當3D打印開始邊打邊縫電路，系統集成制造的關鍵躍遷

AM易道技術分享

最近，Fraunhofer IWU（弗勞恩霍夫機床與成形技術研究所）和設備制造商CR3D聯手推出了WEAM技術，即將在Formnext展示。

他不再依賴那些特種導電材料，而是直接將標準工業電線集成到3D打印部件中。

AM易道認為，這個技術非常值得關注：

它代表著增材制造正在從"會造型"（控形）進化到"能賦性"（控性），再躍升到"造系統"（集成化）

是3D打印又一次技術和應用升維。

什么是WEAM？

WEAM，全稱Wire Encapsulating Additive Manufacturing，本質上是一種用標準金屬線材替代導電漿料，在增材制造過程中直接布線并包覆的工藝路線。

傳統的功能化3D打印件大概有幾種做法：

要么先打結構，再用噴墨、氣溶膠噴射之類的方法噴銀漿/銅漿形成線路；

要么先做電子，再用包覆成型或者灌封把它們封在塑料結構里。

再高級一點是LDS/MID（激光直接成形電路），先注塑出3D結構，再用激光激活表面，然后電鍍出銅線路。

它們都有一個共性：

導電部分通常是薄層，經由化學或物理沉積形成，厚度有限，載流能力和機械健壯性都不算強，且對工藝和材料體系的約束非常大。

WEAM的路線是反過來的：

直接用均勻合金絲，也就是平時我們常用的線材。

先在增材過程中把線嵌進去，再用同類高分子把它們完全封裝。

你可以把它理解成：

把傳統線束工程師在2D/3D空間里布線的工作，搬到一只可以旋轉的打印噴頭上，和FFF/FDM打印頭綁在一起，一邊打印塑料，一邊縫進銅線或其它合金線。

這次FraunhoferIWU帶到Formnext的，是一個已經接近量產形態的WEAM打印頭，并且直接集成在CR3D的系統上。

WEAM的可玩空間在哪？

從Fraunhofer的描述來看，整個系統可調的自由度其實非常多：

首先是合金體系。

用銅只是最直觀的選擇，高導電、成熟、便宜。

但如果你想做應變/溫度傳感，可能會選電阻溫度系數更適合的合金（比如常用在應變計里的銅、鎳鉻系），或者干脆用多材料并聯/串聯結構做冗余和多通道。

對于電磁感應和線圈，電阻、磁性、機械疲勞性能都是聯動考慮的。

其次是導線直徑。

相比導電油墨那種幾微米厚的層，0.1–0.3mm甚至更粗的線材意味著完全不同級別的載流能力和散熱能力，也就可以安全地承擔功率級應用，比如加熱、功率供電、甚至部分電機繞組。

