SurfCuit: Surface Mount Circuit Technology for 3D Printed Parts

Table of Contents

1. Introduction

SurfCuit proposes a novel method for directly designing and constructing circuits on the surface of 3D printed objects. This technology addresses the challenge of integrating electronic components into 3D printed parts without requiring complex housing designs or expensive equipment. The method leverages the bonding characteristics between molten FDM plastic and metallic materials (specifically copper foil tape) to create robust circuit traces through soldering processes.

2. Methodology

2.1 Circuit Design Tools

SurfCuit design tools enable users to create circuit layouts directly on 3D surfaces. The interface accounts for geometric constraints of copper foil tape application, preventing trace paths from wrinkling or tearing due to excessive torsion. The tool automatically generates shallow grooves and mounting holes to guide physical fabrication.

2.2 Mchakato wa Uundaji

Mchakato wa uundaji unajumuisha hatua kuu tatu: (1) Uchapishaji wa 3D wa kitu kilicho na mashimo ya kiotoma yaliyobuniwa, (2) Kuweka mkanda wa shaba kwenye mfereji, (3) Kuunganisha vipengele na pointi za kuunganisha. Mafanikio muhimu ya kiufundi yanatokana na kutumia sifa ya kufanana kwa kiowevu cha PLA (takriban 180-220°C) na joto la kuunganisha, na hivyo kuunda muunganisho dhabiti kati ya plastiki na shaba.

3. Utimilifu wa Teknolojia

3.1 Uundaji wa Hisabati

Upangaji njia za sakiti unaweza kutolewa kama shida ya uboreshaji yenye vikwazo. Kwa kuzingatia uso wa 3D $S$ unaojumuisha pointi $p \in S$, tulenga kupata njia bora $P_i$ kwa kila wito unaounganisha vipengele $C_j$, huku tukidumisha umbali wa chini wa $d_{min}$:

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

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

Where $\kappa(s)$ represents path curvature, $L(P_i)$ is path length, and $\lambda$ is a weight parameter.

3.2 Utekelezo wa Msimbo

Msimbo wa uwongo unaofuata unaonyesha kiini cha algoriti ya upangaji njia:

class SurfCuitDesigner:

4. Experimental Results

Watafiti walijaribu SurfCuit kwenye vitu mbalimbali vilivyochapishwa 3D, ikiwemo mti wa Krismasi ulio na taa za LED (Mchoro 1), roboti iliyo na sensoru zilizowekwa kwenye uso, na kidhibiti cha michezo inayohusiana. Kiolezo cha onyesho la mti wa Krismasi lina LED 15 zilizowekwa kwenye uso zinazounganishwa kwa njia za shaba za foleni, na baada ya uendeshaji mara kwa mara bado zinaweza kuwaka kwa mafanikio bila hitilafu yoyote ya mzunguko.

Mchoro 1: Mwongozo wa saketi ya taa iliyowekwa kwenye uso wa mti wa Krismasi (juu) na utekelezaji halisi wa njia za shaba unaozing’aa kando ya matawi (chini).

Upimaji wa uthabiti ulihusisha mzunguko wa joto kutoka 0°C hadi 60°C, mtikisiko wa mitambo wa masaa 0.5 kwenye masafa ya 5-50Hz, na upimaji wa nguvu kwenye sehemu za viambatanisho vya vipengele. Asilimia 92 ya saketi zilizopimwa ziliendeleza mwendelezo wa umeme katika vipimo vyote, ukithibitisha uthabiti wa muunganiko wa shaba na uso uliochapishwa 3D.

5. Analysis and Discussion

SurfCuit inawakilisha mageuzi makubwa katika uwanja wa kuunganisha vipengele vya elektroniki na vitu vilivyochapishwa 3D, ikitatua changamoto za msingi kwa jamii ya wabunifu na utengenezaji wa prototaypu haraka. Ikilinganishwa na saketi za kawaida za kuingizwa ambazo huhitaji muundo changamano wa vyombo na uwekaji sahihi wa vipengele wakati wa uchapishaji, mbinu ya SurfCuit ya kusakinisha kwenye uso ina faida kubwa katika uwezo wa kufanyiwa kazi, uwezo wa kutengeneza na urahisi wa kubuni.

