הדפסה תלת מימדית עבור Quick Prototyping של Embedded Iot Hardware

מתוך תפיסה ל-Hardware: How 3D Printing Accelerates Embedded IoT Prototyping

בתחום הנעה מהירה של אינטרנט מוטבע של דברים (IoT) פיתוח, היכולת במהירות להשקות בעיצובים החומריים הפיזי יכול לקבוע אם מוצר עומד בחלון שוק או הופך מיושן לפני ההשקה. שיטות נטייה מסורתית - CNC machining, הזרקת עובש, או ייצור ידני - לעתים קרובות דורש זמני פיתוח מהירים, עלויות מהירות למעלה, וכלי נרחב הדפסה יש התפתח כמו גם חלופה, המאפשרת מהנדסי רכיב מקיף, כדי לעבור מודלים טכניים של מודלים, עיצוב, מודלים של מודלים תעשייתיים, ולא מודלים של מודלים תעשייתיים, מודלים של מודלים תעשייתיים, כדי לעבור מודלים תעשייתיים, מודלים תעשייתיים, מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים תעשייתיים, מאשר מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים תעשייתיים, עיצוביים, עיצוביים, עיצוב, עיצוביים, ולא מודלים של זמן קצר יותר ממושכים, מאשר מודלים תעשייתיים, עיצוב, עיצוב, כדי לעבור מודלים תעשייתיים, כדי לעבור מודלים תעשייתיים, כדי לשילוב מודלים תעשייתיים, עיצובית, כדי לשילוב מודלים תעשייתיים, עיצוב, עיצובים, יותר ממושכים, מאשר מודלים של מודלים תעשייתיים, מאשר מודלים של מודלים של מודלים של זמן קצר יותר ממושכים, עיצוב, עיצוב, עיצוב, עיצוב, עיצוב, כלומר, כדי לשנות

יתרונות ליבה של הדפסה תלת-ממדית עבור IoT Hardware Development

היתרונות של ייצור תוספת עוברים מעבר לחיסכון בעלויות פשוט.כאשר מיושם במיוחד במערכות IoT משובצות - מכשירים המשלבים מיקרובקרים, חיישנים, מודולים אלחוטיים וניהול כוח במתחם קומפקטי - הדפסה תלת מימדית מציעה הזדמנויות ייחודיות לחדשנות ומהירות.

מחזורי השיקום המהירים

אולי היתרון המשכנע ביותר הוא היכולת לדחוס את הלולאה עיצוב-Build-test. מחזור טיפוסי באמצעות שיטות מסורתיות עשוי לקחת שבועיים עד שלושה שבועות עבור תיקון יחיד.עם מדפסת FDM שולחן העבודה, מהנדסים יכולים להדפיס מתחם מתוקן בין לילה, לבדוק את הרכיבים למחרת בבוקר, ויש לו הדפסה חדשה על ידי אחר הצהריים.זה מאפשר לצוותים לחקור חלופות עיצוב מרובות - מיקום חיישן שונים, מיקומים אלטרנטיביים, או מגוון של משתמשים בפריסת, כדי לייצר אבטיפוס אחד רגיל.

עלויות יעילות לכרך נמוך

עובש הזרקת דורש פלדה יקרה או אלומיניום כלי שיט כי יכול לעלות אלפי דולרים לתבנית, מה שהופך אותו כלכלי רק עבור ייצור ריצות אלפי יחידות. עבור אב הטיפוס ואת השלבים קטנים של פיתוח חומרה, הדפסה 3D מבטלת עלויות כליל.העלות השולית לחלק היא לעתים קרובות כמה דולרים ב filament או resin, אפילו עבור גיאוגרפיה מורכבת.

חופש גיאומטרי ומורכבות עיצוב

מכשירים אלקטרוניים Embedded לעתים קרובות דורשים מבנים פנימיים מורכבים - טביעות תמונות, כתמים חיים, כבלים צנרת, בוסים בורגים ספוגים, ו חריצים ventilation. 3D הדפסה יכול לממש תכונות אלה הדפסה אחת ללא הטיוטה, קיר אחיד, או חלק מגבלות קו המוטלות על ידי מעצבי דפוס.

