سرف‌کیت: مدارهای نصب‌شده روی سطح در چاپ‌های سه‌بعدی

فهرست مطالب

1. مقدمه

سرف‌کیت رویکردی نوین برای طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی مستقیماً روی سطح اجسام چاپ سه‌بعدی ارائه می‌دهد. این تکنیک چالش ادغام الکترونیک در چاپ‌های سه‌بعدی بدون نیاز به طراحی محفظه‌های پیچیده یا راه‌اندازی‌های پرهزینه را حل می‌کند. این روش از ویژگی‌های اتصال پلاستیک FDM ذوب‌شده با مواد فلزی، به‌ویژه نوار مسی، برای ایجاد مسیرهای مدار مستحکم از طریق لحیم‌کاری استفاده می‌کند.

2. روش‌شناسی

2.1 ابزار طراحی مدار

ابزار طراحی سرف‌کیت به کاربران امکان ایجاد چیدمان مدار را مستقیماً روی سطوح سه‌بعدی می‌دهد. رابط کاربری محدودیت‌های هندسی اعمال نوار مسی را در نظر می‌گیرد و از مسیرهای با پیچش بیش از حد که می‌تواند باعث گره‌خوردگی یا پارگی شود جلوگیری می‌کند. این ابزار به‌طور خودکار کانال‌های کم‌عمق و سوراخ‌های نصب را برای هدایت ساخت فیزیکی تولید می‌کند.

2.2 فرآیند ساخت

فرآیند ساخت شامل سه مرحله اصلی است: (1) چاپ سه‌بعدی جسم با کانال‌ها و سوراخ‌های طراحی‌شده، (2) اعمال نوار مسی در امتداد کانال‌ها، و (3) لحیم‌کاری قطعات و اتصالات. نوآوری کلیدی استفاده از نقطه ذوب پلاستیک PLA (حدود ۱۸۰-۲۲۰ درجه سانتی‌گراد) است که با دمای لحیم‌کاری هم‌پوشانی دارد و اتصال محکمی بین پلاستیک و مس ایجاد می‌کند.

3. پیاده‌سازی فنی

3.1 فرمول‌بندی ریاضی

برنامه‌ریزی مسیر مدار را می‌توان به عنوان یک مسئله بهینه‌سازی با قید فرمول‌بندی کرد. با توجه به یک سطح سه‌بعدی $S$ با نقاط $p \in S$، هدف ما یافتن مسیرهای بهینه $P_i$ برای هر ردیابی است که قطعات $C_j$ را به هم متصل می‌کند در حالی که حداقل فاصله $d_{min}$ حفظ می‌شود:

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

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

که در آن $\kappa(s)$ انحنای امتداد مسیر را نشان می‌دهد، $L(P_i)$ طول مسیر است، و $\lambda$ یک پارامتر وزنی است.

3.2 پیاده‌سازی کد

شبه‌کد زیر الگوریتم اصلی برنامه‌ریزی مسیر را نشان می‌دهد:

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. نتایج آزمایشی

محققان سرف‌کیت را روی اجسام چاپ سه‌بعدی مختلف از جمله یک درخت کریسمس با روشنایی LED (شکل ۱)، یک ربات با سنسورهای نصب‌شده روی سطح، و کنترلرهای بازی تعاملی آزمایش کردند. نمایش درخت کریسمس شامل ۱۵ LED نصب‌شده روی سطح بود که از طریق مسیرهای نوار مسی به هم متصل شده بودند و پس از دست‌کاری گسترده بدون خرابی مدار با موفقیت روشن شدند.

شکل ۱: درخت کریسمس با مدار روشنایی نصب‌شده روی سطح که (بالا) نمودار مدار و (پایین) پیاده‌سازی فیزیکی با مسیرهای نوار مسی به وضوح قابل مشاهده در امتداد شاخه‌ها را نشان می‌دهد.

آزمون دوام شامل چرخه‌های حرارتی بین ۰ تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد، لرزش مکانیکی در ۵-۵۰ هرتز به مدت ۳۰ دقیقه، و آزمون‌های کشش روی اتصالات قطعات بود. ۹۲ درصد از مدارهای آزمایش‌شده در طول تمام آزمون‌ها تداوم الکتریکی خود را حفظ کردند که استحکام اتصال نوار مسی به سطوح چاپ سه‌بعدی را نشان می‌دهد.

