SurfCuit: Litar Dipasang Permukaan pada Cetakan 3D

Kandungan

1. Pengenalan

SurfCuit memperkenalkan pendekatan novel untuk mereka bentuk dan membina litar elektrik secara langsung pada permukaan objek cetakan 3D. Teknik ini menangani cabaran mengintegrasikan elektronik ke dalam cetakan 3D tanpa memerlukan reka bentuk sarung kompleks atau persediaan mahal. Kaedah ini memanfaatkan sifat ikatan plastik FDM cair dengan bahan logam, terutamanya pita kuprum, untuk mencipta jejak litar yang teguh melalui paterian.

2. Metodologi

2.1 Alat Reka Bentuk Litar

Alat reka bentuk SurfCuit membolehkan pengguna mencipta susun atur litar secara langsung pada permukaan 3D. Antara muka ini mengambil kira kekangan geometri aplikasi pita kuprum, menghalang laluan dengan kilasan berlebihan yang boleh menyebabkan kekusutan atau koyakan. Alat ini secara automatik menjana saluran cetek dan lubang pemasangan untuk memandu fabrikasi fizikal.

2.2 Proses Fabrikasi

Proses fabrikasi melibatkan tiga langkah utama: (1) mencetak objek 3D dengan saluran dan lubang yang direka, (2) menggunakan pita kuprum sepanjang saluran, dan (3) memateri komponen dan sambungan. Inovasi utama ialah menggunakan takat lebur plastik PLA (lebih kurang 180-220°C) yang bertepatan dengan suhu paterian, mencipta ikatan kuat antara plastik dan kuprum.

3. Pelaksanaan Teknikal

3.1 Formulasi Matematik

Perancangan laluan litar boleh dirumuskan sebagai masalah pengoptimuman terkekang. Diberi permukaan 3D $S$ dengan titik $p \in S$, kami bertujuan mencari laluan optimum $P_i$ untuk setiap jejak yang menyambungkan komponen $C_j$ sambil mengekalkan jarak minimum $d_{min}$:

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

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

di mana $\kappa(s)$ mewakili kelengkungan sepanjang laluan, $L(P_i)$ ialah panjang laluan, dan $\lambda$ ialah parameter pemberat.

3.2 Pelaksanaan Kod

Pseudokod berikut menunjukkan algoritma teras perancangan laluan:

class SurfCuitDesigner:
    def plan_circuit_paths(self, surface, components):
        # Memulakan graf dari permukaan mesh
        graph = self.build_surface_graph(surface)
        
        # Mencari kedudukan komponen pada permukaan
        comp_positions = self.project_components(components, surface)
        
        # Merancang laluan menggunakan algoritma A* terkekang
        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):
        # Carian A* dengan kekangan kelengkungan dan jarak
        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. Keputusan Eksperimen

Penyelidik menguji SurfCuit pada pelbagai objek cetakan 3D termasuk pokok Krismas dengan pencahayaan LED (Rajah 1), robot dengan sensor dipasang permukaan, dan pengawal permainan interaktif. Demonstrasi pokok Krismas menampilkan 15 LED dipasang permukaan disambungkan melalui jejak pita kuprum, berjaya menyala tanpa kegagalan litar selepas banyak pengendalian.

Rajah 1: Pokok Krismas dengan litar pencahayaan dipasang permukaan menunjukkan (atas) gambar rajah litar dan (bawah) pelaksanaan fizikal dengan jejak pita kuprum jelas kelihatan di sepanjang dahan.

Ujian ketahanan melibatkan kitaran haba antara 0°C dan 60°C, getaran mekanikal pada 5-50Hz selama 30 minit, dan ujian tarikan pada lampiran komponen. 92% litar yang diuji mengekalkan kesinambungan elektrik melalui semua ujian, menunjukkan keteguhan ikatan pita kuprum pada permukaan cetakan 3D.

5. Analisis dan Perbincangan

SurfCuit mewakili kemajuan signifikan dalam mengintegrasikan elektronik dengan objek cetakan 3D, menangani cabaran asas dalam komuniti pembuat dan prototaip pantas. Berbanding litar terbenam tradisional yang memerlukan reka bentuk rongga kompleks dan penempatan komponen tepat semasa percetakan, pendekatan dipasang permukaan SurfCuit menawarkan kelebihan ketara dalam kebolehcapaian, kebolehbaikan, dan kesederhanaan reka bentuk.

Inovasi teknik ini terletak pada memanfaatkan sifat bahan di persimpangan proses pembuatan. Julat suhu yang bertepatan untuk pelembutan plastik PLA (180-220°C) dan paterian (183-250°C untuk pateri berasaskan plumbum) mencipta peluang unik untuk ikatan kuat. Pendekatan ini berkongsi persamaan konseptual dengan penyelidikan dalam pencetakan 3D konduktif, seperti kerja Lopes et al. mengenai percetakan pelbagai bahan dengan komposit konduktif, tetapi SurfCuit membezakannya dengan menggunakan pencetak FDM gred pengguna standard dan pita kuprum yang mudah diperoleh.

Berbanding pendekatan alternatif seperti percetakan inkjet konduktif pada permukaan 3D, yang sering mengalami lekatan lemah dan rintangan elektrik tinggi, pita kuprum SurfCuit menyediakan konduktiviti unggul (lebih kurang 1.68×10⁻⁸ Ω·m berbanding 10⁻⁶-10⁻⁴ Ω·m untuk dakwat konduktif) dan ketahanan mekanikal. Kaedah ini selaras dengan trend teknik fabrikasi hibrid yang semakin berkembang dilihat dalam penyelidikan dari institusi seperti Makmal Media MIT dan Makmal Bentuk Stanford, di mana menggabungkan proses pembuatan berbeza menghasilkan keupayaan melampaui mana-mana kaedah tunggal.

Walau bagaimanapun, pendekatan ini mempunyai batasan dalam kerumitan litar disebabkan cabaran penghalaan jejak pada permukaan kompleks. Apabila ketumpatan litar meningkat, masalah menjadi setara dengan penghalaan integrasi berskala sangat besar (VLSI) tetapi terkekang pada permukaan bukan planar. Kerja masa depan boleh mengambil inspirasi dari reka bentuk PCB berbilang lapisan untuk membangunkan teknik pelapisan serupa untuk permukaan 3D, berpotensi menggunakan lapisan penebat antara jejak konduktif.

Kebolehcapaian SurfCuit menjadikannya sangat berharga untuk aplikasi pendidikan dan prototaip pantas, di mana kelajuan lelaran dan kemudahan pengubahsuaian adalah penting. Dengan menghapuskan keperluan kerja CAD kompleks untuk mereka bentuk rongga dan saluran dalaman, halangan untuk mencipta objek cetakan 3D interaktif dikurangkan dengan ketara, berpotensi mengembangkan penyertaan dalam projek pengkomputeran fizikal.

6. Aplikasi Masa Depan

Teknologi SurfCuit mempunyai aplikasi yang menjanjikan merentasi pelbagai domain:

• Elektronik Boleh Pakai: Integrasi langsung litar pada peranti boleh pakai dan prostetik cetakan 3D
• Alat Pendidikan: Prototaip pantas alat bantu pembelajaran interaktif dan kit pendidikan STEM
• Peranti IoT Tersuai: Pakej sensor tersuai pada elemen struktur cetakan 3D
• Robotik: Sensor dan litar kawalan dipasang permukaan pada badan robot
• Peranti Perubatan: Peralatan perubatan khusus pesakit dengan elektronik bersepadu

Hala tuju penyelidikan masa depan termasuk membangunkan litar permukaan berbilang lapisan, mengintegrasikan litar bercetak fleksibel dengan cetakan 3D, dan mencipta alat reka bentuk automatik yang menukar gambar rajah litar standard kepada susun atur permukaan 3D dioptimumkan.

7. Rujukan

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.