התאמה אישית ואישיות

יישומים רבים של IoT, במיוחד ברפואה, לבישת, ורגישות תעשייתית, דורשים מחסניות מתאימות אישית.דפסת תלת-ממדית עושה את זה מעשי לייצר עיצובים חד- off המותאם למשתמש מסוים, לסביבה או לגורם צורה. לדוגמה, לפקח בריאות לביש יכול להיות מתחם שנועד להתאים את האנטומיה של המטופל על בסיס סריקה תלת-ממדית, או חיישן תעשייתי יכול להיות מתוכנן להתאים לשינוי קיים ללא רמה גבוהה של ייצור מותאם אישית.

עיצוב הדפסה תלת מימדית: זרימת עבודה מעשית

שילוב מוצלח של חלקים מודפסים תלת-ממדיים עם אלקטרוניקה משובצת מתחיל בשלב העיצוב הדיגיטלי.הצעדים הבאים מכנים זרימת עבודה מוכחת מהרעיון לא-טיפוס פונקציונלי.

שלב 1: בחירה מתאימה וסוקור

לפני פתיחת תוכנת CAD, סיום הצעת החוק של חומרים (BOM) עבור המערכת המוטבעת.זה כולל לוח המיקרובקר (למשל, ESP32, NRF52, Raspberry Pico), חיישנים (temperature, לחות, accelerometer, גז, וכו '), מודולים אלחוטיים (Lo, BLE, Wi-Fi), מקור כוח (סוג batery, ממדים, מתח), ומתאים מדויקים (אונקסטרול) או תאים של כל אחד, 3D2, או LT) או LTF) מספקים, במיוחד, או LT2, כולל תאים מדויקים, או LT2, תכונות של תאים מדויקים, כולל LTF) או LT2, או LT2, או LT2, כולל תאים מדויקים, תכונות של תאים מדויקים (D) או LTF) או LT) או LT2, תכונות של תאים של תאים של תאים של תאים מדויקים (D) או LT2, כולל:

שלב 2: אדריכלות מבטיחה ב-CAD

באמצעות כלי CAD (Fusion 360, SolidWorks, Onshape או FreeCAD), להתחיל עם המרכיב הפנימי הגדול ביותר ולבנות את המתחם סביבו.שיקולי עיצוב מרכזיים עבור אולמות IoT מודפסים תלת-ממדי כוללים:

• עובי:0(Wall עובי:FLT:1 עבור FDM עם PLA או PETG, 1.5 מ"מ ל 2.5 מ"מ הוא טיפוסי. קירות דקנר עלולים לפרוץ או להיות שברירי; קירות עבה יותר להגדיל את זמן ההדפסה ואת העלות החומרית.
• (FLT:0)Tolerances: FLT:1 מדפסות FDM בדרך כלל להשיג דיוק ±0.2 מ"מ. עיצוב תכונות-התאמה (למשל, עבור הוספת PCB) עם 0.3 מ"מ ברור כדי לקחת בחשבון עבור צטמצמת ושכבה סטיות דבקות. עבור רכיבים שיש להדביק, להוסיף פער של 0.5-1.0 סביב הרכיב.
• (FLT:0) תכונות ההארה: FLT:1 , Include ברגים עם חורים בעלי חום (בדרך כלל 4.2 מ"מ עבור M3 הכניסות), קליפים מתאימים לשימור סוללות, ועמודים עבור PCB עולה.וודא כי גובה עמידה תואם עם עוביים (למשל, בתוספת ניקוי עובי).
• (FLT:0)Cutouts ופותחים: FIRLT:1 [מודל פתחים מדויקים עבור נמלי USB, jacks אודיו, חיידקי מיקרו-SD, כפתורים (עם נקה לנסיעה), ו LEDs. עבור אנאנטנות, להימנע לחלוטין enclosing אותם - לעזוב חריץ או שטח קיר דק (0.6-1.0 מ"מ) כדי למזער את RFtenuation.
• (FLT:0) זרימת האוויר והאוורור: FIRLT:1; אם המכשיר מתפזר יותר מכמה וואט של חום, להוסיף חריצים או מגדל מעריצים.

