当3D打印开始边打边缝电路，系统集成制造的关键跃迁

AM易道技术分享

最近，Fraunhofer IWU（弗劳恩霍夫机床与成形技术研究所）和设备制造商CR3D联手推出了WEAM技术，即将在Formnext展示。

他不再依赖那些特种导电材料，而是直接将标准工业电线集成到3D打印部件中。

AM易道认为，这个技术非常值得关注：

它代表着增材制造正在从"会造型"（控形）进化到"能赋性"（控性），再跃升到"造系统"（集成化）

是3D打印又一次技术和应用升维。

什么是WEAM？

WEAM，全称Wire Encapsulating Additive Manufacturing，本质上是一种用标准金属线材替代导电浆料，在增材制造过程中直接布线并包覆的工艺路线。

传统的功能化3D打印件大概有几种做法：

要么先打结构，再用喷墨、气溶胶喷射之类的方法喷银浆/铜浆形成线路；

要么先做电子，再用包覆成型或者灌封把它们封在塑料结构里。

再高级一点是LDS/MID（激光直接成形电路），先注塑出3D结构，再用激光激活表面，然后电镀出铜线路。

它们都有一个共性：

导电部分通常是薄层，经由化学或物理沉积形成，厚度有限，载流能力和机械健壮性都不算强，且对工艺和材料体系的约束非常大。

WEAM的路线是反过来的：

直接用均匀合金丝，也就是平时我们常用的线材。

先在增材过程中把线嵌进去，再用同类高分子把它们完全封装。

你可以把它理解成：

把传统线束工程师在2D/3D空间里布线的工作，搬到一只可以旋转的打印喷头上，和FFF/FDM打印头绑在一起，一边打印塑料，一边缝进铜线或其它合金线。

这次FraunhoferIWU带到Formnext的，是一个已经接近量产形态的WEAM打印头，并且直接集成在CR3D的系统上。

WEAM的可玩空间在哪？

从Fraunhofer的描述来看，整个系统可调的自由度其实非常多：

首先是合金体系。

用铜只是最直观的选择，高导电、成熟、便宜。

但如果你想做应变/温度传感，可能会选电阻温度系数更适合的合金（比如常用在应变计里的铜、镍铬系），或者干脆用多材料并联/串联结构做冗余和多通道。

对于电磁感应和线圈，电阻、磁性、机械疲劳性能都是联动考虑的。

其次是导线直径。

相比导电油墨那种几微米厚的层，0.1–0.3mm甚至更粗的线材意味着完全不同级别的载流能力和散热能力，也就可以安全地承担功率级应用，比如加热、功率供电、甚至部分电机绕组。

