 打印Sierra Turbines 部件上保形打印。

FHE 制造的 SansEC 設(shè)備的成功演示展示了使用先進(jìn)的增材制造工藝制造電子結(jié)構(gòu)的能力。特殊的電子結(jié)構(gòu) SansEC 可以同時(shí)測量不同的物理現(xiàn)象——例如溫度、液位、轉(zhuǎn)速或磨損——并且即使在嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)也能正常工作。以前的 SansEC 傳感器變體是使用傳統(tǒng)的減材制造方法制造的，因此不具有 FHE 設(shè)備固有的減少的 SWaP（尺寸、重量和功率）屬性。通過證明 FHE 工具和流程可以應(yīng)用于這種特殊的電子結(jié)構(gòu)，Sierra Turbines 現(xiàn)在定位在 FHE 生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈中。

FHE技術(shù)的創(chuàng)新和商業(yè)化

除了培養(yǎng)未來的勞動力和促進(jìn)可持續(xù)的先進(jìn)制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)外，NextFlex還專注于通過競爭前的伙伴關(guān)系加速柔性電子技術(shù)的創(chuàng)新和商業(yè)化。該機(jī)構(gòu)通過一系列的項(xiàng)目征集，為對柔性混合電子（FHE）制造攻堅(jiān)項(xiàng)目的提案小組提供現(xiàn)金獎勵(lì)，NextFlex承擔(dān)了所選項(xiàng)目高達(dá)50%的開發(fā)成本。項(xiàng)目征集程序遵循結(jié)構(gòu)化的選擇過程和嚴(yán)格的監(jiān)督方法，以確保所資助項(xiàng)目選擇的多樣性和廣泛性。

項(xiàng)目征集的主題是在NextFlex技術(shù)委員會的指導(dǎo)下產(chǎn)生的，與負(fù)責(zé)開發(fā)柔性混合電子技術(shù)路線圖的技術(shù)工作組協(xié)同工作。然后，項(xiàng)目提案由理事會審查，由NextFlex理事會批準(zhǔn)。

NextFlex及其成員目前專注于可塑、可拉伸和柔性電領(lǐng)域的制造方法研究，重點(diǎn)是結(jié)合硅和柔性/可拉伸/可塑系統(tǒng)的應(yīng)用，以及屬于設(shè)計(jì)部分的增材制造技術(shù)開發(fā)。

△Nextflex開發(fā)的FHE設(shè)備以幫助受傷的士兵。照片來自 Nextflex。