ชุมชนผู้สร้างสิ่งของ (maker) กำลังคึกคักกับการพูดคุยเกี่ยวกับวิธีการที่ดีที่สุดในการรวมวงจรอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับวัตถุที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในขณะที่นักวิจัยอย่าง Oliver Child จาก University of Bristol ได้พัฒนาวงจรแบบ printegrated โดยใช้เส้นใยนำไฟฟ้า นักสร้างสิ่งของที่เป็นทั้งผู้ที่ทำเป็นงานอดิเรกและมืออาชีพกำลังสำรวจแนวทางทางเลือกต่างๆ ที่อาจจะใช้งานได้จริงและคุ้มค่ากว่า
การสนทนาเริ่มต้นจากงานของ Child ที่ฝังไมโครคอนโทรลเลอร์โดยตรงลงในงานพิมพ์ 3 มิติโดยใช้เส้นใยนำไฟฟ้าที่ผสมคาร์บอน อย่างไรก็ตาม ชุมชนได้ระบุข้อจำกัดหลายประการของแนวทางนี้อย่างรวดเร็ว ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการถกเถียงที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับอนาคตของการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ DIY
ตัวเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับการรวมเข้าด้วยกัน
- Arduino : ได้รับความนิยมแต่มีขนาดใหญ่สำหรับการใช้งานบางประเภทเช่นอุปกรณ์สวมใส่
- ไมโครคอนโทรลเลอร์ซีรีส์ QAI : เข้ากันได้กับ Arduino ขนาด 12mm x 12mm
- เข้ากันได้กับหัวเข็มเครื่องพิมพ์ 0.1"/0.5mm
- ทำงานร่วมกับแผ่นเชื่อมต่อขนาดกว้าง 2.14mm
 |
|---|
| วัตถุที่พิมพ์ 3 มิติแบบนวัตกรรมที่มีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ฝังตัวแสดงถึงอนาคตของการผลิตอิเล็กทรอนิกส์แบบ DIY |
ข้อจำกัดของเส้นใยนำไฟฟ้าผลักดันให้เกิดนวัตกรรม
ความท้าทายหลักของเส้นใยนำไฟฟ้าอยู่ที่ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่แย่เมื่อเปรียบเทียบกับเส้นทางทองแดงแบบดั้งเดิม วัสดุที่ผสมคาร์บอนอย่าง Proto Pasta Black PLA มีความสามารถในการนำไฟฟ้าแต่มีความต้านทานที่สูงกว่าลวดทองแดงมาก เส้นใยที่ผสมทองแดงมีอยู่แต่มีราคาแพงกว่าทางเลือกคาร์บอนประมาณยี่สิบเท่า ในขณะที่ยังคงให้ประสิทธิภาพที่แย่กว่าทองแดงบริสุทธิ์มาก
ช่องว่างด้านประสิทธิภาพนี้ทำให้ผู้สร้างสิ่งของหันไปสำรวจทางเลือกที่สร้างสรรค์ บางคนแนะนำให้ใช้ดีบุกเป็นวัสดุพิมพ์ โดยใช้ประโยชน์จากจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าและความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ดีกว่า คนอื่นๆ เสนอให้พิมพ์ช่องกลวงที่สามารถเติมด้วยวัสดุนำไฟฟ้าอย่างปรอทหรือดีบุกหลอมเหลวในภายหลัง
การเปรียบเทียบเส้นใยนำไฟฟ้า
- Proto Pasta Black PLA (ผสมคาร์บอน): ราคามาตรฐาน ความนำไฟฟ้าปานกลาง
- เส้นใยผสมทองแดง: แพงกว่าทางเลือกคาร์บอนถึง 20 เท่า
- เส้นใย Polyurethane (ผสมคาร์บอน): ยืดหยุ่นกว่า PLA ช่วยให้สร้างอุปกรณ์ที่ตอบสนองต่อแรงกดได้
- เส้นใยนำไฟฟ้าทุกชนิด: มีความต้านทานสูงกว่าลวดทองแดงแท้มาก
โซลูชันการพิมพ์หลายหัวและการวางลวด
หัวข้อการพูดคุยที่ได้รับความนิยมมุ่งเน้นไปที่การใช้หัวพิมพ์หลายหัวเพื่อแก้ปัญหาการนำไฟฟ้า แทนที่จะพึ่งพาเส้นใยนำไฟฟ้า ผู้สร้างสิ่งของบางคนแนะนำให้จัดสรรหัวพิมพ์หนึ่งหัวสำหรับวางลวดทองแดงหรือเทปฟอยล์โดยตรงลงในช่องที่พิมพ์ไว้ แนวทางนี้จะต้องการการประสานงานที่ซับซ้อนระหว่างหัวพิมพ์ แต่สามารถให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีกว่ามาก
