Elektronik devre üretirken çevreye ne kadar zarar verildiğini hiç düşündünüz mü?
Kullanılan kimyasallar, ortaya çıkan atıklar ve harcanan enerji, aslında bu sürecin doğaya düşündüğümüzden çok daha fazla zarar verdiğini gösteriyor. Peki, ya size devreleri artık çok daha çevreci, sürdürülebilir ve hızlı bir şekilde üretmenin mümkün olduğunu söylesek? Üstelik kendi masanızda, kendi 3D yazıcınızla! Geleneksel elektronik devreleri birçoğumuz görmüşüzdür. Bu devreler genellikle fabrikalar tarafından üretilen baskı devre kartlarının (PCB) üzerine kurulu olarak karşımıza çıkmıştır. Günümüzde ise teknolojinin gelişmesiyle birlikte bu elektronik kartları üretmek artık çok daha ulaşılabilir bir konumdadır. Özellikle 3D yazıcıların yaygınlaşması, maliyetlerin düşmesi ve açık kaynaklı tasarım dosyalarına kolay erişim, bireylerin kendi devrelerini ev ortamında üretmelerini mümkün kılmaktadır. Bu yazımızda, 3D baskı ile elektronik devre üretiminin nasıl gerçekleştiğini, avantaj ve olası zorlukları ve bu alanın geleceğini keşfedeceğiz.

3D Baskı Nedir ve Nasıl Çalışır? 

3D yazıcı teknolojisi, dijital olarak tasarımı yapılmış bir modeli katmanlar halinde plastik veya benzeri malzemeler kullanarak üretir ve dijitaldeki tasarımı fiziksel hale getirir.  Bu süreç bir evin tuğla tuğla örülerek inşa edilmesine benzemektedir. Temelin üzerine dikkatlice yerleştirilen her bir tuğla kat kat yükselerek bir bina ortaya çıkarmaktadır. 3D yazıcılar da benzer bir çalışma mantığına sahiptirler. Zeminden başlanarak her bir katman milimetrik hassasiyet gözetilerek yerleştirilir ve bir önceki katmanın üzerine eklenen yeni malzemeler ile birlikte nesneyi yukarı doğru inşa eder. Sağlam bir yapının temeli nasıl ki iyi örülmüş bir duvar ise her katmanın doğru ve düzgün yerleştirilmesi de 3D yazıcıdan çıkartılan nihai ürünün kalitesini belirlemektedir. Bu süreç hem mühendislik hem de üretim açısından yüksek hassasiyet ve planlama gerektirir. Bu dijital modeller CAD (Bilgisayar Destekli Tasarım) programları kullanılarak yapılmaktadır. Ardından 3D yazıcı tarafından okunabilir hale getirilip özel filamentler kullanılarak yazdırılmaktadır. Bu teknoloji ilk geliştirildiği yıllarda sadece mekanik parçalar için kullanılmış olmasına rağmen artık günümüzde elektronik dünyasında da önemli bir yer edinmiş durumdadır. 

3D Baskının Ortaya Çıkışı 

3D baskı teknolojisi ilk olarak 1983 yılında, Amerikalı mühendis Chuck Hull tarafından geliştirilmiştir. Sıvı reçinenin ultraviyole ışıkla katılaştırılması prensibini kullanan Hull, yöntemine stereolitografi adını vermiştir. İlk 3D baskı şirketi olan 3D Systems 1986 yılında kurulmuş olup ilk üretimlerini 1987 yılında yaparak tarihteki ilk ticari yazıcının üretimi gerçekleşmiştir. Bu teknolojinin ortaya çıkışı ise o dönemlerde mühendislerin yeni ürün tasarımlarını kalıp üretmeden hızlıca test edebilme ihtiyacına dayanmaktadır. Geliştirilen ilk yazıcıda reçine tankına katman katman UV ışığı uygulanarak şekil oluşturulmaktaydı. Bu yöntem kullanılarak üretilen ilk nesne ise plastik bir kaplama prototipiydi. Bu teknolojinin gelişimi ile birlikte geleneksel üretim yöntemlerine göre çok daha hızlı ve düşük maliyetli prototip üretimi mümkün hale gelmiş oldu. 

Elektronik Devreler de Yazdırılabilir Mi? 

Kısa bir cevap vermek gerekirse, Evet! 

Elektronik devreler baskı haline getirilirken en önemli husus iletken yolların doğru bir biçimde oluşturulmasıdır. Son yıllarda geliştirilmiş olan iletken filamentler kullanılarak bu yollar da artık 3D yazıcı teknolojisi kullanılarak üretilebilmektedir. Gümüş, Karbon veya Grafen gibi iletken parçacıklar bu filamentlerin temel içerikleridir. Bu maddeler kullanılarak üretilen filamentler düşük akımlı elektronik devrelerde iletim sağlayabilmektedir. 

İlk adım olarak devre yolları yazıcı ile oluşturulmaktadır. Ardından ise LED, sensör, direnç ya da mikrodenetleyici gibi bileşenler devreye entegre edilmektedir. Genellikle baskı devrelerde karşılaşmaya alıştığımız lehim yerine özel soketler veya iletken yapıştırıcılar da kullanılmaktadır. Bahsettiğimiz yöntem ile birlikte sensörlü aydınlatmalar, LED devreleri ya da basit oyun devreleri üretimi yapılabilmektedir. 

