SurfCuit: থ্রিডি প্রিন্টেড বস্তুর পৃষ্ঠতলে সার্কিট বসানোর প্রযুক্তি

সূচিপত্র

১. ভূমিকা

SurfCuit ত্রিমাত্রিক প্রিন্টেড বস্তুর পৃষ্ঠতলে সরাসরি বৈদ্যুতিক সার্কিট ডিজাইন ও নির্মাণের একটি নতুন পদ্ধতি প্রস্তাব করে। এই প্রযুক্তিটি জটিল আবরণ ডিজাইন বা ব্যয়বহুল সরঞ্জাম ছাড়াই ত্রিমাত্রিক প্রিন্টেড বস্তুতে ইলেকট্রনিক উপাদান সংহত করার চ্যালেঞ্জ সমাধান করে। এই পদ্ধতিটি গলিত FDM প্লাস্টিক এবং ধাতব উপাদান (বিশেষত তামার ফয়েল টেপ) এর সংসক্তি বৈশিষ্ট্য কাজে লাগিয়ে সোল্ডারিং প্রক্রিয়ার মাধ্যমে স্থিতিশীল সার্কিট ট্রেস তৈরি করে।

২. পদ্ধতিবিদ্যা

২.১ সার্কিট ডিজাইন টুলস

SurfCuit ডিজাইন টুল ব্যবহারকারীদের সরাসরি 3D পৃষ্ঠতলে সার্কিট লেআউট তৈরি করতে সক্ষম করে। এই ইন্টারফেস কপার ফয়েল টেপ প্রয়োগের জ্যামিতিক সীমাবদ্ধতাগুলি বিবেচনা করে, অত্যধিক মোচড়ের কারণে কুঞ্চন বা ছিঁড়ে যাওয়া ট্রেস পথ প্রতিরোধ করে। টুলটি স্বয়ংক্রিয়ভাবে শ্যালো গ্রুভ এবং মাউন্টিং গর্ত তৈরি করে যাতে শারীরিক উৎপাদনে নির্দেশনা দেওয়া হয়।

2.2 উৎপাদন প্রক্রিয়া

উৎপাদন প্রক্রিয়ায় তিনটি প্রধান ধাপ রয়েছে: (1) ডিজাইন করা খাঁজযুক্ত বস্তু 3D প্রিন্ট করা, (2) খাঁজ বরাবর কপার ফয়েল টেপ স্থাপন করা, (3) উপাদান এবং সংযোগ বিন্দুতে সোল্ডারিং করা। মূল প্রযুক্তিগত সাফল্য হলো PLA প্লাস্টিকের গলনাঙ্ক (প্রায় 180-220°C) এবং সোল্ডারিং তাপমাত্রার মিল ব্যবহার করে, যার ফলে প্লাস্টিক এবং কপার ফয়েলের মধ্যে একটি শক্তিশালী বন্ধন গঠিত হয়।

3. প্রযুক্তিগত বাস্তবায়ন

৩.১ গাণিতিক মডেলিং

সার্কিট পাথ প্ল্যানিংকে সীমাবদ্ধতা সহ অপ্টিমাইজেশন সমস্যা হিসেবে বর্ণনা করা যায়। বিন্দু $p \in S$ সম্বলিত একটি 3D পৃষ্ঠ $S$ দেওয়া আছে, আমরা কম্পোনেন্ট $C_j$ সংযোগকারী প্রতিটি ট্রেস $P_i$-এর জন্য সর্বোত্তম পথ খুঁজতে চাই, যেখানে ন্যূনতম দূরত্ব $d_{min}$ বজায় রাখা হয়:

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

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

যেখানে $\kappa(s)$ পথের বক্রতা নির্দেশ করে, $L(P_i)$ হল পথের দৈর্ঘ্য, এবং $\lambda$ হল ওজন প্যারামিটার।

3.2 কোড বাস্তবায়ন

নিম্নলিখিত সিউডোকোডটি মূল পাথ প্ল্যানিং অ্যালগরিদম প্রদর্শন করে:

class SurfCuitDesigner:

4. পরীক্ষার ফলাফল

গবেষকরা বিভিন্ন থ্রিডি মুদ্রিত বস্তুতে SurfCuit পরীক্ষা করেছেন, যার মধ্যে রয়েছে LED আলো সহ ক্রিসমাস ট্রি (চিত্র 1), পৃষ্ঠতল-মাউন্ট সেন্সর সহ রোবট এবং ইন্টারেক্টিভ গেম কন্ট্রোলার। ক্রিসমাস ট্রি বিক্ষোভ কেসে তামার ফয়েলের ট্রেস দ্বারা সংযুক্ত 15টি পৃষ্ঠতল-মাউন্ট LED রয়েছে, যা একাধিক পরিচালনার পরেও সফলভাবে জ্বলতে সক্ষম হয় এবং কোনো সার্কিট ব্যর্থতা দেখা যায়নি।

চিত্র ১: সারফেস মাউন্টেড লাইটিং সার্কিটের ক্রিসমাস ট্রি ডিসপ্লে (উপরের ছবি) সার্কিট ডায়াগ্রাম এবং (নিচের ছবি) শাখা বরাবর স্পষ্টভাবে দৃশ্যমান কপার ফয়েল ট্র্যাকের ভৌত বাস্তবায়ন।

টেকসইতা পরীক্ষার মধ্যে রয়েছে 0°C থেকে 60°C পর্যন্ত তাপ চক্র, 5-50Hz পর্যন্ত 30 মিনিটের যান্ত্রিক কম্পন এবং উপাদান সংযুক্তি বিন্দুর টেনশন পরীক্ষা। 92% পরীক্ষিত সার্কিট সমস্ত পরীক্ষায় বৈদ্যুতিক ধারাবাহিকতা বজায় রেখেছে, যা 3D মুদ্রিত পৃষ্ঠের সাথে তামার ফয়েলের বন্ধনের মজবুততা প্রমাণ করে।

৫. বিশ্লেষণ ও আলোচনা

SurfCuit ইলেকট্রনিক উপাদান এবং থ্রিডি প্রিন্টেড বস্তুর সংহতকরণ ক্ষেত্রে একটি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি উপস্থাপন করে, যা নির্মাতা এবং দ্রুত প্রোটোটাইপিং সম্প্রদায়ের মৌলিক চ্যালেঞ্জগুলির সমাধান করে। জটিল গহ্বর ডিজাইন এবং মুদ্রণ প্রক্রিয়ায় সুনির্দিষ্ট উপাদান অবস্থান প্রয়োজন এমন প্রচলিত এম্বেডেড সার্কিটের তুলনায়, SurfCuit-এর পৃষ্ঠ-আবদ্ধ পদ্ধতি কার্যক্ষমতা, মেরামতের সহজলভ্যতা এবং নকশার সরলতার ক্ষেত্রে উল্লেখযোগ্য সুবিধা প্রদর্শন করে।

এই প্রযুক্তির নতুনত্ব উৎপাদন প্রক্রিয়ার সংযোগস্থলে উপাদান বৈশিষ্ট্য আবিষ্কারের মধ্যে নিহিত। PLA প্লাস্টিকের নরমীকরণ তাপমাত্রা (১৮০-২২০°C) এবং সোল্ডারিং তাপমাত্রার (সীসাভিত্তিক সোল্ডার ১৮৩-২৫০°C) ওভারল্যাপিং রেঞ্জ শক্তিশালী বন্ধনের জন্য একটি অনন্য শর্ত সৃষ্টি করে। এই পদ্ধতিটি পরিবাহী থ্রিডি প্রিন্টিং গবেষণার (যেমন Lopes et al-এর পরিবাহী কম্পোজিট উপাদানের মাল্টি-ম্যাটেরিয়াল প্রিন্টিং কাজ) সাথে ধারণাগত সাদৃশ্য রাখে, কিন্তু SurfCuit-এর স্বকীয়তা মানক কনজিউমার-গ্রেড FDM প্রিন্টার এবং সহজলভ্য কপার ফয়েল টেপ ব্যবহারে নিহিত।

বিকল্প পদ্ধতি যেমন 3D পৃষ্ঠতলে পরিবাহী ইঙ্কজেট প্রিন্টিং (যার প্রায়শই দুর্বল আঠালোতা এবং উচ্চ রোধ থাকে) এর তুলনায়, SurfCuit-এর কপার ফয়েল টেপ উন্নত পরিবাহিতা (প্রায় ১.৬৮×১০⁻⁸ Ω·m, যেখানে পরিবাহী কালির মান ১০⁻⁶-১০⁻⁴ Ω·m) এবং যান্ত্রিক স্থায়িত্ব প্রদান করে। এই পদ্ধতিটি MIT মিডিয়া ল্যাব এবং স্ট্যানফোর্ড শেপ ল্যাবের মতো প্রতিষ্ঠানের গবেষণায় উদ্ভূত হাইব্রিড উৎপাদন প্রযুক্তির প্রবণতার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, যেখানে বিভিন্ন উৎপাদন প্রক্রিয়া একত্রিত করে একক পদ্ধতির সীমা অতিক্রম করা সম্ভব হয়।

