PCBend : des circuits imprimés pliables pour créer tous azimuts

Des produits novateurs bientôt dans votre salon

Lire votre journal sur un écran pliable comme du papier, regarder des images sur un écran en forme de bouée, ou encore éclairer votre salon avec un luminaire au design futuriste… Ces objets innovants, et bien d’autres encore, feront peut-être partie de votre quotidien dans quelques années. Les participants de la prochaine conférence Siggraph, le plus important rendez-vous de la communauté mondiale de l’informatique graphique, vont en avoir un avant-goût, à travers la présentation du procédé développé par deux jeunes chercheurs, Marco Freire et Manas Bhargava.

Le premier, doctorant de l'Université de Lorraine, termine sa thèse au sein de MFX – équipe-projet commune à Inria et au Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications (Loria) – et le second est doctorant à l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), dans le groupe de recherche Computer Graphics and Digital Fabrication, dirigé par Bernd Bickel. Les deux entités collaborent de longue date sur différents projets, autour de l'infographie et de la fabrication. Le projet PCBend, a amené les deux jeunes doctorants à unir leurs compétences autour d’un objectif commun. Ce projet est né d’idées partagées par les chercheurs des deux équipes, à la suite de travaux réalisés à l’occasion de projets antérieurs – comme ceux de l’ERC Materializable côté autrichien.

Un étonnant circuit électronique

« PCBend vise à développer une méthodologie numérique et computationnelle permettant de concevoir des circuits électroniques importables sur des surfaces pouvant être pliées, afin d’obtenir un volume. Le circuit est alors opérationnel sous une forme tridimensionnelle qui peut être plus ou moins complexe », résume Marco Freire. Ainsi est obtenu un étonnant circuit électronique, que les deux doctorants présenteront à la conférence Siggraph à travers un exemple original : un objet représentant un chat parsemé de diodes électroluminescentes miniatures (LED), des trois couleurs utilisées par nos écrans d’ordinateur ou de télévision (rouge, vert, bleu).

« Introduire une troisième dimension décuple les potentialités de conception des objets… et pose des problèmes mathématiques et informatiques passionnants ! » s’enthousiasme Manas Bhargava. Le processus mis au point par les chercheurs procède en différentes étapes, la forme du volume étant obtenue par le pliage d’une première surface contenant des circuits imprimés. Contrairement au papier, ces circuits ne peuvent se plier au-delà d'un certain point sans se casser. Des points et lignes de découpe doivent donc être déterminés. La surface définitive, constituée de panneaux PCB qui reçoivent les composants électroniques, porte les motifs de coupe qui permettront son pliage.

« L’algorithme conçu pour PCBend élabore les plans des circuits imprimés de manière entièrement automatisée. Il intègre toutes les étapes d’optimisation de la géométrie des panneaux PCB en vue de leur pliage, puis optimise aussi le circuit et le câblage des LED sur la surface », détaille Marco Freire.

Des algorithmes open source

Pour imaginer la prouesse, pensez à la complexité d’un origami : s’il est facile d’obtenir des volumes simples à partir de surfaces élémentaires (par exemple, trois triangles déployés autour d’un triangle central peuvent être pliés en une pyramide), l’opération devient particulièrement complexe pour des volumes plus élaborés... Comment procéder de façon efficace ? « Afin de définir la forme bidimensionnelle permettant d’obtenir la forme tridimensionnelle désirée, nous avons développé un algorithme dédié, qui scinde ce problème complexe en plusieurs problèmes plus simples, définis par un agencement de triangles. Chacun de ces sous-problèmes est alors résolu individuellement », nous explique Manas Bhargava. Une fois produits, les circuits électroniques peuvent ensuite être pliés et collés sur un support imprimé en 3D : le tour est joué ! 

Le processus a l’avantage de n’utiliser que du matériel et des procédés standard : les coûts et délais de production sont ainsi réduits. Et il n’exige ni connaissances scientifiques avancées, ni compétences techniques ultra spécialisées. « L’équipe MFX se donne comme contrainte de concevoir des techniques potentiellement accessibles au plus grand nombre : nous avons développé nos algorithmes dans un environnement open source et nous allons les mettre à disposition de la communauté scientifique et de tous les amateurs qui s’intéressent à la conception d’objets nouveaux », souligne Marco Freire.

Des applications industrielles à l’horizon

Quels sont les prochains défis pour l’équipe ? Afin de permettre des géométries plus complexes, l’algorithme actuel devra être amélioré. Par ailleurs, si le procédé permet d’intégrer des centaines de diodes sur de petits objets, voire des milliers sur des objets plus grands, les chercheurs sont toutefois limités par la taille des LED (laquelle ne descend pas en deçà de 1 mm²). Un verrou à lever pour généraliser largement la technique.  

À plus long terme, quelles applications industrielles peut-on envisager ? « Des surfaces courbes intéressent par exemple les constructeurs automobiles et de design urbain. Plus largement, de la robotique à l’architecture, en passant par l’électronique et le numérique grand public, on peut imaginer de nombreux usages du procédé mis au point dans PCBend », estiment Manas Bhargava et Marco Freire. Une perspective prometteuse.