5. تحلیل و بحث

سرف‌کیت پیشرفت قابل توجهی در ادغام الکترونیک با اجسام چاپ سه‌بعدی نشان می‌دهد و چالشی اساسی در جامعه‌های سازندگان و نمونه‌سازی سریع را حل می‌کند. در مقایسه با مدارهای تعبیه‌شده سنتی که نیاز به طراحی حفره‌های پیچیده و قرارگیری دقیق قطعات در حین چاپ دارند، رویکرد نصب سطحی سرف‌کیت مزایای قابل توجهی در دسترسی، قابلیت تعمیر و سادگی طراحی ارائه می‌دهد.

نوآوری این تکنیک در بهره‌گیری از ویژگی‌های مواد در تقاطع فرآیندهای ساخت نهفته است. هم‌پوشانی محدوده‌های دمایی برای نرم‌شدن پلاستیک PLA (۱۸۰-۲۲۰ درجه سانتی‌گراد) و لحیم‌کاری (۱۸۳-۲۵۰ درجه سانتی‌گراد برای لحیم سرب‌دار) فرصت منحصربه‌فردی برای اتصال محکم ایجاد می‌کند. این رویکرد اشتراکات مفهومی با تحقیقات در چاپ سه‌بعدی هادی دارد، مانند کار لوپز و همکاران در مورد چاپ چندماده‌ای با کامپوزیت‌های هادی، اما سرف‌کیت با استفاده از چاپگرهای FDM استاندارد مصرف‌کننده و نوار مسی به‌راحتی در دسترس خود را متمایز می‌کند.

در مقایسه با رویکردهای جایگزین مانند چاپ جوهری هادی روی سطوح سه‌بعدی، که اغلب از چسبندگی ضعیف و مقاومت الکتریکی بالا رنج می‌برد، نوار مسی سرف‌کیت هدایت برتر (تقریباً ۱.۶۸×۱۰⁻⁸ Ω·m در مقابل ۱۰⁻⁶-۱۰⁻⁴ Ω·m برای جوهرهای هادی) و دوام مکانیکی فراهم می‌کند. این روش با روند فزاینده تکنیک‌های ساخت ترکیبی دیده شده در تحقیقات مؤسساتی مانند آزمایشگاه رسانه‌ای MIT و آزمایشگاه شکل استنفورد هم‌خوانی دارد، جایی که ترکیب فرآیندهای ساخت مختلف قابلیت‌هایی فراتر از هر روش منفرد ایجاد می‌کند.

با این حال، این رویکرد به دلیل چالش مسیریابی ردیابی روی سطوح پیچیده، محدودیت‌هایی در پیچیدگی مدار دارد. با افزایش تراکم مدار، مسئله مشابه مسیریابی یکپارچه‌سازی در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) اما محدود به یک سطح غیرمسطح می‌شود. کار آینده می‌تواند از طراحی PCB چندلایه الهام بگیرد تا تکنیک‌های لایه‌بندی مشابهی برای سطوح سه‌بعدی توسعه دهد، که به‌طور بالقوه از لایه‌های عایق بین ردیابی‌های هادی استفاده می‌کند.

دسترسی‌پذیری سرف‌کیت آن را به‌ویژه برای کاربردهای آموزشی و نمونه‌سازی سریع ارزشمند می‌کند، جایی که سرعت تکرار و سهولت تغییر بسیار مهم است. با حذف نیاز به کار CAD پیچیده برای طراحی حفره‌ها و کانال‌های داخلی، مانع ایجاد اجسام چاپ سه‌بعدی تعاملی به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و به‌طور بالقوه مشارکت در پروژه‌های محاسبات فیزیکی را گسترش می‌دهد.

6. کاربردهای آینده

فناوری سرف‌کیت کاربردهای امیدوارکننده‌ای در حوزه‌های متعددی دارد:

• الکترونیک پوشیدنی: ادغام مستقیم مدارها در دستگاه‌های پوشیدنی چاپ سه‌بعدی و پروتزها
• ابزارهای آموزشی: نمونه‌سازی سریع کمک‌های آموزشی تعاملی و کیت‌های آموزش STEM
• دستگاه‌های اینترنت اشیاء سفارشی: بسته‌های سنسور سفارشی روی عناصر ساختاری چاپ سه‌بعدی
• رباتیک: سنسورها و مدارهای کنترل نصب‌شده روی سطح بدنه ربات‌ها
• دستگاه‌های پزشکی: تجهیزات پزشکی خاص بیمار با الکترونیک یکپارچه

جهت‌های تحقیقاتی آینده شامل توسعه مدارهای سطحی چندلایه، ادغام مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر با چاپ‌های سه‌بعدی، و ایجاد ابزارهای طراحی خودکار است که نمودارهای مدار استاندارد را به چیدمان‌های سطح سه‌بعدی بهینه تبدیل می‌کنند.

7. مراجع

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.