الطباعة بالرذاذ تضع الدوائر مباشرة على الأسطح ثلاثية الأبعاد المنحنية

لوحة الدوائر المطبوعة مسطحة لأن التسطح مريح. فمن السهل طباعتها بالشاشة، وتركيب المكونات عليها، وإدخالها في هيكل. لكن الأجسام الحقيقية نادراً ما تكون بهذا التعاون. فهياكل الأجهزة تنحني، والخوذات تضيق، وأسطح الطائرات تتقوس، والأجهزة الطبية يجب أن تتبع تشريحاً لا تستطيع أي ركيزة مستطيلة مجاراته. وتهدف طريقة طباعة جديدة قائمة على الرذاذ، توصف بأنها وسيلة لبناء الدوائر الإلكترونية مباشرة على أسطح منحنية وثلاثية الأبعاد، إلى معالجة هذا التنافر تحديداً.

الجاذبية ليست في دوائر زخرفية على أشكال طريفة، بل في احتمال تحويل سطح الجسم نفسه إلى الدائرة — بترسيب الأسلاك والمستشعرات والهوائيات على هندسة موجودة أصلاً، بدلاً من تصميم منتج حول لوحة مسطحة يجب أن تتسع داخله.

كيف يعمل الترسيب القائم على الرذاذ

بدلاً من ضغط الحبر عبر شاشة أو بثّه كخرزة متصلة، تبدأ الأساليب القائمة على الرذاذ بحبر سائل يُفتَّت إلى هباء جوي فائق الدقة. والنتيجة أقرب إلى ضباب مُتحكَّم فيه من نفّاثة سائل: سحابة من قطرات مجهرية معلّقة في غاز حامل.

ثم يُوجَّه هذا الهباء عبر رأس ترسيب، حيث يُشكَّل التدفق ويُسرَّع. ولأن القطرات صغيرة جداً ويمكن تركيز التيار ديناميكياً هوائياً، يمكن توجيه المادة إلى سطح من مسافة تباعد بدلاً من ضغطها عليه. وهذا التباعد هو مفتاح التعامل مع الهندسة المنحنية والمتدرجة. فيمكن لرأس الطباعة أن يتبع محيطاً دون لمسه، ولا يلزم أن يكون السطح تحته مسطحاً.

من القطرات إلى مسارات صلبة

بمجرد أن يستقر الرذاذ، تتحد القطرات في خط رطب رقيق. ثم تؤدي خطوة معالجة أو تلبيد — بالحرارة عادة، وأحياناً بالضوء — إلى طرد المذيب ودمج المادة في مسار موصل. ولأن الترسيب والتصلب مرحلتان منفصلتان، يمكن ضبط العملية. فتمريرات إضافية تبني خطوطاً أكثر سماكة وأقل مقاومة؛ وتمريرات أقل تنتج تفاصيل أدق. وتتيح المرونة نفسها وضع نمط عبر سطح يغيّر زاويته في منتصف التمريرة.

الانفتاح على المواد المتعددة

ولأن المادة تصل كهباء لا كخيط ثابت أو قالب محدد بشاشة، يمكن لأداة واحدة أن تنتقل مبدئياً بين أحبار مختلفة. فمعدن موصل يشكّل الأسلاك، وعازل كهربائي يوفر العزل بين الطبقات، ومعجون مقاوم أو مقاوم للانضغاط يصبح عنصر استشعار. وتراكم هذه الطبقات لا ينتج أسلاكاً على منحنى فحسب، بل ينتج هوائيات ومكثفات ومقاييس انفعال وأقطاباً كهربائية مبنية من السطح نفسه.

مشكلة الهندسة التي تعالجها

تواجه الطباعة التقليدية صعوبة مع الانحناء لأسباب هندسية قبل أن تكون كيميائية. فالطباعة بالشاشة تعتمد على شبكة مسطحة مشدودة تُضغط على الركيزة؛ ولفّ تلك الشبكة حول أسطوانة يُفسد الضبط والتوتر معاً. وتحتاج طرق النفث الحبري والبثق إلى فجوة مضبوطة بين الفوهة والسطح، وعلى قطعة منحنية تتغير تلك الفجوة باستمرار — ما يغيّر عرض الخط وسماكته ومقاومته الكهربائية على المسار نفسه. وأضف إلى ذلك الدرجات والتجاويف والانحناء المركّب، فيصبح الحفاظ على مسافة عمل ثابتة تحدياً في التحكم الحركي بقدر ما هو تحدٍّ في المواد.

تخفف عملية الرذاذ غير التلامسية هذا القيد، وإن كانت لا تلغيه. فجودة الترسيب لا تزال تعتمد على المسافة والزاوية بين الرأس والسطح، وتبقى المناطق العميقة التجاويف أو المظللة صعبة الوصول بشكل موثوق.

أين يمكن تطبيق هذا النهج

• الفضاء والدفاع: هوائيات ومستشعرات وعناصر تسخين مطبوعة على ألواح منحنية وقباب رادار وهياكل داخلية، ما يتجنب الوزن وعدد المثبتات المصاحب لتركيب لوحات منفصلة.
• الأجهزة القابلة للارتداء: أقطاب وتوصيلات مترسبة على منسوجات أو أشرطة مرنة تنثني مع الجسم بدلاً من مقاومته.
• الأجهزة الطبية: مصفوفات مستشعرات على القساطر والأطراف الاصطناعية والأدوات الجراحية، حيث يملي التشريح الشكل لا سهولة التصنيع.
• السيارات والصناعة: مستشعرات انفعال وحرارة توضع على مكونات هيكلية منحنية، أو عناصر تسخين موزعة على سطح مُشكَّل.
• الإلكترونيات الاستهلاكية: هوائيات وطبقات استشعار لمس مدمجة في هياكل وشاشات منحنية.

ما لا يزال بحاجة إلى حل

العوائق بين طريقة ترسيب واعدة والتصنيع بالجملة عملية وكثيرة. الالتصاق أولاً: إذ يجب أن يتحمل المسار الانثناء والدورات الحرارية والمناولة على ركيزة قد تكون معدناً أو مركباً أو بوليمراً أو سيراميكاً.

الميزانية الحرارية ثانياً. فغالباً ما يتطلب تلبيد الأحبار المعدنية درجات حرارة لا تتحملها كثير من البلاستيكات والمركبات والتجميعات الجاهزة، لذا قد تحتاج خطوة المعالجة إلى أن تكون موضعية أو مختصرة أو معاد صياغتها لحماية الجزء الأساسي.

ثم هناك التوتر الكلاسيكي بين الدقة والإنتاجية. فالتفاصيل الدقيقة والطبقات الموصلة السميكة تسحبان في اتجاهين متعاكسين، والترسيب متعدد التمريرات يستغرق وقتاً. ويظل العائد والفحص على الأسطح غير المستوية أصعب: فأنظمة الفحص البصري مبنية حول مجالات رؤية مسطحة، وقياس مسار يلتف حول منحنى ليس مشكلة محلولة.

وأخيراً، نادراً ما تحل الموصلات المطبوعة محل كل مكون. فلا تزال الشرائح والموصلات ومكونات الطاقة بحاجة إلى تثبيت، ما يعني أن الصناعة تحتاج أيضاً إلى تقنيات التقاط ووضع ولحام تعمل على أسطح منحنية مأهولة بالمكونات.

حدود أصغر بين البنية والدائرة

لن تختفي اللوحات المسطحة. فهي رخيصة ومفهومة جيداً ومدعومة بمنظومة تصنيع هائلة. لكن الخط بين الجسم وإلكترونياته يلين. وإذا أمكن ترسيب الدوائر على الأشكال التي تتطلبها الهندسة والتشريح أصلاً، يكتسب المصممون درجة حرية جديدة: فبدلاً من السؤال كيف تُلاءم لوحة داخل منتج، يمكنهم السؤال أي أجزاء المنتج ينبغي ببساطة أن تصبح هي اللوحة.

والطريقة القائمة على الرذاذ مسار واحد نحو هذه النتيجة، وربما تكون أكثر خصائصها إثارة هي أقلها بريقاً — أنها لا تحتاج إلى سطح مسطح.

This article is based on reporting by Interesting Engineering. Read the original article.