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

導讀：近年來，在可穿戴電子設備、智能皮膚、醫(yī)學檢測等領域內，柔性和可拉伸電子器件受到越來越多的關注。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的形式進行制造。而將3D打印技術用于柔性電子元件的制造，則能夠實現(xiàn)對細微復雜結構的精確制造，甚至在渦輪發(fā)動機等尖端設備領域也展現(xiàn)出巨大的應用潛力。

Sierra Turbines 是一家來自加州小型國防承包商，主要從事設計創(chuàng)新、緊湊、高效的渦輪機，并應用到大型商用和軍用噴氣式飛機上。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打印技術開發(fā)了一種擁有多項設計和創(chuàng)新的渦輪發(fā)動機，例如專有的電子控制系統(tǒng)、發(fā)動機健康監(jiān)測以及壓縮和燃燒中的精確熱力學流動，這些功能件的裝配使渦輪發(fā)動機在可靠性方面表現(xiàn)出色。

Sierra Turbines 最初的市場重點是無人駕駛飛行器 (UAV) 和地面混合電力系統(tǒng)領域。考慮到柔性混合電子（FHE）結構的固有性質，以及在結構和系統(tǒng)性能監(jiān)測方面的應用，柔性混合電子技術在微型渦輪機應用顯示上展示出的巨大潛力和優(yōu)勢。

Nextflex推進FHE技術

Sierra Turbines 的新型渦輪發(fā)動機上所應用到的新型技術來自于NextFlex，它是美國的一家柔性混合電子 (FHE) 制造研究所。該機構于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、學術機構、非營利組織和國家機構，其共同目標是推動美國的 FHE 制造。Nextflex 的研究重點是為醫(yī)療、機器人和通信市場設計一種新型輕質、低成本、可拉伸的 FHE 設備。通過在新材料中添加電子產品并創(chuàng)造符合要求的產品，該組織旨在實現(xiàn)“萬物皆有電子化”的狀態(tài)，即旨在將 FHE 應用到日常生活的各個方面。

NextFlex擁有先進的技術中心，能夠利用先進的制造工藝和工具制造完全集成的 FHE 設備和系統(tǒng)。一直以來，該技術中心憑借著FHE技術上的優(yōu)勢，在降低產品成本、縮短產品開發(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。

△美國財團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)動機上的FHE技術應用

在最新的研究中，Sierra Turbines在渦輪發(fā)動機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”）。傳感器結構由印刷在柔性基板上的導電阿基米德螺旋狀形狀陣列組成。NextFlex 通過將銀導電跡線直接寫入柔性基板上來制造這些樣品。鑒于 SierraTurbines 的設備要求和技術中心功能，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證樣品。反過來，SierraTurbines 針對目的和應用進行了評估。NextFlex 進一步開發(fā)了另一種模式，針對特定的 Sierra Turbine 應用進行了調整。

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

FHE 制造的 SansEC 設備的成功演示展示了使用先進的增材制造工藝制造電子結構的能力。特殊的電子結構 SansEC 可以同時測量不同的物理現(xiàn)象——例如溫度、液位、轉速或磨損——并且即使在嚴重損壞時也能正常工作。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 工具和流程可以應用于這種特殊的電子結構，Sierra Turbines 現(xiàn)在定位在 FHE 生態(tài)系統(tǒng)和供應鏈中。

FHE技術的創(chuàng)新和商業(yè)化

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

項目征集的主題是在NextFlex技術委員會的指導下產生的，與負責開發(fā)柔性混合電子技術路線圖的技術工作組協(xié)同工作。然后，項目提案由理事會審查，由NextFlex理事會批準。

NextFlex及其成員目前專注于可塑、可拉伸和柔性電領域的制造方法研究，重點是結合硅和柔性/可拉伸/可塑系統(tǒng)的應用，以及屬于設計部分的增材制造技術開發(fā)。

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