Slimme elektronica uit de 3D-printer: ‘Printegrated Circuits’

Tot nu toe was het integreren van microcontrollers en elektronische componenten in 3D-geprinte voorwerpen omslachtig en moeilijk toegankelijk. De Britse promovendus Oliver Child wil daar verandering in brengen met een innovatieve aanpak die hij Printegrated Circuits noemt: microcontrollers en geleidende banen worden tijdens het printproces direct in het object verwerkt.

Met een achtergrond in computerwetenschappen en werkervaring in de halfgeleiderindustrie, weet Child hoe complex en duur chipproductie kan zijn. “Elke nieuwe chip kostte miljoenen. Ik wilde iets wat ik zelf kon bouwen, met betaalbare middelen.” Zijn liefde voor 3D-printen leidde tot een slimme oplossing: een manier om Arduino-achtige microcontrollers fysiek in te bouwen in een geprint object, inclusief geleidende verbindingen.

“Printegrated Circuits vullen het gat tussen rommelige Arduino-prototypes en massaproductie,” zegt hij. “Ideaal voor educatieve projecten of kleine oplages van slimme apparaten.”

Een mooi voorbeeld van Childs aanpak is de TuneShroom, een paddenstoelvormige Midi-controller. De zwarte stippen op de hoed fungeren als aanraakgevoelige sensoren. Via geprinte geleidende sporen zijn ze verbonden met een microcontroller in de voet. Die stuurt signalen via een USB-C-aansluiting naar een computer of synthesizer.

De printer wordt tijdens het proces kort gepauzeerd om een printplaatje (PCB) in het object te plaatsen. Vervolgens injecteert de printer geleidende PLA in de juiste openingen om elektrische verbindingen te maken. Alles gebeurt dus tijdens het printen zelf.

De uitdaging van geleidende materialen

Het ontwikkelen van betrouwbare verbindingen was geen makkelijke klus. Aanvankelijk probeerde Child componenten gewoon in het plastic te printen, maar dat leverde onstabiele contacten op. De oplossing kwam met koolstof-gevuld PLA-filament, dat net genoeg stroom geleidt om eenvoudige circuits mogelijk te maken.

Wel bleek het materiaal richtinggevoelig: de weerstand verschilt afhankelijk van de printlaag. Ook vereist de combinatie van geleidende en gewone filamenten een printer met twee printkoppen, om kruisbesmetting van materialen te voorkomen. “Het kostte veel testen om de juiste hoeveelheid, snelheid en timing te vinden,” aldus Child.

Compacte elektronica voor kleine prints

Voor de elektronica gebruikt Child onder meer de XIAO-microcontrollers van Seeed Studio. Die zijn klein (slechts 21 x 18 mm), Arduino-compatibel en passen goed bij de gangbare 3D-printerinstellingen zoals een nozzle van 0,4 mm. Daarmee blijft de techniek toegankelijk voor makers die werken met standaard 3D-printers.

Toekomstwensen: sneller, goedkoper, universeel

Child werkt momenteel aan een manier om componenten automatisch te plaatsen tijdens het printen. Op zijn verlanglijstje staan verder:

• Goedkoop geleidende filamenten met koperdraad-kwaliteit
• Mogelijkheid om meerdere printplaten te integreren in één print
• Open printerinstellingen zodat ontwerpen overal ter wereld makkelijk herprint kunnen worden

“Als we ontwerpen digitaal kunnen delen en functioneel kunnen printen, kunnen mensen wereldwijd slimme objecten maken en aanpassen naar hun eigen wensen,” zegt hij.

Open source als motor voor innovatie

Child is een uitgesproken voorstander van open source. Te veel interactieve objecten zijn volgens hem moeilijk reproduceerbaar of slecht gedocumenteerd. “We willen dat mensen onze ontwerpen kunnen downloaden, zelf printen, aanpassen en verder ontwikkelen.”

Daarom werkt hij nu met maker-communities aan een groot gebruikersonderzoek. Het doel: kijken hoe goed anderen in staat zijn om zijn ontwerpen te printen en toe te passen met hun eigen apparatuur.