3D-Printed Interaction: Digital Fabrication of Touch, Deformation, and Environmental Sensing

The progressing digitalization increases the demand for interactive devices that bridge the physical and digital world. While there is great potential for customized interactive devices tailored to specific applications or users, until recently, integrating interactivity in custom devices required pre-defined components (e.g., rectangular buttons or flat touchscreens) that constrains the shape of the device. A more flexible alternative has opened up with the advent of 3D printing which empowers companies, developers, and end users to design and fabricate custom-shaped individual objects on demand with relatively low effort. Even though recognized as revolutionizing the manufacturing process, the 3D printing of custom-made interactive devices still requires novel sensor concepts, that operate on complex geometries, and significant design or assembly effort.

This thesis concerns the 3D printing of interactive input devices that respond to a variety of external stimuli and are printed in a single pass without requiring significant assembly steps. It consists of the following five major contributions: The first contribution is a fabrication pipeline to design and 3D print custom-shaped touch sensors on complex 3D objects. Then, the second contribution extends the first pipeline to detect hovering, touching, or pressing of a finger on a 3D-printed object. The third contribution continues to explore deformation-aware 3D-printed objects that detect pressure, squeeze, and bending in combination with a capacitive touchscreen. The fourth contribution adds liquid to 3D-printed objects to detect tilting and motion interactions. Based on these liquid-filled objects, the fifth contribution is an alternative sensing approach that does not require powered electronics during the interaction. Instead, each sensor concept memorizes the effect of a pre-defined external stimulus by changes in its internal structure. These changes can be read-out at a later time through a capacitive touchscreen. A series of evaluations and applications show the feasibility and broad applicability of all contributions for 3D printing of custom-made interactive devices.

Die fortschreitende Digitalisierung erhöht die Nachfrage nach interaktiven Geräten, die die physische und digitale Welt verbinden. Während es ein großes Potenzial für maßgeschneiderte interaktive Geräte gibt, die auf bestimmte Anwendungen oder Benutzer zugeschnitten sind, erforderte die Integration von Interaktivität in Geräte bislang vorgefertigte Komponenten (z.B. eckige Tasten oder flache Touchscreens), die die Geräteform einschränken. Mit dem Aufkommen des 3D-Drucks hat sich eine flexiblere Alternative eröffnet, die es Unternehmen, Entwicklern und Endanwendern ermöglicht, mit geringerem Aufwand spezifisch geformte, individualisierte Objekte nach Bedarf zu entwerfen und herzustellen. Auch wenn der 3D-Druck als Revolution traditioneller Fertigungsprozesse anerkannt ist, erfordert die Herstellung maßgeschneiderter interaktiver Geräte neue Sensorkonzepte für komplexe Geometrien und bisher erheblichen Design- oder Montageaufwand.

Diese Arbeit befasst sich mit dem 3D-Druck von interaktiven Eingabegeräten, die auf eine Vielzahl von äußeren Reizen reagieren und in einem einzigen Durchgang gedruckt werden, ohne dass wesentliche Montageschritte erforderlich sind. Es besteht aus den folgenden fünf Hauptbeiträgen: Der erste Beitrag ist eine Fertigungspipeline zum Design und 3D-Druck von individuellen Berührungssensoren auf komplexen 3D-Objekten. Der zweite Beitrag erweitert diese Fertigungspipeline zur Erkennung von Schweben, Berühren und Druck eines Fingers über oder auf einem Objekt. Der dritte Beitrag befasst sich mit Sensorkonzepten, die Druck, Quetschen oder Biegen auf kapazitiven Touchscreens detektieren. Der vierte Beitrag fügt Flüssigkeiten zu 3D-gedruckten Objekten hinzu, um Kippen und Bewegung zu erkennen. Basierend auf diesen flüssigkeitsgefüllten Objekten, erforscht der fünfte Beitrag einen alternativen Messansatz, der während der Interaktion keine Elektronik und keinen Strom erfordert. Stattdessen speichert jedes Sensorkonzept den Einfluss eines vordefinierten externen Stimulus durch Änderungen in seiner internen Struktur. Diese Änderungen können zu einem späteren Zeitpunkt über einen kapazitiven Touchscreen ausgelesen werden. Eine Reihe von Studien und Anwendungen zeigen die Machbarkeit und Anwendbarkeit aller Beiträge für den 3D-Druck von maßgeschneiderten interaktiven Geräten.