Présentation de l'application 3D électronique

L'impression 3D semble à beaucoup d'une sorte de méthode de production universelle fantastique, avec laquelle vous pouvez créer n'importe quoi: il suffit de charger le modèle, d'attendre un peu, et maintenant c'est un produit prêt à l'emploi.

Dans certains domaines, en particulier en génie mécanique, cela a déjà été réalisé: la grande majorité des imprimantes 3D se concentrent sur l'impression avec le même type de matériau, par exemple des polymères thermoplastiques ou des métaux, ce qui est largement suffisant pour la production de pièces mécaniques.


Les produits mécaniques et leurs pièces peuvent même être fabriqués à l'aide d'imprimantes 3D personnelles peu coûteuses.

Dès que nous sommes confrontés à la nécessité de fabriquer un produit composé de différents types de matériaux, le besoin se fait sentir d'équipements spécialisés plus sophistiqués. Le domaine de ces produits est l'électronique.

L'impression 3D est déjà utilisée aujourd'hui dans l'électronique, et la fabrication additive présente des avantages significatifs par rapport aux méthodes traditionnelles dans la production de composants électroniques individuels, malgré le fait que l'utilisation de l'impression 3D dans l'électronique a commencé très récemment - la première imprimante 3D pour l'impression de composants électroniques a été vendue en 2015.


Nano Dimension Dragonfly 2020 est la première imprimante 3D de qualité professionnelle conçue pour la fabrication additive de PCB.

L'utilisation de l'impression 3D en électronique peut être divisée en deux domaines:
1. Impression 3D des composants électroniques réels: cartes de circuits imprimés, antennes, etc.;
2. Production de boîtiers et autres accessoires pour l'électronique.

Impression 3D de composants électroniques

Malgré le fait que l'intégration de l'impression 3D dans la production d'électronique ait commencé assez récemment, la recherche universitaire dans ce domaine a été menée il y a relativement longtemps et les résultats de ces travaux ont, à bien des égards, servi de base à la création d'imprimantes 3D professionnelles pour l'impression de composants électroniques. L'histoire du développement expérimental dans ce domaine remonte à 1992.


Motif conducteur de projection thermique. Le substrat est pré-sablé pour fournir une meilleure adhérence au matériau pulvérisé. Extrait de "Manufacturing mechatronics using thermal spray shape deposition" (J. Beck, F. Prinz, D. Siewiorek, LE Weiss, Proc. Solid Freeform Fabrication Symp., 1992, pp. 272-279).

Robocasting

En 2009, des chercheurs de l'Université de l'Illinois (USA) ont développé des encres conductrices à base de nanoparticules d'argent. Lors de l'impression, ces encres sont extrudées à partir d'une micro-buse et appliquées sur un substrat polymère. Ensuite, lorsqu'elles sont chauffées à 150 ° C, les particules d'argent s'agglomèrent, formant un réseau continu, et les lignes d'encre deviennent conductrices. Ainsi, il devient possible de créer un dessin de conducteurs par la méthode de Robocasting (Direct Ink Writing), en les combinant avec d'autres composants électroniques, qui est la base de la conception de la plupart des appareils électroniques.


(A) - Conception d'une usine pilote pour l'impression à l'encre conductrice par robotisation; (B) est une micrographie électronique de nanoparticules d'argent dans une encre conductrice.

La méthode de coulée robotisée consiste à former un produit couche par couche par extrusion d'un matériau pâteux (contrairement à la méthode FDM, dans laquelle la masse fondue du matériau est extrudée). En règle générale, la viscosité d'un tel matériau dépend sensiblement de la contrainte de cisaillement: avec une contrainte de cisaillement importante, la viscosité est faible et le matériau est facilement extrudé de la buse; dès que la contrainte de cisaillement diminue, la viscosité augmente, de sorte que le produit formé sur la plate-forme continue de conserver sa forme. Ensuite, le produit peut être soumis à un traitement thermique supplémentaire, pour donner une plus grande résistance mécanique.


Représentation schématique de la méthode de robocasting: (A) - Imprimante 3D avec plusieurs réservoirs pour alimenter la tête d'impression en matériaux, (B, C) - structure de buse et de couche du produit, typique de la méthode de robocasting

En 2011, par le même groupe de chercheurs, des encres conductrices avec une teneur en nanoparticules d'argent de 72% en masse ont été utilisées pour l'impression 3D d'antennes miniatures, dont le besoin augmente chaque année, en raison du développement généralisé des technologies sans fil. De plus, l'antenne a été imprimée sur la surface de l'hémisphère, et non sur une table plate: cette méthode d'impression est appelée impression 3D conforme. Le temps d'impression d'une antenne, selon la vitesse, variait de 0,5 à 3 heures. Pour atteindre une conductivité maximale, avec une composition d'encre donnée, l'antenne imprimée a été traitée thermiquement à 550 ° C.


