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德克萨斯大学埃尔帕索分校(UTEP)工程学院的 Raymond C. Rumpf 博士是电磁(EM)实验室的总负责人,EM 实验室致力于利用 3-D 打印,开发电磁和光电相关的革命性技术。

他们对那些别人认为不可能实现的挑战非常感兴趣。Rumpf 开玩笑说,“我们的垃圾桶上贴着一个标语,上面写着"增值想法"。如果我们认为这个想法较容易实现,那我们可能会对这个想法提不起兴趣。”

利用3D打印 科学家制造世界上首个三维立体电路

图∣Raymond C. Rumpf 博士与一个学生正在 UTEP 工程学院的 EM 实验室里工作。(来源:UTEP Communications)

自 2010 年以来,Rumpf 团队取得了一些革命性成果,比如超高频率选择表面以及世界上最薄的介电天线之一等。不过,EM 实验室最新的研究成果,意义最深远。2018 年早些时候,EM 实验室的研究人员通过完全自动化的流程,制造了世界上第一个真正的三维立体电路。Rumpf 认为这是一个有可能改变传统电子产品设计和制造方式的壮举。

全自动化 3D 打印电路是领域内热点方向,很多其他团队也开展了相关研究,但是并没有人成功。Rumpf 团队在 UTEP 取得的这项成果有点像 3D 打印电路的“圣杯”。

三维电路可以使电路更小、更轻、更有效率,为实际应用提供更高的可操作性,因此引起了广泛的研究。3D 打印可以制造出任意形式的立体电路,然后集成到任何物体中或者表面。“三维立体电路”这个概念为制造业提供了更多的机会。

Rumpf 表示他们的成果经过了很多年的积累,集成了所有工具和流程才得以实现。EM 实验室相关研究成员包括 Gilbert Carranza, Ubaldo Robles, Cesar Valle 和 Rumpf。团队成员花了 3 年时间开发“未来主义”的CAD工具,用于生产三维/立体电路。这些工具是他们自主设计的,不同于其他研究团队使用的软件工具。

Carranza 是一名博士生,两年前加入 EM 实验室。当 Rumpf 提出开发一种方式设计三维电路时,Carranza 抓住了机会,并参与到其中。他通过一种开源的 CAD 软件来集成定制化功能,用于设计三维电路。Carranza 表示,“我建造一个定制化的工具,可以将电子组件放置在任意位置、任意方向,可以在三维方向设计电路连接。”Carranza 用了 1 年的时间,做出第一版 CAD 软件。他表示,“没有软件,我们就没真正能将设计翻译成 3D 打印机可读代码的工具。”

Robles 和 Valle 也是 EM 实验室的博士生,他们主要负责 3D 打印方面。他们用了近 1 年时间搭建 Carranza 开发的设计软件和 3D 打印过程之间的联系。2018 年下半年初,Robles 成功地完成了一个界面,可将电路设计转化成 3-D 打印机可以读取的代码,使之可以一步打印出电路。之后,Valle 和 Carranza 对其进行了微调,打印出世界上第一个三维立体电路。

Valle 表示,“在整个过程中是最难的一步,是让CAD、代码生成器和 3-D 打印机器能够很好地协同工作。通常而言,制造一个电路板,一般分为两步。首先要有一块塑料薄板,在上面制造金属痕迹,然后再把电子元件集成到上面。而我们的方法独特之处在于,我们把这些过程结合起来,并且打印出三维结构,再设计电路时就可以拥有很高的自由度。”

Rumpf 表示,这项技术的应用范围很广泛,它能够把电路集成到任何形状物体中或者表面,同时并没有相应增加电子器件的尺寸或者重量。“我们可以根据需求制造任何形式或样式的电路,例如把电路置于军需品、眼镜、鞋子甚至是咖啡杯中。这样的话,当我们在咖啡馆喝咖啡,咖啡快没有的时候,服务员就会提前过来给你续杯。这个技术可以让电子无处不在。”这项研究得到了美国陆军研究实验室、和美国空军研究实验室的资金支持。

Rumpf 表示,这项研究还有可能带来另一个变革。他表示,“未来,我认为可能看不到大型电子制造企业,生产大批量产品,统治着市场的场景。取而代之的是成千上万的小企业,生产数以千计的产品,既有批量生产,也有定制化生产。”

利用3D打印 科学家制造世界上首个三维立体电路

图∣从左到右依次是 Gilbert Carranza 、Raymond C. Rumpf 博士和 Cesar Valle。他们展示的是 EM 实验室的研究成果。(来源:Laura Trejo / UTEP Communications)

对于 EM 实验室的研究生而言,参与开发一项有望为电路制造带来革命的技术,将会激励着他们继续学术研究生涯。另外,他们的研究成果也在埃尔帕索提供一个商业机会,即 EM 实验室的多个成果商业化。

Carranza 表示,“我曾经希望毕业后去其他地方。我从没想过一生都待在埃尔帕索,我也从没想过我会参与到哪项改变世界的研究工作中,直到我来到 EM 实验室。四年前,如果你问我想不想读博士,我的回答会是 No。而现在,我马上就要博士毕业了。我从未想到 UTEP 会有如此难得的研究机会。”

Rumpf 表示,他们实验室的学生为相关研究带来了帮助。他表示,“我们所做的都是一些极度困难和高风险的研究。他们了解一旦开始研究,将可能花费大量时间和精力,因为我们会对研究进展有所要求。愿意接受风险和挑战的人才是 UTEP 需要的,这也是我们一贯的风格。”

责任编辑:陈锦娜

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