Integration of Conductive Materials and SMD-Components into the FDM Printing Process for Direct Embedding of Electronic Circuits

Abstract

Additive manufacturing has changed the way we develop and prototype things. It has opened up a new perspective to solve technical problems or sometimes just allows for a more appealing design, as fabricating complex and intricate structures does not require additional effort or machinery. Additive processes are increasingly used to actually produce parts in small lot sizes, replacing traditional manufacturing methods.

This thesis reports on the successful development of a Fused Deposition Modelling (FDM) 3D printer that combines processing of plastic and conductive materials with a pick and place system to build objects with integrated electronics in a single production step. The printer has been extended with a syringe extruder for conductive paste and a vacuum gripper; both mounted on individual micro z-stages to avoid collisions. Two cameras and a feeding system for electronic components were integrated, along with a new control software for vision aided placing of components. In addition to the description of all individual hardware solutions, the selection and characterization of suitable materials is presented.

The core contribution of this work is a combined slicing and design software to support the arrangement of printable 3D circuits inside of physical objects. The software allows to position electronic components from imported existing schematics in a preview of the tool path, which is then executed by the printer. Cavities, solid surfaces around components, and channels for conductive wires are automatically generated under consideration of important process parameters (layer thickness, extrusion width, etc.).

Based on the component positions and additional user-defined waypoints a novel routing algorithm generates collision-free 3D wire routes. The trajectories follow the object contour where possible and are optimized for the parameters of the current printer configuration. After the basic slicing step, the routing algorithm translates the contour information of all layers into a graph representation. An A*-based search algorithm is then employed to find suitable paths within that graph. The search algorithm is modified to use only eligible, i.e., printable transitions between adjacent layers.

As the electronics are mostly covered by plastic once the object is printed, testing often is not possible. The integrated camera is used to record high-resolution images of each layer automatically. A vision algorithm compares these images with the G-code to identify potential defects before the next layer is printed.

Several objects with 3D electronics have been successfully printed. Among them are two case studies for an academic research project and an industrial application.

Die additive Fertigung verändert die Art und Weise wie Dinge entworfen und entwickelt werden. Sie eröffnet ganz neue Möglichkeiten um technische Probleme zu lösen oder auch nur Dinge ansprechender zu gestalten, da keine aufwändigen zusätzlichen Arbeitsschritte und Geräte nötig sind um komplexe oder aufwändige Strukturen herzustellen. Additiv gefertigte Bauteile werden, zumindest für kleine Stückzahlen, zunehmend häufig in Endprodukten eingesetzt.

Diese Dissertation berichtet von der Entwicklung eines Fused Deposition Modelling (FDM) 3D Druckers, der sowohl Kunststoff als auch leitfähiges Material verarbeiten kann und über ein Bestückungssystem verfügt um Gegenstände mit integrierter Elektronik in einem einzelnen Produktionsschritt herzustellen. Der Drucker wurde zu diesem Zweck um einen Spritzenextruder für leitfähige Paste und einen Vakuumgreifer erweitert, die beide auf zusätzlichen Mikro-z-Achsen montiert sind um Kollisionen zu vermeiden. Zusätzlich wurden zwei Kameras und eine Ablage für elektronische Komponenten integriert, zusammen mit einer Software für das kameragestützte Positionieren der Bauteile. Neben der Beschreibung der einzelnen Hardwarekomponenten wird die Auswahl und Charakterisierung geeigneter Materialien beschrieben.

Ein zentraler Teil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer kombinierten Slicing- und Design-Software, die bei der Anordnung druckbarer 3D Schaltungen in physischen Objekten unterstützt. Diese Software ermöglicht das räumliche Positionieren elektronischer Bauteile in einer Vorschau des Druckpfades, wie er später von der Maschine ausgeführt werde. Für die Bauteile und elektrischen Leitungen werden automatisch Aussparungen und geschlossene Oberflächen über- und unterhalb der Objekte erzeugt, dabei werden wichtige Prozessparameter wie Schicht dicke oder Extrusionsbreite berücksichtigt.

Basierend auf den Positionen der vom Benutzer platzierten Komponenten und zusätzlicher Wegpunkte generiert ein neuer Routing-Algorithmus kollisionsfreie 3D Pfade für die verbindenden Leitungen. Wo es möglich ist folgen die so erzeugten Trajektorien den vorhandenen Konturen des Objekts. Sie werden dabei für die Prozessparameter des Druckers optimiert, mit dem das Objekt gebaut wird. Nach dem Slicing-Schritt erzeugt der Routing-Algorithmus aus den Konturen der einzelnen Schichten eine Graphenrepräsentation des Objekts. Auf diesem Graphen wird anschließend ein A*-basierter Suchalgorithmus ausgeführt um geeignete Pfade für die Leitungen zu finden. Dabei werden nur solche Übergänge zwischen benachbarten Schichten berücksichtigt die auch tatsächlich druckbar sind.

Die fertig gedruckten Schaltungen sind meistens mit Kunststoff überdeckt, daher ist eine Funktionsprüfung in vielen Fällen nachträglich nicht mehr möglich. Um trotzdem eine Überprüfung durchzuführen werden nach jeder Schicht mit der im Drucker integrierten Kamera hoch auflösende Bilder der Oberfläche aufgenommen. Diese Bilder werden automatisiert mit dem zu druckenden G-code abgeglichen, um potenzielle Defekte zu finden bevor die nächste Schicht gedruckt wird.

Mit der entwickelten Technik wurden erfolgreich mehrere Gegenstände mit integrierter 3D Elektronik gedruckt. Darunter zwei Fallstudien mit Objekten für ein wissenschaftliches Forschungsprojekt und eine industrielle Anwendung.