A impressão 3D parece para muitos um tipo de método de produção universal fantástico, com o qual você pode criar qualquer coisa: basta carregar o modelo, esperar um pouco e agora ele é um produto pronto para uso.
Em algumas áreas, em particular na engenharia mecânica, isso já foi realizado: a grande maioria das impressoras 3D está focada na impressão com o mesmo tipo de material, por exemplo, polímeros ou metais termoplásticos, o que é suficiente para a produção de peças mecânicas.
Os produtos mecânicos e suas peças podem até ser fabricados usando impressoras 3D pessoais baratas.Assim que somos confrontados com a necessidade de fabricar um produto que consiste em diferentes tipos de materiais, surge a necessidade de equipamentos especializados mais sofisticados. A área que lida com esses produtos é eletrônica.
A impressão 3D já é usada hoje em eletrônica, e a fabricação aditiva tem vantagens significativas sobre os métodos tradicionais na produção de componentes eletrônicos individuais, apesar do uso da impressão 3D em eletrônica ter começado muito recentemente - a primeira impressora 3D para impressão de componentes eletrônicos foi vendida em 2015.
A Nano Dimension Dragonfly 2020 é a primeira impressora 3D de nível profissional projetada para a fabricação aditiva de PCB.O uso da impressão 3D em eletrônicos pode ser dividido em duas áreas:
1. Impressão 3D dos componentes eletrônicos atuais: placas de circuito impresso, antenas, etc;
2. Produção de gabinetes e outros acessórios para eletrônicos.
Impressão 3D de componentes eletrônicos
Apesar de a integração da impressão 3D na produção de eletrônicos ter começado recentemente, a pesquisa acadêmica nessa área foi realizada há relativamente tempo, e os resultados desses trabalhos, em muitos aspectos, serviram de base para a criação de impressoras 3D profissionais para impressão de componentes eletrônicos. A história do desenvolvimento experimental nessa área remonta a 1992.
Padrão condutor de pulverização térmica. O substrato é pré-jateado para proporcionar melhor aderência ao material pulverizado. De "Mecatrônica de fabricação usando deposição de forma de spray térmico" (J. Beck, F. Prinz, D. Siewiorek, LE Weiss, Proc. Solid Freeform Fabrication Symp., 1992, pp. 272-279).Robocasting
Em 2009, pesquisadores da Universidade de Illinois (EUA)
desenvolveram tintas condutoras baseadas em nanopartículas de prata. Na impressão, essas tintas são extrudadas de um micro bico e aplicadas a um substrato de polímero. Em seguida, quando aquecidas a 150 ° C, as partículas de prata se aglomeram, formando uma matriz contínua, e as linhas de tinta se tornam condutoras. Assim, torna-se possível criar um desenho de condutores pelo método de Robocasting (Direct Ink Writing), combinando-os com outros componentes eletrônicos, que é a base para o design da maioria dos dispositivos eletrônicos.
(A) - Projeto de uma planta piloto para impressão com tinta condutora por jateamento; (B) é uma micrografia eletrônica de nanopartículas de prata em uma tinta condutora.O método de robocasting consiste na formação de camada por camada, por extrusão de um material em pasta (em contraste com o método FDM, no qual a fusão do material é extrudada). Por via de regra, a viscosidade de tal material depende substancialmente da tensão de cisalhamento: com uma tensão de cisalhamento significativa, a viscosidade é pequena e o material é facilmente extrudado do bico; assim que a tensão de cisalhamento diminui, a viscosidade se torna maior, de modo que o produto formado na plataforma continua a manter sua forma. Em seguida, o produto pode ser submetido a tratamento térmico adicional, para proporcionar maior resistência mecânica.
Representação esquemática do método de robocasting: (A) - Impressora 3D com vários tanques para alimentar os materiais com a cabeça de impressão; (B, C) - estrutura dos bicos e camadas do produto, típica do método de robocasting.Em 2011, pelo mesmo grupo de pesquisadores, tintas condutoras com um teor de nanopartículas de prata de 72% em massa
foram usadas para impressão 3D de antenas em miniatura, cuja necessidade está aumentando a cada ano, devido ao amplo desenvolvimento de tecnologias sem fio. Além disso, a antena foi impressa na superfície do hemisfério, e não em uma mesa plana: esse método de impressão é chamado de impressão 3D conforme. O tempo de impressão de uma antena, dependendo da velocidade, variou de 0,5 a 3 horas. Para obter a máxima condutividade, com uma determinada composição de tinta, a antena impressa foi tratada termicamente a 550 ° C.
