“Printegrated Circuits” 為 3D 打印帶來智能

正如 40 多年前激光打印機(jī)為個人計(jì)算機(jī)用戶提供了印刷機(jī)的優(yōu)勢一樣，3D 打印機(jī)使個人能夠?qū)?shù)字設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為物理對象。一些打印機(jī)的成本低于 1,000 美元，可用于創(chuàng)建一次性物品或小批量生產(chǎn)的物品。

3D 打印物體有一個主要限制;讓他們變得“聰明”并不容易。添加數(shù)字處理器和其他組件仍然是一個挑戰(zhàn)，添加導(dǎo)電跡線也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，例如，當(dāng)有人觸摸物體時進(jìn)行檢測。對于普通的業(yè)余愛好者甚至大學(xué)實(shí)驗(yàn)室來說尤其如此——存在使用柔性銀油墨和半導(dǎo)體材料的印刷電子技術(shù)，但這些材料和機(jī)械對于這些群體來說是遙不可及的。

英國布里斯托大學(xué)（University of Bristol）的博士生奧利弗·柴爾德（Oliver Child）一直在研究這個問題。在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)工作了一段時間后，他找到了一種方法，將他的數(shù)字電子經(jīng)驗(yàn)與他對 3D 打印的熱愛相結(jié)合。他創(chuàng)建了一個流程，允許某人將物理微控制器（例如 Arduino）嵌入 3D 打印對象中。他將結(jié)果稱為“printegrated circuits”。

IEEE Spectrum 與 Child 進(jìn)行了交談，以了解更多關(guān)于他的工作以及他對這項(xiàng)技術(shù)未來的希望。

Oliver Child 評論：

• 他作為業(yè)余愛好者的背景

• “printegrated circuits”填補(bǔ)的利基市場

• 試驗(yàn)不同的導(dǎo)電絲

• 他對未來發(fā)展的愿望清單

• 開源的重要性

我瀏覽了您的網(wǎng)站，看起來您似乎是從 3D 打印方面進(jìn)入的;這樣說公平嗎？

奧利弗·柴爾德：我參加了計(jì)算機(jī)科學(xué)本科課程，然后進(jìn)入了電子行業(yè)，但我一直有點(diǎn)業(yè)余愛好者。

我進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)時，在一家初創(chuàng)公司工作，大約有 300 名員工。我們?nèi)匀粺o法保持競爭力，因?yàn)榕c市場上已有的成熟產(chǎn)品相比，迭代成本太高了。每次你想制作新芯片時，你都必須付費(fèi)獲得軟件許可，然后流片費(fèi)也要花費(fèi)數(shù)百萬美元。

我一直保持著這種自給自足的態(tài)度，希望能夠自己做所有事情。3D 打印讓我能夠使用價(jià)格實(shí)惠的工具，而且精度非常高，觸手可及。

顯然，這與制造半導(dǎo)體完全不同，但我可以想象有一天我們可以打印各種奇怪的電子產(chǎn)品，這樣我們就可以更快地嘗試新事物，而不必成為如此大型結(jié)構(gòu)的一部分。

當(dāng)我查看你們的“printegrated circuits”項(xiàng)目時，我的收獲是，這是一個以小批量方式為對象帶來智能的機(jī)會。是這樣嗎？

奧利弗·柴爾德： 顯然，這項(xiàng)技術(shù)存在許多限制，尤其是塑料的電阻以及您可以從現(xiàn)成的 3D 打印機(jī)和材料中獲得的物理分辨率。

它從您花了很長時間精心制作的 Arduino 項(xiàng)目開始，到處都是電線。然后你想制作一個演示單元，你可以向很多人展示，也許還可以給想要學(xué)習(xí)它們的參與者一些。它需要低成本，并且實(shí)際上必須有效。因此，該解決方案介于單個 Arduino 項(xiàng)目和大批量生產(chǎn)之間。

在這個中間發(fā)生了一些非常令人興奮的事情。例如，小批量獲得定制 PCB [印刷電路板] 現(xiàn)在既簡單又經(jīng)濟(jì)。

我的首選示例是 TuneShroom，它是一個蘑菇形的 MIDI 控制器。它使用底部的 USB-C 連接器連接，頂部的這些黑色位是觸摸板。導(dǎo)電走線位于焊盤和嵌入 3D 打印底座中的微控制器之間。這些項(xiàng)目中使用的 PCB 具有通孔，用于將元件引腳和銅線焊接到其中。借助集成電子元件，3D 打印過程會在某個點(diǎn)暫停，以便將 PCB 放置在物體的空腔中。然后，我們使用自定義代碼，指示 3D 打印機(jī)將導(dǎo)電 PLA [聚乳酸] 細(xì)絲注入通孔中。

TuneShroom 是具有“集成電路”的 3D 打印物體的一個例子——黑點(diǎn)用作觸摸板，連接到嵌入蘑菇底部的微控制器。原圖：奧利弗·柴爾德

Printegrated Circuits 的導(dǎo)電絲挑戰(zhàn)

