Descripción general de la aplicación 3D de electrónica

La impresión 3D parece un método de producción universal fantástico con el que puede crear cualquier cosa: simplemente cargue el modelo, espere un momento y ahora es un producto listo para usar.

En algunas áreas, en particular en ingeniería mecánica, esto ya se ha realizado: la gran mayoría de las impresoras 3D se centran en imprimir con el mismo tipo de material, por ejemplo, polímeros termoplásticos o metales, que es suficiente para la producción de piezas mecánicas.


Los productos mecánicos y sus piezas pueden fabricarse incluso con impresoras 3D personales de bajo costo.

Tan pronto como nos enfrentamos a la necesidad de fabricar un producto que consiste en diferentes tipos de materiales, surge la necesidad de equipos especializados más sofisticados. El área que se ocupa de estos productos es la electrónica.

La impresión 3D ya se usa actualmente en electrónica, y la fabricación aditiva tiene ventajas significativas sobre los métodos tradicionales en la producción de componentes electrónicos individuales, a pesar de que el uso de la impresión 3D en electrónica comenzó muy recientemente: se vendió la primera impresora 3D para imprimir componentes electrónicos en 2015


Nano Dimension Dragonfly 2020 es la primera impresora 3D de grado profesional diseñada para la fabricación aditiva de PCB.

El uso de la impresión 3D en electrónica se puede dividir en dos áreas:
1. Impresión 3D de los componentes electrónicos reales: placas de circuito impreso, antenas, etc.
2. Producción de recintos y otros accesorios para electrónica.

Impresión 3D de componentes electrónicos

A pesar de que la integración de la impresión 3D en la producción de productos electrónicos comenzó hace poco, la investigación académica en esta área se llevó a cabo hace relativamente tiempo, y los resultados de estos trabajos, en muchos aspectos, sirvieron de base para crear impresoras 3D profesionales para imprimir componentes electrónicos. La historia del desarrollo experimental en esta área se remonta a 1992.


Patrón conductivo de pulverización térmica. El sustrato se lija previamente para proporcionar una mejor adhesión al material rociado. De "Fabricación de mecatrónica utilizando deposición de forma de pulverización térmica" (J. Beck, F. Prinz, D. Siewiorek, LE Weiss, Proc. Solid Freeform Fabrication Symp., 1992, pp. 272-279).

Robocasting

En 2009, investigadores de la Universidad de Illinois (EE. UU.) Desarrollaron tintas conductoras basadas en nanopartículas de plata. Al imprimir, tales tintas se extruyen de una micro boquilla y se aplican a un sustrato de polímero. Luego, cuando se calienta a 150 ° C, las partículas de plata se aglomeran, formando una matriz continua, y las líneas de tinta se vuelven conductoras. Por lo tanto, se hace posible crear un dibujo de conductores por el método de Robocasting (Direct Ink Writing), combinándolos con otros componentes electrónicos, que es la base para el diseño de la mayoría de los dispositivos electrónicos.


(A) - Diseño de una planta piloto para imprimir con tinta conductora por robocasting; (B) es una micrografía electrónica de nanopartículas de plata en una tinta conductora.

El método de robocasting consiste en la formación de productos capa por capa por extrusión de un material similar a una pasta (en contraste con el método FDM, en el que se extruye la masa fundida del material). Como regla, la viscosidad de dicho material depende sustancialmente del esfuerzo cortante: con un esfuerzo cortante significativo, la viscosidad es pequeña y el material se extruye fácilmente de la boquilla; Tan pronto como el esfuerzo de corte disminuye, la viscosidad se hace más grande, por lo que el producto formado en la plataforma continúa manteniendo su forma. Luego, el producto puede someterse a un tratamiento térmico adicional, para dar mayor resistencia mecánica.


Representación esquemática del método de robocasting: (A) - Impresora 3D con varios tanques para alimentar materiales al cabezal de impresión, (B, C) - boquilla y estructura de capas del producto, típico del método de robocasting.

En 2011, por el mismo grupo de investigadores, se utilizaron tintas conductoras con un contenido de nanopartículas de plata del 72% en masa para la impresión 3D de antenas en miniatura, cuya necesidad aumenta cada año, debido al desarrollo generalizado de tecnologías inalámbricas. Además, la antena se imprimió en la superficie del hemisferio, y no en una mesa plana: este método de impresión se llama impresión 3D conforme. El tiempo de impresión de una antena, dependiendo de la velocidad, varió de 0.5 a 3 horas. Para lograr la máxima conductividad, con una composición de tinta dada, la antena impresa se trató térmicamente a 550ºC.


