تقنية الطباعة بالرذاذ الجديدة تتيح طباعة الدوائر الإلكترونية بدقة على الأسطح المنحنية المعقدة

تمهد تقنية طباعة جديدة الطريق لطباعة الدوائر الإلكترونية مباشرةً على الأسطح المنحنية والأشكال ثلاثية الأبعاد، مما يتيح تصنيع أجهزة استشعار ومنتجات إلكترونية أخرى يستحيل إنتاجها بالطرق التقليدية المسطحة. يقود هذا البحث إيثان سيكور (Ethan Secor)، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية بجامعة Iowa State، إلى جانب شركته الناشئة التي أسسها Contour Circuits. يعمل الفريق على تطوير طباعة بالرذاذ الهوائي لترسيب المواد الإلكترونية على الأسطح المعقدة بدقة عالية. وبخلاف طابعات نفث الحبر التقليدية، تحوّل طباعة الرذاذ الهوائي الحبر السائل إلى رذاذ ناعم، ثم ينقل تيار هوائي هذا الرذاذ عبر فوهة، مما يتيح للنظام طباعة أنماط بحجم يتراوح بين 10 و100 ميكرومتر.

دمج الروبوتات لتعزيز الدقة

يعمل الباحثون حاليًا على دمج عملية الطباعة مع الروبوتات والبرمجيات والمراقبة الفورية للتحكم في كيفية ترسيب الدوائر على الأسطح المنحنية.

يضم أحد أنظمة الفريق طابعة رذاذ هوائي مثبتة على ذراع روبوتية متحركة، وهو إعداد يسمح للفوهة بالحركة فوق الأسطح غير المستوية، لكنه يطرح في الوقت ذاته تحديات جديدة تتعلق بالتموضع وتخطيط الحركة. الهدف هو جعل العملية دقيقة بما يكفي لإنتاج دوائر إلكترونية موثوقة على أشكال ثلاثية الأبعاد معقدة. يقول سيكور: «العمل الذي يثير حماسي في الوقت الراهن هو الطباعة المتوافقة مع الأسطح. ستكون هذه إحدى مهامنا الرئيسية خلال العامين إلى الثلاثة أعوام المقبلة. سنكرّس جهودنا لتطوير تطبيقات لهذه التقنية». تشمل التطبيقات المحتملة قطاعات الطاقة والرعاية الصحية والتصنيع والفضاء والاتصالات والأمن.

أحبار جديدة لمواجهة البيئات القاسية

يعد تعزيز متانة الإلكترونيات المطبوعة أمرًا بالغ الأهمية كذلك، إذ يتوقف ذلك على مدى قدرة هذه الإلكترونيات على مواصلة العمل بعد إنتاجها. يدرس سيكور أحبارًا جديدة للتعامل مع الظروف القاسية، بما في ذلك تقلبات درجات الحرارة الشديدة في الفضاء. حصل هذا البحث على تمويل حديث من مؤسسة National Science Foundation. ويركز الفريق بشكل خاص على حالات الفشل التي تحدث عند الوصلات بين أشباه الموصلات السيليكونية والدوائر الإلكترونية الأكبر. يشير الباحثون في ملخص المشروع إلى أن «الأنظمة الإلكترونية القادرة على العمل في البيئات القاسية ذات صلة كبيرة بتطبيقات الطاقة والبنية التحتية والفضاء واستكشاف الفضاء».

تدعم وكالة NASA أيضًا جهود التسويق التجاري.

استكشاف الطباعة متعددة المواد

أسس سيكور الشركة Contour Circuits مع الباحث السابق في مرحلة الدراسات العليا جيريمي روروب (Jeremy Rurup)، وحصلت الشركة على عقد Small Business Technology Transfer بقيمة US$150,000 (نحو HK$1,170,000) لتطوير التقنية. وتعمل الشركة في مختبر Roy J. Carver Co-Laboratory بجامعة Iowa State. ويستكشف الفريق أيضًا طرقًا لطباعة مواد متعددة في عملية ترسيب واحدة. يصف سيكور هذا المفهوم بأنه أشبه بالانتقال من الطباعة بالأبيض والأسود إلى التدرج الرمادي، إذ يمكن أن تتنوع تركيبة المواد المطبوعة على السطح، مما سيمكّن المهندسين من التحكم بصورة أفضل في الخصائص الكهربائية والفيزيائية للمكونات المطبوعة.

بدأ اهتمام سيكور بالإلكترونيات المطبوعة خلال دراسته العليا في جامعة Northwestern، حيث ركّز في البداية على أحبار الجرافين. ومع تعمّقه في البحث، توسّع نطاق عمله ليشمل الإلكترونيات المرنة والإلكترونيات القائمة على المعادن السائلة والمكثفات الفائقة الصغرية وبطاريات الليثيوم أيون. وفي نهاية المطاف، شرع في بناء وتعديل أجهزة الطباعة بدلاً من الاعتماد فقط على الأنظمة التجارية المتاحة. يقول سيكور: «تعلمت كيفية بناء الطابعات، وهذا فتح أمامي مسارات بحثية كثيرة. نحن الآن نبني عتادنا الخاص ونخصصه. لذلك، في حين تعتمد مجموعات بحثية أخرى على صندوق أسود، يمكننا فتحه وفهم طريقة عمله وتحسينه».

آثار التقنية الجديدة على تطبيقات الإلكترونيات

سيُحدث تطوير تقنية الطباعة بالرذاذ الجديدة تحولًا جذريًا في أساليب تصنيع المنتجات الإلكترونية. فمن خلال طباعة الدوائر الإلكترونية بدقة على الأسطح المنحنية المعقدة، سيتسنى مستقبلًا إنتاج أجهزة إلكترونية أكثر مرونة وقدرة على التكيف، لا سيما في القطاعات الحيوية مثل الرعاية الصحية والفضاء. ويُظهر تركيز الفريق البحثي على تعزيز المتانة والقدرة على التعامل مع البيئات القاسية حرصًا على التطبيقات المستقبلية البعيدة المدى. ومع تقدم التقنية، قد تصبح هذه الطريقة معيارًا للإلكترونيات الجديدة، دافعةً عجلة الابتكار والتطور في القطاع.