อย่างไรก็ตาม ความท้าทายทางเทคนิคมีความสำคัญมาก การงอและวางลวดบนพื้นผิว 3 มิติที่ซับซ้อนต้องการการควบคุมที่แม่นยำ และรูปทรงการพิมพ์จะถูกจำกัดด้วยความจำเป็นในการหลีกเลี่ยงการชนกันระหว่างหัวพิมพ์และชิ้นส่วนที่วางไว้ก่อนหน้านี้
วิธีการ PCB แบบดั้งเดิมยังคงได้รับการนิยม
ผู้สร้างสิ่งของที่มีประสบการณ์หลายคนโต้แย้งว่าการผลิต PCB แบบดั้งเดิมยังคงเหนือกว่าสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ชิปสำหรับผู้ที่ทำเป็นงานอดิเรกในปัจจุบันมักต้องการความกว้างของเส้นทาง 0.2 มิลลิเมตร พร้อมระยะห่างที่คล้ายกัน ซึ่งเกินขีดความสามารถที่เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติปัจจุบันสามารถทำได้อย่างน่าเชื่อถือ บอร์ดหลายชั้นที่มีการเชื่อมต่อที่ซับซ้อนก่อให้เกิดความท้าทายที่ยิ่งใหญ่กว่า
ผมคิดว่า PCB ที่ไม่เป็นระนาบเป็นสิ่งที่เฉพาะเจาะจงอย่างเหลือเชื่อ และไม่ค่อยจำเป็นเลย คุณสามารถใช้ลวด/ตัวเชื่อมต่อระหว่าง PCB หลายตัวได้ ไม่เป็นไรเลยถ้าต้นแบบของคุณต้องการการประกอบด้วยมือบ้าง
ผู้สร้างสิ่งของบางคนแนะนำแนวทางแบบผสม เช่น การใช้วัสดุพิมพ์ 3 มิติเป็นหน้ากากโฟโตรีซิสต์สำหรับการกัดกร่อน PCB แบบดั้งเดิม หรือการดัดแปลงเครื่องพิมพ์เรซินราคาถูกเพื่อสร้างหน้ากาก UV สำหรับการผลิตแผงวงจร
ค่าใช้จ่ายอุปกรณ์ระดับมืออาชีพเทียบกับ DIY
- เครื่องพิมพ์ 3D สำหรับผู้บริโภคที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้า: ต่ำกว่า 1,000 ดอลลาร์สหรัฐ
- เครื่องพิมพ์วัสดุหลากหลายชนิดระดับมืออาชีพ (เช่น Markforged ): 20,000 ดอลลาร์สหรัฐ
- อุปกรณ์แกะสลัก Fiber laser: ต่ำกว่า 2,000 ดอลลาร์สหรัฐ
- ระบบงอและวางสายไฟแบบตั้งโต๊ะ: ยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา
แนวโน้มอนาคตและความเป็นจริงของตลาด
การพูดคุยเผยให้เห็นความตึงเครียดระหว่างความน่าสนใจของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พิมพ์ 3 มิติแบบบูรณาการเต็มรูปแบบกับข้อจำกัดในทางปฏิบัติของเทคโนโลยีปัจจุบัน ในขณะที่แนวคิดของการพิมพ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์ดึงดูดจินตนาการ ความเป็นจริงเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนที่สำคัญในด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน และความซับซ้อน
อุปกรณ์ระดับมืออาชีพที่สามารถฝังชิ้นส่วนและเส้นทางระหว่างการพิมพ์ 3 มิติมีอยู่จริง แต่ระบบเหล่านี้มีราคาหลายหมื่นดอลลาร์สหรัฐ ทำให้อยู่นอกเหนือการเข้าถึงของผู้ที่ทำเป็นงานอดิเรกส่วนใหญ่ ความท้าทายอยู่ที่การนำความสามารถที่คล้ายกันมาสู่อุปกรณ์ขนาดเดสก์ท็อปในขณะที่รักษาต้นทุนและประสิทธิภาพที่สมเหตุสมผล
ชุมชนผู้สร้างสิ่งของยังคงทดลองกับแนวทางต่างๆ ตั้งแต่การพล็อตลวด CNC ไปจนถึงเทคนิคการเคลือบโลหะด้วยการสปัตเตอร์ แต่ละวิธีเสนอการแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกันระหว่างความซับซ้อน ต้นทุน และประสิทธิภาพ ซึ่งบ่งชี้ว่าโซลูชันหลายตัวอาจอยู่ร่วมกันแทนที่จะมีแนวทางใดแนวทางหนึ่งครอบงำสาขานี้
อ้างอิง: Printegrated Circuits Bring the Smarts to 3D Printing