L’impression 3D de composants électroniques
Composants électroniques imprimés en 3D : comment ça marche ?
L’impression 3D de composants électroniques (également appelée fabrication additive de composants électroniques) est un domaine à part de l’industrie de la fabrication additive. Contrairement à l’impression 3D de simples composants en plastique ou en métal – clips, boîtiers et enceintes, par exemple – l’électronique imprimée en 3D implique l’impression de composants électroniques tels que les circuits.
En imprimant en 3D des objets ayant une fonction électronique, les fabricants peuvent rationaliser des processus de production qui, autrement, nécessiteraient de multiples étapes et assemblages. Et bien que la fabrication additive de composants électroniques soit aujourd’hui principalement un processus de prototypage, elle pourrait bientôt être utilisée pour la production en série d’articles tels que les boîtiers de capteurs optiques et les dispositifs intégrés.
L’impression 3D électronique : applications
Les utilisations des imprimantes 3D de composants électroniques ou des imprimantes 3D de circuits électroniques peuvent être classées en fonction du type d’impression et des composants spécifiques fabriqués.
Les imprimantes 3D de composants électroniques sont généralement capables d’imprimer parmi les trois manières suivantes :
- Impression 3D complète du composant électronique: Certaines imprimantes 3D sont capables de fabriquer une structure entièrement en 3D à partir d’un matériau diélectrique (non conducteur) tout en imprimant des matériaux conducteurs dans cette structure. Cela permet de réaliser des circuits imprimés multicouches et des caractéristiques électriques intégrées dans une structure thermoplastique. Ces imprimantes peuvent utiliser plusieurs buses pour permettre l’impression diélectrique et électrique séquentielle.
- Impression du composant électronique en surface: Certaines imprimantes 3D sont conçues pour imprimer des éléments électroniques sur des substrats 3D complexes, ce qui permet de réaliser des modèles de circuits complexes. L’impression sur des surfaces flexibles et des textiles est une tendance en développement dans ce domaine, tout comme l’impression directe sur des systèmes micro-électromécaniques (MEMS) – des dispositifs microscopiques avec des pièces mobiles – en utilisant la technologie de micro-impression 3D.
- Impression du composant électronique dans le moule: Certaines imprimantes 3D peuvent imprimer des circuits sur des substrats thermoformables qui sont ensuite thermoformés, placés dans un moule à injection, puis surmoulés avec du plastique fondu. Cette technique est parfois appelée moulage par insertion de film.
Ces trois techniques peuvent être utilisées pour fabriquer une variété de caractéristiques et de composants électroniques, notamment :
- Circuits et schémas conducteurs (impression de PCB)
- Électrodes
- Condensateurs
- Transistors
- Supercondensateurs
- Étiquettes RFID
- LEDs
- Ecrans tactiles
- Antennes
Technologies pour la fabrication additive de composants électroniques
À l’heure actuelle, il existe une poignée de familles technologiques différentes pour les composants électroniques imprimés en 3D. Les deux plus répandues sont l’extrusion et le jet de matière, cette dernière pouvant être subdivisée en impression à jet d’encre et impression à jet d’aérosol. En outre, chacune de ces technologies possède ses propres sous-catégories.
Le matériel peut combiner la technologie d’impression avec des technologies non imprimantes telles que le pick-and-place (pour ajouter avec précision de petits composants électroniques comme les LED) et le fraisage CNC.
Extrusion
Certaines imprimantes 3D de composants électroniques utilisent la technologie d’extrusion pour imprimer des matériaux fonctionnels tels que des composites conducteurs. Cette catégorie comprend le modèle de dépôt par fusion (FDM) traditionnel, mais aussi les technologies d’impression directe à l’encre, qui peuvent utiliser une extrusion pneumatique ou à piston plutôt qu’un filament fondu.
- L’impression de composants électroniques de type FDM implique généralement un processus d’extrusion double, avec une tête d’impression déposant un thermoplastique diélectrique (PLA, ABS, etc.) pour créer une structure 3D et l’autre déposant un filament composite – contenant des nanotubes de carbone, du graphène ou un autre matériau conducteur – pour créer des circuits conducteurs ou des fonctionnalités électroniques. Ce type d’impression de composants électroniques peut être réalisé avec du matériel non spécialisé.