שלב 3: אוריינטציה הדפסה ואסטרטגיה תמיכה

האוריינטציה במדפסה משפיעה על פני השטח, כוח, איכות יתר. עבור המתחם, אועד את החלק כך הפנים הקוסמטיות ביותר אינה על פלטפורמת הבנייה (כדי להימנע ממרקם "השכבה הראשונה") או Overhangs תלולה יותר מ 45 מעלות בדרך כלל דורשות תמיכה עבור FDM; לשקול מחדש עיצוב תכונות כאלה לתוך chamfera או מילוי קצוות כדי למזער את החומר עבור הדפסה, הם יכולים להיות תומכים באופן בלתי נמנע "מחץ" או "מחץ" חומרים" או "מפרק" או "מחץ" או "מחץ" או "מרפא" או" כדי להפחית" חומרים" או "מחץ" (reekreekrelirelirelirelirelirelirelireative" (reativeer" (relireliretreatives" (relier" (reatives" (reative) כדי להפחית" (relimateer" (reative) או "מחדש" (relirelimateer" (relimateer" (relimateer" (relimateer") כדי להפחית את הפסולת" (relimateer") כדי להפחית את הפסולת" (

שלב 4: Slicing and Print Parameters

הגדרות בסיסיות של אבטיפוס IoT:

• גובה ה-ULT:0 (Layer:0) גובה:0.10.10.10.10 מ"מ עבור איזון של מהירות ואיכות; 0.12 מ"מ לפרטים יפים כמו טקסט או חתכים קטנים.
• גודלו של 0.4 מ"מ הוא סטנדרטי; 0.6 מ"מ לדפסים מהירים יותר עם קירות עבים יותר.
• (FLT:0) Infill:FLT 1 15-25% הוא בדרך כלל מספיק עבור תרכובות אבטיפוס. השתמש ברשת או gyroid infill עבור כוח איזוטרופי.עבור חלקים אשר חייבים לעמוד בלחץ מכני (למשל, התאמות, חזיונות הרים), עלייה באפי ל-40% או להשתמש באחוז גבוה יותר באזורים אלה באמצעות מודורס.
• (ב) ⁇ :0) , ⁇ (Perimeter ספירה: 1FLT:1:1 3–4 perimeters להבטיח כיבוד בין-שכבות הגון ושלמות מבנית.
• (ב) ויקרא י"ד: "בְּהָעָשָׂה אֲשֶׁר נָעָה" (במדבר כ"ד) ב-[[1924]], [[1924]], [[1924]]]]

בחירת חומרים עבור IoT Prototypes

הבחירה של חומר הדפסה תלת מימדי משפיעה ישירות על התכונות המכאניות של אב הטיפוס, עמידות תרמית, עמידות סביבתית, וקלות של עיבוד לאחר.למטה היא השוואה של חומרים משותפים ואת התאמתם למתחמי IoT משובצים.

PLA (Polylactic Acid)

PLA הוא החומר הקל ביותר להדפיס - דל רינג, משטח טוב לסיים, ואין מיטה מחוממת הנדרשת (למרות שמיטת 50 מעלות צלזיוס משפרת את הדבקות) עבור אבטיפוסים של IoT, PLA אידיאלי עבור בדיקות מתאימות ראשוניות והוכחה למודלים של תפיסה.עם זאת, זה הופך לערעור תחת חשיפה UV ועיוותים מעל 50 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותו ללא מתאים לסביבות בחוץ או חמות.

PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol)

PETG משלבת דבקות טובה של שכבת טמפרטורה מתונה (עד 70 מעלות צלזיוס), ועוצמת השפעה טובה יותר מאשר PLA. זה בחירה כללית מוצקה עבור אבטיפוס פונקציונלי IoT שניתן לטפל או להעבירו. PETG הוא פחות מלוטש יותר עמיד כימי חזק, אבל זה יכול להיות יותר מחרוזת כדי להדפיס (requires retractioning tus) עבור תרכובות אשר ישמשו בתוך או בחוץ, לעתים קרובות, PG הוא המלצה.

ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate)

ASA הוא בן דוד עמיד מזג האוויר של ABS.זה מציע יציבות UV גבוהה, עמידות השפעה טובה, וטמפרטורה סובלנות עד 85 מעלות צלזיוס הוא החומר לבחור כאשר אב הטיפוס יהיה פרוס בחוץ - לדוגמה, חיישן סביבתי, תחנת מזג אוויר, או מכשיר מופעל השמש.זה דורש מיטה מחוממת (90–110 מעלות צלזיוס) ומוסגר למניעת מלחמה, אך מייצר חלקים עמידים, ארוך טווח.

Polycarbonate (PC)

Filament פוליקרבונט מציעה כוח יוצא דופן, עמידות חום (עד 110 מעלות צלזיוס), והשפעה על קשיחות.זה מתאים לאטיפוסים תעשייתיים של IoT אשר חייבים לעמוד בהלם מכני, טמפרטורות גבוהות, או חשיפה כימית.עם זאת, PC הוא Hygroscopic (חייב להיות יבש לפני הדפסה) ודורש טמפרטורות אקסטודר גבוהות (260-300 מעלות צלזיוס) ומדכאי שולחן עבודה רבים לא יכול לשנות ללא הדפסות.

Rein (SLA/DLP)

עבור אבטיפוס הדורש פרטים גבוהים, משטחים חלקיים, או תכונות בסדרות כמו צמות זעירות או צינורות אור, הדפסה רזסין הוא העליון של FDM. רסינים סטנדרטיים הם רזים ורגישים UV, אבל התחדשות הנדסית (למשל, Siraya Tech Blu, Formlabs Tough 2000) מציעים השפעה מתונה והתנגדות טמפרטורה.

מיוחד: התנהגות, גמישה, ו Composite

(החומרים המתפתחים מרחיבים את המעטפה העיצובית:0) ניתן להשתמש בה כדי להדפיס חיישני מגע קלים או עקבות זמניים נמוכים, אם כי התנגדות היא גבוהה מדי עבור כוח.

Integrating Electronics עם Enclosures מודפס

לאחר שהסגר מודפס, שילוב האלקטרוניקה דורש תכנון אסיפה זהיר ולעתים קרובות שינויים קלים לעיצוב.

הר PCB ו-Mouration

מאובטח PCB הראשי באמצעות הבוסים והעמודים מודלקים ב-CAD.אם העיצוב משתמש בכניסות גלי חום, להתקין אותם עם ברזל מכר לפני טעינה הלוח - הם מספקים יכולת חסימה חוזרת.עבור פשטות מהירה, לשקול שימוש בקלטת קצף כפול (למשל, 3M VHB) עבור רכיבים שעשויים להיות צורך לעבוד מחדש.

אנטנה ו-RF

חומרים מודפסים 3D להעצים אותות רדיו כדי לשנות מעלות. PLA ו PETG יש הפסד נמוך 2.4 GHz (Wi-Fi, BLE) - כ - 0.2 dB ל mm של עובי הקיר - אבל קירות עבה יותר יכולים לגוון טווח באופן משמעותי.עבור אבטיפוס כי צריך להפגין ביצועים אלחוטיים אמיתיים, עיצוב או חיתוך עבור האנטנה חיצונית, כולל חור עם שטח 5 מ"מ לפחות עבור רכיבי כבל (R) או ליטרים).

ניהול ארס

מעבדי IoT רבים (ESP32, Raspberry Pi 4) מייצרים חום שיכול לצבור בתוך מתחם פלסטיק חתומה.עבור אבטיפוסים העוברים בדיקות סיבולת, לשלב חורים או תנור פסיבי חום.אם החומר המודפס אינו יכול להתפזר חום ביעילות, להטביע מפיץ חום מתכת (למשל, לוח נחושת) לתוך המתחם על ידי הדפסה וכניס אותו במהלך ההרכבה עבור כוח גבוה, להוסיף מסטיקה קטן אפילו מ- 300 יכול להיות מופעל.