這也直接改變了設計思路：

你不再把它當印刷線路，而是當結構化的線束/匯流排。

再往上，是走線布局。

傳統PCB工程師關心的是阻抗匹配、電磁兼容和制造工藝約束。

到3D結構里之后，線的空間路徑會同時影響應力分布、散熱路徑和整機裝配順序。

Fraunhofer特別提到，通過走線布局可以精確調控電學行為，本質上就是在3D空間里做立體PCB+線圈+屏蔽體的綜合設計。

四個Demo值得重點關注
Fraunhofer這次帶到Formnext的4個工業Demo，分別來自汽車電子、柔性電子、小型無人機幾個方向。

表面上都是很合理的應用，但每一個背后其實都對應著現有供應鏈的一個痛點。

先看為Nissha做的雷達罩加熱器。

我們都知道，在L2+/L3級自動駕駛架構下，車前后那幾塊雷達罩的可用時間就是系統可靠性的一個硬指標。

結冰、積雪、泥沙都會直接把毫米波雷達致盲，所以車廠這幾年一直在給雷達罩堆各種加熱方案：

集成加熱玻璃、膠貼加熱膜、甚至在雷達前面再疊一個可加熱的小帽檐。

而WEAM的路線，是直接在一層薄膜上打印加熱線，然后再進行成型和背注塑。

加熱線和基材之間本質上是一體化熔融包覆關系，而不是靠膠水黏上去的獨立層，抗剝離性和耐冷熱沖擊表現天然更好。

此外，因為加熱線的三維布局可以精確控制，你可以根據雷達波束分布、易結冰位置、甚至氣流路徑做場景化的加熱設計，而不是貼一塊均勻電阻膜了事。

第二個Demo是在0.1mmTPU薄膜上打印的柔性/可拉伸電路。

0.1mmTPU自身就是一個非常薄的彈性基材，和傳統FPC用的PI（聚酰亞胺）完全不是一個力學檔次。

PI更適合反復彎折但不太拉伸的場景，TPU則更適合希望這塊電路在拉伸、扭曲甚至表面形變較大的可穿戴設備、軟體機器人、車內飾復雜皮革件上跟著皮膚走的情況。

第三個Demo，是一副超輕量的4D打印紡織耳機，電功能同樣通過 WEAM 直接集成在結構里。

項目的起點是一個很簡單的問題：

我們今天對耳機、乃至大多數消費電子產品外形的既定印象，其實是被注塑、CNC、傳統PCB和線束工藝限制出來的。

如果你換一套完全不同的制造工具—比如紡織+FDM+WEAM+4D形變，能不能逼迫設計語言發生改變？

Fraunhofer團隊在打印耳機外殼的時候，同步使用WEAM，在同一平面狀態下直接鋪設導線、加功能構件和電子元件。

導體被嵌入紡織+塑料復合體中，形成完整的電路拓撲，包括驅動單元、傳感、可能的控制與電源路徑等。

也就是說，耳機的線束+PCB在2D展開狀態下就已經一次性做完。

最后一個Demo，是嵌有線圈和傳感器的無人機機身:

也就是Fraunhofer所說的housing-as-PCB。

從電子架構角度看，無人機是一個高度集成的小型系統:

電機驅動、IMU、GNSS/RTK、通信鏈路、電源管理、傳感器網絡、甚至天線和屏蔽結構，都擠在小小的機體里。

傳統做法要么是多塊PCB+線束+獨立屏蔽殼，要么用多板疊層再配合復雜的線纜走線。

重量和裝配復雜度在小機體上都是非常敏感的成本因子。

如果機身本身就是 PCB，那意味著幾件事：

一是部分線束消失了，信號和電源可以通過機身內嵌的導線直接分發；

二是線圈可以直接成為結構的一部分，比如做無線充電接收線圈、位置感應線圈，甚至部分電磁屏蔽網；

三是傳感器可以非常貼近受力/受熱關鍵區域，而不必被一塊平面 PCB 的形狀限制。

而且同時，因為它是增材過程的一部分，線圈和結構之間的相對位置可以保證設計時的精度，不用擔心后裝配帶來的偏差。

誰會先吃螃蟹，誰會被迫轉型？

這種housing-as-PCB的概念不僅適用于無人機。

從需求側看，幾個優先候選很明顯。

一是高端汽車電子（雷達、攝像頭模組、智能內飾），因為它們既有體積/重量壓力，又被功能集成和成本逼著不停優化架構。

二是工業機器人與協作機器人末端執行器，那里對定制化和線束簡化有極強訴求。

三是無人系統（無人機、AMR、AGV等），它們天然愿意為減重和簡化裝配買單。

從增材制造的內部視角來看，WEAM代表的是行業從幾何自由度走向功能自由度的又一次躍遷。

過去十年，我們談得最多的是尺寸精度、表面粗糙度、材料力學性能、打印速度；

現在開始出現越來越多順帶集成點別的東西的技術：

內嵌光纖的復材打印、直接打印電機繞組和冷卻通道、現在又多了內嵌線束和電路。

這對整個行業有幾個潛移默化的影響：

設計端會被迫升級。

單純會建3D模型已經不夠了，你需要懂材料、懂電、懂熱，或者至少和這些領域的工程師真正協同。

服務商會進一步走向垂直化。

通用打印服務很難吃下這種工藝，因為它牽涉到客戶系統級的設計和驗證；

真正能做起來的一定是熟悉某個行業應用（比如汽車雷達、無人機、醫療器械）的垂直服務商。

如果本文的技術產業化，一個部件被打印出來時，它就已經是一個集成了機械結構、電氣連接、傳感功能的子系統。

當3D打印機開始能夠可靠、低成本地集成標準電氣、光學和傳感元件時，它就從一個零件制造機轉變成了系統制造機。

我們不確定什么時候能夠完全產業化，但我們確定這一天到來時，將打開一個更大的市場大門。

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