3D-печать электроники на примере дрона: провода и платы больше не нужны


    Снимок дрона, напечатанного на 3D-принтере

    3D-печать электроники с проводящими контурами внутри — вам больше не нужны провода и платы; принтер остановится ровно в тот момент, когда надо разместить процессор, транзистор или элемент питания, а затем продолжит печать.

    Статья Майкла Ситвера с Medium.com переведена для вас Top 3D Shop.

    Принтер для дронов


    «Вы не можете напечатать iPhone (пока)» — так я написал в своей электронной книге по 3D-печати всего полгода назад. Это утверждение было частью раздела, полностью посвящённого тому, что трёхмерные принтеры не могут делать.

    Этот раздел устаревает с каждым днём, что стало особенно ясно недавно, когда компания Voxel8 (Произносится как “воксэлэйт”, от “воксель” — трехмерный пиксель. Примечание редактора), основанная и управляемая несколькими профессорами Гарварда и Массачусетского технологического института, представила комплект разработчика для 3D-принтера электронных устройств.


    С помощью этого комплекта инженеры и дизайнеры смогут печатать дроны, телефоны и автомобили с дистанционным управлением целиком, со всей встроенной электроникой. Принтер имеет модульную структуру для печати как электронных схем, так и пластиковых деталей. Одна печатающая головка выдавливает PLA-пластик, создавая основную часть объекта, в то время как другая печатает электронные схемы с помощью чернил с очень высокой электропроводимостью. По мере процесса печати, принтер автоматически останавливается (благодаря умной программе компании Autodesk), чтобы дизайнер смог вставить электрические компоненты, такие как двигатели и резисторы, в изделие. После того, как это сделано, принтер автоматически продолжит печать с того момента, где она была прервана.

    Печать батарейки


    В будущем компания Voxel8 планирует усовершенствовать принтер, разработав новые “чернила”, которые смогут печатать резисторы, датчики и даже литий-ионные батарейки. Это также сделает процесс печати намного более эффективным, потому что дизайнерам не придется ждать остановки принтера для размещения компонентов.

    Почему это так важно?



    Принтер Voxel8.

    Пилотный принтер компании Voxel8 красив, но, скорее всего, в ближайшее время вы не добавите его в свой домашний интерьер. Стоимость первого издания набора разработчика — 8999 долларов США, без стоимости доставки и налогов.

    (Информация на момент оригинальной публикации. Сейчас принтер можно купить с доставкой в любую точку мира. В РФ он стоит около 1 млн руб. Примечание редактора.)

    Несмотря на то, что вы, возможно, не станете владельцем этого принтера в ближайшее время, на него точно стоит обратить внимание. Индустрия 3D-принтеров в последнее время находится в состоянии стагнации, потому что рынок стал настолько конкурентным, что те немногие пользователи, которые могут себе позволить их купить, не могут выбрать из солидного числа небольших компаний. Почему же важен именно этот аппарат?

    Этот принтер важен, потому что являет собой часть будущего. В конечном итоге, цена на принтеры печатных плат снизится. Не исключено, что скоро мы увидим печать бюджетных смартфонов на заказ, прямо в магазинах электроники, и она станет альтернативой заказу ноунеймовых аппаратов из стран третьего мира. Я ожидаю, что в течение десятилетия пользователи получат возможность выбирать форму и цвет для своих телефонов на свой вкус.

    В более отдалённой перспективе, через 15-20 лет, печать электронных схем сделает 3D-принтеры более привлекательными для домашнего использования.

    Из-за своих ограниченных возможностей, современные 3D-принтеры просто не оправдывают себя для большинства обывателей. Получив возможность печатать электронику, они станут гораздо более полезны. Потеряли пульт от телевизора? Напечатайте новый. Сломалось зарядное устройство от смартфона? Напечатайте новое. Ваш ребенок скучает? Купите модель игрушки онлайн и напечатайте ее, квадрокоптер например. Никаких проблем.


    Это ваше будущее.

    С добавлением печати электронных схем и печати из разных материалов, а также со снижением цены и, хотелось бы надеяться, уровня шума, я ожидаю, что 3D-принтеры однажды обретут особое место в каждом доме и будут играть более важную роль, чем такие вещи, как телефон, холодильник или посудомоечная машина.