O processo de impressão de uma antena de material condutor nas superfícies externa (A) e interna (B) do hemisfério de vidro; (C, D) - a antena pronta.Um método semelhante de fundição robótica com tinta condutora também
é usado para organizar as interconexões nas placas de circuito impresso: a base da placa de circuito impresso é feita usando o método FDM, SLS ou SLA e, em seguida, um padrão eletricamente condutor é formado na superfície da placa. A fabricação de placas de circuito impresso por métodos clássicos é um processo demorado. Se o design da placa de circuito impresso exigir otimização em vários estágios, o tempo de produção do protótipo será aumentado significativamente. Portanto, a tecnologia para a fabricação rápida de placas de circuito impresso no local é relevante para desenvolvedores de eletrônicos.
As principais etapas da produção de placas de circuitos eletrônicos por impressão 3D e uma placa de circuitos acabada com componentes eletrônicos, cuja base é fabricada em Ultem 9085 pela FDM.A impressão 3D simplifica bastante a transição do layout plano clássico dos dispositivos eletrônicos para o
layout volumétrico , o que permite um uso muito mais eficiente do volume para um layout denso de elementos. Esse arranjo é mais relevante na indústria aeroespacial.
Dados eletrônicos hexagonais contendo microprocessador, acelerômetro e LEDs, criados com os métodos SLA (para imprimir uma matriz de cubos) e DIW (para criar um padrão eletricamente condutor).Sensor Hall para medir a força do campo magnético, fabricado por SLA e por robocastingRobocasting de microacumuladores de íons de lítio.Impressoras 3D para fabricação de PCB
A produção de padrões eletricamente condutores pelo método de robocasting encontrou aplicação na impressora pessoal compacta V-One da empresa canadense Voltera, destinada à produção de placas de circuito impresso.
O Voltera V-One é um dispositivo multifuncional que combina os recursos de uma impressora 3D e um roteador CNC.
Aparência da impressora Voltera V-One.Características
- Principais recursos da impressora Voltera V-One:
- Dimensões totais, mm: (C × L × A) 390 × 257 × 207
- Peso, kg: 7
- Área de impressão, mm: 128 × 105
- Tecnologia de impressão: Robocasting (escrita direta a tinta)
- Largura mínima da via, mm: 0,2
- Material de apoio para PCB: fibra de vidro FR4
- A espessura máxima da placa de circuito impresso, mm: 3
- Temperatura máxima da plataforma de trabalho, ° C: 240
- Composição da pasta de solda: Sn (42%) / Bi (57,6%) / Ag (0,4%)
- Temperatura de aquecimento da placa no modo de solda, ° C: 180-210
- Velocidade máxima de rotação do cabeçote da broca, rpm: 13000
- Sistema operacional: Windows 7, 8, 10 (64 bits), OSX 10.11+
- Formato de arquivo: Gerber
- Interface para conectar a um computador: USB com fio
- Preço, ₽: 637 872
No primeiro estágio da produção de PCBs usando o V-One, um projeto de PCBs Gerber (* .gbr), criado, por exemplo, usando o pacote de software Eagle, é carregado no software da impressora.
Projeto de placas de circuito impresso no software Autodesk Eagle.Projeto de PCB no programa de preparação de impressão para o Voltera V-One.Em seguida, a base da placa PCB é fixada na plataforma aquecida da impressora usando grampos lineares. Depois disso, você pode imprimir o padrão condutor da placa com tinta especial contendo 90% de partículas de prata. Os parâmetros elétricos dessas tintas são adequados para dispositivos digitais e eletrônicos de baixa corrente operando em frequências de até 5 GHz.
Imprima um padrão condutor em uma placa de circuito impresso com tintas especiais com alto teor de prata.Durante a impressão, a pasta está em um cartucho de seringa substituível com uma unidade mecânica simples para alimentar a pasta. Um cartucho é suficiente para imprimir faixas com um comprimento total de 100 metros, com uma largura de faixa de 0,2 mm. Guarde o cartucho de tinta na geladeira.
Cabeça de impressão Voltera V-One.Após a impressão da camada condutora, a placa é abaixada pelo padrão condutor e colocada nos trilhos para impedir que ela toque a superfície da plataforma, que é aquecida para curar a tinta. Sob a influência do aquecimento, o material condutor passa de um estado pastoso para um sólido. A secagem da tinta leva cerca de 30 minutos. Quando o aquecimento da plataforma é ativado, as luzes laterais da impressora mudam de cor de azul para vermelho, para avisar o operador.
