सर्किट: 3D प्रिंट्स पर सरफेस माउंटेड सर्किट्स

विषय सूची

1. परिचय

सर्किट 3D प्रिंटेड वस्तुओं की सतह पर सीधे इलेक्ट्रिक सर्किट्स को डिजाइन करने और निर्माण करने का एक नवीन तरीका प्रस्तुत करता है। यह तकनीक जटिल केसिंग डिजाइन या महंगे सेटअप की आवश्यकता के बिना इलेक्ट्रॉनिक्स को 3D प्रिंट्स में एकीकृत करने की चुनौती का समाधान करती है। यह विधि सोल्डरिंग के माध्यम से मजबूत सर्किट ट्रेस बनाने के लिए धातु सामग्री, विशेष रूप से तांबे की टेप, के साथ पिघले हुए FDM प्लास्टिक के बंधन गुणों का लाभ उठाती है।

2. कार्यप्रणाली

2.1 सर्किट डिजाइन टूल

सर्किट डिजाइन टूल उपयोगकर्ताओं को सीधे 3D सतहों पर सर्किट लेआउट बनाने में सक्षम बनाता है। इंटरफेस तांबे की टेप लगाने की ज्यामितीय बाधाओं को ध्यान में रखता है, जिससे अत्यधिक मरोड़ वाले पथों को रोका जा सकता है जो मुड़ने या फटने का कारण बन सकते हैं। यह टूल भौतिक निर्माण को मार्गदर्शन देने के लिए स्वचालित रूप से उथली चैनल और माउंटिंग छेद उत्पन्न करता है।

2.2 निर्माण प्रक्रिया

निर्माण प्रक्रिया में तीन मुख्य चरण शामिल हैं: (1) डिजाइन किए गए चैनलों और छेदों के साथ वस्तु का 3D प्रिंटिंग, (2) चैनलों के साथ तांबे की टेप लगाना, और (3) घटकों और कनेक्शनों को सोल्डर करना। मुख्य नवाचार PLA प्लास्टिक के पिघलने बिंदु (लगभग 180-220°C) का उपयोग करना है जो सोल्डरिंग तापमान के साथ मेल खाता है, जिससे प्लास्टिक और तांबे के बीच एक मजबूत बंधन बनता है।

3. तकनीकी कार्यान्वयन

3.1 गणितीय सूत्रीकरण

सर्किट पथ नियोजन को एक बाधित अनुकूलन समस्या के रूप में तैयार किया जा सकता है। बिंदुओं $p \in S$ वाली एक 3D सतह $S$ को देखते हुए, हमारा उद्देश्य घटकों $C_j$ को जोड़ने वाले प्रत्येक ट्रेस के लिए इष्टतम पथ $P_i$ ढूंढना है, जबकि न्यूनतम क्लीयरेंस $d_{min}$ बनाए रखना है:

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

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

जहां $\kappa(s)$ पथ के साथ वक्रता का प्रतिनिधित्व करता है, $L(P_i)$ पथ की लंबाई है, और $\lambda$ एक भारित पैरामीटर है।

3.2 कोड कार्यान्वयन

निम्नलिखित स्यूडोकोड मुख्य पथ नियोजन एल्गोरिदम प्रदर्शित करता है:

class SurfCuitDesigner:
    def plan_circuit_paths(self, surface, components):
        # सरफेस मेश से ग्राफ को इनिशियलाइज़ करें
        graph = self.build_surface_graph(surface)
        
        # सतह पर घटक स्थितियाँ ढूंढें
        comp_positions = self.project_components(components, surface)
        
        # बाधित A* एल्गोरिदम का उपयोग करके पथ योजना बनाएं
        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):
        # वक्रता और क्लीयरेंस बाधाओं के साथ A* खोज
        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. प्रायोगिक परिणाम

शोधकर्ताओं ने सर्किट का परीक्षण विभिन्न 3D प्रिंटेड वस्तुओं पर किया, जिसमें एलईडी प्रकाश व्यवस्था वाला एक क्रिसमस ट्री (चित्र 1), सतह-माउंटेड सेंसर वाला एक रोबोट और इंटरएक्टिव गेम कंट्रोलर शामिल हैं। क्रिसमस ट्री प्रदर्शन में तांबे की टेप ट्रेस के माध्यम से जुड़े 15 सतह-माउंटेड एलईडी शामिल थे, जो व्यापक हैंडलिंग के बाद सर्किट विफलता के बिना सफलतापूर्वक प्रकाशित हुए।

चित्र 1: सरफेस-माउंटेड इल्युमिनेशन सर्किट वाला क्रिसमस ट्री (शीर्ष) सर्किट आरेख और (नीचे) शाखाओं के साथ स्पष्ट रूप से दिखाई देने वाली तांबे की टेप ट्रेस के साथ भौतिक कार्यान्वयन दिखाता है।

टिकाऊपन परीक्षण में 0°C और 60°C के बीच थर्मल साइक्लिंग, 30 मिनट के लिए 5-50Hz पर यांत्रिक कंपन, और घटक अटैचमेंट पर पुल टेस्ट शामिल थे। परीक्षण किए गए 92% सर्किट्स ने सभी परीक्षणों के माध्यम से विद्युत निरंतरता बनाए रखी, जो 3D प्रिंटेड सतहों पर तांबे की टेप बंधन की मजबूती का प्रदर्शन करती है।

