Fremtidens Smartphones: Kan 3D-printning skabe din næste iPhone?

Kan 3D-printning skabe din næste smartphone?

Tech-nyhedssites rapporterer jævnligt om Apples seneste patentansøgninger, især når det gælder unikke teknologier som 3D-printning. Men hvor realistisk er det, at et firma som Apple eller Google kunne 3D-printe en smartphone? Kunne vi en dag have en 3D-printet iPhone? I denne artikel vil vi udforske muligheden for, at vi en dag kan bruge additiv fremstilling til at skabe avanceret elektronik, såsom smartphones.

To veje til 3D-printede smartphones

Der er grundlæggende to måder, hvorpå 3D-printning kunne anvendes til fremstilling af smartphones:

1. Hybrid Fremstilling: En maskine, der kan 3D-printe store dele af telefonen og derefter samle præfabrikerede, eksterne komponenter ind i enheden under produktionen.
2. Fuldstændig Integration: Et system, der kan behandle separate råmaterialer til en komplet enhed, alt sammen inden for printeren selv.

Vi starter med den første mulighed, da den, af sandsynligvis åbenlyse årsager, er den mest opnåelige af de to.

"Fabrik i en Kasse": En ny produktionsmodel?

Det første scenarie kunne minde om en "fabrik i en kasse". Forestil dig en traditionel 3D-printer – hvad enten den bruger materialekstrudering, inkjet eller en anden metode – der producerer størstedelen af telefonens krop, potentielt inklusive visse elektroniske komponenter. Derefter kunne et integreret pick-and-place-system samle alle de nødvendige funktionelle dele – mikrochips, kameramoduler, højttalere osv. – og placere dem korrekt, før de smeltes sammen ved hjælp af en passende mekanisme. Dette koncept kaldes ofte for hybrid fremstilling.

Inspiration fra MIT og Inkbit

Før sit spin-off som startup, demonstrerede et projekt fra MIT muligheden for dette scenarie ret overbevisende. Dengang blev 3D-printeren refereret til som MultiFab og var i stand til inkjet 3D-printning omkring præfabrikerede, funktionelle dele som LED'er og linser. Nøglen til processen, og sandsynligvis enhver form for iPhone-producerende robot, vi kunne forestille os her, var maskinsyn, som var i stand til at genkende disse eksterne dele og arbejde omkring dem. Selvom Inkbit ikke primært fokuserer på denne "fabrik i en kasse"-løsning, udvikler de alle de nødvendige værktøjer for at gøre det muligt, hvis en kunde ønsker det. Det eneste, der mangler, er et integreret pick-and-place-system eller en robotarm, der kan hente de yderligere elementer og integrere dem i produktionen, mens den udføres.

Eksisterende projekter og deres potentiale

Sådanne projekter er allerede blevet udforsket. Dette inkluderer Industrial Revolution III 3D-printeren, som autonomt kunne integrere præfabrikerede hjul og motorer i en 3D-printet bil. BotFactory udvikler systemer, der kan lægge loddepasta og udføre pick-and-place af elektroniske komponenter til fremstilling af printplader (PCBs). Teknologien fungerer godt nok til det amerikanske luftvåben, som sidste år tildelte BotFactory et tilskud til at skabe en fuldstændig automatiseret 3D-printer til PCBs. Disse fremskridt viser, at integration af komponenter er et reelt fokusområde.

At 3D-printe en iPhone fra bunden: En teknologisk udfordring

Det ovenstående scenarie er meget mere realistisk, da ikke alle elementer i en smartphone behøver at blive fremstillet inde i selve 3D-printeren. For at fortsætte vores tankeeksperiment, lad os dog udforske muligheden for, at alle elementer i enheden kunne fremstilles inden for en enkelt maskine. Dette ville kræve en revolution inden for materialevidenskab og printerteknologi.

Touchskærmen: Fra OLED til glas

Den kapacitive touchskærm i moderne smartphones består typisk af et organisk lys-emitterende diode (OLED) display, efterfulgt af et glasunderlag, der fungerer som isolator, en belægning af transparent ledende materiale som indium tinoxid eller sølv, som derefter bindes med et beskyttende lag. Hvor tæt er vi på at 3D-printe noget af dette?