A V-One permite imprimir placas de camada dupla que contêm duas camadas condutoras. Portanto, a impressora é capaz de aplicar material dielétrico sobre a primeira camada condutora para isolá-lo da segunda camada condutora. A segunda camada condutora é impressa após a camada de material isolante ser seca.
Aplicação de material isolante na interseção das camadas condutoras durante a produção de uma placa de circuito impresso de duas camadas.A troca do cartucho para impressão com outro material não requer desmontagem e é muito rápida, devido ao fato de os cartuchos serem montados em montagens magnéticas.
Na fase final, com a ajuda da impressora, a pasta de solda é aplicada nos locais de instalação dos componentes eletrônicos. A pasta não contém chumbo, o que protege a saúde do usuário. Você pode aplicar a pasta não apenas em placas impressas no V-One, mas também em placas com um padrão condutor pronto.
Aplicação de pasta de solda após a impressão de um padrão condutor: A - o processo de aplicação de pasta de solda em uma placa impressa usando V-One; B - uma placa que está completamente pronta para montagem de componentes eletrônicos; C - aplicação de pasta de solda em uma placa com um padrão condutor acabado.A colocação de componentes eletrônicos em uma placa de circuito impresso é manual.Depois de colocar os componentes eletrônicos na placa, a plataforma esquenta e os componentes são soldados nas almofadas.
Se for necessário fabricar uma placa de circuito impresso frente e verso com um padrão condutor nos dois lados da PCB (para não confundir com a de duas camadas), o V-One oferece a capacidade de fazer furos nessa placa de circuito usando uma cabeça de perfuração especial (os furos podem ser 0,7, 0,8, 0,9. 1,0 e 1,6 mm). A cabeça da broca é um módulo autônomo, cuja energia é conectada separadamente.
Cabeça de perfuração Voltera V-One.Faça furos na PCB usando o Voltera V-One, antes de imprimir um padrão condutor.Dispositivo eletrônico totalmente acabado, fabricado com o Voltera V-OneO V-One pode ser usado para imprimir com qualquer composto viscoso, o que abre grandes oportunidades para experimentação.
Impressão de tinta condutora em superfícies de vidro com o Voltera V-One.Para imprimir com materiais personalizados, você precisa adquirir um conjunto de cartuchos e acessórios vazios para reabastecê-los. Você pode imprimir não apenas em textólito, mas também na superfície de outros materiais resistentes a uma temperatura de 200 ° C, na qual a tinta condutora cura em vidro, placas de plástico ou filmes. As tintas padrão não são adequadas para a impressão de dispositivos eletrônicos flexíveis, pois perdem sua resistência mecânica ao dobrar repetidamente. Os desenvolvedores prometem, em um futuro próximo, introduzir uma composição adequada para esses fins.
Outra impressora 3D pessoal para a fabricação de dispositivos eletrônicos é a
Voxel8 , fabricada pela empresa americana Voxel8 Inc. Vale ressaltar que a Voxel8 Inc. fundada por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois que em 2011 demonstrou a capacidade de imprimir antenas com tintas condutoras (consulte o início desta revisão). Um exemplo vívido da implementação bem-sucedida dos resultados de pesquisas acadêmicas em produtos comerciais práticos.
O Voxel8 combina totalmente a funcionalidade de uma impressora FDM clássica e uma impressora DIW. O Voxel8 não se concentra apenas na produção de placas de circuito impresso, é uma impressora FDM com a capacidade de integrar componentes arbitrários de componentes eletrônicos no produto.
Aparência da impressora 3D Voxel8.Características
- Volume da área de impressão: 150 × 150 × 100 mm
- Tecnologia de impressão: FDM, Robocasting (gravação direta a tinta)
- Altura da camada: 0,2 mm
- Mídia de impressão: PLA, tinta condutora
- Tempo de cura da tinta condutora: 5 minutos
- Diâmetro do Filamento, mm: 1,75
- Plataforma aquecida: sim
- Largura da esteira: 0,25 mm
- Software: Autodesk Project Wire, Euclid
- Formato de arquivo: STL
- Interface para conexão a um computador: WiFi, Ethernet
- Preço, ₽: 1.065.168
Como o Voxel8 foi desenvolvido para dispositivos eletrônicos totalmente tridimensionais, um editor 3D especial do Autodesk Project Wire, criado em conjunto pela Autodesk e Voxel8, é usado para colocar componentes eletrônicos e conectá-los.