El proceso de imprimir una antena de material conductor en las superficies externas (A) e internas (B) del hemisferio de vidrio; (C, D) - la antena terminada.

Un método similar de fundición robótica con tinta conductora también se utiliza para organizar las interconexiones en las placas de circuito impreso: la base de la placa de circuito impreso se realiza utilizando el método FDM, SLS o SLA, y luego se forma un patrón eléctricamente conductor en la superficie de la placa. La fabricación de placas de circuito impreso por métodos clásicos es un proceso largo. Si el diseño de la placa de circuito impreso requiere una optimización de múltiples etapas, el tiempo de producción del producto prototipo aumenta significativamente. Por lo tanto, la tecnología para la fabricación rápida de placas de circuito impreso sobre el terreno es relevante para los desarrolladores de electrónica.


Las principales etapas de la producción de placas de circuitos electrónicos mediante impresión 3D y una placa de circuito terminada con componentes electrónicos, cuya base está hecha de Ultem 9085 por FDM.

La impresión 3D simplifica enormemente la transición del diseño plano clásico de los dispositivos electrónicos al diseño volumétrico , lo que permite un uso mucho más eficiente del volumen para un diseño denso de elementos. Este arreglo es más relevante en la industria aeroespacial.


Un dado electrónico hexagonal que contiene un microprocesador, acelerómetro y LED, que se crearon utilizando los métodos SLA (para imprimir una matriz de cubos) y DIW (para crear un patrón eléctricamente conductor).


Sensor Hall para medir la fuerza del campo magnético, fabricado por SLA y robocasting.


Robocasting de microacumuladores de iones de litio.

Impresoras 3D para fabricación de PCB

La producción de patrones conductores de electricidad mediante el método de robocasting ha encontrado aplicación en la impresora personal compacta V-One de la compañía canadiense Voltera, destinada a la producción de placas de circuito impreso. Voltera V-One es un dispositivo multifuncional que combina las capacidades de una impresora 3D y un enrutador CNC.

Voltera v-one

Apariencia de la impresora Voltera V-One.

Caracteristicas

• Características clave de la impresora Voltera V-One:
• Dimensiones totales, mm: (L × W × H) 390 × 257 × 207
• Peso, kg: 7
• Área de impresión, mm: 128 × 105
• Tecnología de impresión: Robocasting (escritura directa de tinta)
• Ancho mínimo de vía, mm: 0.2
• Material de respaldo de PCB: fibra de vidrio FR4
• El grosor máximo de la placa de circuito impreso, mm: 3
• Temperatura máxima de la plataforma de trabajo, ° C: 240
• Composición de pasta de soldadura: Sn (42%) / Bi (57.6%) / Ag (0.4%)
• Temperatura de calentamiento de la placa en modo de soldadura, ° C: 180-210
• Velocidad máxima de rotación del husillo del cabezal de perforación, rpm: 13000
• Sistema operativo: Windows 7, 8, 10 (64 bits), OSX 10.11+
• Formato de archivo: Gerber
• Interfaz para conectarse a una computadora: USB con cable
• Precio, ₽: 637872

En la primera etapa de la producción de PCB con V-One, se carga un proyecto de PCB Gerber (* .gbr), creado, por ejemplo, con el paquete de software Eagle, en el software de la impresora.


Diseño de PCB en el software Autodesk Eagle.


Diseño de PCB en el programa de preparación de impresión para el Voltera V-One.

Luego, la base de la placa de PCB se fija en la plataforma calentada de la impresora con abrazaderas lineales, después de lo cual puede proceder a imprimir el patrón conductor de la placa con tinta especial que contiene 90% de partículas de plata. Los parámetros eléctricos de tales tintas son adecuados para dispositivos digitales y dispositivos electrónicos de baja corriente que funcionan a frecuencias de hasta 5 GHz.


Imprima un patrón conductor en una placa de circuito impreso con tintas especiales con un alto contenido de plata.

Durante la impresión, la pasta está en un cartucho de jeringa reemplazable con un mecanismo mecánico simple para alimentar la pasta. Un cartucho es suficiente para imprimir pistas con una longitud total de 100 metros, con un ancho de pista de 0.2 mm. Guarde el cartucho de tinta en el refrigerador.


