Raymond C. Rumpf, doctoraat, en zijn EM Lab-team worden gemotiveerd door extreme uitdagingen die anderen als onmogelijk beschouwen.

De Schellenger-hoogleraar in elektrisch onderzoek aan de Universiteit van Texas aan El Paso's College of Engineering leidt het EM Lab, een ruimte gewijd aan baanbrekende risicovolle, high-pay-off concepten in elektromagnetische en fotonische technologieën die mogelijk worden gemaakt door 3D-printen.

"We houden een bord boven onze prullenbak met de tekst:'Incrementele gedachten' erop met een pijl naar beneden, " zei Rumpf voor de grap. "Als we denken dat het kan, we zijn waarschijnlijk niet geïnteresseerd."

Maar er is niets grappigs aan de ontdekkingen die zijn gedaan binnen de grenzen van het lab. Sinds 2010, Rumpf en zijn team van onderzoekers hebben verschillende revolutionaire projecten tot wasdom zien komen, inclusief de ontwikkeling van een selectief oppervlak voor ultrahoge vermogensfrequenties en een van 's werelds dunste diëlektrische antennes. In aanvulling, het team heeft vastgelegd wat waarschijnlijk de strakste buiging van een optische straal is. Echter, De nieuwste doorbraak van het EM Lab is de meest ambitieuze en verreikende tot nu toe. Eerder dit jaar, onderzoekers voltooiden de eerste echte driedimensionale, volumetrische circuit met behulp van een volledig geautomatiseerd proces. Het is een prestatie die volgens Rumpf het paradigma kan veranderen van hoe producten met elektrische functionaliteit worden ontworpen en vervaardigd.

"Dit is een zeer belangrijke stap en mogelijk ontwrichtende prestatie, " zei Rumpf. "Er zijn veel andere grote onderzoeksgroepen die dit hebben nagestreefd. Het is waar iedereen in dit veld naar toe werkt en over praat, toch heeft nog niemand het bereikt. Het is een soort heilige graal voor 3D-geprinte circuits, en het werd bereikt hier bij UTEP."

Onderzoek naar de 3D/volumetrische circuittechnologie is ontstaan ​​vanuit het idee dat een driedimensionaal circuit meer vrijheid biedt om circuits kleiner te maken, lichter en efficiënter. Met 3D-printen kunnen ze worden vervaardigd in willekeurige vormfactoren die in elk object of oppervlak kunnen worden geïntegreerd. Het concept biedt veel kansen voor de maakindustrie. Rumpf zei dat deze recente doorbraak het resultaat is van jarenlang onderzoek en het samenstellen van alle tools en processen die nodig zijn om dit te bereiken.

"De afgelopen drie jaar zijn we besteed aan het ontwikkelen van futuristische CAD-tools (computer-aided design), om 3D/volumetrische schakelingen te produceren. Deze tools bestaan ​​nergens anders, ' zei Rumff.

Het bereiken van deze prestaties vergde het werk van een team van EM Lab-onderzoekers - Gilbert Carranza, Ubaldo Robles, Cesar Valle en Rumpf zelf.

Carranza, een doctoraatsstudent, begon twee jaar geleden zijn onderzoek in het EM Lab als een undergraduate senior. Toen Rumpf de uitdaging presenteerde om een ​​manier te vinden om circuits in drie dimensies te ontwerpen, Carranza maakte van de gelegenheid gebruik. Hij gebruikte open-source CAD-software om zijn aangepaste functies te integreren, waardoor het EM Lab echte 3D-circuits kon ontwerpen.

"Ik heb een speciaal gereedschap gebouwd waarmee we elektrische componenten in elke positie en in elke richting kunnen plaatsen, "Zei Carranza. "We kunnen de elektrische verbindingen door alle drie de dimensies leiden en soepele paden volgen."

Carranza werkte een jaar aan de software om de eerste versie te produceren.

"We konden niet verder gaan dan dat, "Zei Carranza. "We hadden niet het benodigde gereedschap om mijn ontwerp daadwerkelijk te vertalen in iets dat door onze 3D-printer kan worden gelezen."

Voer Robles en Valle in. Het paar zijn ook promovendi en EM Lab-onderzoekers die vele uren in de 3D-printruimte doorbrengen. Een groot deel van het afgelopen jaar werd besteed aan het overbruggen van de kloof tussen de software van Carranza en het printproces. Aan het begin van de zomer, Robles voltooide met succes een interface die het circuitontwerp kon omzetten in code die de printer kan lezen om het circuit in één naadloze stap te bouwen. Vanaf daar, Valle en Carranza verfijnden het proces en produceerden 's werelds eerste 3D/volumetrische circuit met behulp van hun geautomatiseerde proces.

"Getting the CAD, code generator, and 3-D printer to play along well together proved the most difficult step, " Valle said. "Typically, when you make a circuit, it's two steps. You start with a thin sheet of plastic. Daarbovenop, you form metal traces, then put electrical components onto that. What our tool does that is unique is it combines these processes, and it does it in three dimensions with complete design freedom. We are now able to load 3-D files, hit 'run' and out comes the part. Literally 'File, ' 'Print.'"

Rumpf said there is a huge array of applications for this technology, which was developed using funding from the U.S. Army Research Laboratory at Aberdeen Proving Ground, Maryland, and the Air Force Research Laboratory at Wright-Patterson Air Force Base, Ohio. With the ability to build circuits into any shape or surface, electronics can be built into anything with virtually no added size or weight.

"We can make circuits in any form or fashion, " Rumpf said. "You could put circuits in munitions, in eyeglasses, in shoes, and even in coffee mugs. You can be at a restaurant drinking coffee and, when the liquid gets down to a certain level the server gets notified before you have to say anything. It's about making electronics ubiquitous in many different things."

He added that another aspect of this innovation will be the ability for small businesses that can buy a 3-D printer to become electronics manufacturers with the ability to produce products where each is customized.

"In de toekomst, I don't think you will see places, such as major electronics manufacturing companies, churning out billions of things and dominating the market nearly as often, " Rumpf said. "Instead, you may have thousands of small businesses in the U.S. churning out thousands of products, both mass-produced and customized. Our 3-D circuit technology may be the first step to change the paradigm of circuit manufacturing. And it may enable us to exploit and incorporate new physics in traditional planar (2-D) circuitry.

For the EM Lab graduate researchers, the effort provided real-world experience in the development of a technology that holds great promise to revolutionize manufacturing of circuits. It is something they credit with spurring them to continue their academic careers past their undergraduate journeys. Their breakthrough also offers the opportunity that a business could be incubated in El Paso to commercialize the EM Lab's multiple achievements, something that would keep them closer to home.

"I want to stay here in El Paso, " Carranza said. "My whole life is here. I didn't think UTEP had anything like this. I expected to graduate then go somewhere else. I never thought I was going to be doing research that could literally change the world until I stumbled upon the EM Lab." Valle echoed those views. "Four years ago, if you asked me if I wanted to get a Ph.D., I would have said, 'no, '" Valle said. "Now, I'm close to getting it. I never considered that UTEP had such incredible opportunities for research like what is happening in the EM Lab."

Rumpf said there is something about his student researchers that elevates the level of work that can be conducted at the EM Lab.

"What we do is extremely difficult and high-risk, " Rumpf said. "EM Lab students spend years just developing the tools they need to do their research. They know when they start their research, they're probably going to fail many times, because we are pushing ourselves that far. The type of person willing to take on this daunting level of risk and challenge is what UTEP and El Paso have to offer. It's a personal philosophy, and I don't think we could have accomplished this any other place but here."