讓導(dǎo)電絲材料工作困難嗎？

奧利弗·柴爾德： 可以肯定的是，我們有一個學(xué)習(xí)曲線。起初，我們嘗試將 PCB 引腳推入塑料中。事實(shí)證明，連接并不可靠，因?yàn)樗芰系娜魏巫冃味紩?dǎo)致不可靠的連接。如果你移除組件并將其推回去，連接會更糟。

然后我看到一臺 3D 打印機(jī)使用兩種不同類型的細(xì)絲材料，我想知道為什么我們不能做這樣的事情。我發(fā)現(xiàn)你可以得到注入炭黑的 Protopasta Black PLA 細(xì)絲。它有足夠的碳使材料導(dǎo)電。有趣的是，這種材料是各向異性的，因此在一個方向上打印時，它的電阻與在另一個方向上打印時的電阻不同。

使用雙打印頭打印機(jī)，我們可以在標(biāo)準(zhǔn)線和導(dǎo)電線之間來回切換。事實(shí)證明，單頭打印機(jī)是行不通的，因?yàn)榇蛴r需要純材料，而更換耗材之間的大量清洗不足以完全清除打印頭。

即使有兩個頭，也需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)才能使注塑打印可靠地工作，并最大限度地減少 PCB 和打印走線之間的接觸電阻。我們努力獲得適量的材料、時間、注射速度以及之后必須縮回的材料量，以免在噴嘴出現(xiàn)時將材料拉出。這需要大量的測試。

您是否探索過使用任何其他材料？

奧利弗·柴爾德： 我們嘗試了 TPU [熱塑性聚氨酯] 長絲，它比 PLA 更有彈性，也可以注入碳。這真的很酷，因?yàn)槟憧梢杂盟鼇碇谱鲏焊性O(shè)備。你可以創(chuàng)建一個晶格，當(dāng)你擠壓它時，更多的物質(zhì)會與自身接觸，從而改變電阻。

我們還嘗試了 Electrifi 3D 的銅注入細(xì)絲，但它的成本大約是注入碳材料的 20 倍。雖然它的電阻比碳材料低得多，但電阻仍然比純銅線高得多，因此它對為任何東西供電都沒有用。我希望對它進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，但目前使用它的成本太高了。

您提到了 Arduino 處理器。這些當(dāng)然受到業(yè)余愛好者和實(shí)驗(yàn)者的歡迎，但對于某些應(yīng)用（例如可穿戴設(shè)備）來說，它們是不是有點(diǎn)大？

奧利弗·柴爾德：我一直在使用 Seeed Studio 的 XIAO 系列微控制器。這些與 Arduino 兼容，但尺寸僅為 21 x 18 毫米左右。它們有多種設(shè)計(jì)，用于不同的目的，它們與我們的材料注射工藝配合使用，以連接其 PCB 上的通孔。

我們在打印機(jī)上使用現(xiàn)成的 0.4 毫米噴嘴。這些器件的 2.54 mm 孔距工作正常。您可以為打印機(jī)獲得更小的 0.2 毫米噴嘴，但此時更小、引腳密度更高會讓事情變得有點(diǎn)緊張。

您的愿望清單上有什么？如果你可以揮舞一根魔杖，你希望如何推動這個過程向前發(fā)展？

奧利弗·柴爾德：我希望有一種低成本的燈絲，具有與銅線相同的導(dǎo)電性。那可以解決很多問題。

我的下一個愿望是找到一種在單個印刷產(chǎn)品中使用多個電路板或組件的方法。我們正在努力改造標(biāo)準(zhǔn) 3D 打印機(jī)，使其可以拾取和放置 PCB 等固體組件，這樣我們就不必中斷打印過程來手動放置它們。

此外，我希望設(shè)計(jì)在不同的 3D 打印機(jī)之間更容易傳輸?，F(xiàn)在，許多打印機(jī)的內(nèi)部設(shè)置被鎖定，用戶無法調(diào)整它們。我希望能夠發(fā)布設(shè)計(jì)，并讓人們能夠在世界任何地方自行打印出來。

看來您是開源的粉絲。

奧利弗·柴爾德：我是開源的大力支持者。目前，太多的交互式設(shè)備太復(fù)雜而無法構(gòu)建，因此很難在其他地方制作相同的物理設(shè)備。不值得創(chuàng)建者花費(fèi)時間和精力來記錄整個過程，因?yàn)槠渌四軌驈?fù)制構(gòu)建的機(jī)會不大。

我認(rèn)為我們將看到更多的人發(fā)現(xiàn)分享他們的設(shè)計(jì)更容易。如果我們可以將我們的工作抽象成數(shù)字形式，那將更容易共享和修改（如果您愿意）。

我們目前正在進(jìn)行一項(xiàng)大型用戶研究，讓很多人打印他們自己的某個設(shè)計(jì)單元。我們正在與手藝人社區(qū)合作，看看我們是否可以共享設(shè)計(jì)并讓其他人在自己的打印機(jī)上制作。隨著時間的推移，我希望人們開始將功能性材料納入他們的開源設(shè)計(jì)中，這樣世界上任何地方的任何人都可以打印這些交互式設(shè)備，甚至可以根據(jù)自己的特定需求對其進(jìn)行修改。