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通过多进程3D打印增加器件功能

背景：

三维（3D）印刷，更正式地称为增材制造，已经成为近年来媒体和公众关注的焦点，因为数十年来的技术已经达到了直接生产终端使用设备所需的性能。标准3D打印最流行的形式包括大桶光聚合，粉末床熔合，材料挤出，片材层压，定向能量沉积，材料喷射和粘合剂喷射，每个都逐层地创建部件，并且在成本，特征细节方面提供不同的选择，和材料。虽然传统的制造技术，例如铸造，锻造，机械加工和注塑成型，非常适合大批量生产相同的商品，3D打印允许创建可以大规模定制的复杂几何形状，因为没有模具或模具需求和设计概念，通过直接数字化制造转化为产品。此外，附加分层方法使得能够将多个部件合并成单个部件，这消除了对后续组装操作的要求。最近，原始3D打印过程的专利已经开始过期，这导致了数量激增的低成本桌面系统，其提供了对整个社会的更大的可访问性。工业已经认识到这些技术的制造优势，并投资于生产系统，以制造喷气发动机，汽车定制体，甚至药品的复杂组件。尽管标准的3D打印技术已经发展，使得现在可以在包括金属，陶瓷和聚合物的广泛范围的材料中进行打印，但是所得到的结构通常限于单一材料，或者最多仅限于有限数量的兼容材料。

先进技术：

为了使技术在主流制造中得到更广泛的应用，3D打印必须提供终端产品，不仅仅是制造具有足够机械强度的简单结构来保持形状。 最近，研究已经能够使用新的材料与商业3D打印机，和定制打印机增强与补充传统制造过程，称为多处理或混合3D打印的方法。总的来说，这些进步正在导致不仅几何复杂，而且功能复杂的制造。通过引入组件的机器人放置，复杂细节的微机械加工，电线的嵌入和功能油墨的分配，可以用附加的电子，电磁，光学，热力学，化学和机电内容。

展望：

多处理3D打印是一个新兴的研究领域，其中基本的3D增强了印刷以制造具有多功能性的结构。进步会导致本地制造，具有对材料，几何形状和子部件的放置的定制的3D空间控制。这种下一代打印机将允许制造任意形状的终端使用设备，从而导致从人体器官到卫星的产品的直接和分布式制造。由于3D打印将使得能够在本地制造客户特定的产品并根据需求，提高个性化和降低运输成本和延迟。实例可包括用于发展中世界偏远村庄谷物铣削设备的替换部件，在手术之前专门为医院中的患者创建的生物医学装置，以及印在轨道上的卫星部件，从而避免与发射操作相关的延迟和成本。汽车，航空航天，国防，制药，生物医学和消费品行业，其中，可能通过多处理3D打印受益于新的设计和制造自由。

用于多处理3D打印的Multi3D制造系统的长曝光照片。 两台生产型3D打印机协同打印，使用六轴机器人进行输送和后处理组装。 在背景中的中心台架包括其他补充制造过程（机械加工，组件放置，线和箔嵌入和直接写入），以提供结合聚合物，金属和活性组分的几何复杂结构。

材料到制造部件的逐层沉积（更好地称为三维（3D）印刷或添加制造）作为过去几年中的制造工艺而蓬勃发展，并且现在可以产生复杂的几何形状，用作模型，组装夹具，和生产模具。增加的兴趣集中在使用这种技术用于直接制造生产部件;然而，其仍然通常限于单一材料制造，其可以限制所制造的结构的最终使用功能。下一代3D打印不仅需要集成不同的材料，而且需要嵌入有源组件以提供以前不可能实现的功能。实例可以包括具有集成微流体热管理和智能假体的任意形状的电子器件，其定制适合于特定患者的解剖结构。我们回顾了多处理（或混合）3D打印中的现有技术，其中补充过程，新颖和传统，结合起来推进制造的未来。

传统的工业制造在生产大规模统一部件时，装配步骤复杂，也会造成原材料的浪费。3D打印由于其不需要额外的模具，并且可以灵活定制生产各种具有复杂几何形状的产品，所以吸引了大众的目光。3D打印就是利用层与层之间材料的堆积来形成各种在空间延伸的几何形状的技术。过去的几十年间，得益于空间分辨率的提高和多种原材料的使用，3D打印正日益广泛的应用于消费产品、航空航天、生化器件等领域，很多企业已经投身于3D打印的浪潮中，例如，美国通用电气公司就计划到2020年，要为喷气式发动机制造超过十万个3D打印组件。为了实现这些目标，通用电气计划投资35亿美元3D打印。同时，随着3D打印专利即将到期，这些系统的成本急剧下降，现在它们正在为公众所接受。总的来说，这些趋势导致制造业民主。 3D打印，现在经常被称为增材制造强调生产而不是原型，正在发展。图1示出了制造具有嵌入式流体控制的最终使用结构的潜力，所述流体控制由传统的单材料3D打印机（电子束 - 熔融钛）。

在3D打印的发展中的一个潜在的破坏性步骤将是增加制造的部件的功能。3D打印过程可以开始和停止以并入补充制造过程或嵌入使用传统方法制造的子部件;然而，直到最近，3D印刷通常被归为单一材料结构的原型，用于形状和拟合评价。下一代3D打印机将支持具有多功能功能的产品，包括在统一的免工具多处理打印环境中生产的单一打印材料无法实现的功能组合。在这种情况下，多处理（或混合）3D打印被定义为通过互补过程增强的附加制造。这些互补的过程可以包括传统制造，例如机械加工，切割，分配，机器人放置，

和更多。这种新方法代表了范例转变，其中目标是在非组装过程中制造多功能终端使用装置，可能同时结合电子，电磁，光学，流体，致动，化学和热特征 - 所有与固有的几何3D打印的优势。此外，在没有工具要求的情况下，这些高级3D打印技术继续利用大规模定制，例如，现在可以为患者的特定解剖结构制造复杂的生物医学装置。图2示出了突出其可能性的多功能设备的两个示例使用多处理3D打印系统：（i）游戏模具，其包括处理器，加速度计和发光二极管（LED），以通过照射顶部表面（图2A）和ii）允许具有前所未有的几何形状的导体和电介质的物理图案的周期性螺旋天线，这将不可避免地在下一代天线中提供新的性能水平（图2B）。

在本次审查中，我们提供了当前3D打印技术的概述，讨论多处理3D打印的进步和局限性，特别是关于多功能性，并描述了许多已经通过3D打印研究和实现的功能。 仅由读者的想象力限制，这种制造技术提供的无数设计机会不能在本评论中有效地涵盖多功能印刷（例如器官印刷）的所有应用，并且所包括的示例仅用于突出潜在性并且进一步激励、进步。

多功能制造工艺

3D打印的基石是逐层的制造方法，其允许制造灵活性，提供中断过程以利用补充过程。ASTM（美国测试和材料学会）F42子委员会成立于2009年，为通用术语，测试方法和文件格式以及增材制造的其他概念提供标准，并确定了七种基本3D打印过程。

1）大量光聚合是涉及大量液态光固化聚合物的方法，其利用诸如激光束或具有投影系统的灯的能量源选择性地固化。 所制造的部件通常在选择性固化每个层之后下降的平台上逐层形成。

2）材料挤出是其中材料通过挤出喷嘴选择性地分配的过程。最常用的材料是需要加热挤压的热塑性塑料。 该方法通常包括使用可移动平台和/或挤出机的逐层制造。

3）粉末床熔融涉及使用热能源例如激光或电子束选择性地熔合床中的粉末区域。支撑床的平台下降一层厚度，并且耙或辊分配额外的粉末以产生下一层。

4）粘合剂喷射选择性地分配粘合剂以将粉末原料结合在由平台支撑的床中。如在粉末床熔化中，平台下降一层厚度，并且耙子或辊子分配额外的粉末。大多数零件都需要用浸渗剂和炉循环的处理。

5）材料喷射选择性地沉积构建材料的液滴，其通常是光固化。 对所有层重复沉积和固化。

6）板层压是其中单个材料板结合在一起以形成结构的过程，通常需要在层之间进行加工或切割以精确地形成每个特定层的2D形状。

7）定向能量沉积引导材料沉积（通常为线或粉末）和在所构建的表面处的能量源（通常为激光或电子束）。

这些工艺中的每一个都能从增强功能中获益于能够印刷具有增加的功能的结构。 20世纪90年代最早报道的研究通过中断将结构中的功能部件和导电迹线集成的过程来利用3D打印的分层技术。 Kataria和Rosen增强了用插入物的大桶光聚合，和Lopes等人分配的导电油墨以制造具有直接构建在固体聚合物结构中的天线的电子器件。超声波固结，即板层压工艺，通过将金属箔片超声波焊接到先前沉积的金属箔来产生金属部件

片。使用端铣刀的加工过程呈现所需的几何形状和以下结合。因此，2D片材基本上堆叠在一起以提供制造有两个过程的3D部件 - 多处理3D打印的早期示例。Robinson等人中断了超声波固结过程，通过材料挤出与热塑性和导电性的组合插入简单的电路油墨。使用材料挤出3D打印技术，Malone et al。演示了电路和巧妙的机电应用。通过使用开源制造系统分配多种材料，包括导体和电介质。 Navarrete et al。描述增强了大桶光聚合过程其将微通道引入到基底中以引导和容纳可固化导电流体，其被微分配以利用激光固化过程的最小特征尺寸。因此导电迹线间隔由激光束的精度控制，而不是二次分配过程，说明化合物的共生利益过程独立地作用于任一过程。