O Project Wire permite importar um modelo 3D de um produto futuro sem um componente eletrônico. Em seguida, o usuário, no ambiente do Project Wire, coloca componentes eletrônicos no volume do produto e o programa libera automaticamente um local para eles no modelo. Componentes eletrônicos podem ser selecionados no banco de dados de componentes do Project Wire. Após a colocação, os componentes são conectados por faixas condutoras, cuja direção e forma podem ser editadas movendo os pontos de controle.
Janela Fio do projeto para colocar e conectar componentes eletrônicos no volume do modelo.Modelos de fatiamento de produtos com circuito eletrônico tridimensional integrado.A base do modelo é impressa em PLA. A impressora interrompe automaticamente a impressão para colocação manual de componentes eletrônicos no modelo. Para facilitar a instalação, a plataforma da impressora, juntamente com o produto, pode ser removida. Em seguida, a impressão é retomada.
Impressão quadrocopter com circuito eletrônico 3D.Instalação de componentes eletrônicos internos durante a impressão.Impressão contínua após a montagem de componentes eletrônicos internos.Imagem de tomografia computadorizada de um quadrocóptero mostrando a distribuição espacial de componentes eletrônicos no interior do dispositivo.Modele e termine o produto eletrônico fabricado com o Voxel8.Como uma impressora para prototipagem profissional de PCB, considere o
Nano Dimension DragonFly 2020 Pro .
DragonFly 2020 Pro
Aparência da impressora DragonFly 2020 Pro.Características
- Dimensões totais, cm: (C × L × A) 140 × 80 × 180
- Peso, kg: 500
- Tecnologia de impressão: Jato de tinta
- Materiais: tinta condutora (à base de nanopartículas de prata) e dielétrica
- Número de cabeças de impressão: 2
- Largura da esteira mm: 0,1 mm
- O volume do espaço de trabalho da câmera, mm: 200 × 200 × 3
- Precisão, mm: 0,001
- Formato de arquivo: Gerber
- Capacidade de imprimir placas de circuito impresso multicamadas: sim
- Sistema operacional: Windows, Mac OS, Linux
O DragonFly 2020 Pro imprime não apenas o padrão condutor da placa, mas também sua base. É impresso a partir de uma resina dielétrica, com propriedades semelhantes à fibra de vidro FR4, para que o produto possa ter qualquer formato e conter orifícios de montagem. Diferentemente das impressoras PCB personalizadas, o DragonFly 2020 Pro usa a tecnologia de jato de tinta para garantir uma fabricação de alta precisão.
Tanto o material condutor quanto o isolante são curados pela luz durante a impressão.Várias placas de circuito impresso na plataforma DragonFly 2020 Pro.A preparação da produção de PCB para o DragonFly 2020 Pro é feita no pacote de software do Switch.O Nano Dimension envia um plug-in SolidWorks com a impressora.
O plug-in do SolidWorks permite atribuir materiais a várias partes do produto, posicionar o produto dentro da câmera da impressora, executar fatias e iniciar a impressão.Exemplos de dispositivos eletrônicos criados com o DragonFly 2020 Pro.Outro desenvolvedor de impressoras 3D profissionais para eletrônicos é o Optomec (Optomec). A empresa oferece tecnologia de pulverização em aerossol (Aerosol Jet) para impressão de componentes eletrônicos. Nas impressoras que utilizam essa tecnologia, a tinta entra primeiro na câmara do atomizador, onde se dispersa em uma suspensão de partículas com um diâmetro de 1-5 mícrons. Então, com uma corrente de gás transportador, esse aerossol é aplicado ao substrato. Esse método lembra o método de deposição a laser (Directed Energy Deposition) usado para imprimir metais.
Impressão por spray de antena.A tecnologia Aerosol Jet imprime resistores, capacitores, antenas e transistores de película fina. As características eletrônicas dos componentes podem ser controladas alterando as configurações de impressão. A tecnologia permite imprimir em superfícies de várias naturezas: plástico, cerâmica e metal. Após a aplicação, a tinta é sinterizada com luz.
A Optomec oferece uma variedade de impressoras 3D profissionais que incorporam a tecnologia Aerosol Jet. Em alguns modelos de impressoras, esse método é combinado com um sistema de posicionamento de substratos com vários eixos, para que os componentes eletrônicos possam ser impressos em praticamente qualquer superfície. Por exemplo, as antenas podem ser impressas diretamente em uma capa de celular. Um desses modelos:
Optomec Aerosol Jet 5X
Aparência da instalação do Aerosol Jet 5X.Características
- Dimensões da área de trabalho, mm: 200 × 300 × 200;
- Número de atomizadores: 2 (ultrassônico e pneumático);
- , : ± 2;
- , : ± 10 ( 100 )
- ;
- ;
- , , : 0,1 — 6;
- , : 1-5;
- , : 10-20 ( );
- ;
- 3D- ( ).