5. विश्लेषण और चर्चा

सर्किट निर्माता और रैपिड प्रोटोटाइपिंग समुदायों में एक मौलिक चुनौती का समाधान करते हुए, 3D प्रिंटेड वस्तुओं के साथ इलेक्ट्रॉनिक्स को एकीकृत करने में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। पारंपरिक एम्बेडेड सर्किट्स की तुलना में, जिन्हें प्रिंटिंग के दौरान जटिल गुहा डिजाइन और सटीक घटक प्लेसमेंट की आवश्यकता होती है, सर्किट की सतह-माउंटेड दृष्टिकोण पहुंच, मरम्मत क्षमता और डिजाइन सरलता में पर्याप्त लाभ प्रदान करता है।

इस तकनीक का नवाचार विनिर्माण प्रक्रियाओं के चौराहे पर सामग्री गुणों का लाभ उठाने में निहित है। PLA प्लास्टिक सॉफ्टनिंग (180-220°C) और सोल्डरिंग (लीड-आधारित सोल्डर के लिए 183-250°C) के लिए मेल खाते तापमान रेंज मजबूत बंधन के लिए एक अद्वितीय अवसर पैदा करते हैं। यह दृष्टिकोण चालक 3D प्रिंटिंग में शोध के साथ वैचारिक समानताएं साझा करता है, जैसे कि लोप्स एट अल द्वारा चालक कंपोजिट के साथ मल्टी-मटीरियल प्रिंटिंग पर काम, लेकिन सर्किट मानक उपभोक्ता-ग्रेड FDM प्रिंटर और आसानी से उपलब्ध तांबे की टेप का उपयोग करके खुद को अलग करता है।

3D सतहों पर चालक इंकजेट प्रिंटिंग जैसे वैकल्पिक दृष्टिकोणों की तुलना में, जो अक्सर खराब आसंजन और उच्च विद्युत प्रतिरोध से ग्रस्त होते हैं, सर्किट की तांबे की टेप बेहतर चालकता (चालक स्याही के लिए लगभग 1.68×10⁻⁸ Ω·m बनाम 10⁻⁶-10⁻⁴ Ω·m) और यांत्रिक स्थायित्व प्रदान करती है। यह विधि हाइब्रिड फैब्रिकेशन तकनीकों के बढ़ते रुझान के साथ संरेखित होती है, जैसे कि एमआईटी के मीडिया लैब और स्टैनफोर्ड के शेप लैब जैसे संस्थानों से शोध में देखा गया है, जहां विभिन्न विनिर्माण प्रक्रियाओं को मिलाने से किसी भी एकल विधि से परे क्षमताएं प्राप्त होती हैं।

हालांकि, जटिल सतहों पर ट्रेस रूटिंग की चुनौती के कारण इस दृष्टिकोण में सर्किट जटिलता में सीमाएं हैं। जैसे-जैसे सर्किट घनत्व बढ़ता है, समस्या वेरी-लार्ज-स्केल इंटीग्रेशन (VLSI) रूटिंग के अनुरूप हो जाती है लेकिन एक गैर-समतल सतह तक सीमित होती है। भविष्य का काम चालक ट्रेस के बीच इंसुलेटिंग परतों का उपयोग करके, संभावित रूप से 3D सतहों के लिए समान लेयरिंग तकनीक विकसित करने के लिए मल्टी-लेयर PCB डिजाइन से प्रेरणा ले सकता है।

सर्किट की पहुंच इसे शैक्षिक अनुप्रयोगों और रैपिड प्रोटोटाइपिंग के लिए विशेष रूप से मूल्यवान बनाती है, जहां पुनरावृत्ति गति और संशोधन में आसानी महत्वपूर्ण है। आंतरिक गुहाओं और चैनलों को डिजाइन करने के लिए जटिल CAD कार्य की आवश्यकता को समाप्त करके, इंटरएक्टिव 3D प्रिंटेड वस्तुओं को बनाने की बाधा काफी कम हो जाती है, जिससे भौतिक कंप्यूटिंग परियोजनाओं में भागीदारी का विस्तार हो सकता है।

6. भविष्य के अनुप्रयोग

सर्किट प्रौद्योगिकी के कई डोमेन में आशाजनक अनुप्रयोग हैं:

• वेयरेबल इलेक्ट्रॉनिक्स: 3D प्रिंटेड वेयरेबल उपकरणों और प्रोस्थेटिक्स पर सर्किट्स का सीधा एकीकरण
• शैक्षिक उपकरण: इंटरएक्टिव लर्निंग एड्स और STEM एजुकेशन किट का रैपिड प्रोटोटाइपिंग
• कस्टम IoT उपकरण: संरचनात्मक 3D प्रिंटेड तत्वों पर अनुकूलित सेंसर पैकेज
• रोबोटिक्स: रोबोट बॉडी पर सतह-माउंटेड सेंसर और कंट्रोल सर्किट
• चिकित्सा उपकरण: एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ रोगी-विशिष्ट चिकित्सा उपकरण

भविष्य के शोध दिशाओं में मल्टी-लेयर सरफेस सर्किट्स विकसित करना, 3D प्रिंट्स के साथ फ्लेक्सिबल प्रिंटेड सर्किट्स को एकीकृत करना, और स्वचालित डिजाइन टूल बनाना शामिल है जो मानक सर्किट आरेखों को अनुकूलित 3D सतह लेआउट में परिवर्तित करते हैं।

7. संदर्भ

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.