Processus d'impression d'une antenne en matériau conducteur sur les surfaces extérieure (A) et intérieure (B) de l'hémisphère en verre; (C, D) - l'antenne terminée.

Une méthode similaire de coulée robotisée avec de l'encre conductrice est également utilisée pour organiser les interconnexions sur les cartes de circuits imprimés: la base de la carte de circuits imprimés est réalisée à l'aide de la méthode FDM, SLS ou SLA, puis un motif électriquement conducteur est formé sur la surface de la carte. La fabrication de cartes de circuits imprimés par des méthodes classiques est un processus long. Si la conception de la carte de circuit imprimé nécessite une optimisation en plusieurs étapes, le temps de production du produit prototype est considérablement augmenté. Par conséquent, la technologie pour la fabrication rapide de cartes de circuits imprimés sur place est pertinente pour les développeurs d'électronique.


Les principales étapes de la production de circuits imprimés électroniques par impression 3D et d'un circuit imprimé fini avec des composants électroniques, dont la base est en Ultem 9085 de FDM.

L'impression 3D simplifie considérablement la transition de la disposition planaire classique des appareils électroniques à la disposition volumétrique , ce qui permet une utilisation beaucoup plus efficace du volume pour une disposition dense des éléments. Cet arrangement est le plus pertinent dans l'industrie aérospatiale.


Un dé électronique hexagonal contenant un microprocesseur, un accéléromètre et des LED, qui ont été créés en utilisant les méthodes SLA (pour imprimer un tableau de cubes) et DIW (pour créer un motif électriquement conducteur).


Capteur à effet Hall pour mesurer la force du champ magnétique, fabriqué par SLA et robocasting.


Micro-accumulateurs lithium-ion robotisés.

Imprimantes 3D pour la fabrication de PCB

La production de motifs électriquement conducteurs par la méthode de la coulée sous pression a trouvé une application dans l'imprimante personnelle compacte V-One de la société canadienne Voltera, destinée à la production de circuits imprimés. Voltera V-One est un appareil multifonction qui combine les capacités d'une imprimante 3D et d'un routeur CNC.

Voltera v-one

Apparence de l'imprimante Voltera V-One.

CARACTÉRISTIQUES

• Caractéristiques clés de l'imprimante Voltera V-One:
• Dimensions hors tout, mm: (L × W × H) 390 × 257 × 207
• Poids, kg: 7
• Zone d'impression, mm: 128 × 105
• Technologie d'impression: Robocasting (écriture directe à l'encre)
• Largeur minimale de voie, mm: 0,2
• Matériau de support PCB: fibre de verre FR4
• L'épaisseur maximale de la carte de circuit imprimé, mm: 3
• Température maximale de la plate-forme de travail, ° C: 240
• Composition de pâte à souder: Sn (42%) / Bi (57,6%) / Ag (0,4%)
• Température de préchauffage de la carte en mode soudage, ° C: 180-210
• Vitesse de rotation maximale de la broche de la tête de forage, tr / min: 13000
• Système d'exploitation: Windows 7, 8, 10 (64 bits), OSX 10.11+
• Format de fichier: Gerber
• Interface de connexion à un ordinateur: USB filaire
• Prix, ₽: 637 872

À la première étape de la production de PCB à l'aide de V-One, un projet de PCB Gerber (* .gbr), créé, par exemple, à l'aide du progiciel Eagle, est chargé dans le logiciel de l'imprimante.


Conception de PCB dans le logiciel Autodesk Eagle.


Conception de PCB dans le programme de préparation d'impression pour le Voltera V-One.

Ensuite, la base de la carte PCB est fixée sur la plate-forme chauffée de l'imprimante à l'aide de pinces linéaires, après quoi vous pouvez procéder à l'impression du motif conducteur de la carte avec de l'encre spéciale contenant 90% de particules d'argent. Les paramètres électriques de ces encres conviennent aux appareils numériques et à l'électronique à faible courant fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 5 GHz.


Imprimez un motif conducteur sur une carte de circuit imprimé avec des encres spéciales à haute teneur en argent.

Pendant l'impression, la pâte est dans une cartouche de seringue remplaçable avec un simple entraînement mécanique pour alimenter la pâte. Une cartouche suffit pour imprimer des pistes d'une longueur totale de 100 mètres, avec une largeur de piste de 0,2 mm. Conservez la cartouche d'encre au réfrigérateur.


Tête d'impression Voltera V-One.

Une fois la couche conductrice imprimée, la carte est rabattue par le motif conducteur et placée sur les rails pour l'empêcher de toucher la surface de la plate-forme, qui est chauffée pour durcir l'encre. Sous l'influence du chauffage, le matériau conducteur passe d'un état pâteux à un état solide. Le séchage de l'encre prend environ 30 minutes. Lorsque le chauffage de la plate-forme est activé, les voyants latéraux de l'imprimante changent de couleur du bleu au rouge, pour avertir l'opérateur.

V-One vous permet d'imprimer des cartes à double couche contenant deux couches conductrices. Par conséquent, l'imprimante est capable d'appliquer un matériau diélectrique sur la première couche conductrice pour l'isoler de la seconde couche conductrice. La deuxième couche conductrice est imprimée après séchage de la couche de matériau isolant.


Application d'un matériau isolant à l'intersection des couches conductrices lors de la fabrication d'une carte de circuit imprimé à deux couches.

Le changement de la cartouche pour l'impression avec un autre matériau ne nécessite pas de démontage et est très rapide, car les cartouches sont montées sur des supports magnétiques.

Au stade final, avec l'aide de l'imprimante, de la pâte à souder est appliquée sur les lieux d'installation des composants électroniques. La pâte ne contient pas de plomb, ce qui protège la santé de l'utilisateur. Vous pouvez appliquer la pâte non seulement sur des cartes imprimées sur V-One, mais également sur des cartes avec un motif conducteur prêt à l'emploi.


Application de pâte à souder après l'impression d'un motif conducteur: A - le processus d'application de pâte à souder sur une carte imprimée à l'aide de V-One; B - une carte qui est complètement prête pour le montage de composants électroniques; C - appliquer de la pâte à souder sur une carte avec un motif conducteur fini.


Le placement des composants électroniques sur une carte de circuit imprimé est manuel.

Après avoir placé les composants électroniques sur la carte, la plate-forme chauffe et les composants sont soudés aux plots.
S'il est nécessaire de fabriquer une carte de circuit imprimé double face avec un motif conducteur des deux côtés du PCB (à ne pas confondre avec la carte à deux couches), alors V-One offre la possibilité de percer des trous dans une telle carte de circuit imprimé à l'aide d'une tête de forage spéciale (les trous peuvent être 0,7, 0,8, 0,9, 1,0 et 1,6 mm). La tête de forage est un module autonome dont la puissance est connectée séparément.


Tête de perçage Voltera V-One.


Percer des trous dans le PCB à l'aide du Voltera V-One, avant d'imprimer un motif conducteur.


Appareil électronique entièrement fini fabriqué avec le Voltera V-One

V-One peut être utilisé pour l'impression avec tous les composés visqueux, ce qui ouvre de grandes possibilités d'expérimentation.


Impression à l'encre conductrice sur des surfaces en verre avec la Voltera V-One.

Pour imprimer avec des matériaux personnalisés, vous devez acheter un ensemble de cartouches vides et d'accessoires pour les faire le plein. Vous pouvez imprimer non seulement sur du textolite, mais également sur la surface d'autres matériaux résistants à une température de 200 ° C, à laquelle l'encre conductrice durcit sur le verre, les plaques en plastique ou les films. Les encres standard ne conviennent pas pour l'impression de dispositifs électroniques flexibles, car elles perdent leur résistance mécanique lors de pliages répétés. Les développeurs promettent dans un proche avenir d'introduire une composition appropriée à ces fins.

Une autre imprimante 3D personnelle pour la fabrication d'appareils électroniques est la Voxel8 , fabriquée par la société américaine Voxel8 Inc. Il est à noter que Voxel8 Inc. fondée par une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois qui a démontré en 2011 la capacité d'imprimer des antennes avec des encres conductrices (voir le début de cette revue). Un exemple frappant de la mise en œuvre réussie des résultats de la recherche universitaire dans des produits commerciaux pratiques.

Voxel8 combine pleinement les fonctionnalités d'une imprimante FDM classique et d'une imprimante DIW. Voxel8 ne se concentre pas uniquement sur la production de cartes de circuits imprimés, il s'agit d'une imprimante FDM capable d'intégrer des composants arbitraires de composants électroniques dans le produit.

Voxel8

Apparence de l'imprimante 3D Voxel8.

