Archive — Ce dossier publié en 2019 décrit des technologies et équipements de l’époque. Les propos de Simon Fried portent sur le marché de 2018 ; les paramètres techniques cités ne décrivent pas toutes les machines actuelles.
L’électronique imprimée 3D est l’un des jeunes domaines d’application de la fabrication additive. Dans son analyse du marché de l’impression 3D en 2018, le Président de Nano Dimension USA, Inc. Simon Fried, nous a dit que l’évolution de ce marché « a été similaire à celle de la fabrication mécanique additive traditionnelle. Les entreprises qui favorisent l’adoption de la fabrication additive sont les mêmes types d’industries qui font maintenant des progrès dans la direction de la fabrication additive pour l’électronique, y compris l’aérospatiale, la défense et les organismes de R-D. Au cours de l’année 2018, ce domaine révolutionnaire de l’impression 3D a continué à gagner du terrain, son impact se fera sentir sur les produits, les systèmes de production et les flux de conception. »
Cette déclaration a laissé un grand nombre de questions sans réponse parmi les professionnels de la fabrication additive, notamment les ingénieurs de bureau d’études. Nous avons décidé de les aborder dans cette rubrique.
L’électronique imprimée recouvre notamment le dépôt d’encres fonctionnelles sur un support. Des techniques comme la sérigraphie, le jet d’encre, la flexographie ou l’héliogravure peuvent servir à réaliser des pistes, capteurs ou étiquettes RFID. Les performances requises et le coût dépendent de l’application ; ils ne sont pas nécessairement faibles.
Cependant, le développement récent d’outils pour la fabrication additive (FA) a soulevé trois défis principaux dans l’application efficace de l’électronique imprimée 3D. Pour Christoph Völcker du laboratoire d’innovation – de FA, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, ces principaux défis sont les matériaux, les procédés et les données.
Les matériaux
L’association de matériaux fonctionnels et de géométries tridimensionnelles peut permettre des circuits sur des surfaces non planes ou l’intégration de composants dans une structure. Elle ne signifie pas que tous les composants électroniques sont eux-mêmes imprimés.
Deux fonctions de matériaux doivent notamment être distinguées :
Les diélectriques servent à isoler ; les conducteurs assurent le passage du courant. Dans l’étude de Flowers et ses collègues à Duke en 2017, Hatchbox PLA et ColorFabb bronze-fill PLA étaient utilisés comme diélectriques, tandis qu’Electrifi, le PLA au graphène Black Magic 3D et le PLA au noir de carbone Proto-pasta étaient conducteurs. Leur résistivité diffère : ces composites ne sont pas équivalents au cuivre massif.
Ces différents matériaux soulèvent le défi de la contamination croisée lors de la fabrication. En effet, il est difficile de combiner deux filaments différents pendant le processus d’impression. Selon une étude de l’Université Duke (USA), « la contamination croisée du matériau conducteur entraînera soit un court-circuit entre les traces conductrices, soit l’interruption d’une trace conductrice avec un matériau non conducteur ».
Bien qu’on retrouve des imprimantes 3D avec plusieurs buses sur le marché – comprenez ici les imprimantes 3D FDM – la plupart d’entre elles ne sont pas capables d’empêcher la contamination croisée alors que « les imprimantes 3D multi-matériaux typiques utilisent deux buses séparées à la même hauteur Z, mais cette méthode laisse la buse inactive dans une position où elle est susceptible de gratter sur la surface imprimée et de causer une contamination croisée », explique la recherche effectuée par Duke University. Selon les experts, une approche pour résoudre ce problème est d’extruder plusieurs matériaux par la même buse.
Cette observation concerne les machines testées dans l’étude de 2017. Les auteurs décrivent aussi les limites d’une buse partagée, qui nécessite une purge, et utilisent des buses rétractables pour leur propre démonstrateur.
Ce problème est observé lorsque les pièces sont produites avec des imprimantes 3D professionnelles. Au niveau industriel, Nano Dimension, l’une des sociétés spécialisées dans l’électronique imprimée 3D, mentionne le besoin d’une plus grande variété de matériaux pour produire des pièces de haute complexité et de haute fonctionnalité. En comparant tous les matériaux d’impression 3D utilisés dans l’industrie FA, Simon Fried explique que : « les polymères se renforcent et une plus large gamme de métaux est maintenant imprimable. Pour l’électronique, des aspects fonctionnels supplémentaires tels que les constantes diélectriques et les pertes sont primordiaux. »
Les procédés
Les exemples retenus dans ce panorama historique sont Nano Dimension, Optomec, BotFactory et Voxel8. Cette sélection n’est pas un inventaire exhaustif des fournisseurs ni un catalogue actuel.
Décrite dans l’étude de 2017, l’imprimante 3D DragonFly 2020 de Nano Dimension produit une impression multicouche de traces conductrices par jet d’encre à une résolution latérale de près de 30 µm. Les experts de l’Université de Duke ont expliqué que cela requiert énormément de temps pour développer de nouvelles encres électroniques pour les procédés à jet d’encre. Ceci est principalement dû à la nécessité d’adapter la tension superficielle et la viscosité (8-12 cp) de l’encre pour obtenir une taille de gouttelettes souhaitée (∼30 µm) et des caractéristiques de jet reproductibles. De plus, « le colmatage peut être un problème si la taille des particules ou la quantité de solides dans l’encre est trop élevée. »
De son côté, Optomec a développé le procédé Aerosol JetTM. L’imprimante 3D permet le dépôt d’encres polymères et métalliques pour capteurs. Il s’agit d’un procédé sans contact, compatible avec une large gamme de matériaux conducteurs, isolants et résistifs. L’imprimante 3D a déjà permis la production de capteurs conformes, de composants passifs à faibles pertes et d’antennes pour l’électronique sur puce et sans puce.
Dans le procédé Aerosol Jet, un gaz de gainage entoure et focalise l’aérosol à travers une buse. Il limite le contact avec ses parois et les risques associés de colmatage ; il ne remplace pas physiquement la buse.
BotFactory a développé les imprimantes de circuits Squink et SV2. Cette dernière est une imprimante PCB de bureau. Elle est, selon les termes de l’entreprise, «capable d’imprimer des circuits multicouches, de distribuer de la pâte sur des plages de contact, de prélever et placer des composants sur la carte ».
Le système Voxel8 présenté ici combine extrusion de plastique et dépôt d’encre à l’argent. Une pause permet d’insérer manuellement des composants. L’étude de 2017 décrit une capacité limitée à former des structures conductrices autoportantes selon Z ; les épaisseurs de pistes recommandées inférieures à 500 µm concernent ce système historique.
Au-delà du dépôt, les étapes nécessaires pour obtenir les propriétés électriques finales dépendent de l’encre et du support. Séchage, traitement thermique, assemblage et contrôle doivent être compatibles avec les matériaux et la fonction visée.
Les données de conception
Les données doivent décrire la géométrie, les zones conductrices et isolantes et les liaisons avec les composants. La préparation du procédé doit traduire ces informations en dépôts et en séquences compatibles avec l’équipement.
Une quantité accrue de données ne garantit ni la qualité du circuit ni une baisse des coûts. La cohérence des informations, leur exploitation par la machine et la vérification du résultat sont déterminantes.
Ce qu’on garde à l’esprit…
Les exemples de ce dossier montrent des possibilités de prototypage et de personnalisation. Les gains de matière, d’énergie, de délai ou de coût restent à évaluer pour chaque cas, en incluant les traitements et l’assemblage. Le choix doit partir des performances électriques attendues et des contraintes de fabrication.
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