Avantajlar ve Zorluklar 

3D yazıcı teknolojisi kullanılarak elektronik devre kartlarının üretilmesi birçok avantaj içermekle birlikte bu alanda üretim yaparken karşılaşılabilecek olası zorluklar da bulunmaktadır. Avantajlardan bahsetmek gerekirse ilk olarak hızlı prototipleme imkanından bahsedebiliriz. Tasarlanan elektronik sistemler, kısa sürede üretilerek fiziksel sistem haline getirilebilmektedir. Bir diğer avantaj ise cebimizi ilgilendirmektedir. Düşük maliyeti ile bu teknoloji öne çıkmaktadır. İstediğimiz şekil ve tasarımlarda devre üretimini mümkün hale getiren bu teknoloji kişiselleştirme konusunda da bir artı puan almaktadır. Öğrenciler için bir diğer avantajı ise hem mekanik hem de elektronik tasarım süreçlerini bir arada deneyimleme şansı vermesidir. Tabi hep iyi yanlarından bahsetmek olmaz, biraz da karşılaşılabilecek zorluklardan bahsedelim. Belki de en büyük zorluktan başlamak gerekirse, iletken

filamentlerin kullanıldığından yazımızda bahsetmiştik. Bahsi geçen iletken filamentler alışılagelen baskı yöntemlerinde kullanılan Bakır elementi kadar iyi iletken değildirler ve bu sebeple de yüksek akımlı devrelerde kullanılamazlar. Ayrıca bu malzemeler klasik lehimleme işlemleri için uygun olmayabilmektedir. Bu yöntemin bir diğer eksisi ise karmaşık devre tasarımları için uygun olmamasıdır. Çok katmanlı veya hassas sinyal gerektiren devrelerdeki kısıtlamalar nedeniyle bu yöntem uygun değildir. 

Uygulama Alanları ve Gelecekteki Potansiyel

Son yıllarda prototip geliştirme süreçleriyle önemli bir ivme kazanan 3D yazıcılarla elektronik devre üretimi, başta AR-GE merkezleri, eğitim kurumları, girişim şirketleri ve maker toplulukları olmak üzere geniş bir kullanıcı kitlesine ulaşmıştır. Yaygın şekilde kullanıldığı alanların başında LED aydınlatma devreleri, kişiselleştirilmiş elektronik aksesuar üretimi, düşük güçlü sensör uygulamaları gibi alanlar gelmektedir. İletken filament teknolojisinin gelişimi ile birlikte laboratuvar ortamında hızlı biçimde test edilebilen, tek katmanlı ve sınırlı akım taşıyan devre tasarımları oluşturulmaktadır. Hibrit üretim teknikleri ve çok katmanlı baskı teknolojisi gelişmeye devam ettiği sürece gelecekte daha yüksek iletkenlikte ve daha kompleks yapıya sahip devre topolojilerinin de üretimi mümkün kılınacaktır. Bunlara ek olarak esnek ve bükülebilir yüzeylere baskı yapabilen yeni nesil yazıcıların gelişimiyle birlikte başta giyilebilir elektronikler olmak üzere entegre sensörlü ürünler, biyouyumlu implantlar da çok daha fazla karşımıza çıkacaktır. Bu üretim yöntemleriyle birlikte imalat maliyetlerindeki düşüş ve açık kaynak tasarımlara ulaşımın kolaylaşması küçük ölçekli firmalara da ürün geliştirme ve üretme sürecinde rekabet etme şansı vermektedir. Malzeme mühendisliğinin günümüzde geldiği seviye ile birlikte daha stabil elektriksel performans sunan iletken polimer karışımları, geleceğe dair heyecan uyandırmaktadır. Önümüzdeki yıllarda bu teknolojilerin, elektronik üretim ve prototiplemede önemli bir tamamlayıcı unsur olarak var olması beklenmektedir. 

Geleceğe Bakış: 3D Yazıcılarla Elektronik Üretimin Yönü

3D yazıcı teknolojisi kullanılarak devre üretimi henüz bebek adımlarını atıyor olsa da gelecekte bu teknolojinin birçok üretim sürecine entegre olacağını söylemek mümkün. Bu teknoloji kullanılarak tasarlanan mekanik sistemin içine gömülü devreler şeklinde elektronik devrelerini de entegre ederek üretmek mümkün olacak. Örneğin bir oyuncak üretiminde fiziksel baskısı gerçekleştirilirken devresi içinde hazır olmuş olacak. Bu teknolojinin geleceğin öncü alanlarından giyilebilir teknolojilerde de sıkça kullanılacağını söyleyebiliriz. 3D yazıcılar kullanılarak üretilen esnek elektronik sistemler giyilebilir teknolojileri yaygınlaştıracak. Türkiye'de de bu alanda farklı proje ve girişim fikirlerinin ortaya atılması ile birlikte gelecekte milli üretim gücümüze katkı sağlayan yenilikçi çözümler üretilebilir. 

Kaynakça 

• NikkoIndustries. (2022). Getting Started with Conductive Filament. NikkoIndustries.com. Erişim Adresi: https://www.nikkoindustries.com/blogs/news/getting-started-with-conductive-filament 
• Zhang, J., Wang, Y., Liu, X. Recent Progress in 3D Printed Electronics: Materials, Technologies, and Applications. Nano Today. Erişim Adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860423004852?utm_source 
• Low, Hong Yee, Muhammad Fadhli bin Yahya, Saiful Amri Mazlan, Abdul Amir H. Kadhim, Hadi Nur ve Mohamed Kheireddine Aroua. 3D Printed Electronics: Processes, Materials and Future Trends. Progress in Materials Science. Erişim Adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0079642522000263 
• McClements, Dean. 8 Possible Futures of 3D Printing. Xometry Resources. Erişim Adresi: https://www.xometry.com/resources/3d-printing/future-of-3d-printing/?utm_source
• 3D Systems. Our Story. 3DSystems.com. Erişim Adresi: https://www.3dsystems.com/our-story 

Ömer Yıldız - Yükselen Yıldız Bursiyeri