SurfCuit: 3D Baskılar Üzerine Yüzeye Monte Devreler

İçindekiler

1. Giriş

SurfCuit, elektrik devrelerinin doğrudan 3D baskı nesnelerin yüzeyinde tasarlanması ve oluşturulması için yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bu teknik, elektroniklerin 3D baskılara entegre edilmesindeki zorluğu, karmaşık muhafaza tasarımı veya pahalı kurulumlar gerektirmeden ele almaktadır. Yöntem, erimiş FDM plastiğinin metal malzemelerle, özellikle bakır bantla, bağlanma özelliklerinden yararlanarak lehimleme yoluyla sağlam devre izleri oluşturur.

2. Metodoloji

2.1 Devre Tasarım Aracı

SurfCuit tasarım aracı, kullanıcıların doğrudan 3D yüzeylerde devre yerleşimleri oluşturmasını sağlar. Arayüz, bakır bant uygulamasının geometrik kısıtlamalarını hesaba katarak, bükülme veya yırtılmalara neden olabilecek aşırı burulmaya sahip yolları önler. Araç, fiziksel üretimi yönlendirmek için sığ kanalları ve montaj deliklerini otomatik olarak oluşturur.

2.2 Üretim Süreci

Üretim süreci üç ana adımdan oluşur: (1) tasarlanmış kanalları ve delikleri içeren nesnenin 3D baskısının alınması, (2) kanallar boyunca bakır bant uygulanması ve (3) bileşenlerin ve bağlantıların lehimlenmesi. Temel yenilik, PLA plastiğinin erime noktasının (yaklaşık 180-220°C) lehimleme sıcaklıklarıyla örtüşmesini kullanarak plastik ve bakır arasında güçlü bir bağ oluşturmasıdır.

3. Teknik Uygulama

3.1 Matematiksel Formülasyon

Devre yolu planlaması, kısıtlı bir optimizasyon problemi olarak formüle edilebilir. Noktaları $p \in S$ olan bir 3D yüzey $S$ verildiğinde, minimum boşluk $d_{min}$'i korurken, bileşenleri $C_j$ bağlayan her bir iz için optimal yollar $P_i$ bulmayı amaçlıyoruz:

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

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

Burada $\kappa(s)$ yol boyunca eğriliği, $L(P_i)$ yol uzunluğunu ve $\lambda$ bir ağırlıklandırma parametresini temsil eder.

3.2 Kod Uygulaması

Aşağıdaki sözde kod, temel yol planlama algoritmasını göstermektedir:

class SurfCuitDesigner:
    def plan_circuit_paths(self, surface, components):
        # Yüzey ağından grafiği başlat
        graph = self.build_surface_graph(surface)
        
        # Yüzeydeki bileşen konumlarını bul
        comp_positions = self.project_components(components, surface)
        
        # Kısıtlı A* algoritması kullanarak yolları planla
        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):
        # Eğrilik ve boşluk kısıtlamaları ile A* araması
        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. Deneysel Sonuçlar

Araştırmacılar, SurfCuit'i LED aydınlatmalı bir Noel ağacı (Şekil 1), yüzeye monte sensörlere sahip bir robot ve etkileşimli oyun kumandaları dahil olmak üzere çeşitli 3D baskı nesneler üzerinde test ettiler. Noel ağacı gösterimi, bakır bant izleriyle bağlanan 15 yüzeye monte LED içeriyordu ve yoğun kullanım sonrasında devre arızası olmadan başarıyla aydınlatma sağladı.

Şekil 1: Yüzeye monte aydınlatma devresine sahip Noel ağacı, (üst) devre şemasını ve (alt) dallar boyunca net bir şekilde görülebilen bakır bant izleriyle fiziksel uygulamayı göstermektedir.

Dayanıklılık testi, 0°C ile 60°C arasında termal döngü, 5-50Hz'de 30 dakika mekanik titreşim ve bileşen bağlantılarında çekme testlerini içeriyordu. Test edilen devrelerin %92'si tüm testler boyunca elektriksel sürekliliğini korudu ve bakır bant bağlantısının 3D baskı yüzeylere olan sağlamlığını gösterdi.