חסימת והגנה סביבתית

עבור אבטיפוסים שחייבים לפעול בתנאים חמימים או מאובקים, לשקול יישום ציפוי תואם לאלקטרוניקה לפני הוספת אותם לתוך המתחם.הסגר המודפס עצמו יכול להיות חתום על ידי הוספת גרו עבור O-ring ב CAD, ולאחר מכן הדפסה ליד תואם. לחלופין, לאחר ההרכבה, להשתמש סיליקון חותם לאורך הים בין מכסה לבסיס.

בדיקה ואימות עם 3D הדפסה Prototypes

מטרת הנטוטיפטציה מהירה היא לא רק להיות אובייקט פיזי, אלא גם ללמוד על ביצועי העיצוב מוקדם ככל האפשר.תכנן משטר בדיקה מובנה שהולך מעבר לבדיקות פשוטות.

אישור מכני ואסיפה

להרכיב את האבטיפוס עם כל הרכיבים האלקטרוניים האמיתיים.בדוק כי כל המחברים יושבים באופן מלא, כפתורים מדכאים ללא מקלות, תא סוללה מאפשר כניסה והסרת, וכבלים ללא kinking. לבדוק כי הליד סוגר את flush וכי כל תכונות חותם (אם זה נכון) דחוסות כראוי.

בדיקות

פאוור את המכשיר בעומס מקסימלי (למשל, שידור Wi-Fi רציף עם CPU ב-100%) ומדד טמפרטורה פנימית באמצעות מדחום או IR thermometer. בהשוואה למקסימוםי גיליון נתונים רכיב.אם הטמפרטורה עולה על גבולות בטוחים, להוסיף אורור, להגדיל את גודל המתחם, או לעבור לחומר עם מוליכות תרמית גבוהה יותר (למשל, סיבים פחמן מלא).

טווח אלחוטי ו- Signal Integrity

ביצוע מבחן טווח פשוט בסביבה מקורה מבוקרת.מד RSSI (מדבקת אות) במרחקים מרובים עם המכשיר במתחם המודפס, ולאחר מכן לבדוק את אותו אלקטרוניקה ללא המתחם (כנראה על לוח לחם) כדי לקבוע את אובדן ההסגרה של המתחם.אם האובדן עולה על 3 dB, לעצב מחדש את האנטנה או להשתמש בחומר אחר.

בדיקת יכולת

בכפוף לאבטיפוס כדי לטפל בתרחישים: ירידה במבחן מ 1 מטר על הרצפה קשה (רכיבי בטיחות מאובטחים כראוי בפנים), בדיקת רטט על שולחן רועד או אפילו על ידי לחיצה על זה על מחזורי לחץ ריצה, חזר על הכפתורים.

מחקרים: הדפסה תלת מימדית ב- Real IoT Product Development

כמה דוגמאות ציבוריות ממחישות כיצד צוותים השתמשו בהצלחה בדפוס תלת מימד כדי להאיץ את פיתוח החומרה של IoT.

חיישנים של החקלאות החכם Node

סטארט-אפ מפתח לחות אדמה וחיישן טמפרטורה עבור חקלאות מדויקת הדרושים כדי להתפתל במהירות על צורות המתחם שיכול לעמוד בשמש ישירה, גשם ולכלוך.הם השתמשו ב-ASA filament עבור הגוף הראשי ו-TPU עבור כלי הגז החותמת, שניהם מודפסים בתוך בית.במחזור פיתוח של שלושה חודשים, הם יצרו 17 תיקונים עיצוביים - כל אחד עלות פחות מ-5 דולר בחומר - לפני התיישבות על צורה הממקסימה כלי אחסון סולרי וצמצם אתחוללומיים של שלושה חודשים לפני שחוספסים, אשר נבדקים, היה מתוכנן 3 חודשים, 000 דולר, 000, 000 דולר, 000, 000, 000 $, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 $, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 $, 000 $, 000, 000, 000, 000 עבור הדפסה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 $ דגם, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000