Aerosol Jet 5X .,
Aerosol Jet 5X., Aerosol Jet 5X .3D-
Para a produção de caixas e equipamentos mecânicos (por exemplo, partes de unidades de acionamento: guias, engrenagens, polias, etc.) para dispositivos eletrônicos, são utilizados métodos clássicos de impressão 3D: FDM, SLS, SLA.Por exemplo, a Gemecod (Gemcode) usou a impressão 3D para fabricar peças mecânicas para as fechaduras eletrônicas da Ikilock: peças grandes que não exigiam alta qualidade superficial eram feitas de poliamida, peças pequenas com baixa rugosidade da superfície eram feitas usando a tecnologia Polyjet. Segundo os desenvolvedores, o uso da impressão 3D acelerou a otimização do design do produto várias vezes.Peças mecânicas da fechadura eletrônica Ikilock, feitas por impressão 3D.Gabinete de dispositivo eletrônico fabricado pela SLS.Gabinete de dispositivo eletrônico FDM.Uma direção interessante é o uso da impressão 3D para a fabricação de fuselagens de veículos aéreos não tripulados. O material para isso deve ser leve e durável. Nano-racing (Nano-racing) usa essas fuselagens fabricadas em SLS para seus drones.Drones nano-corrida com fuselagem de impressão 3D.A impressão de fuselagens de drones também pode ser implementada usando o método FDM. Uma boa escolha para esses fins é Filamentarno! Pro Aerotex :Deve-se notar que, para a fabricação de gabinetes de dispositivos eletrônicos, é desejável usar materiais com risco reduzido de descarga eletrostática (ESD-Safe). Muitos materiais comuns para impressão FDM têm suas modificações antiestáticas : PLA, ABS, PETG; Modificações ESD-Safe de plásticos de engenharia: Ultem, PPS, PVDF, PC, POM.Parte do Apium POM-C ESD com risco reduzido de descarga eletrostática.Um bom exemplo é o ABS-ESD7 Stratasys .Peça da ABS-ESD7 Stratasys .Conclusão
Como podemos ver nos exemplos acima, a impressão 3D já alcançou desenvolvimento suficiente para ser usada não apenas na fabricação de estojos e protótipos, mas também em componentes eletrônicos completos. Os dispositivos mencionados no artigo podem ser usados no desenvolvimento e na criação de protótipos, na criação de protótipos e na produção comercial em série. Não se esqueça da possibilidade de uso educacional.Impressora pessoal compacta Voltera V-Oneé uma excelente solução para prototipagem rápida de placas de circuito impresso simples e sua otimização. O V-One segue o paradigma planar clássico e será útil para qualquer empresa envolvida no projeto ou reparo de eletrônicos. O Voltera V-One tem um grande potencial para uso em escolas e universidades técnicas, pois permite criar rapidamente uma placa protótipo e, portanto, pode ser facilmente integrado ao processo educacional.Voxel8- Uma solução para a criação de produtos eletrônicos simultaneamente com a estrutura da carcaça e do suporte. O uso do PLA pode limitar o uso desta impressora em várias tarefas nas quais a operação de eletrônicos está associada a uma dissipação de calor perceptível, uma vez que esse plástico não é muito resistente ao calor. O Voxel8 pode ser uma opção interessante para entusiastas da impressão 3D, fabricantes e instituições de ensino. Mas seu preço, que é mais apropriado para equipamentos profissionais, torna mais adequado para os desenvolvedores protótipos funcionais de produtos.Especialização em Impressora 3D Profissional com Nano Dimension- produção de protótipos de placas de circuito impresso de qualquer complexidade. As aplicações Optomec não se limitam à prototipagem de placas de circuito impresso: suporte para uma ampla gama de tintas e materiais de substrato para impressão, a capacidade de imprimir em superfícies complexas e um design modular tornam esses sistemas uma solução universal flexível para o desenvolvimento, prototipagem e produção de eletrônicos.Você poderá escolher a impressora 3D para imprimir eletrônicos na Top 3D Shop .Quer notícias mais interessantes do mundo da tecnologia 3D?
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