Importance de la fabrication additive dans la conception électronique

Les méthodes de fabrication conventionnelles impliquant des processus de photolithographie présentent des inconvénients importants, notamment la préparation chimique dangereuse et l'utilisation de déchets de matériaux à base de terres rares. L'objectif de toute technologie de fabrication durable et efficace doit être adapté au prototypage rapide ou à des dispositifs électroniques entièrement fonctionnels.

C'est pourquoi on constate un besoin croissant de fabrication additive (AM) dans de nombreux systèmes de conception électronique. Les composants tels que les transistors, les redresseurs commandés au silicium, les diodes, les diodes électroluminescentes (LED), les amplificateurs opérationnels et les dispositifs passifs ont des processus de fabrication complexes en raison de leurs fonctionnalités.

Figure 1 : L'Ender-3 S1 Pro de Creality peut être utilisé pour les boîtiers, les montages et les gabarits destinés aux tests et à l'assemblage de produits. (Source de l'image : Creality)

Aujourd'hui, l'impression 3D de composants électroniques a révolutionné la conception et la fabrication, offrant la possibilité de construire des produits complexes avec des capacités multicouches. Cette approche est considérée comme la prochaine frontière dans la fabrication additive et l'électronique imprimée en raison de ses avantages, notamment la réduction du gaspillage de matériaux, des goulets d'étranglement en termes de temps et des coûts d'installation.

En outre, compte tenu de la complexité de la chaîne d'approvisionnement et des exigences dynamiques pour les composants électroniques, les entreprises qui adoptent la fabrication additive peuvent fabriquer avec précision des lots de produits qui répondent exactement à la demande, sans surplus. Cette production planifiée génère à son tour une quantité moindre de déchets électroniques par rapport aux techniques de fabrication soustractive.

L'électronique fabriquée de manière additive (AME) est la solution à la réflexion des signaux et aux interférences électromagnétiques dans les cartes électroniques multicouches. L'AME utilise des matériaux conducteurs et non conducteurs dans le même système d'impression 3D pour créer des circuits tridimensionnels qui peuvent être intégrés dans des boîtiers de protection. Ainsi, les concepteurs de produits électroniques peuvent bénéficier d'une utilisation efficace de l'espace qui minimise les pertes d'interconnexion et réduit la taille globale des cartes.

La réussite passe par l'utilisation de la bonne technologie d'impression 3D. Par exemple, la technique FDM est souvent adaptée à la rentabilité, la technique SLA aux détails fins et la technique SLS aux composants solides. Les matériaux d'impression 3D font également la différence : le PLA convient à la construction de modèles de base et l'ABS à la fabrication de pièces très résistantes.

Comment les concepteurs de produits électroniques tirent parti de l'impression 3D

Lorsqu'il s'agit de composants électroniques à fabrication additive, il existe deux méthodes : l'impression 3D par contact ou sans contact. Les concepteurs peuvent utiliser l'impression par contact, qui transfère l'encre par contact direct entre l'encre et le substrat cible, pour fabriquer des composants électroniques à l'échelle industrielle.

Figure 2 : Le filament d'impression PLA 3D de MG Chemicals convient aux applications à haute résolution, tandis que l'ABS offre une plus grande flexibilité et une résistance aux hautes températures. (Source de l'image : MG Chemicals)

Mais il existe un marché émergent pour le prototypage rapide de ces circuits électroniques complexes. De plus en plus d'ingénieurs se tournent vers l'impression à jet d'encre sans contact. Considérée comme adaptée à la fabrication de prototypes à faible volume pour les circuits imprimés simples, cette technique offre un rendement élevé et des coûts réduits, mais elle présente le risque d'endommager la couche inférieure durant le processus d'impression.

Le rendement de la fabrication additive s'est considérablement amélioré, aidant les concepteurs de composants électroniques à se concentrer sur la conception de circuits innovants. Des technologies telles que SLS (frittage sélectif par laser) et MJF (Multi-Jet Fusion) peuvent prendre en charge la production de ces cartes, ce qui constituait auparavant un inconvénient. La fabrication additive permet de fabriquer rapidement un grand nombre de boîtiers électroniques et de montages d'essai par rapport aux procédés traditionnels.

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Dans l'espace applicatif IoT, les concepteurs peuvent tirer parti de la fabrication additive pour les dispositifs embarqués dotés de fonctionnalités avancées, tels que les systèmes de détection, de traitement et d'actionnement. Les systèmes miniaturisés font l'objet d'une attention particulière dans les domaines de la médecine, de la robotique et de l'aérospatiale.

Les agences spatiales telles que la NASA et son centre de recherche Glenn Research Center ont construit un système embarqué à intégrer dans l'engin spatial. Grâce à la capacité de la fabrication additive à incorporer des composants multifonctionnels dans des structures imprimées en 3D, des dispositifs miniaturisés peuvent être déployés dans des systèmes dont la surface est limitée.

L'avenir de l'électronique fabriquée de manière additive

Les dispositifs électroniques imprimés en 3D sont largement utilisés dans les domaines de l'électronique de puissance, des capteurs, des batteries, des cellules solaires, de l'électronique étirable et des dispositifs corporels. De nouvelles méthodologies ont été adoptées pour surmonter les problèmes d'intégrité des signaux et de gestion thermique rencontrés avec les méthodes de fabrication conventionnelles.

L'avenir réside dans une plus grande adoption de l'électronique fonctionnelle imprimée en 3D dans les applications industrielles.