Raymond C. Rumpf, Ph.D., och hans EM Lab -team motiveras av extrema utmaningar som andra kanske anser vara omöjliga.

Schellengerprofessorn i elforskning vid University of Texas vid El Paso's College of Engineering leder EM Lab, ett utrymme dedikerat till banbrytande högrisk, högavkastningskoncept inom elektromagnetik och fotonisk teknik som möjliggörs av 3D-utskrift.

"Vi har en skylt ovanför papperskorgen som säger:"Inkrementella tankar" på den med en pil som pekar nedåt, "Rumpf sa i skämt." Om vi ​​tror att det går att göra, vi är nog inte intresserade. "

Men det finns inget roligt med de upptäckter som har gjorts inom laboratoriets gränser. Sedan 2010, Rumpf och hans team av forskare har sett flera revolutionerande projekt förverkligas, inklusive utveckling av en selektiv yta med hög hög frekvens och en av världens tunnaste dielektriska antenner. Dessutom, laget har registrerat vad som sannolikt är den tätaste böjningen av en optisk stråle. Dock, EM Labs senaste genombrott är det mest ambitiösa och långtgående än. Tidigare i år, forskare slutförde den första sanna tredimensionella, volymkrets med en helautomatisk process. Det är en bedrift som Rumpf sa kan förändra paradigmet för hur produkter med elektrisk funktionalitet designas och tillverkas.

"Detta är ett mycket viktigt steg och potentiellt störande prestation, "Rumpf sa." Det finns många andra stora forskargrupper som har jagat detta. Det är vad alla inom detta område arbetar mot och pratar om, men ingen har uppnått det ännu. Det är en slags helig gral för 3D-tryckta kretsar, och det uppnåddes här på UTEP. "

Forskning om 3-D/volymetrisk kretsteknik kom från tanken att en tredimensionell krets erbjuder mer frihet att göra kretsar mindre, lättare och effektivare. 3D-utskrift gör att de kan tillverkas till godtyckliga formfaktorer som kan integreras i alla föremål eller ytor. Konceptet erbjuder många möjligheter för tillverkningsindustrin. Rumpf sa att detta genombrott nyligen kom som ett resultat av år av forskning och montering av alla verktyg och processer som det skulle ta att åstadkomma.

"De senaste tre åren har gått åt till att utveckla futuristiska CAD-verktyg (datorstödd design), för att producera 3-D/volymetriska kretsar. Dessa verktyg finns inte någon annanstans, Sa Rumpf.

Att uppnå dessa prestationer tog arbetet av ett team av EM Lab -forskare - Gilbert Carranza, Ubaldo Robles, Cesar Valle och Rumpf själv.

Carranza, en doktorand, började sin forskning i EM Lab som kandidatexamen för två år sedan. När Rumpf presenterade utmaningen att hitta ett sätt att designa kretsar i tre dimensioner, Carranza hoppade på tillfället. Han använde en öppen CAD-programvara för att integrera sina anpassade funktioner som gjorde det möjligt för EM Lab att designa riktiga 3D-kretsar.

"Jag byggde ett anpassat verktyg som gör att vi kan placera elektriska komponenter i alla positioner och i alla riktningar, "Carranza sa." Vi kan leda de elektriska sammankopplingarna genom alla tre dimensioner efter släta banor. "

Carranza arbetade ett år med programvaran för att producera den första versionen.

"Vi kunde inte gå någon annanstans än det, "Carranza sa." Vi hade inte det nödvändiga verktyget för att faktiskt översätta min design till något som kan läsas av vår 3D-skrivare. "

Ange Robles och Valle. Paret är också doktorander och EM-labforskare som tillbringar många timmar i 3D-tryckeriet. Mycket av det senaste året gick till att försöka överbrygga klyftan mellan Carranzas programvara och utskriftsprocessen. I början av sommaren, Robles slutförde framgångsrikt ett gränssnitt som kunde omvandla kretsens design till kod som skrivaren kan läsa för att bygga kretsen i ett sömlöst steg. Därifrån, Valle och Carranza finjusterade processen och producerade världens första 3-D/volymetriska krets med sin automatiska process.

"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. Dessutom, 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.

"I framtiden, 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."