- La technologie d’écriture directe à l’encre, quant à elle, applique une force par le biais d’une pompe pneumatique, d’un piston ou d’un plongeur pour extruder des matériaux tels que des encres et des pâtes conductrices. La fabrication de circuits par écriture directe à l’encre permet généralement d’obtenir des résolutions plus fines que la FDM. Les fabricants d’imprimantes à écriture directe de l’encre pour l’impression 3D de composants électroniques comprennent nScrypt, Voltera et Nano3dprint.
Jet de matière
Jet d’encre
L’une des formes les plus établies d’impression 3D de composants électroniques est l’impression par jet d’encre. La sous-catégorie la plus pertinente est l’impression à jet d’encre à la demande, l’autre étant l’impression à jet d’encre continu, dans laquelle un flux constant de gouttelettes chargées électriquement est déposé.
- L’impression jet d’encre à la demande implique l’utilisation d’un mécanisme d’actionnement pour faire sortir une seule gouttelette d’encre selon des instructions informatiques. Elle offre une haute résolution d’impression par rapport à la technologie d’extrusion, ce qui la rend adaptée aux composants miniatures. Toutefois, cette technologie ne peut imprimer que des matériaux à faible viscosité.
Nano Dimension est l’un des principaux fabricants d’imprimantes 3D à jet d’encre à la demande pour l’électronique. Ses imprimantes sont capables d’imprimer des matériaux conducteurs et diélectriques, ce qui permet une impression électronique complète. - L’impression à jet d’encre continu crée un flux continu de gouttelettes d’encre tandis qu’un champ électrique dévie les gouttelettes sur la zone de construction. Les gouttelettes non imprimées tombent dans un récipient et peuvent être réutilisées ; cependant, il y a toujours un certain gaspillage d’encre et le processus est également moins précis que l’impression à la demande.
Jet d’aérosol
L’autre grande famille technologique du jet de matière est l’impression par jet d’aérosol, qui utilise un atomiseur pneumatique ou ultrasonique pour créer de très fines gouttelettes d’encre qui sont transportées dans de l’azote gazeux. La buse de l’imprimante, contrôlée par un système de contrôle du mouvement et un obturateur mécanique, projette un flux de gouttelettes d’aérosol directement sur un substrat.
Certains matériaux d’impression à jet d’aérosol autorisent les entrées multi-matériaux, permettant aux utilisateurs d’imprimer des circuits imprimés multicouches en alternant des couches conductrices et des couches diélectriques. Cette technologie est également suffisamment performante pour permettre un contrôle précis de variables telles que la valeur ohmique d’une résistance.
Le procédé de jet d’aérosol, privilégié par le fabricant de matériel informatique Optomec, offre une très haute résolution, car un gaz de gaine est utilisé pour contrôler la largeur du trait de l’encre projetée.
Micro-impression 3D et impression 3D électronique
Le domaine en pleine expansion de la micro-impression 3D ou micro-AM offre des opportunités pour l’impression 3D de composants électroniques, car les fabricants cherchent souvent à miniaturiser les composants électroniques pour fabriquer des appareils plus efficaces, plus ergonomiques et plus légers. La micro-impression 3D peut utiliser une gamme de technologies de fabrication, notamment le frittage laser, la stéréolithographie et la polymérisation à deux photons.
Parmi les entreprises proposant des solutions de micro-AM pour l’électronique, citons Femtoprint, qui développe des imprimantes 3D capables d’imprimer des microstructures de verre isolant électroniquement adaptées aux dispositifs électroniques, et Nanogrande, dont le système AM MPL-1 peut fabriquer des composants électroniques passifs miniatures à l’aide de poudres métalliques.
Matériaux pour l’impression 3D de composants électroniques
Les matériaux imprimables qui peuvent être utilisés dans l’impression 3D de composants électroniques comprennent :
- Filament thermoplastique standard pour les couches isolantes (extrusion)
- Encres diélectriques pour les couches isolantes (extrusion, jet de matériau)
- Filament composite conducteur (extrusion)
- Pâte conductrice (extrusion)
- Encres métalliques à nanoparticules (extrusion, jet de matière)
- Encres de carbone nanoparticulaires (jet de matière)
- Encres semi-conductrices (jet de matière)
Avantages et limites
L’impression 3D de composants électroniques peut être comparée aux techniques traditionnelles de fabrication électronique telles que la photogravure, le moulage par micro-injection, le fraisage, la gravure, la stratification et le placage.