OLED-displays under udvikling

Interessant nok arbejder en række forskningsbestræbelser på at 3D-printe forskellige typer LED-skærme. For nylig var forskere fra University of Minnesota Twin Cities i stand til at producere et fleksibelt, 64-bit OLED-display ved hjælp af en tilpasset 3D-printer. Processen stolede primært på pneumatiske dispensere til at afsætte materiale for hvert lag, bortset fra et trin, der brugte en aerosolsprøjtningsteknik til at påføre den elektroluminescente polymer, der er nødvendig for lysudsendelse. Holdet arbejder nu på at øge opløsningen fra 64 bits og integrere transistorer og kondensatorer i printprocessen. Dette viser potentialet for 3D-printet elektronik.

Udfordringen med 3D-printet glas

Hvad angår glasunderlaget, er 3D-printning af glas svært, men muligt. Der har været flere metoder til 3D-printning af objekter lavet af materialer som sodavandsglas, borosilikatglas og andre. Typisk involverer de ekstrudering af smeltet glas ved ekstreme temperaturer eller laserfusion af et fotohærdeligt polymer, der er infunderet med glasnanopulverblæk, sommetider på nanoskala. Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) udviklede en direkte blæksskrivningsteknik til 3D-printning af silica, men det kræver sintring af delen i en ovn. Hvis glas kan erstattes med et andet isolerende materiale, såsom en gennemsigtig plast, har Luxexcel udviklet en inkjet-teknologi til 3D-printning af linser ved hjælp af en akrylbaseret polymer. Virksomheden har produceret over 50.000 sådanne linser og arbejder nu på smartbriller, der inkluderer muligheden for at integrere flydende krystalfolier og bølgeledere i 3D-printede brilleglas.

Elektroniske blæk: En moden teknologi

Dette er en ingrediens, der er blevet markant udviklet. Flere virksomheder tilbyder metoder til 3D-printning af ledende materialer, især sølvblæk. Mest bemærkelsesværdigt er Optomecs Aerosol Jet-systemer allerede brugt af store smartphone-producenter til at 3D-printe ledende spor på dele. Aerosol Jet-maskinerne kan sprøjte en ultrafin tåge af ledende (sølv, guld, platin, kobber), halvledende, resist (kulstof og ruthenat) og dielektriske (polyimid og polyvinylpyrrolidon) materialer og mere på de fleste substrater, uanset form eller kompleksitet. Alternativt kan vi overveje teknologi fra Nano Dimension, en inkjet-proces, der kan 3D-printe ledende og dielektriske spor inden i et fotopolymer-substrat, hvilket skaber en 3D-printet PCB. Det eneste, der mangler, er at tilføje transistorer, kondensatorer og andre elementer. nScrypt er i stand til at kombinere en række opgaver i en enkelt maskine, herunder mikropåføring af ledende materialer og integration af elektroniske komponenter med et pick-and-place-hoved. Ledende blæk er altså en nøgleteknologi.

Chips: Opløsning er afgørende

Nøglen til driften af en smartphone er IC'er og relaterede hardwarekomponenter, herunder processoren, hukommelse, accelerometer, gyroskop, effektforstærker, flashhukommelse, near-field communication (NFC) og Wi-Fi. Alle disse dele består af individuelle elementer, men involverer overlappende teknikker og materialer. For eksempel kræver de alle PCBs, som derefter forbinder alle de mindre elektroniske komponenter, såsom IC'er, transistorer, kondensatorer og modstande. Vi kan antage, at teknologierne beskrevet i afsnittet om ledende blæk kunne producere de nødvendige PCBs for hver af de moduler, vi nu diskuterer.

Før alle disse teknologier er klar til at 3D-printe smartphone-kredsløb, skal de dog opnå større opløsning. Ingen er i stand til at producere de nødvendige detaljestørrelser for integrerede kredsløb (IC'er), som kræver en opløsning på mindre end en mikron. Aerosol Jet er begrænset til 10 mikron; nScrypt til 20 mikron; og Nano Dimension til 18 mikron. Af denne grund foreslår Nano Dimensions Applications Manager, Ziv Cohen, at litografi, der i øjeblikket bruges til IC-produktion, kan hjælpe med at opnå de korrekte detaljestørrelser for IC'er. Men hvad med de IC'er, transistorer, kondensatorer og modstande, der monteres på PCBs? Tro det eller ej, alt dette er også blevet afprøvet før med en vis succes.