这也直接改变了设计思路：

你不再把它当印刷线路，而是当结构化的线束/汇流排。

再往上，是走线布局。

传统PCB工程师关心的是阻抗匹配、电磁兼容和制造工艺约束。

到3D结构里之后，线的空间路径会同时影响应力分布、散热路径和整机装配顺序。

Fraunhofer特别提到，通过走线布局可以精确调控电学行为，本质上就是在3D空间里做立体PCB+线圈+屏蔽体的综合设计。

四个Demo值得重点关注
Fraunhofer这次带到Formnext的4个工业Demo，分别来自汽车电子、柔性电子、小型无人机几个方向。

表面上都是很合理的应用，但每一个背后其实都对应着现有供应链的一个痛点。

先看为Nissha做的雷达罩加热器。

我们都知道，在L2+/L3级自动驾驶架构下，车前后那几块雷达罩的可用时间就是系统可靠性的一个硬指标。

结冰、积雪、泥沙都会直接把毫米波雷达致盲，所以车厂这几年一直在给雷达罩堆各种加热方案：

集成加热玻璃、胶贴加热膜、甚至在雷达前面再叠一个可加热的小帽檐。

而WEAM的路线，是直接在一层薄膜上打印加热线，然后再进行成型和背注塑。

加热线和基材之间本质上是一体化熔融包覆关系，而不是靠胶水黏上去的独立层，抗剥离性和耐冷热冲击表现天然更好。

此外，因为加热线的三维布局可以精确控制，你可以根据雷达波束分布、易结冰位置、甚至气流路径做场景化的加热设计，而不是贴一块均匀电阻膜了事。

第二个Demo是在0.1mmTPU薄膜上打印的柔性/可拉伸电路。

0.1mmTPU自身就是一个非常薄的弹性基材，和传统FPC用的PI（聚酰亚胺）完全不是一个力学档次。

PI更适合反复弯折但不太拉伸的场景，TPU则更适合希望这块电路在拉伸、扭曲甚至表面形变较大的可穿戴设备、软体机器人、车内饰复杂皮革件上跟着皮肤走的情况。

第三个Demo，是一副超轻量的4D打印纺织耳机，电功能同样通过 WEAM 直接集成在结构里。

项目的起点是一个很简单的问题：

我们今天对耳机、乃至大多数消费电子产品外形的既定印象，其实是被注塑、CNC、传统PCB和线束工艺限制出来的。

如果你换一套完全不同的制造工具—比如纺织+FDM+WEAM+4D形变，能不能逼迫设计语言发生改变？

Fraunhofer团队在打印耳机外壳的时候，同步使用WEAM，在同一平面状态下直接铺设导线、加功能构件和电子元件。

导体被嵌入纺织+塑料复合体中，形成完整的电路拓扑，包括驱动单元、传感、可能的控制与电源路径等。

也就是说，耳机的线束+PCB在2D展开状态下就已经一次性做完。

最后一个Demo，是嵌有线圈和传感器的无人机机身:

也就是Fraunhofer所说的housing-as-PCB。

从电子架构角度看，无人机是一个高度集成的小型系统:

电机驱动、IMU、GNSS/RTK、通信链路、电源管理、传感器网络、甚至天线和屏蔽结构，都挤在小小的机体里。

传统做法要么是多块PCB+线束+独立屏蔽壳，要么用多板叠层再配合复杂的线缆走线。

重量和装配复杂度在小机体上都是非常敏感的成本因子。

如果机身本身就是 PCB，那意味着几件事：

一是部分线束消失了，信号和电源可以通过机身内嵌的导线直接分发；

二是线圈可以直接成为结构的一部分，比如做无线充电接收线圈、位置感应线圈，甚至部分电磁屏蔽网；

三是传感器可以非常贴近受力/受热关键区域，而不必被一块平面 PCB 的形状限制。

而且同时，因为它是增材过程的一部分，线圈和结构之间的相对位置可以保证设计时的精度，不用担心后装配带来的偏差。

谁会先吃螃蟹，谁会被迫转型？

这种housing-as-PCB的概念不仅适用于无人机。

从需求侧看，几个优先候选很明显。

一是高端汽车电子（雷达、摄像头模组、智能内饰），因为它们既有体积/重量压力，又被功能集成和成本逼着不停优化架构。

二是工业机器人与协作机器人末端执行器，那里对定制化和线束简化有极强诉求。

三是无人系统（无人机、AMR、AGV等），它们天然愿意为减重和简化装配买单。

从增材制造的内部视角来看，WEAM代表的是行业从几何自由度走向功能自由度的又一次跃迁。

过去十年，我们谈得最多的是尺寸精度、表面粗糙度、材料力学性能、打印速度；

现在开始出现越来越多顺带集成点别的东西的技术：

内嵌光纤的复材打印、直接打印电机绕组和冷却通道、现在又多了内嵌线束和电路。

这对整个行业有几个潜移默化的影响：

设计端会被迫升级。

单纯会建3D模型已经不够了，你需要懂材料、懂电、懂热，或者至少和这些领域的工程师真正协同。

服务商会进一步走向垂直化。

通用打印服务很难吃下这种工艺，因为它牵涉到客户系统级的设计和验证；

真正能做起来的一定是熟悉某个行业应用（比如汽车雷达、无人机、医疗器械）的垂直服务商。

如果本文的技术产业化，一个部件被打印出来时，它就已经是一个集成了机械结构、电气连接、传感功能的子系统。

当3D打印机开始能够可靠、低成本地集成标准电气、光学和传感元件时，它就从一个零件制造机转变成了系统制造机。

我们不确定什么时候能够完全产业化，但我们确定这一天到来时，将打开一个更大的市场大门。

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