“Printegrated Circuits” 為 3D 打印帶來智能

正如 40 多年前激光打印機為個人計算機用戶提供了印刷機的優勢一樣，3D 打印機使個人能夠將數字設計轉化為物理對象。一些打印機的成本低于 1,000 美元，可用于創建一次性物品或小批量生產的物品。

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

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

IEEE Spectrum 與 Child 進行了交談，以了解更多關于他的工作以及他對這項技術未來的希望。

Oliver Child 評論：

• 他作為業余愛好者的背景

• “printegrated circuits”填補的利基市場

• 試驗不同的導電絲

• 他對未來發展的愿望清單

• 開源的重要性

我瀏覽了您的網站，看起來您似乎是從 3D 打印方面進入的;這樣說公平嗎？

奧利弗·柴爾德：我參加了計算機科學本科課程，然后進入了電子行業，但我一直有點業余愛好者。

我進入半導體行業時，在一家初創公司工作，大約有 300 名員工。我們仍然無法保持競爭力，因為與市場上已有的成熟產品相比，迭代成本太高了。每次你想制作新芯片時，你都必須付費獲得軟件許可，然后流片費也要花費數百萬美元。

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

顯然，這與制造半導體完全不同，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構的一部分。

當我查看你們的“printegrated circuits”項目時，我的收獲是，這是一個以小批量方式為對象帶來智能的機會。是這樣嗎？

奧利弗·柴爾德： 顯然，這項技術存在許多限制，尤其是塑料的電阻以及您可以從現成的 3D 打印機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習它們的參與者一些。它需要低成本，并且實際上必須有效。因此，該解決方案介于單個 Arduino 項目和大批量生產之間。

在這個中間發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] 現在既簡單又經濟。

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 打印機將導電 PLA [聚乳酸] 細絲注入通孔中。

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 的導電絲挑戰

讓導電絲材料工作困難嗎？

奧利弗·柴爾德： 可以肯定的是，我們有一個學習曲線。起初，我們嘗試將 PCB 引腳推入塑料中。事實證明，連接并不可靠，因為塑料的任何變形都會導致不可靠的連接。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 打印機使用兩種不同類型的細絲材料，我想知道為什么我們不能做這樣的事情。我發現你可以得到注入炭黑的 Protopasta Black PLA 細絲。它有足夠的碳使材料導電。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，我們可以在標準線和導電線之間來回切換。事實證明，單頭打印機是行不通的，因為打印時需要純材料，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，也需要進行大量實驗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，因為你可以用它來制作壓感設備。你可以創建一個晶格，當你擠壓它時，更多的物質會與自身接觸，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。我希望對它進行更多實驗，但目前使用它的成本太高了。

您提到了 Arduino 處理器。這些當然受到業余愛好者和實驗者的歡迎，但對于某些應用（例如可穿戴設備）來說，它們是不是有點大？

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。它們有多種設計，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。

我們在打印機上使用現成的 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品中使用多個電路板或組件的方法。我們正在努力改造標準 3D 打印機，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，我希望設計在不同的 3D 打印機之間更容易傳輸。現在，許多打印機的內部設置被鎖定，用戶無法調整它們。我希望能夠發布設計，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，太多的交互式設備太復雜而無法構建，因此很難在其他地方制作相同的物理設備。不值得創建者花費時間和精力來記錄整個過程，因為其他人能夠復制構建的機會不大。

我認為我們將看到更多的人發現分享他們的設計更容易。如果我們可以將我們的工作抽象成數字形式，那將更容易共享和修改（如果您愿意）。

我們目前正在進行一項大型用戶研究，讓很多人打印他們自己的某個設計單元。我們正在與手藝人社區合作，看看我們是否可以共享設計并讓其他人在自己的打印機上制作。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計中，這樣世界上任何地方的任何人都可以打印這些交互式設備，甚至可以根據自己的特定需求對其進行修改。