Oliver Child氏らの研究チームは、市販の3Dプリンターで造形しながら電子部品を取り込み、内部に封入する手法「Print & Place」を開発しました。熱で軟化する樹脂を一時的な接着剤として使い、プリンター本体やヘッドを改造せずに部品を搬送・配置します。

対象は、溶かした樹脂を押し出して層を重ねるFDM方式のプリンターです。部品を拾って所定の場所に置く「ピック＆プレース」を造形工程に組み込み、電子部品の配置、電気的な接続、樹脂による封入を進めます。

押し出した樹脂で部品を拾い、造形物へ運ぶ

Print & Placeでは、造形台の上に部品供給用のトレーをあらかじめ印刷します。トレーは部品の形状などに応じて生成され、作業者が必要な部品や接続用の導体をセットします。その後、ヘッドが造形の進行に合わせて部品を取りに行く仕組みです。

搬送には、押し出した樹脂が冷えて付着する性質を利用します。ヘッドは少量の樹脂で部品を保持し、造形物内の所定の位置へ移します。配置した部品は、その上からさらに樹脂を積層することで内部に埋め込まれます。

この動作は、プリンターの移動や押し出しを指示する命令「Gコード」を追加して実行します。専用の部品搬送ヘッドを取り付けず、既存の3軸の移動機構、加熱機構、樹脂の押し出し機構を使います。

設計から造形準備までの作業には、機械構造と電子部品を扱う3D設計ツール用プラグインを用います。部品形状と配置する層を基に、供給トレーや部品を拾って配置する動作を生成する仕組みです。

実装済み基板や銅の導体を組み込む3つの実演

対象には、電子部品を取り付け済みのプリント基板（PCB）や、銅製の接続部品、帯状の銅導体が含まれます。3つの実演では、小型基板、導電性の線材や編組線、導体同士の経路をつなぐリベットが使われました。

実演したのは、光るイモムシ型の造形物、LED付きの冷蔵庫用マグネット、ホタル型の振動ロボットです。イモムシ型の造形物は関節を備え、内部に制御用のマイクロコントローラーとLEDを組み込んでいます。

配線を造形する従来の方法では、電気を通すフィラメントを使います。Print & Placeは、工業的に製造された電子部品や金属導体を造形中に取り込む構成です。

研究チームは、この構成によって導電性フィラメントでは難しい低抵抗の接続や、より大きな電流を扱う接続、複数の導体を使う配線に対応できるとしています。また、部品を配置するたびに人が造形を中断して作業する必要を減らす狙いを示しています。

一時停止して手で埋め込む方法との違い

FDM造形には、途中で印刷を止め、部品を手作業で挿入してから再開する方法もあります。造形物にセンサー、配線、RFIDタグなどを収める穴やくぼみを設け、造形準備ソフト「Insight」で指定した層に一時停止を設定します。部品を入れた後は、印刷を再開して周囲や上部を造形する手順です。

この方法では、部品の下に支持材を設けて位置を保ち、挿入した部品がその時点の造形層より上へ突き出さないようにします。これはノズルと部品の衝突を防ぐためです。平らでない部品では、隙間を埋める押さえ部品を配置してから造形を再開する手順もあります。

固定方法としては、くぼみに少量のシアノアクリレート系接着剤を入れ、樹脂を押し出す際の部品のずれを抑える手法があります。Print & Placeは、こうした途中の挿入作業をヘッドによる搬送に置き換え、作業者が供給トレーに部品をまとめて準備する流れを採っています。

拾い損ねや位置ずれ、接触のばらつきが課題

Print & Placeは、動作結果を検出して補正するフィードバックを持たない「オープンループ」の仕組みです。実験では、部品の拾い損ね、配置位置のずれ、電気的な接触のばらつきが発生しました。

部品搬送時の位置管理に関連する技術として、電子部品実装機にはカメラを使った検出があります。真空ノズルで保持した部品を撮影し、識別や位置決め、向きの調整に画像を利用する方式です。

さらに、Universal Instrumentsの特許技術では、配置サイクル中に真空ノズル自体を撮影し、その位置を校正します。小さな部品ではノズルのわずかな位置ずれが吸着失敗につながるため、部品を拾う際と同じくノズルを伸ばした状態で位置を記録する構成です。樹脂で部品を保持するPrint & Placeとは搬送方式が異なりますが、拾う位置のずれに対処する技術です。