Eksperimenter med komponent-printning

I 2015 var forskere fra University of California, Berkeley, i stand til at 3D-printe en simpel induktor-kondensator-resonant kredsløb med en resonansfrekvens på 0,53 GHz, samt en smart flaskehætte indlejret med et induktor-kondensator kredsløb og en trådløs passiv sensor til at overvåge kvaliteten af mælk og juice. Det involverede en simpel fused deposition modeling (FDM) 3D-printer og et offermateriale (støttemateriale), der derefter blev skyllet ud og erstattet med flydende metalpasta for at skabe kredsløbet. To svenske institutioner, Linköping University og Research Institutes of Sweden, brugte en todimensional skærmprintproces til at printe over 1.000 organiske elektrokemiske transistorer på et plastsubstrat for at skabe forskellige IC'er. I 2017 samarbejdede Air Force Research Laboratory (AFRL) og American Semiconductor om at skabe 3D-printede chips med 7.000 gange mere hukommelse end nogen andre enheder tilgængelige på markedet. Den præcise proces her var, så vidt vi ved, ikke specificeret. Disse eksperimenter viser potentialet for miniaturisering og avanceret printning.

Sensorer, højttalere og batterier

Smartphones leveres typisk med over 10 sensorer. Disse enheder, som registrerer ændringer i omgivelserne og sender data til telefonens processor, falder typisk i tre kategorier: bevægelse (accelerometer, gyroskop, tyngdekraftssensor), miljø (barometre, fotometre og termometre) og positions-sensorer (orienteringssensorer og magnetometre). I stedet for at gå i detaljer med hver enkelt, er det mere eller mindre sikkert at sige, at de fleste af dem er en variation over en metal-oxid-halvleder (MOS). Halvledere har vi dækket ovenfor. For andre typer sensorer, såsom tryksensorer, findes der utallige eksempler på typer lavet med 3D-printning.

Højttalere og mikrofoner er relativt simple komponenter, der er blevet 3D-printet i makroskala ved hjælp af selektiv lasersintring og FDM. Hvad vi ville have brug for at se, er den samme teknik anvendt i mikroskala. Mens batterier stadig er et spirende område, har der været adskillige succesfulde tilfælde, hvor batterier er blevet 3D-printet. Vi er nu nået til et punkt, hvor virksomheder som Sakuu og Blackstone Resources forsøger at skalere teknologien. I Sakuus tilfælde involverer dette en hybrid binder jetting-inkjet-teknik. Blackstone har været mindre direkte om, hvordan deres proces ser ud. Selvom der er grunde til at være skeptisk over for begge firmaer og deres teknologier, har der været mange laboratoriestudier, der demonstrerer evnen til at 3D-printe batterier.

Metalcoveret: Holdbarhed og æstetik

For metalcoveret ville vi ønske noget, der er i stand til metal 3D-printning. Det alene udgør en række problemer, nemlig integration af funktionelle komponenter i en metalskal og efterbehandling af metallet. Vi kunne anvende inkjet eller aerosol jet til mange af de funktionelle dele, afsætte sølvblæk til ledende spor og foto- eller luft-hærdende harpikser til dielektriske materialer. Hvordan ville dette fungere inden i et 3D-printet metalcover? Man kunne forestille sig en binder jet-platform, lignende hvad Sakuu hævder at have, men hvordan ville metallet blive behandlet? Typisk kræver metal binder jet sintring i en ovn, en brutal efterbehandlingsteknik, der anvendes på hele den grønne del på én gang for at smelte metalpartiklerne sammen og skabe en mindre, mere kompakt slutkomponent.

I stedet kunne vi overveje en joule-opvarmet metode, der ligner det, Digital Alloys tilbyder. Vi kunne starte med et metalsubstrat, hvorpå hele telefonen vil blive printet. Efterhånden som inkjet- eller aerosol jet-hovedet skaber elektronikken, ville et metalaflejringshoved lede elektricitet gennem metaltråd og aflejre metallet på plads omkring delene. Dette viser potentialet for avanceret metalprintning.

Konklusion: Fremtiden er (måske) 3D-printet

Som en person uden en materialevidenskabelig grad forekommer det i det mindste plausibelt, at man i en fjern fremtid kan 3D-printe en hel smartphone i én enkelt byggeoperation. Når det bliver muligt, har vi måske endda en atom-konfigurerende teknologi, der er endnu simplere. Mere sandsynligt kan vi forestille os et mere komplekst system, der involverer en samlebånd af printere og robotter.

Samlebåndet som fremtidens fabrik

Da muligheden for at 3D-printe smartphones blev udforsket af Google og 3D Systems, var processen lignende PrintValley-teknologien udviklet af det hollandske forskningsinstitut TNO. En række printplader ville bevæge sig på et rutsjebanelignende transportsystem fra station til station, mens materialer aflejres og hærdes, og funktionelle elementer installeres på plads. Måden, hvorpå en sådan proces vises på TNO-maskinen ovenfor, får det til at se ud, som om dette kunne være næsten øjeblikkeligt opnåeligt. I betragtning af at det blev udviklet for et årti siden, virker det endnu mere muligt. Hvis det er tilfældet, ville problemet mere være et spørgsmål om forretning og økonomi.

Forretningsmæssige og økonomiske overvejelser

I øjeblikket giver det mest mening at masseproducere individuelle komponenter rundt om i verden og få dem samlet på et centralt sted, hvor arbejdskraften er billig. Indtil det ikke længere er tilfældet, kan vi forestille os, at Apple vil adoptere specifikke 3D-printteknologier. Måske ville Aerosol Jet blive brugt til at fremstille mere geometrisk komplekse antenner direkte på telefonkomponenter. En batteriprintteknologi, hvis den eksisterer, kunne skabe mindre, tættere energilagringsløsninger. PCB 3D-printning kunne bruges til at prototype chips internt. Og selvfølgelig kunne plast-sintring bruges til at producere brugerdefinerede telefoncovers. Tilpasning og specialisering er nøgleord her.

I mellemtiden kunne 3D-printning i stigende grad blive brugt af tredjeparter til at udvikle specialmoduler til deres smartphones. Dette giver de største muligheder inden for videnskabs- og medicinområderne, hvor forskere allerede har udviklet en række smartphone-baserede værktøjer til diagnosticering af sygdomme og måling af miljødata.

Er 3D-printede iPhones en realitet?

Så, har Apple 3D-printere internt? Højst sandsynligt. Bruger de dem til at producere smartphones? Mindst på forsknings- og udviklingsniveau. Er det muligt at 3D-printe en iPhone? Teknisk muligt, men forretningscasen for et sådant scenarie er usandsynlig på nuværende tidspunkt. Den nuværende tendens peger mod integreret produktion og specialiserede anvendelser af 3D-printning i smartphone-industrien.

Ofte Stillede Spørgsmål (FAQ)

Kan jeg 3D-printe et cover til min iPhone?
Ja, 3D-printning er allerede en populær metode til at skabe brugerdefinerede og unikke telefoncovers.

Kan 3D-printning producere alle dele af en smartphone?
På nuværende tidspunkt er det ikke muligt at 3D-printe alle komponenter med den nødvendige præcision og funktionalitet, især mikrochips. Men teknologien udvikler sig hurtigt.

Hvornår kan jeg købe en 3D-printet iPhone?
Det er svært at sige præcist, men det er sandsynligt, at vi først vil se 3D-printede smartphones om mange år, hvis det nogensinde bliver økonomisk rentabelt for masseproduktion.

Hvilke teknologier er mest lovende for 3D-printning af elektronik?
Aerosol Jet, inkjet-printning med ledende blæk og avancerede metoder til printning af halvledere og batterier er blandt de mest lovende teknologier.

Hvad er den største udfordring ved 3D-printning af smartphones?
Den største udfordring ligger i at opnå den ekstremt høje opløsning, der kræves for mikroelektronik, samt integrationen af alle de forskellige materialer og komponenter i en enkelt, effektiv proces.

Hvis du vil læse andre artikler, der ligner Fremtidens Smartphones: Kan 3D-printning skabe din næste iPhone?, kan du besøge kategorien Teknologi.