CARACTÉRISTIQUES

• Volume de la zone d'impression: 150 × 150 × 100 mm
• Technologie d'impression: FDM, Robocasting (écriture directe à l'encre)
• Hauteur de couche: 0,2 mm
• Supports d'impression: PLA, encre conductrice
• Temps de durcissement de l'encre conductrice: 5 minutes
• Diamètre du filament, mm: 1,75
• Plateforme chauffée: oui
• Largeur de piste: 0,25 mm
• Logiciel: Autodesk Project Wire, Euclid
• Format de fichier: STL
• Interface de connexion à un ordinateur: WiFi, Ethernet
• Prix, ₽: 1,065,168

Étant donné que Voxel8 est conçu pour les appareils électroniques entièrement en trois dimensions, un éditeur 3D spécial Autodesk Project Wire, créé conjointement par Autodesk et Voxel8, est utilisé pour placer les composants électroniques et les câbler ensemble.

Project Wire vous permet d'importer un modèle 3D d'un futur produit sans composant électronique. Ensuite, l'utilisateur, dans l'environnement Project Wire, place des composants électroniques dans le volume du produit et le programme leur libère automatiquement une place dans le modèle. Les composants électroniques peuvent être sélectionnés dans la base de données des composants Project Wire. Après le placement, les composants sont connectés par des pistes conductrices, dont la direction et la forme peuvent être modifiées en déplaçant les points de contrôle.


Fenêtre Project Wire pour placer et connecter des composants électroniques dans le volume du modèle.


Modèles de produits tranchants avec circuit électronique tridimensionnel intégré.

La base du modèle est imprimée en PLA. L'imprimante interrompt automatiquement l'impression pour le placement manuel des composants électroniques dans le modèle. Pour faciliter l'installation, la plate-forme de l'imprimante et le produit peuvent être retirés. L'impression reprend ensuite.


Impression quadricoptère avec circuit électronique 3D.


Installation de composants électroniques internes lors de l'impression.


Poursuite de l'impression après le montage des composants électroniques internes.


Image de tomodensitométrie d'un quadricoptère montrant la distribution spatiale des composants électroniques à l'intérieur de l'appareil.


Modèle et produit électronique fini fabriqués à l'aide de Voxel8.

En tant qu'imprimante pour le prototypage professionnel de PCB, considérez la Nano Dimension DragonFly 2020 Pro .

DragonFly 2020 Pro

Apparence de l'imprimante DragonFly 2020 Pro.

CARACTÉRISTIQUES

• Dimensions hors tout, cm: (L × W × H) 140 × 80 × 180
• Poids, kg: 500
• Technologie d'impression: Jet d'encre
• Matériaux: conducteur (à base de nanoparticules d'argent) et encre diélectrique
• Nombre de têtes d'impression: 2
• Largeur de voie mm: 0,1 mm
• Le volume de l'espace de travail de la caméra, mm: 200 × 200 × 3
• Précision, mm: 0,001
• Format de fichier: Gerber
• Possibilité d'imprimer des cartes de circuits imprimés multicouches: oui
• Système d'exploitation: Windows, Mac OS, Linux

DragonFly 2020 Pro imprime non seulement le motif conducteur de la carte, mais également sa base. Il est imprimé à partir d'une résine diélectrique, aux propriétés similaires à la fibre de verre FR4, de sorte que le produit peut être de n'importe quelle forme et contenir des trous de montage. Contrairement aux imprimantes PCB personnalisées, DragonFly 2020 Pro utilise la technologie jet d'encre pour garantir une fabrication de haute précision.


Les matériaux conducteurs et isolants sont durcis par la lumière pendant l'impression.


Plusieurs cartes de circuits imprimés sur la plateforme DragonFly 2020 Pro.


La préparation de la production de PCB pour DragonFly 2020 Pro se fait dans le logiciel Switch.

Nano Dimension expédie un plug-in SolidWorks avec l'imprimante.


Le plugin pour SolidWorks vous permet d'affecter des matériaux à différentes parties du produit, de positionner le produit à l'intérieur de l'appareil photo de l'imprimante, d'effectuer des découpes et de lancer l'impression.


Exemples d'appareils électroniques fabriqués avec DragonFly 2020 Pro.

Un autre développeur d'imprimantes 3D professionnelles pour l'électronique est Optomec (Optomec). La société propose la technologie de pulvérisation d'aérosol (Aerosol Jet) pour l'impression de composants électroniques. Dans les imprimantes utilisant cette technologie, l'encre pénètre d'abord dans la chambre de l'atomiseur, où elle se disperse en une suspension de particules d'un diamètre de 1 à 5 microns. Ensuite, avec un flux de gaz vecteur, cet aérosol est appliqué sur le substrat. Cette méthode n'est pas sans rappeler la méthode de dépôt laser (Directed Energy Deposition) utilisée pour l'impression des métaux.


Impression par pulvérisation d'antenne.

La technologie Aerosol Jet imprime des résistances, des condensateurs, des antennes et des transistors à couches minces. Les caractéristiques électroniques des composants peuvent être contrôlées en modifiant les paramètres d'impression. La technologie vous permet d'imprimer sur des surfaces de différentes natures: plastique, céramique et métal. Après application, l'encre est frittée avec de la lumière.

Optomec propose une gamme d'imprimantes 3D professionnelles intégrant la technologie Aerosol Jet. Dans certains modèles d'imprimantes, cette méthode est combinée avec un système de positionnement de substrat multi-axes, de sorte que les composants électroniques peuvent être imprimés sur presque toutes les surfaces. Par exemple, les antennes peuvent être imprimées directement sur un étui de téléphone portable. Un de ces modèles:

Optomec Aerosol Jet 5X

Apparence de l'installation Aerosol Jet 5X.

CARACTÉRISTIQUES

• Dimensions de la zone de travail, mm: 200 × 300 × 200;
• : 2 ( );
• , : ± 2;
• , : ± 10 ( 100 )
• ;
• ;
• , , : 0,1 — 6;
• , : 1-5;
• , : 10-20 ( );
• ;
• 3D- ( ).

Aerosol Jet 5X .


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Aerosol Jet 5X.


, Aerosol Jet 5X .

Impression 3D de boîtiers et d'outillage pour appareils électroniques

Pour la production de boîtiers et d'équipements mécaniques (par exemple, des pièces d'unités d'actionnement: guides, engrenages, poulies, etc.) pour des appareils électroniques, des méthodes d'impression 3D classiques sont utilisées: FDM, SLS, SLA.

Par exemple, Gemecod (Gemcode) a utilisé l'impression 3D pour fabriquer des pièces mécaniques pour les serrures électroniques Ikilock: les grandes pièces qui ne nécessitaient pas une qualité de surface élevée étaient en polyamide, les petites pièces avec une faible rugosité de surface ont été fabriquées à l'aide de la technologie Polyjet. Selon les développeurs, l'utilisation de l'impression 3D a accéléré plusieurs fois l'optimisation de la conception du produit.


Pièces mécaniques de la serrure électronique Ikilock, réalisées par impression 3D.


Boîtier pour appareil électronique fabriqué par SLS.


Boîtier d'appareil électronique FDM.

Une direction intéressante est l'utilisation de l'impression 3D pour la fabrication de fuselages de véhicules aériens sans pilote. Le matériau pour cela doit être à la fois léger et durable. Nano-racing (Nano-racing) utilise de tels fuselages fabriqués par SLS pour ses drones.


Drones de nano-course avec fuselage d'impression 3D.

L'impression de fuselages de drone peut également être implémentée à l'aide de la méthode FDM. Un bon choix à ces fins est Filamentarno! Pro Aerotex :



Il convient de noter que pour la fabrication de boîtiers d'appareils électroniques, il est souhaitable d'utiliser des matériaux à risque réduit de décharge électrostatique (ESD-Safe). De nombreux matériaux courants pour l'impression FDM ont leurs modifications antistatiques : PLA, ABS, PETG; Modifications ESD-Safe des plastiques techniques: Ultem, PPS, PVDF, PC, POM.


Pièce en Apium POM-C ESD avec un risque réduit de décharge électrostatique.

Un bon exemple est l' ABS-ESD7 Stratasys .


Pièce ABS-ESD7 Stratasys .

Conclusion

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Voltera V-Oneest une excellente solution pour le prototypage rapide de circuits imprimés simples et leur optimisation. V-One suit le paradigme planaire classique et sera utile pour toute entreprise impliquée dans la conception ou la réparation d'électronique. Voltera V-One a un grand potentiel d'utilisation dans les écoles et les universités techniques, car il vous permet de créer rapidement un prototype de carte et, ainsi, peut être facilement intégré dans le processus éducatif.

Voxel8- Une solution pour créer des produits électroniques simultanément avec le boîtier et les structures de support. L'utilisation de PLA peut limiter l'utilisation de cette imprimante dans un certain nombre de tâches dans lesquelles le fonctionnement de l'électronique est associé à une dissipation thermique notable, car ce plastique ne diffère pas par une résistance thermique élevée. Voxel8 peut être une option intéressante pour les amateurs d'impression 3D, les fabricants et les établissements d'enseignement. Mais son prix, qui est plus approprié pour les équipements professionnels, le rend plus adapté aux développeurs pour prototyper fonctionnellement les produits.

Spécialisation de l'imprimante 3D professionnelle Nano Dimension — . Optomec : , , .

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