| Avantages | Limites |
| La conception entièrement numérique à l’aide d’un logiciel de CAO augmente la précision et la répétabilité | Les encres imprimables doivent généralement avoir une viscosité spécifique |
| Possibilité d’imprimer des composants électroniques sur des substrats non plats | Le coût du matériel de projection de matériaux est trop élevé pour de nombreuses entreprises |
| Plus sûr que le processus de gravure traditionnel, car aucun produit chimique dangereux n’est nécessaire (bien que certains processus nécessitent du gaz) | Choix limité de matériaux pour certaines technologies |
| Possibilité d’imprimer la totalité d’un PCB multicouche, y compris les interconnexions, les trous traversants, etc. plutôt que de le laminer, le percer, etc. | Les logiciels de CAO courants ne sont pas optimisés pour la conception de produits électroniques imprimés en 3D |
| Le processus additif produit donc un minimum de déchets de matériaux | |
| Ne nécessite pas d’outillage, contrairement au moulage par micro-injection |
Imprimantes 3D électronique : prix
Le coût du matériel de fabrication additive de composants électroniques varie considérablement selon le type de technologie. Les systèmes d’extrusion d’entrée de gamme commencent à environ 4 000 dollars, tandis que les systèmes hybrides tout-en-un et les systèmes de projection de matériaux peuvent coûter des centaines de milliers de dollars.
L’impression 3D de composants électroniques peut également être commandée auprès de bureaux de service, qui sont souvent les mêmes entreprises que celles qui développent le matériel. Cette option peut s’avérer plus abordable pour les entreprises réalisant de petits projets de prototypage.
Principaux fabricants d’imprimantes 3D pour composants électroniques
Nano Dimension
Le pionnier de l’électronique imprimée Nano Dimension propose du matériel, des matériaux et des services. Son imprimante 3D à jet d’encre DragonFly IV (~400 000 dollars) peut imprimer des substrats, des circuits conducteurs et des composants passifs à l’aide d’une intelligence artificielle auto-apprenante et d’une correction des erreurs en temps réel. La société gère également NaNoS®, un service de conception et de fabrication par lequel les clients peuvent commander des pièces électroniques imprimées en 3D.
Optomec
Optomec développe des systèmes d’impression par jet d’aérosol pour l’impression 3D de composants électroniques (en plus des systèmes AM métalliques) capables d’imprimer des interconnexions sur des substrats 2D et 3D dans une variété de matériaux. Ses principales imprimantes sont l’AJ Flex et l’Aerosol Jet HD2.
nScrypt
Le spécialiste de l’impression par extrusion nScrypt propose des solutions pour l’impression 3D de produits électroniques. Ses imprimantes utilisent la tête d’outil de microdistribution SmartPump de la société pour imprimer des passives à partir de plus de 10 000 matériaux disponibles dans le commerce. L’imprimante nScrypt 3Dn Series Factory in a Tool (FiT) (~150 000 $) combine l’impression par extrusion avec le pick-and-place, le micro-fraisage et d’autres capacités.
SUSS MicroTec
La société allemande de semi-conducteurs SUSS MicroTec propose plusieurs systèmes de fabrication additive par jet d’encre adaptés à la production en grand volume de matériaux fonctionnels. Ses systèmes comprennent la gamme PiXDRO JETx.
Notion Systems
L’entreprise allemande Notion Systems développe des imprimantes à jet d’encre adaptées aux cartes de circuits imprimés en 3D et autres composants électroniques. Les systèmes n.jet de la société prennent en charge les jets multi-matériaux à haute viscosité.
Neotech AMT
Neotech AMT est spécialisée dans l’impression à haut débit et à cinq axes de matériaux fonctionnels et de composants électroniques. Ses systèmes de projection de matériaux polyvalents comprennent le système grand format 15XSA.
Voltera
La société d’impression par extrusion Voltera propose actuellement deux systèmes pour l’impression 3D de composants électroniques : le NOVA et le V-ONE, tous deux équipés d’une sonde pour détecter les substrats et assurer une impression de surface précise.
Nano3dprint
La société d’impression par extrusion à bas prix nano3Dprint propose des imprimantes multi-extrudeuses pour l’impression 3D de composants électroniques, telles que l’A2200 (4 950 $).
ioTech
La société britannique ioTech utilise une nouvelle technologie de projection de matériaux assistée par laser, appelée Continuous Laser Assisted Deposition (dépôt assisté par laser continu), qui équipe son imprimante CLAD.
Electroninks
Le spécialiste de l’impression à jet d’encre Elecroninks propose des systèmes d’impression 3D capables d’imprimer sur des surfaces 3D et sur divers substrats. La CircuitJet, ultra-compacte, est une imprimante dédiée aux circuits imprimés.
