SurfCuit: دوائر الإلكترونيات السطحية على المطبوعات ثلاثية الأبعاد

جدول المحتويات

1. المقدمة

تقدم SurfCuit نهجاً مبتكراً لتصميم وبناء الدوائر الكهربائية مباشرة على أسطح الأجسام المطبوعة ثلاثية الأبعاد. تعالج هذه التقنية تحدي دمج الإلكترونيات في المطبوعات ثلاثية الأبعاد دون الحاجة إلى تصميم علب معقدة أو إعدادات باهظة الثمن. تستفيد الطريقة من خصائص الترابط بين البلاستيك المنصهر بتقنية FDM والمواد المعدنية، خاصة شريط النحاس، لإنشاء مسارات دوائر قوية من خلال اللحام.

2. المنهجية

2.1 أداة تصميم الدوائر

تمكن أداة تصميم SurfCuit المستخدمين من إنشاء تخطيطات الدوائر مباشرة على الأسطح ثلاثية الأبعاد. تأخذ الواجهة في الاعتبار القيود الهندسية لتطبيق شريط النحاس، مما يمنع المسارات ذات الالتواء المفرط التي قد تسبب انثناءات أو تمزقات. تقوم الأداة تلقائياً بتوليد قنوات ضحلة وثقوب تثبيت لتوجيه التصنيع المادي.

2.2 عملية التصنيع

تتضمن عملية التصنيع ثلاث خطوات رئيسية: (1) طباعة الجسم ثلاثي الأبعاد بالقنوات والثقوب المصممة، (2) تطبيق شريط النحاس على طول القنوات، و(3) لحام المكونات والوصلات. يكمن الابتكار الرئيسي في استخدام نقطة انصهار البلاستيك PLA (حوالي 180-220 درجة مئوية) التي تتزامن مع درجات حرارة اللحام، مما يخلق رابطة قوية بين البلاستيك والنحاس.

3. التنفيذ التقني

3.1 الصياغة الرياضية

يمكن صياغة تخطيط مسار الدائرة كمشكلة تحسين مقيدة. بالنظر إلى سطح ثلاثي الأبعاد $S$ بنقاط $p \in S$، نهدف إلى إيجاد المسارات المثلى $P_i$ لكل أثر يربط المكونات $C_j$ مع الحفاظ على مسافة التباعد الدنيا $d_{min}$:

$$\min_{P_i} \sum_{i=1}^{n} \int_{P_i} \kappa(s)^2 ds + \lambda L(P_i)$$

بشرط: $\text{distance}(P_i, P_j) \geq d_{min} \quad \forall i \neq j$

حيث يمثل $\kappa(s)$ الانحناء على طول المسار، و$L(P_i)$ هو طول المسار، و$\lambda$ هي معلمة ترجيح.

3.2 تنفيذ الكود

يوضح الكود الزائف التالي خوارزمية تخطيط المسار الأساسية:

class SurfCuitDesigner:
    def plan_circuit_paths(self, surface, components):
        # Initialize graph from surface mesh
        graph = self.build_surface_graph(surface)
        
        # Find component positions on surface
        comp_positions = self.project_components(components, surface)
        
        # Plan paths using constrained A* algorithm
        paths = []
        for connection in circuit_connections:
            start = comp_positions[connection.start]
            end = comp_positions[connection.end]
            path = self.constrained_astar(graph, start, end, paths)
            paths.append(path)
        
        return paths
    
    def constrained_astar(self, graph, start, end, existing_paths):
        # A* search with curvature and clearance constraints
        open_set = PriorityQueue()
        open_set.put((0, start))
        
        while not open_set.empty():
            current = open_set.get()
            if current == end:
                return reconstruct_path(current)
            
            for neighbor in graph.neighbors(current):
                if self.check_clearance(neighbor, existing_paths):
                    cost = self.calculate_cost(current, neighbor, end)
                    open_set.put((cost, neighbor))
        
        return None

4. النتائج التجريبية

اختبر الباحثون SurfCuit على various أجسام مطبوعة ثلاثية الأبعاد including شجرة عيد ميلاد بإضاءة LED (الشكل 1)، وروبوت بمستشعرات مثبتة على السطح، وأجهزة تحكم ألعاب تفاعلية. تضمن عرض شجرة عيد الميلاد 15 LED مثبتة على السطح ومتصلة عبر مسارات شريط النحاس، وأضاءت بنجاح دون فشل في الدائرة بعد التعامل المكثف.

الشكل 1: شجرة عيد ميلاد بدائرة إضاءة مثبتة على السطح توضح (أعلى) مخطط الدائرة و(أسفل) التنفيذ المادي مع مسارات شريط النحاس المرئية بوضوح على طول الأغصان.

تضمن اختبار المتانة التبديل الحراري بين 0°C و60°C، والاهتزاز الميكانيكي عند 5-50 هرتز لمدة 30 دقيقة، واختبارات الشد على مرفقات المكونات. حافظت 92% من الدوائر المختبرة على استمرارية كهربائية خلال جميع الاختبارات، مما يثبت متانة رابطة شريط النحاس مع الأسطح المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

5. التحليل والمناقشة

تمثل SurfCuit تقدماً كبيراً في دمج الإلكترونيات مع الأجسام المطبوعة ثلاثية الأبعاد، معالجة تحدي أساسي في مجتمعات الصانعين والنماذج الأولية السريعة. مقارنة بالدوائر المدمجة التقليدية التي تتطلب تصميم تجاويف معقدة ووضع مكونات دقيق أثناء الطباعة، يقدم نهج التثبيت السطحي لـ SurfCuit مزايا كبيرة في إمكانية الوصول، والقابلية للإصلاح، وبساطة التصميم.

