SurfCuit: Поверхностные монтажные схемы на 3D-печатных объектах

Содержание

1. Введение

SurfCuit представляет новый подход к проектированию и созданию электрических схем непосредственно на поверхности 3D-печатных объектов. Данная методика решает задачу интеграции электроники в 3D-печатные изделия без необходимости сложного проектирования корпусов или дорогостоящих установок. Метод использует свойства адгезии расплавленного пластика FDM с металлическими материалами, в частности медной лентой, для создания надёжных токопроводящих дорожек посредством пайки.

2. Методология

2.1 Инструмент проектирования схем

Инструмент проектирования SurfCuit позволяет пользователям создавать компоновку схем непосредственно на 3D-поверхностях. Интерфейс учитывает геометрические ограничения нанесения медной ленты, предотвращая пути с чрезмерным кручением, которые могут вызвать перегибы или разрывы. Инструмент автоматически генерирует неглубокие каналы и монтажные отверстия для руководства физическим изготовлением.

2.2 Процесс изготовления

Процесс изготовления включает три основных этапа: (1) 3D-печать объекта с проектируемыми каналами и отверстиями, (2) нанесение медной ленты вдоль каналов и (3) пайка компонентов и соединений. Ключевая инновация заключается в использовании температуры плавления пластика PLA (примерно 180-220°C), которая совпадает с температурами пайки, создавая прочную связь между пластиком и медью.

3. Техническая реализация

3.1 Математическая формулировка

Планирование путей схемы может быть сформулировано как задача условной оптимизации. Для заданной 3D-поверхности $S$ с точками $p \in S$ мы стремимся найти оптимальные пути $P_i$ для каждой дорожки, соединяющей компоненты $C_j$, при сохранении минимального зазора $d_{min}$:

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

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

где $\kappa(s)$ представляет кривизну вдоль пути, $L(P_i)$ — длина пути, а $\lambda$ — весовой параметр.

3.2 Реализация кода

Следующий псевдокод демонстрирует основной алгоритм планирования путей:

class SurfCuitDesigner:
    def plan_circuit_paths(self, surface, components):
        # Инициализация графа из сетки поверхности
        graph = self.build_surface_graph(surface)
        
        # Нахождение позиций компонентов на поверхности
        comp_positions = self.project_components(components, surface)
        
        # Планирование путей с использованием ограниченного алгоритма A*
        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):
        # Поиск A* с ограничениями по кривизне и зазору
        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. Экспериментальные результаты

Исследователи тестировали SurfCuit на различных 3D-печатных объектах, включая рождественскую ёлку со светодиодной подсветкой (Рисунок 1), робота с поверхностно-монтируемыми датчиками и интерактивные игровые контроллеры. Демонстрация с рождественской ёлкой включала 15 поверхностно-монтируемых светодиодов, соединённых через дорожки из медной ленты, которые успешно светились без отказа схемы после интенсивного обращения.

Рисунок 1: Рождественская ёлка с поверхностно-монтируемой схемой подсветки, показывающая (сверху) схему и (снизу) физическую реализацию с чётко видимыми дорожками из медной ленты вдоль ветвей.

Испытания на долговечность включали термическое циклирование между 0°C и 60°C, механическую вибрацию на частоте 5-50 Гц в течение 30 минут и испытания на отрыв компонентов. 92% протестированных схем сохранили электрическую непрерывность после всех испытаний, демонстрируя надёжность соединения медной ленты с 3D-печатными поверхностями.

5. Анализ и обсуждение

SurfCuit представляет значительный прогресс в интеграции электроники с 3D-печатными объектами, решая фундаментальную задачу в сообществах мейкеров и быстрого прототипирования. По сравнению с традиционными встраиваемыми схемами, требующими сложного проектирования полостей и точного размещения компонентов во время печати, поверхностный монтаж SurfCuit предлагает существенные преимущества в доступности, ремонтопригодности и простоте проектирования.

Инновация методики заключается в использовании свойств материалов на стыке производственных процессов. Совпадающие температурные диапазоны для размягчения пластика PLA (180-220°C) и пайки (183-250°C для свинцового припоя) создают уникальную возможность для прочного соединения. Данный подход концептуально схож с исследованиями в области проводящей 3D-печати, такими как работа Лопеша и др. по многоматериальной печати с проводящими композитами, но SurfCuit отличается использованием стандартных потребительских FDM-принтеров и легкодоступной медной ленты.

По сравнению с альтернативными подходами, такими как струйная печать проводящими чернилами на 3D-поверхностях, которая часто страдает от плохой адгезии и высокого электрического сопротивления, медная лента SurfCuit обеспечивает превосходную проводимость (примерно 1,68×10⁻⁸ Ом·м против 10⁻⁶-10⁻⁴ Ом·м для проводящих чернил) и механическую долговечность. Метод соответствует растущей тенденции гибридных методов изготовления, наблюдаемой в исследованиях таких учреждений, как Media Lab MIT и Shape Lab Стэнфорда, где комбинирование различных производственных процессов даёт возможности, превосходящие любой отдельный метод.

Однако подход имеет ограничения по сложности схем из-за сложности маршрутизации дорожек на сложных поверхностях. С увеличением плотности схем задача становится аналогичной трассировке сверхбольших интегральных схем (СБИС), но с ограничением на непланарную поверхность. Будущие работы могли бы черпать вдохновение из многослойного проектирования печатных плат для разработки аналогичных методов наслоения для 3D-поверхностей, потенциально используя изолирующие слои между проводящими дорожками.

Доступность SurfCuit делает его особенно ценным для образовательных приложений и быстрого прототипирования, где скорость итераций и лёгкость модификации crucial. Устраняя необходимость сложной работы с САПР для проектирования внутренних полостей и каналов, значительно снижается барьер для создания интерактивных 3D-печатных объектов, потенциально расширяя участие в проектах физических вычислений.

6. Будущие применения

Технология SurfCuit имеет перспективные применения в различных областях:

• Носимые электронные устройства: Прямая интеграция схем на 3D-печатные носимые устройства и протезы
• Образовательные инструменты: Быстрое прототипирование интерактивных обучающих пособий и наборов для STEM-образования
• Пользовательские устройства Интернета вещей: Специализированные сенсорные пакеты на структурных 3D-печатных элементах
• Робототехника: Поверхностно-монтируемые датчики и управляющие схемы на корпусах роботов
• Медицинские устройства: Медицинское оборудование, специфичное для пациента, со встроенной электроникой

Будущие направления исследований включают разработку многослойных поверхностных схем, интеграцию гибких печатных схем с 3D-печатными изделиями и создание автоматизированных инструментов проектирования, преобразующих стандартные схемы в оптимизированные 3D-поверхностные компоновки.

7. Ссылки

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.