עקבו אחרי Health Monitor

צוות מכשיר רפואי בעיצוב צג גלוקוז מתמשך הדרוש כדי ליצור קליפות ארגונומיה, ספציפי לחולה.הם השתמשו SLA resin לייצר מחסנים חלקה, גבוה זנב שניתן יהיה sterilized עם אלכוהול aopropyl. על ידי 3D סריקת חולי גיאמטריה גיאמטים ועיצוב פגזים שתואמים את קווי המתאר של כל אדם, הם השיגו נוח, בטוח כי מופחתת תנועה בקריפטים בתוך שלב, לקח תאים מסורתיים, היה להשלים עם תאים.

מגמות עתידיות ב 3D הדפסה ו-IoT Hardware Prototyping

הצומת של ייצור תוספים ו-IoT מוטבע מתפתח במהירות.כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות למחזורי פיתוח דחיסה נוספים ולהרחיב אפשרויות עיצוב.

Multi-Material and Multi-Process Printing

הדפסים המסוגלים להפקיד חומרים מרובים בבניה יחידה (למשל, סדקים קשיחים וגמישים, או חומרים מוליכים ומסולקים) יאפשרו מחסנים משולבים, צירים תואמים, ואפילו מודפסים מתפתלים.הפרוזה XL עם שינוי כלי ומעבדת Bambu X1 עם AMS הם דוגמאות מוקדמות.

אלקטרוניקה ישירה

מחקר הדפסה תלת-ממדית שעוצר במהלך בנייה כדי להוסיף רכיבים אלקטרוניים (pick-and-place of ICs,חיישנים, סוללות) נע ממעבדות ליישומים תעשייתיים.חברות כמו FLT:0Nickel3DFLT:1 ו-IoTFLT:2Nano DimensionFLT:3 מפתחים מדפסות המשלבות הדפסה בתוך דיואלקטרית עם עקבות דיור מקיפים, המאפשרות 3, 000 אנטים, 000, 000, 000, 000 אנטים, 000, 000, 000, 000, 000, 000 אנטים, ניתן ל-מחדש, 000, 000, 000, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, יכול לכלול אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, 000 אנטים, כולל אנטים, 000

ייצור והפקה של

ככל שאמינות ההדפסה התלת מימדית משתפרת והחומרים מתרבים, חלק ממוצרי IoT לעולם לא יעברו להזרקה.במקום, הם ייצרו על פי דרישה בחוות ההדפסה המופצות בסמוך לרמה של השימוש.מודל זה מקטין את הסיכון המלאי, מאפשר התאמה אזורית (למשל, להקות רדיו או מחברים כוח שונים), ותומכת במוצרי IoT ארוכי טווח עם נפח נמוך.

מסקנה

הדפסה 3D הפכה כלי חיוני עבור מהנדסי חומרה מפתחים מכשירי IoT משובצים.על ידי צמצום באופן דרסטי של זמן ועלות של אבטיפוס פיזי, זה מאפשר לצוותים לחקור אפשרויות עיצוב נוספות, לבדוק ביצועים בעולם האמיתי מוקדם יותר, והתכנסות על עיצוב סופי חזק יותר.הצלחה דורשת יישום כללי עיצוב מתאימים עבור ייצור תוסף, בחירת חומרים המתאימים לסביבה המיועדת של אבטיפוס, ולאחר עבודה ממושמעת המשלבת אלקטרוניקה ממודל אלקטרוניקה במהירות גבוהה יותר, אך מ-FSD, כדי למולקולנוע אחד, כדי להמשיך את איכות גבוהה יותר, אך ורקד חומרים מתקדמים, כדי למולקולנועה של ציוד הדפסה גבוהה יותר, אך ורקד (FSD, אך ורק ל-APTSD, כדי למולקולנוע בין איכות גבוהה יותר, כדי ל-טיפוס של ציוד הדפסה גבוהה יותר, כדי ל-HD: