La impresión por niebla coloca circuitos directamente sobre superficies 3D curvas

Una placa de circuito impreso es plana porque lo plano es conveniente. Es fácil de serigrafiar, fácil de poblar con componentes y fácil de encajar en una carcasa. Los objetos reales rara vez son tan colaborativos. Las carcasas de los dispositivos se curvan, los cascos se estrechan, las pieles de las aeronaves se doblan y los dispositivos médicos deben adaptarse a una anatomía que ningún sustrato rectangular puede igualar. Un nuevo método de impresión por niebla, descrito como una forma de construir circuitos electrónicos directamente sobre superficies curvas y tridimensionales, apunta directamente a esa discordancia.

El atractivo no es la circuitería decorativa sobre formas novedosas. Es la perspectiva de convertir la superficie de un objeto en el propio circuito: depositar cableado, sensores y antenas sobre una geometría que ya existe, en lugar de diseñar un producto en torno a la placa plana que tiene que caber dentro de él.

Cómo funciona la deposición por niebla

En lugar de prensar tinta a través de una pantalla o extruirla como un cordón continuo, los enfoques basados en niebla parten de una tinta líquida que se fragmenta en un aerosol extremadamente fino. El resultado se parece más a una niebla controlada que a un chorro de líquido: una nube de gotas microscópicas suspendidas en un gas portador.

Ese aerosol se guía después a través de un cabezal de deposición, donde el flujo se modela y se acelera. Como las gotas son tan pequeñas y el chorro puede enfocarse aerodinámicamente, el material puede dirigirse hacia una superficie desde una distancia de separación en lugar de presionarse contra ella. Esa separación es la clave para la geometría curva y escalonada. El cabezal de impresión puede seguir un contorno sin tocarlo, y la superficie que hay debajo no tiene que ser plana.

De las gotas a las pistas sólidas

Una vez que la niebla aterriza, las gotas se coalescen en una fina línea húmeda. Un paso de curado o sinterización —normalmente calor, a veces luz— elimina después el disolvente y fusiona el material en una pista conductora. Como la deposición y la consolidación son etapas separadas, el proceso puede ajustarse. Pasadas adicionales construyen líneas más gruesas y de menor resistencia; menos pasadas producen rasgos más finos. Esa misma flexibilidad permite trazar un patrón sobre una superficie que cambia de ángulo a mitad de pasada.

La apertura multimaterial

Como el material llega en forma de aerosol en lugar de como un filamento fijo o una plantilla definida por pantalla, una sola herramienta puede, en principio, alternar entre tintas. Un metal conductor forma el cableado, un dieléctrico proporciona aislamiento entre capas, y una pasta resistiva o piezorresistiva se convierte en un elemento sensor. Apilar esas capas produce más que cableado sobre una curva: produce antenas, condensadores, galgas extensométricas y electrodos construidos a partir de la propia superficie.

El problema geométrico que aborda

La impresión convencional tiene dificultades con la curvatura por razones que son geométricas antes que químicas. La serigrafía se basa en una malla plana y tensada presionada contra el sustrato; si se envuelve esa malla alrededor de un cilindro, tanto el registro como la tensión se degradan. Los métodos de inyección de tinta y extrusión necesitan una separación controlada entre la boquilla y la superficie, y en una pieza curva esa separación cambia constantemente, lo que altera el ancho de línea, el grosor y la resistencia eléctrica a lo largo de una misma pista. Si se añaden escalones, rebajes o curvatura compuesta, mantener una distancia de trabajo constante se convierte en un desafío de control de movimiento tanto como de materiales.

Un proceso de niebla sin contacto relaja esa restricción, aunque no la elimina. La calidad del depósito sigue dependiendo de la distancia y el ángulo entre el cabezal y la superficie, y las regiones profundamente rebajadas o sombreadas siguen siendo difíciles de alcanzar de forma fiable.

Dónde podría aplicarse el enfoque

• Aeroespacial y defensa: antenas, sensores y elementos calefactores impresos sobre paneles curvos, radomos y estructuras interiores, evitando el peso y el número de sujetadores que conlleva montar placas separadas.
• Wearables: electrodos e interconexiones depositados sobre textiles o bandas flexibles que se doblan con el cuerpo en lugar de resistirse a él.
• Dispositivos médicos: matrices de sensores en catéteres, prótesis e instrumentos quirúrgicos, donde la forma viene dictada por la anatomía y no por la conveniencia de fabricación.
• Automoción e industria: sensores de deformación y temperatura colocados sobre componentes estructurales curvos, o elementos calefactores extendidos por una superficie conformada.
• Electrónica de consumo: antenas y capas de detección táctil integradas en carcasas y pantallas curvas.

Lo que aún queda por resolver

Los obstáculos entre un método de deposición prometedor y la fabricación en volumen son prácticos y numerosos. La adhesión es el primero: una pista debe sobrevivir a la flexión, los ciclos térmicos y la manipulación sobre un sustrato que puede ser metal, composite, polímero o cerámica.

El presupuesto térmico es el segundo. La sinterización de tintas metálicas a menudo requiere temperaturas que muchos plásticos, composites y conjuntos acabados no pueden tolerar, por lo que el paso de curado puede necesitar ser localizado, acortado o reformulado para proteger la pieza subyacente.

Luego está la clásica tensión entre resolución y rendimiento. Los rasgos finos y las capas conductoras gruesas tiran en direcciones opuestas, y la deposición en múltiples pasadas lleva tiempo. El rendimiento y la inspección sobre superficies no planas son aún más difíciles: los sistemas de inspección óptica están construidos en torno a campos de visión planos, y medir una pista que rodea una curva no es un problema resuelto.

Por último, los conductores impresos rara vez sustituyen a todos los componentes. Los chips, conectores y componentes de potencia todavía deben fijarse, lo que significa que el sector también necesita técnicas de colocación y unión que funcionen sobre superficies curvas y pobladas.

Una frontera más pequeña entre estructura y circuito

Las placas planas no desaparecerán. Son baratas, bien conocidas y están respaldadas por un enorme ecosistema de fabricación. Pero la línea entre el objeto y su electrónica se está difuminando. Si los circuitos pueden depositarse sobre las formas que la ingeniería y la anatomía ya exigen, los diseñadores ganan un nuevo grado de libertad: en lugar de preguntarse cómo encajar una placa en un producto, pueden preguntarse qué partes del producto deberían simplemente convertirse en la placa.

El método basado en niebla es una vía hacia ese resultado, y su propiedad más interesante puede ser la menos glamurosa: no necesita que la superficie sea plana.

Este artículo se basa en la cobertura de Interesting Engineering. Leer el artículo original.