增材制造中的多功能性可以广泛地定义为引入，除了渲染基本形状之外的任何附加功能。多种颜色和密度可以在整个结构中分级，例如，其被认为是多功能性（尽管最低限度），并且这些结构可以利用各种形式的标准商业3D打印来制造。事实上，能够多种颜色的过程已经商业化了许多年。使用商业3D打印机的多功能性的其它示例包括机械超材料，其诱导负刚度以阻尼振动和减小机舱噪声或允许气动致动，如图1所示。相关但不完全相同的多功能3D打印，多处理3D打印 - 多个过程的协作使用 - 通常但不一定导致多功能设备。对照实例是单一金属结构，其被附加地印刷，然后在单个台架内相减地加工，目的仅在于改善表面光洁度。虽然商业上可用的3D打印机能够打印具有多个功能的结构，但本审查特别关注用于多功能设备的多处理3D打印。

大多数（但不是全部）多功能结构的制造需要用加工多种集成技术，包括3D打印与其他互补过程的组合，以提供或改进材料，几何形状和功能的空间控制。这些额外的制造能力可以嵌入部件，电线，电池，天线和其他子部件。电互连和热互连的引入允许子系统通信或跨结构传递能量或热。考虑到直接写入的制造灵活性（例如，共形印刷，不需要工具的能力），导电油墨和糊料已经与2D印刷结合使用，并且已经用微分配研究了该组合十多年，喷墨和气溶胶喷射。通常，墨已经被分配到成品结构的外表面上，但是仅有限数量的示例涉及中断和重新启动3D打印处理以完全嵌入互连能力。导电油墨在过去二十年中已经改进，但是仍然遭受相对于用本体镀铜工艺产生的传统印刷电路板的高电阻。更高的电阻导体会导致性能下降，电压降和功率损耗，可靠性仍然是一个额外的问题。低温金属合金已经用改性的热塑性挤出头和通过注入聚合物结构印刷，以提供相对于油墨具有改善的导电性的互连。尽管这些合金相对于导电颗粒填充的油墨趋向于具有更高的导电性，但是与传统电子学中使用的体相电镀铜相比，互连继续令人失望。已经证明使用激光直接结构化以允许在3D印刷基底上的选择性电镀，提供整体性质，并且是令人兴奋的发展，但是其需要额外的化学浴工艺。

来自哈佛的Lewis集团的一家初创公司Voxel8宣布推出首款低成本商用3D打印机，并结合气动墨水分配器在3D打印结构中创建导电互连。油墨在室温下印刷和固化，提供了显着的制造益处和柔性。自支撑，墨水可桥接结构内的内部空腔并被分配

通过250mm喷嘴，这完全在大多数传统电子部件所要求的空间精度内。当印刷迹线延伸到芯片的引脚时，形成电连接而不需要高温焊接。示出了具有图1中的无人驾驶飞机直升机的X射线图像的示例电路。以及图3中的具有连接的现代表面安装芯片（0.8mm引脚间距薄四方扁平封装）的示例。 3B。然而，该工艺涉及更高的电阻率为50times;10-8欧姆·米（与1.68times;10-8欧姆·米的块状铜相反），但是它仍然提供了专门用于电子的经济的台式3D打印机的第一个例子。

德克萨斯大学埃尔帕索大学的三维创新WM Keck中心早在2004年就开始生产3D打印电子电路，最近被命名为美国Makes卫星中心，一个联邦公私合作伙伴关系，专注于添加剂制造，总部设在俄亥俄州的杨斯敦。最近，由该组生产的3D装置具有特征的互连，其在成本和性能方面可与传统电子器件直接竞争，通过在3D打印热塑性结构内使用结构上嵌入的导线和箔。在打印中断期间，金属丝被选择性地加热并在原位浸没与热塑性结构的顶表面齐平。由于嵌入式导线可在从80mm或更小直到实际上任何更大尺寸的宽范围的直径中获得，所以几何精细结构的制造可以结合小的复杂路由模式或大型高功率电路。一旦导线被集成，基底保持平面，并且随后的3D打印可以不受限制地继续。图4示出了嵌入在用材料挤出印刷机（Stratasys Fortus 400mc）印刷的聚碳酸酯结构中的36规格（127mm直径）的线。电影1示出了混合处理，因为两个3D打印机协同地创建与门架结合的多材料结构，其提供诸如线嵌入或微细加工等用于精细细节的补充处理。蓝色的六轴机器人作为运输工具在制造站之间运输建造室，如果需要可用于后处理组装。最初旨在提供高性能电互连的嵌入式线材也提供了增加的机械强度的意想不到的益处，因为它们使结构是增强的复合材料（如混凝土中的钢筋）。该过程可以呈现出比使用传统注塑成型制造的塑料结构更强的3D打印塑料结构，并且有助于消除可以损害3D打印结构的各向异性强度差异（例如，所添加的层之间的薄弱，在垂直方向上的所谓z强度弱化z方向）。

机器人多处理添加制造的另一个例子已经与这种相同的线嵌入技术集成。 该系统称为多机器人群，用于大面积制造，包括两个六轴机器人，分别实施加法和减法过程，并通过工具交换器来增强，

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