5. Analiz ve Tartışma

SurfCuit, elektroniklerin 3D baskı nesnelerle entegrasyonunda önemli bir ilerlemeyi temsil ederek, maker ve hızlı prototipleme topluluklarındaki temel bir zorluğu ele almaktadır. Karmaşık boşluk tasarımı ve baskı sırasında hassas bileşen yerleştirme gerektiren geleneksel gömülü devrelere kıyasla, SurfCuit'in yüzeye monte yaklaşımı erişilebilirlik, onarılabilirlik ve tasarım basitliği konularında önemli avantajlar sunmaktadır.

Tekniğin yeniliği, üretim süreçlerinin kesişim noktasındaki malzeme özelliklerinden yararlanmasında yatmaktadır. PLA plastiğinin yumuşama (180-220°C) ve lehimleme (kurşun bazlı lehim için 183-250°C) sıcaklık aralıklarının örtüşmesi, güçlü bir bağlanma için benzersiz bir fırsat yaratmaktadır. Bu yaklaşım, Lopes ve diğerlerinin iletken kompozitlerle çok malzemeli baskı üzerine çalışmaları gibi, iletken 3D baskı alanındaki araştırmalarla kavramsal benzerlikler paylaşmaktadır, ancak SurfCuit, standart tüketici sınıfı FDM yazıcıları ve kolayca bulunabilen bakır bant kullanmasıyla kendini ayırmaktadır.

Genellikle zayıf yapışma ve yüksek elektriksel dirençten mustarip olan, 3D yüzeyler üzerine iletken mürekkep püskürtmeli baskı gibi alternatif yaklaşımlarla karşılaştırıldığında, SurfCuit'in bakır bandı üstün iletkenlik (iletken mürekkepler için 10⁻⁶-10⁻⁴ Ω·m'ye karşılık yaklaşık 1.68×10⁻⁸ Ω·m) ve mekanik dayanıklılık sağlamaktadır. Bu yöntem, MIT Media Lab ve Stanford Shape Lab gibi kurumlardan gelen araştırmalarda görüldüğü üzere, farklı üretim süreçlerini birleştirerek herhangi bir tek yöntemin ötesinde yetenekler sağlayan hibrit üretim tekniklerindeki büyüme eğilimiyle uyumludur.

Ancak, bu yaklaşım karmaşık yüzeylerde iz yönlendirme zorluğu nedeniyle devre karmaşıklığı konusunda sınırlamalara sahiptir. Devre yoğunluğu arttıkça, problem, düzlemsel olmayan bir yüzeyle kısıtlanmış çok geniş ölçekli entegrasyon (VLSI) yönlendirmesine benzer hale gelmektedir. Gelecekteki çalışmalar, çok katmanlı PCB tasarımından ilham alarak, iletken izler arasında yalıtım katmanları kullanarak, 3D yüzeyler için benzer katmanlama teknikleri geliştirebilir.

SurfCuit'in erişilebilirliği, özellikle yineleme hızı ve değiştirme kolaylığının çok önemli olduğu eğitim uygulamaları ve hızlı prototipleme için değerlidir. Dahili boşlukları ve kanalları tasarlamak için karmaşık CAD çalışması ihtiyacını ortadan katarak, etkileşimli 3D baskı nesneler oluşturmanın önündeki engel önemli ölçüde düşürülmekte ve fiziksel bilgi işlem projelerine katılım potansiyel olarak genişletilmektedir.

6. Gelecek Uygulamalar

SurfCuit teknolojisinin birden fazla alanda umut verici uygulamaları bulunmaktadır:

• Giyilebilir Elektronik: Devrelerin 3D baskı giyilebilir cihazlara ve protezlere doğrudan entegrasyonu
• Eğitim Araçları: Etkileşimli öğrenme yardımcılarının ve STEM eğitim kitlerinin hızlı prototiplenmesi
• Özel IoT Cihazları: Yapısal 3D baskı elemanlar üzerinde özel sensör paketleri
• Robotik: Robot gövdeleri üzerinde yüzeye monte sensörler ve kontrol devreleri
• Tıbbi Cihazlar: Entegre elektroniklere sahip hasta-özel tıbbi ekipmanlar

Gelecek araştırma yönleri arasında çok katmanlı yüzey devreleri geliştirme, esnek baskılı devreleri 3D baskılarla entegre etme ve standart devre şemalarını optimize edilmiş 3D yüzey yerleşimlerine dönüştüren otomatik tasarım araçları oluşturma yer almaktadır.

7. Referanslar

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.