يكمن ابتكار هذه التقنية في الاستفادة من خصائص المواد عند تقاطع عمليات التصنيع. تخلق نطاقات درجات الحرارة المتزامنة لترخية البلاستيك PLA (180-220 درجة مئوية) واللحام (183-250 درجة مئوية للحام القائم على الرصاص) فرصة فريدة لرابطة قوية. يتشارك هذا النهج في أوجه تشابه مفاهيمية مع الأبحاث في الطباعة ثلاثية الأبعاد الموصلة، مثل عمل Lopes وزملاؤه في الطباعة متعددة المواد بالمركبات الموصلة، ولكن تتميز SurfCuit باستخدامها لطابعات FDM قياسية للمستهلكين وشريط النحاس المتاح بسهولة.

مقارنة بالأساليب البديلة مثل الطباعة النافثة للحبر الموصلة على الأسطح ثلاثية الأبعاد، التي تعاني غالباً من ضعف الالتصاق ومقاومة كهربائية عالية، يوفر شريط النحاس في SurfCuit موصلية فائقة (حوالي 1.68×10⁻⁸ Ω·م مقابل 10⁻⁶-10⁻⁴ Ω·م للأحبار الموصلة) ومتانة ميكانيكية. تتماشى هذه الطريقة مع الاتجاه المتزايد لتقنيات التصنيع الهجين التي شوهدت في أبحاث من مؤسسات مثل معمل MIT الإعلامي ومعمل ستانفورد للشكل، حيث يجمع بين عمليات التصنيع المختلفة قدرات تتجاوز أي طريقة فردية.

ومع ذلك، فإن النهج له قيود في تعقيد الدائرة بسبب تحدي توجيه المسارات على الأسطح المعقدة. مع زيادة كثافة الدائرة، تصبح المشكلة مشابهة للتوجيه في التكامل واسع النطاق جداً (VLSI) ولكن مقيدة بسطح غير مستو. يمكن للعمل المستقبلي أن يستلهم من تصميم لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات لتطوير تقنيات طبقات مماثلة للأسطح ثلاثية الأبعاد، باستخدام طبقات عازلة محتملة بين المسارات الموصلة.

تجعل إمكانية الوصول إلى SurfCuit ذات قيمة خاصة للتطبيقات التعليمية والنماذج الأولية السريعة، حيث تكون سرعة التكرار وسهولة التعديل crucial. من خلال إلغاء الحاجة إلى عمل CAD معقد لتصميم التجاويف والقنوات الداخلية، يتم خفض حاجز إنشاء الأجسام المطبوعة ثلاثية الأبعاد التفاعلية بشكل كبير، مما قد يوسع المشاركة في مشاريع الحوسبة المادية.

6. التطبيقات المستقبلية

تتمتع تكنولوجيا SurfCuit بتطبيقات واعدة عبر multiple مجالات:

• الإلكترونيات القابلة للارتداء: دمج مباشر للدوائر على الأجهزة القابلة للارتداء والأطراف الصناعية المطبوعة ثلاثية الأبعاد
• الأدوات التعليمية: نماذج أولية سريعة لوسائل التعلم التفاعلية ومجموعات تعليم STEM
• أجهزة إنترنت الأشياء المخصصة: حزم مستشعرات مخصصة على العناصر الهيكلية المطبوعة ثلاثية الأبعاد
• الروبوتات: مستشعرات مثبتة على السطح ودوائر تحكم على أجسام الروبوتات
• الأجهزة الطبية: معدات طبية خاصة بالمريض بإلكترونيات مدمجة

تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تطوير دوائر سطحية متعددة الطبقات، ودمج الدوائر المطبوعة المرنة مع المطبوعات ثلاثية الأبعاد، وإنشاء أدوات تصميم آلية تحول مخططات الدوائر القياسية إلى تخطيطات سطحية ثلاثية الأبعاد محسنة.

7. المراجع

1. Umetani, N., & Schmidt, R. (2016). SurfCuit: Surface Mounted Circuits on 3D Prints. arXiv:1606.09540.
2. Lopes, A. J., MacDonald, E., & Wicker, R. B. (2012). Integrating stereolithography and direct print technologies for 3D structural electronics fabrication. Rapid Prototyping Journal.
3. Leigh, S. J., Bradley, R. J., Purssell, C. P., Billson, D. R., & Hutchins, D. A. (2012). A simple, low-cost conductive composite material for 3D printing of electronic sensors. PLoS ONE.
4. Willis, K. D., Brockmeyer, E., Hudson, S. E., & Poupyrev, I. (2012). Printed optics: 3D printing of embedded optical elements for interactive devices. UIST.
5. Mueller, S., Mohr, T., Guenther, K., Frohnhofen, J., & Baudisch, P. (2014). faBrickation: fast 3D printing of functional objects by integrating construction kit building blocks. CHI.