Cabezal de impresión Voltera V-One.

Después de que se imprime la capa conductora, la placa se baja por el patrón conductor y se coloca en los rieles para evitar que toque la superficie de la plataforma, que se calienta para curar la tinta. Bajo la influencia del calentamiento, el material conductor pasa de un estado pastoso a uno sólido. Secar la tinta lleva unos 30 minutos. Cuando se enciende la calefacción de la plataforma, las luces laterales de la impresora cambian su color de azul a rojo, para advertir al operador.

V-One le permite imprimir tableros de doble capa que contienen dos capas conductoras. Por lo tanto, la impresora es capaz de aplicar material dieléctrico sobre la primera capa conductora para aislarla de la segunda capa conductora. La segunda capa conductora se imprime después de secar la capa de material aislante.


Aplicación de material aislante en la intersección de las capas conductoras durante la producción de una placa de circuito impreso de dos capas.

Cambiar el cartucho para imprimir con otro material no requiere desmontaje y es muy rápido, debido a que los cartuchos están montados en soportes magnéticos.

En la etapa final, con la ayuda de la impresora, se aplica pasta de soldadura en los lugares de instalación de componentes electrónicos. La pasta no contiene plomo, lo que protege la salud del usuario. Puede aplicar la pasta no solo en tableros impresos en V-One, sino también en tableros con un patrón conductivo listo para usar.


Aplicación de pasta de soldadura después de imprimir un patrón conductor: A - el proceso de aplicar pasta de soldadura a una placa impresa usando V-One; B: una placa que está completamente lista para montar componentes electrónicos; C: aplicación de pasta de soldadura a una placa con un patrón conductivo terminado.


La colocación de componentes electrónicos en una placa de circuito impreso es manual.

Después de colocar los componentes electrónicos en el tablero, la plataforma se calienta y los componentes se sueldan a las almohadillas.
Si es necesario fabricar una placa de circuito impreso de doble cara, que tiene un patrón conductor en ambos lados de la PCB (no debe confundirse con la de dos capas), entonces V-One proporciona la capacidad de perforar agujeros en dicha placa de circuito utilizando un cabezal de perforación especial (los agujeros pueden ser 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 y 1.6 mm). El cabezal de perforación es un módulo autónomo, cuyo poder está conectado por separado.


Cabezal de perforación Voltera V-One.


Taladre agujeros en la PCB con Voltera V-One, antes de imprimir un patrón conductor.


Dispositivo electrónico completamente terminado hecho con el Voltera V-One

V-One se puede utilizar para imprimir con cualquier compuesto viscoso, lo que abre grandes oportunidades para la experimentación.


Impresión de tinta conductiva en superficies de vidrio con Voltera V-One.

Para imprimir con materiales personalizados, debe comprar un conjunto de cartuchos vacíos y accesorios para repostarlos. Puede imprimir no solo en textolita, sino también en la superficie de otros materiales resistentes a una temperatura de 200 ° C, a la que la tinta conductora cura en vidrio, placas de plástico o películas. Las tintas estándar no son adecuadas para imprimir dispositivos electrónicos flexibles, ya que pierden su resistencia mecánica al doblarse repetidamente. Los desarrolladores prometen en un futuro próximo introducir una composición adecuada para estos fines.

Otra impresora 3D personal para la fabricación de dispositivos electrónicos es Voxel8 , fabricada por la empresa estadounidense Voxel8 Inc. Es de destacar que Voxel8 Inc. fundada por un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois que en 2011 demostró la capacidad de imprimir antenas con tintas conductoras (consulte el comienzo de esta revisión). Un vívido ejemplo de la implementación exitosa de los resultados de la investigación académica en productos comerciales prácticos.

Voxel8 combina completamente la funcionalidad de una impresora clásica FDM y una impresora DIW. Voxel8 no se centra únicamente en la producción de placas de circuito impreso, es una impresora FDM con la capacidad de integrar componentes arbitrarios de componentes electrónicos en el producto.

Voxel8

Apariencia de la impresora 3D Voxel8.