    Какие перспективы для 3D-печати электроникой вы считаете наиболее реалистичными для ближайших лет? Как ее можно было бы использовать? Что можно будет напечатать на подобном устройстве лет через пять, а на что понадобится в три-четыре раза больше времени? Поделитесь своим мнением в комментариях.
    Top 3D Shop
    56,15
    Ваш эксперт на рынке 3D-техники
    Поделиться публикацией

    Комментарии 48

      +2
      Тема с рисованием плат проводящими чернилами будоражит интернеты с древних времен, но до сих пор ничего вразумительного не придумано. Создание платы «аддитивными технологиями» задача очень не простая.
        0
        Там либо серебро, либо графит. То есть либо дорого, либо сопротивление большое. Но может что то новое придумали.
          +3
          Чистым серебром не напечатаешь, а полимерные составы будут сильно хуже меди. Про графит вообще молчу. Да и техпроцесс — уже все радиолюбители давно освоили проводник/зазор 250 микрон, для современной элементной базы это просто необходимо.

          Вообще есть безумная мысль про укладку микропровода в свеженапечатанный пластик. Но вопрос присоединения его к выводам деталей тоже не простой.

          Уже есть умельцы, поставившие в головку принтера лазер и прожигающие им защитную пленку на текстолите. Выходит вполне достойно и довольно быстро. Но вот от процесса травления платы отказаться в ближайшем будущем не получится. Самые точные технологии на сегодняшний день не доступны 3д-принтеру. Литография, травление, напыление — это не под силу сделать на одном устройстве за одну установку. Тут или комбайн сложный изобретать надо (явно не для домашнего использования) или руками работать или отдавать в производство.
            +2

            Микропровод + сварка лазером. Why not?

              0
              а как насчёт другого варианта: напечатать все проводники как трубки в которые потом залить легкоплавкий металл типа сплава галлия такой чтоб пластик не повредился, в микро поры не затёк, но и протёк по внутренностям до конца. А наружу чтобы только торчали пады смд компонентов и разъёмов. Но думается что тут очень высокая сложность будет в плане материаловедения, химии (хотябы что насчёт деградации пластика и возможного кз при попадании воды в микропоры) и с стороны инженерии очень много вопросов (как разводить без топа, тепловыделяющие транзисторы и сборки — проводники же плавятся при 100 градусах ниже и тд)
                0
                Цена совсем не домашняя выходит.
                  0
                  Микроконтроллеры для своих домашних поделок тоже никто на кухне не делает. Но можно представить себе роботизированный станок за $100500, которому можно прислать задание через интернет, и через пару дней получить заказ по почте. В этом случае цена может оказаться вполне домашней.
                    0
                    Цена на что? На печатную плату? Её и так на JLCPCB сделают дешевле, и без лазерной сварки.
                      0
                      Печатная плата не нужна. Получится готовое изделие, состоящее из сплошного корпуса с вкраплениями микросхем и проводников.
                      Да, сейчас так не умеют.
                        0
                        но… зачем монолитность? сейчас вполне относительно дешёвая технология печатных плат на гибкой пластиковой ленте которую можно свернуть почти в любую форму (лентой мёбиуса нельзя и прочие топологические нестандартно замкнутые извращения недоступны). И по толщине и по весу они сопоставимы с монолитом. Это сейчас выглядит как будто в ИТ писать екзель на ассемблере целиком в виде одной виндовой функции обработчика событий — да монолит, но зачем?
                          0

                          "писать екзель на ассемблере целиком в виде одной виндовой функции "


                          Так и происходит. Код, который вы написали на плюсах, и то, что получилось после компиляции с оптимизацией, отличаются. Робот тоже может расположить электронные компоненты в ненагруженных местах корпуса, и рационально использовать объем. Зачем? Размеры и прочность.

                            0
                            А алгоритмы оптимального расположения деталей в человеческой реализации существуют? очень хотелось бы узнать — я множеством программ разводки пользовался, но они _пока_ не заменяют инженера. И я лично даже намёков хоть на что-то работающее не только в плане оптимизации нетлиста, а в плане комбинации и электрической и механической части не видел (прочностных расчётов, тепла например).
                            Да что там говорить про оптимизацию если такой монстр в разработках чипов и оптимизации топологии как Intel Quartus разводит на верилоге всего ОДНУ строчку верилог кода 10-15 минут:
                            y <= a >> b; при y и b 20 бит и более.

                            Добавлено: извиняюсь, это не сарказма и не срача ради, а просто любопытно, я сам лично хочу заниматься проектированием а не решением идиотских надоевших задач типа как сделать быстрый мультиплексор чтоб тривиальная задача компилировалась не по несколько часов а минуту-другую. Очень рад и благодарен буду если узнаю нормальные альтернативы.
                              0

                              "А алгоритмы оптимального расположения деталей в человеческой реализации существуют?"


                              Нет, конечно. Но и робота, который сможет по этому алгоритму что-то построить, тоже нет. И не факт, что появятся. Слишком много усилий вложено в 2D технологии (микросхемы, печатные платы). Да и возможности 2D пока всех устраивают.
                              Так что пока особой потребности в колбасе это сорта нет. А вот, к примеру, для колонизации Марса понадобятся очень лёгкие роботы с двигателями и датчиками, интегрированными в хваталки, без разъемов и проводов…

                                0
                                Скорей научатся производить корпуса и хваталки на месте, и будут они из тяжёлой керамики (или как назвать то что получится при спекании тамошнего песка?)
                0
                Вообще есть безумная мысль про укладку микропровода в свеженапечатанный пластик. Но вопрос присоединения его к выводам деталей тоже не простой.
                По мне так это единственное из адекватных направлений сборки электроники.

                Задача укладки 'проводов' (а скорее это будут гнутые провода, подготавливаемые на соседнем устройстве, оно очень простое, при необходимости даже может плющить сечение до прямоугольного) того же порядка сложности что и укладка электронных компонентов, о чем создатели принтеров того же типа что в статье, обычно, умалчивают, т.е. если можете делать второе, то и первое сможете, так зачем маяться фигней и тратиться на серебро.

                Как обычно, железная часть простая и недорогая, но вот софт к этому делу будет 'на вес золота'.
                  0

                  Укладка электронных компонентов сравнительно простая и решенная в промышленности, доступная для прототипирования и даже как DIY кит за сравнимые с 3D принтером деньги.
                  А вот укладка провода, особенно выходящая за пределы одной плоскости — задача достаточно интригующая.

                    0
                    Здорово, интересно что там за софт и как он работает с существующими форматами описания схем?

                    Технически, как я уже говорил, проблем нет никаких, механика относительно примитивная, она не должна добавлять к себестоимости сколько то значительно. Но софт и отсутствие предложений на low-end рынке будет диктовать просто космические цены (т.е. из рынка хайэнд).

                    p.s. провода в объеме это конечно же мега-вызов, но если решать подзадачу укладки на плоскости (соединения можно вертикальными вставками), то все становится совсем просто.

                    Тут периодически всплывают примеры 3D-принтеров по металлу, на основе роборуки, сварочного аппарата и сборки ажурных конструкций из проволоки/арматуры — чем не вариант?
                      0

                      Опять же все не так уж плохо. Для больших машин есть свой софт, для DIY есть http://openpnp.org/
                      CAD выдает список компонентов с координатами, на плате есть реперные точки.
                      Софт при помощи камеры в автоматическом, или даже просто ручном режиме находит реперные точки, по ним калибруется. В списке компонентов есть название. Робот знает положение элементов с соответствующим названием как точку где нужно подобрать его из ленты (и сдвинуть ленту), либо начало и шаг где подобрать из трея. Для больших микросхем есть автокалибровка позиции по нижней камере.
                      В общем концептуально ничего сложного. С современными библиотеками обработки видео в особенности.


                      С проводом, как я уже говорил, есть одна засада. Если мы печатаем что-то вроде однослойной PCB — искоючительно в одной плоскости — все сравнительно хорошо, но прощще использовать ту самую PCB.
                      Как только мы начинаем хотеть выйти из плоскости — у нас головка которая печатает пластик начинает натыкаться на провод идущий вверх из предыдущего слоя. Паять между слоями? будет плавиться пластик вокруг. Спекание металлического порошка? вообще будет гореть. Так что остаются только токопроводящие чернила, которые проводят вообще говоря довольно фигово, сопротивление будет единицы ом на квадрат — для силовых применений не подходит почти совсем.

                  +2
                  Уже есть умельцы, поставившие в головку принтера лазер и прожигающие им защитную пленку на текстолите. Выходит вполне достойно и довольно быстро. Но вот от процесса травления платы отказаться в ближайшем будущем не получится.
                  Есть умельцы, которые ставят лазер помощнее, и прожигают напрямую медь, если она не слишком толстая. И никакой возни с травлением.
                    0
                    При выжигании меди обугливается материал печатной платы, что может создать проводимость там где не надо.

                    Если говорить о проблеме в целом — лично меня, да и думаю многих людей увлеченных DIY электроникой, вполне бы устроил просто струйный принтер, печатающий по обычному фольгированному текстолиту краской, для последующего травления в хлорном железе. Но такого принтера пока что не нашел, по крайней мере за приемлимые в рамках хобби деньги. Существуют любительские технологии ЛУТ, фоторезист — они мягко говоря не особо удобны, не гарантируют результат с одного раза. Наклейка фоторезиста на плату вообще адовый процесс с большим выходом брака. Фрезеровка на ЧПУ быстро изнашивает фрезы, повреждает гладкий слой стеклотекстолита, трудности с тонкими проводниками и убиранием площадей меди…
                    Понимаю что рынок недорогих радиолюбительских принтеров для печатных плат был бы мал, специфичен. Поэтому наверное они не выпускаются.
                      0
                      Если говорить о проблеме в целом, то такой принтер — вещь удобная, спору нет, но он имеет стоимость, требует расходные материалы, и т.д. — не окажется ли в итоге проще и эффективнее заказывать платы у китайцев или на отечественных фабриках типа «Резонита»? Да, оперативность страдает, но скажите, как часто в радиоЛЮБИТЕЛЬСКОЙ практике нужна такая вот оперативность?
                        0

                        Тянучка с заказами это и долго, и не так уж дешево. Ладно если любитель повторяет готовое отлаженное изделие — там только подождать пока придут заказанные платы, и скорее всего получится нормально. А если разрабатываешь — надо макетировать, и более чем один раз. Нередко бывает что очередная "хорошая мысля приходит опосля". Поэтому нет смысла делать больше одной пробной платы. И принтер, позволяющий сделать плату с первого раза и без извращенных танцев с бубном (как это происходит например с ЛУТ) — как раз бы выручил.

                        0
                        печатают же платы на лазерных принтерах, после небольшой переделки, на ютубе ролики выложены n-лет назад.
                      0

                      Ещё фрезерование фольги возможно

                        0
                        Это вообще один из самых шумных и грязных методов. Соотношение сложность/время/разрешение там весьма плачевное.
                  +1
                  И при первых же микротрещинах в нарисованнох проводниках нормальные провода в дроне вернутся на свое законное место.
                    0
                    Видать потому и не стали напрямую к двигателю вести, оставив клеммы и длинные «хвосты».
                    Сложно поспорить с тем что технология найдет своё место, особенно улучшившись, но пугать подобным «ужасом» явно рановато.
                    0

                    еще бы пластик заменили бы на какую-нибудь органику чтобы разлагалась в земле :-)

                      0
                      На выбор миллион с половиной типов пластиков, хотите в воде растворится, хотите от ультрафиолета, за часы… Химика полимеров за последние пару десятилетий очень хорошо развилась.
                        –1

                        И ни один из них не является достаточно дешёвым чтоб заменить те виды, которые респадаются десятки и сотни лет.
                        Тут ещё, конечно, важно соотношение — чтоб был крепким пока пользуешься и разлагался когда выбрасываешь.

                          0
                          вы откуда свалились?

                          Хотите растворение за минуты — часы в воде? берите популярный в 3D-печати PVA, из него делают водорастворимые поддержки.

                          Хотите годы — берите PLA, низкотемпературный пластик (60 градусов размягчение) но низкие показатели температурного расширения, что положительно сказывается на качестве печати (это один из популярнейших пластиков для начинающих и дешевых моделей), его вообще из сахара делают (кукуруза).

                          Хотите высокой прочности — берите композитные (нейлон со стеклонаполнителем например дает неплохие показатели, помнится было видео где один перец печатал звено цепи и подвешивал на нем на строительном кране груз до полуторы тонн, причем нагрузка там была не на растяжение а на слом).

                          Хотите выжигаемые, для литья, берите восковые (хотя если честно более чем достаточно тот же PLA).
                            0

                            Вопрос в относительности и месте применения.
                            Дешёвый ли PVA? Ну допустим, да, можно купить и печатать дома.
                            Достаточно ли он дёшев по сравнению с существующими и используемыми пластиками в производстве — очевидно, нет.
                            Я свалился из реальности.