Uvumbuzi wa teknolojia hii unakusudiwa kuchimba sifa za nyenzo kwenye makutano ya mchakato wa utengenezaji. Mpangilio wa kuingiliana kwa joto laini la plastiki ya PLA (180-220°C) na joto la kuunganisha (183-250°C kwa solder yenye msingi wa risasi) huunda hali ya kipekee kwa muunganisho wenye nguvu. Mbinu hii ina mfanano wa dhana na utafiti wa uchapishaji 3D unaoendesha umeme (kama kazi ya Lopes et al. kuhusu uchapishaji wa nyenzo nyingi za mchanganyiko unaoendesha umeme), lakini upekee wa SurfCuit unakusudiwa kutumia kiwanda cha kawaida cha FDM cha matumizi ya kaya na mkanda wa shaba unaopatikana kwa urahisi.

Ikilinganishwa na njia mbadala kama uchapishaji wa wino unaoendesha umeme kwenye nyuso za 3D (ambao mara nyingi huwa na shida ya mshikamano duni na upinzani wa juu), mkanda wa shaba wa SurfCuit una ufanisi bora wa kuendesha umeme (takriban 1.68×10⁻⁸ Ω·m, wakati wino unaoendesha umeme ni 10⁻⁶-10⁻⁴ Ω·m) na uthabiti wa mitambo. Mbinu hii inalingana na mwelekeo wa teknolojia mseto ya utengenezaji unaoonekana katika utafiti wa taasisi kama MIT Media Lab na Stanford Shape Lab, ambapo mchanganyiko wa michakato tofauti ya utengenezaji hutoa uwezo uliozidi njia moja.

Hata hivyo, kutokana na changamoto za kuweka nyaya kwenye nyuso ngumu, mbinu hii ina mapungufu kwa upande wa utata wa saketi. Kadiri msongamano wa saketi unavyoongezeka, tatizo hili linafanana na uwekaji nyaya wa saketi za umeme za kiwango kikubwa sana, lakini limezuiliwa na nyuso zisizo za gorofa. Kazi ya baadaye inaweza kuiga dhana za ubunifu wa saketi za umeme za bodi nyingi, na kukuza teknolojia inayofanana inayofaa kwa nyuso za 3D, na suluhisho zinazowezekana ni pamoja na matumizi ya tabaka ya kuwatenga kati ya nyaya zinazoendesha umeme.

Urahisi wa SurfCuit unaifanya iwe na thamani kubwa katika matumizi ya kielimu na utengenezaji wa prototaypu haraka, ambapo kasi ya kurudia na urahisi wa kurekebisha ni muhimu sana. Kwa kuondoa kazi ngumu za CAD zinazohitajika kubundo vyombo na vichaneli vya ndani, kiwango cha kujenga vitu vilivyochapishwa 3D vinavyoshirikiana kimepunguzwa kwa kiasi kikubwa, na kuna matumaini ya kupanua ushiriki wa miradi ya kompyuta za kimwili.

6. Matumizi ya Baadaye

Teknolojia ya SurfCuit ina matumizi mengi katika nyanja mbalimbali:

• Vifaa vya umeme vinavyovaliwa: Kuunganisha moja kwa moja mifumo ya umeme kwenye vifaa vinavyovaliwa na viungo bandia vilivyochapishwa 3D
• Vyombo vya kielimu: Vifaa vya Mafunzo ya Haraka vya Mwingiliano na Vifurushi vya STEM
• Vifaa Maalum vya IoT: Kuweka Vifurushi Maalum vya Sensor kwenye Vipengee vilivyochapishwa 3D
• Robot Technology: Surface-mounted sensors and control circuits are implemented on the robot body
• Medical Equipment: Vifaa vya matibabu vilivyo na vipengele maalum vya elektroniki vilivyoundwa kwa wagonjwa binafsi.

Mwelekeo wa utafiti wa baadaye unajumuisha kuendeleza saketi za uso wa tabaka nyingi, kuunganisha saketi zilizochapishwa zinazobadilika na uchapishaji wa 3D, na kuunda zana za usanifu wa otomatiki zinazoweza kubadilisha michoro ya kawaida ya saketi kuwa mpangilio bora wa uso wa 3D.

7. References

1. Umetani, N., & Schmidt, R. (2016). SurfCuit: Surface Mount Circuit Technology for 3D Printed Parts. 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.