Caracteristicas

• Volumen del área de impresión: 150 × 150 × 100 mm.
• Tecnología de impresión: FDM, Robocasting (escritura directa de tinta)
• Altura de la capa: 0.2 mm
• Medios de impresión: PLA, tinta conductora
• Tiempo de curado de la tinta conductora: 5 minutos.
• Diámetro del filamento, mm: 1.75
• Plataforma climatizada: si
• Ancho de vía: 0.25 mm
• Software: Autodesk Project Wire, Euclid
• Formato de archivo: STL
• Interfaz para conectarse a una computadora: WiFi, Ethernet
• Precio, ₽: 1,065,168

Como Voxel8 está diseñado para dispositivos electrónicos totalmente tridimensionales, se utiliza un editor 3D especial Autodesk Project Wire, creado conjuntamente por Autodesk y Voxel8, para colocar componentes electrónicos y conectarlos entre sí.

Project Wire le permite importar un modelo 3D de un producto futuro sin un componente electrónico. Luego, el usuario, en el entorno de Project Wire, coloca componentes electrónicos en el volumen del producto, y el programa libera automáticamente un lugar para ellos en el modelo. Los componentes electrónicos se pueden seleccionar de la base de datos de componentes de Project Wire. Después de la colocación, los componentes se conectan mediante pistas conductoras, cuya dirección y forma se pueden editar moviendo los puntos de control.


Ventana Project Wire para colocar y conectar componentes electrónicos en el volumen del modelo.


Corte de modelos de productos con circuito electrónico tridimensional integrado.

La base del modelo está impresa desde PLA. La impresora interrumpe automáticamente la impresión para la colocación manual de componentes electrónicos en el modelo. Para facilitar la instalación, se puede quitar la plataforma de la impresora, junto con el producto. Luego se reanuda la impresión.


Impresión Quadrocopter con circuito electrónico 3D.


Instalación de componentes electrónicos internos durante la impresión.


Impresión continua después de montar componentes electrónicos internos.


Imagen de tomografía computarizada de un quadrocopter que muestra la distribución espacial de componentes electrónicos dentro del dispositivo.


Modelo y producto electrónico terminado hecho con Voxel8.

Como impresora para prototipos profesionales de PCB, considere la Nano Dimension DragonFly 2020 Pro .

DragonFly 2020 Pro

Apariencia de la impresora DragonFly 2020 Pro.

Caracteristicas

• Dimensiones totales, cm: (L × W × H) 140 × 80 × 180
• Peso, kg: 500
• Tecnología de impresión: inyección de tinta
• Materiales: conductivo (a base de nanopartículas de plata) y tinta dieléctrica.
• Número de cabezales de impresión: 2
• Ancho de vía mm: 0.1 mm
• El volumen del espacio de trabajo de la cámara, mm: 200 × 200 × 3
• Precisión, mm: 0.001
• Formato de archivo: Gerber
• Capacidad para imprimir placas de circuitos impresos multicapa: sí
• Sistema operativo: Windows, Mac OS, Linux

DragonFly 2020 Pro imprime no solo el patrón conductor de la placa, sino también su base. Está impreso a partir de una resina dieléctrica, similar en propiedades a la fibra de vidrio FR4, por lo que el producto puede tener cualquier forma y contener agujeros de montaje. A diferencia de las impresoras de PCB personalizadas, DragonFly 2020 Pro utiliza tecnología de inyección de tinta para garantizar una fabricación de alta precisión.


Tanto el material conductor como el aislante se curan con luz durante la impresión.


Varias placas de circuito impreso en la plataforma DragonFly 2020 Pro.


La preparación de la producción de PCB para DragonFly 2020 Pro se realiza en el paquete de software Switch.

Nano Dimension envía un complemento de SolidWorks con la impresora.


El complemento para SolidWorks le permite asignar materiales a varias partes del producto, colocar el producto dentro de la cámara de la impresora, realizar cortes y comenzar a imprimir.


Ejemplos de dispositivos electrónicos hechos con DragonFly 2020 Pro.

Otro desarrollador de impresoras 3D profesionales para electrónica es Optomec (Optomec). La compañía ofrece tecnología de aerosol (Aerosol Jet) para imprimir componentes electrónicos. En las impresoras que utilizan esta tecnología, la tinta primero ingresa a la cámara del atomizador, donde se dispersa en una suspensión de partículas con un diámetro de 1-5 micras. Luego, con una corriente de gas portador, este aerosol se aplica al sustrato. Este método recuerda al método de deposición por láser (Deposición de energía dirigida) utilizado para imprimir metales.