যাইহোক, জটিল পৃষ্ঠতলে ওয়্যারিং বিন্যাসের চ্যালেঞ্জের কারণে, এই পদ্ধতিটি সার্কিটের জটিলতার ক্ষেত্রে সীমাবদ্ধতা বহন করে। সার্কিটের ঘনত্ব বৃদ্ধির সাথে সাথে এই সমস্যাটি ভিএলএসআই ওয়্যারিং-এর অনুরূপ, কিন্তু অ-সমতল পৃষ্ঠতলের কারণে সীমাবদ্ধ। ভবিষ্যতের কাজ মাল্টিলেয়ার PCB ডিজাইন ধারণা থেকে অনুপ্রেরণা নিয়ে, 3D পৃষ্ঠতলের জন্য অনুরূপ স্তরযুক্ত প্রযুক্তি উন্নত করতে পারে, যার সম্ভাব্য সমাধানের মধ্যে পরিবাহী ট্রেসের মধ্যে অন্তরক স্তর ব্যবহার অন্তর্ভুক্ত থাকতে পারে।

SurfCuit-এর ব্যবহার সহজতা এটিকে শিক্ষামূলক প্রয়োগ এবং দ্রুত প্রোটোটাইপিং ক্ষেত্রে বিশেষভাবে মূল্যবান করে তোলে, যেখানে পুনরাবৃত্তির গতি এবং পরিবর্তনের সুবিধা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। অভ্যন্তরীণ গহ্বর এবং চ্যানেল ডিজাইনের জন্য প্রয়োজনীয় জটিল CAD কাজ দূর করে, ইন্টারেক্টিভ থ্রিডি প্রিন্টেড বস্তু তৈরির সীমা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পেয়েছে, যা ভৌত কম্পিউটিং প্রকল্পে অংশগ্রহণ বৃদ্ধির সম্ভাবনা তৈরি করেছে।

6. ভবিষ্যত প্রয়োগ

SurfCuit প্রযুক্তির বিভিন্ন ক্ষেত্রে ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে:

• পরিধানযোগ্য ইলেকট্রনিক্স: থ্রিডি প্রিন্টেড পরিধানযোগ্য ডিভাইস ও কৃত্রিম অঙ্গে সরাসরি সার্কিট সংহতকরণ
• শিক্ষামূলক সরঞ্জাম: দ্রুত প্রোটোটাইপিং ইন্টারঅ্যাক্টিভ শিক্ষণ সরঞ্জাম এবং STEM শিক্ষা কিট
• কাস্টম আইওটি ডিভাইস: কাস্টম সেন্সর কিট স্থাপন কাঠামোগত 3D প্রিন্টেড উপাদানে
• রোবোটিক্স: রোবোট বডিতে পৃষ্ঠ-মাউন্ট সেন্সর এবং কন্ট্রোল সার্কিট বাস্তবায়ন
• মেডিকেল ডিভাইস: রোগীর জন্য বিশেষায়িত ইন্টিগ্রেটেড ইলেকট্রনিক উপাদান সহ মেডিকেল ডিভাইস

ভবিষ্যতের গবেষণার দিকগুলির মধ্যে রয়েছে মাল্টিলেয়ার সারফেস সার্কিট উন্নয়ন, ফ্লেক্সিবল প্রিন্টেড সার্কিট এবং 3D প্রিন্টিং এর ইন্টিগ্রেশন অর্জন, এবং স্বয়ংক্রিয় ডিজাইন টুল তৈরি করা যা স্ট্যান্ডার্ড সার্কিট ডায়াগ্রামকে অপ্টিমাইজড 3D সারফেস লেআউটে রূপান্তর করতে পারে।

7. References

1. Umetani, N., & Schmidt, R. (2016). SurfCuit: থ্রিডি প্রিন্টেড বস্তুর পৃষ্ঠতলে সার্কিট বসানোর প্রযুক্তি. arXiv:1606.09540.
2. Lopes, A. J., MacDonald, E., & Wicker, R. B. (2012). 集成立体光刻与直接打印技术的3D结构电子制造. 快速原型制造期刊.
3. Leigh, S. J., Bradley, R. J., Purssell, C. P., Billson, D. R., & Hutchins, D. A. (2012). 用于电子传感器3D打印的简易低成本导电复合材料. 公共科学图书馆·综合.
4. Willis, K. D., Brockmeyer, E., Hudson, S. E., & Poupyrev, I. (2012). 印刷光学：面向交互设备的嵌入式光学元件3D打印. 用户界面软件与技术研讨会.
5. Mueller, S., Mohr, T., Guenther, K., Frohnhofen, J., & Baudisch, P. (2014). 积木式快速制造：通过集成构建套件模块实现功能物体快速3D打印. 人机交互大会.