                        0

                        Вы подали мне идею ремонта. Правда она немного противоречит изначальной задумке. Если что-то ломается — просто растворяем корпус, сливаем в ёмкость, чиним, а потом "наплавляем" на место по заранее сделанному слепку (после печати или перед растворением). Тогда нужно подобрать материал и реагент чтоб взаимодействовали только между собой и ни с чем другим.

                          0
                          PLA уже существует и применяется в 3D-печати.
                          0

                          Борщ в стооовках не печатают:(

                            +1
                            Судя по вкусу в некоторых таки печатают :(
                            0
                            Мне кажется, что одной из самых перспективных тем (кроме печати органов) для 3D печати является печать из композитов. Например, из углепластика с наполнителем.
                              +2
                              шикарный пример про квадрокоптер — вещь которая периодически крашится и требует ремонта, по данной технологии, становится абсолютно неремонтнопригодной
                                +1

                                Да, ремонт будет заключаться в печати нового устройства.

                                  0
                                  Напечатанный целиком из упругого достаточно пластика, он будет во-первых прочнее, во вторых дешевле, чем сборная конструкция.
                                    0

                                    Прочнее и тяжелее — верю. Прочнее и легче, не верю. Дешевле в производстве, тоже верю, только он для потребителя станет одноразовым.
                                    Ремонтопригодность — 0. Обычную конструкцию можно разобрать, повторно использовать не пострадавшие элементы, электронику, заменять сломанные части. Так что, в разрезе квадрокоптеров, эта технология выглядит как стимулятор роста свалок… Но, по всей видимости, есть ниши где это решение может быть востребованно — типа комнатные часы, термометры, гигрометры и тд. Вещи которые не подвергаются механическим воздействиям, слаботочные, служат годами

                                  +1
                                  В заголовке идет речь про печать электроники и отказ от печатных плат. А по факту на видео показана печать восьми проводников с неизвестными свойствами, которые можно заменить простыми медными проводами, размещенными вручную (точно так же, как и размещается плата). Такое ощущение, что авторы просто хотели закрыть графу «Инновации» в каком-то плане.
                                    0
                                    Печать самой платы, подложки, в видео тоже есть. Примитивной конечно, но это пока.
                                    +1

                                    Тут явно пора вспомнить о модульной электронике (проект АRА доброе утро), то что можно напечатать — печатайте. А остальное можно было бы заказать по почте, модули процессор/память/экран/электродвигатель

                                      +1
                                      Я купил 3D принтер рубанок, с тех пор я делаю все рубанком: забиваю гвозди, делаю поделки, открываю пиво, нарезаю мясо.
                                        +1
                                        Выкинул, купил новую. Ух, электроника сейчас и так почти одноразовая, а дальше ещё хуже будет, даже не разобрать.
                                          0
                                          С точки зрения производства — отличный подход, позволяющий как снизить себестоимость, так и оптимизировать конструкцию (отсутствие крепежа для сборки частей устройства, отсутствие крышек и пр.).
                                          Но вот с точки зрения эксплуатации и ремонта — всё очень печально. Устройство не подлежит ремонту от слова совсем. Сломалось — выкинул.
                                          Такой подход может быть оправдан либо для производства очень надежных устройств, либо для производства дешевых и условно одноразовых, выход из строя которых не будет критичен для эксплуатанта.
                                          К примеру — рои микрокоптеров. За счет оптимизации конструкции микрокоптеры можно сделать (особенно когда научатся печатать АКБ) маленькими, монолитными и эффективными (и возможно дешевыми). Потеря нескольких микрокоптеров из роя не снизит его эффективность и не ударит по карману эксплуатанта (но это не точно).

                                          В общем и целом — однозначно за подобными технологиями будущее, т.к. данный подход позволяет на одном производственном переделе сразу выпускать готовую продукцию минуя стадии незавершенного производства. Кроме этого, перенастройка на производство новой модификации будет заключаться всего лишь в выборе программы.
                                            +1

                                            Если так пойдет дальше, лет через 30 полностью пропадет необходимость в заводах и сборочных цехах для производства мелких вещей. 3D моделирование станет обязательным предметом в школах. А заказывать вещи с алиекспресса можно будет сразу в свой принтер.

                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                            Самое читаемое