Antena de impresión en aerosol.

La tecnología Aerosol Jet imprime resistencias, condensadores, antenas y transistores de película delgada. Las características electrónicas de los componentes se pueden controlar cambiando la configuración de impresión. La tecnología le permite imprimir en superficies de diversa naturaleza: plástico, cerámica y metal. Después de la aplicación, la tinta se sinteriza con luz.

Optomec ofrece una gama de impresoras 3D profesionales que incorporan la tecnología Aerosol Jet. En algunos modelos de impresoras, este método se combina con un sistema de posicionamiento de sustrato multieje, por lo que los componentes electrónicos se pueden imprimir en casi cualquier superficie. Por ejemplo, las antenas se pueden imprimir directamente en una caja de teléfono celular. Uno de esos modelos:

Optomec Aerosol Jet 5X

Aspecto de la instalación de Aerosol Jet 5X.

Caracteristicas

• , : 200×300×200;
• : 2 ( );
• , : ± 2;
• , : ± 10 ( 100 )
• ;
• ;
• , , : 0,1 — 6;
• , : 1-5;
• , : 10-20 ( );
• ;
• 3D- ( ).

Aerosol Jet 5X .


,
Aerosol Jet 5X.


, Aerosol Jet 5X .

3D-

(, : , , .) 3D-: FDM, SLS, SLA.

, Gemecod («») 3D- Ikilock: , , , , , Polyjet. , 3D- .


Ikilock, 3D-.


Caja de dispositivo electrónico fabricada por SLS.


Caja de dispositivo electrónico FDM.

Una dirección interesante es el uso de la impresión 3D para la fabricación de fuselajes de vehículos aéreos no tripulados. El material para esto debe ser ligero y duradero. Nano-racing ("Nano-racing") utiliza dichos fuselajes hechos por SLS para sus drones.


Drones de nano-carreras con fuselaje de impresión 3D.

La impresión de fuselajes de drones también se puede implementar utilizando el método FDM. ¡Una buena opción para estos fines es Filamentarno! Pro Aerotex :



Cabe señalar que para la fabricación de carcasas de dispositivos electrónicos, es deseable utilizar materiales con un riesgo reducido de descarga electrostática (ESD-Safe). Muchos materiales comunes para la impresión FDM tienen sus modificaciones antiestáticas : PLA, ABS, PETG; Modificaciones ESD-Safe de plásticos de ingeniería: Ultem, PPS, PVDF, PC, POM.


Parte de Apium POM-C ESD con riesgo reducido de descarga electrostática.

Un buen ejemplo es el ABS-ESD7 Stratasys .


Parte de ABS-ESD7 Stratasys .

Conclusión

Como vemos en los ejemplos anteriores, la impresión 3D ya ha alcanzado un desarrollo suficiente para aplicarse no solo en la fabricación de cajas y prototipos, sino también en componentes electrónicos con todas las funciones. Los dispositivos mencionados en el artículo se pueden usar tanto en desarrollo como en creación de prototipos, para crear prototipos y para producción comercial en serie. No te olvides de la posibilidad de uso educativo.

Impresora personal compacta Voltera V-Onees una excelente solución para la creación rápida de prototipos de placas de circuito impreso simples y su optimización. V-One sigue el paradigma planar clásico y será útil para cualquier empresa involucrada en el diseño o reparación de productos electrónicos. Voltera V-One tiene un gran potencial para su uso en escuelas y universidades técnicas, ya que le permite hacer rápidamente un prototipo de tablero y, por lo tanto, puede integrarse fácilmente en el proceso educativo.

Voxel8- Una solución para crear productos electrónicos simultáneamente con la carcasa y las estructuras de soporte. El uso de PLA puede limitar el uso de esta impresora en una serie de tareas en las que el funcionamiento de la electrónica está asociado con una disipación de calor notable, ya que este plástico no difiere en la alta resistencia al calor. Voxel8 puede ser una opción interesante para entusiastas de la impresión 3D, fabricantes e instituciones educativas. Pero su precio, que es más apropiado para el equipo profesional, lo hace más adecuado para que los desarrolladores realicen prototipos funcionales de productos.

Especialización en impresoras 3D Nano Dimension Professional — . Optomec : , , .

3D- Top 3D Shop .

¿Quieres más noticias interesantes del mundo de la tecnología 3D?

Suscríbase a nosotros en las redes sociales. redes: