Elettronica stampata in 3D: L'ascesa della fabbricazione di circuiti additivi

La tecnologia di stampa 3D si è evoluta rapidamente negli ultimi anni, consentendo ai produttori di depositare materiali per formare oggetti nella vita reale a partire da tracce. Originariamente strumento di stampa 3D per lo sviluppo di prototipi per la produzione di disegni e settori e parti in plastica, ricercatori e ingegneri la stanno ora utilizzando per applicazioni complesse come i cablaggi stampati. Basata sulla fabbricazione additiva nota come stampa 3D, l'elettronica stampata o la stratificazione di circuiti e componenti elettronici per produrre sistemi elettronici funzionanti. Questa nuova tecnica apre le porte a nuove soluzioni di design nella produzione di elettronica, che non sono state possibili con le tecniche precedenti.

L'indurimento e la sinterizzazione o la sinterizzazione di materiali conduttivi e non conduttivi depositati strato per strato nei modelli esatti significa che è possibile incorporare qualsiasi numero di funzioni esplorate nella stampa 3D, dai circuiti, alle antenne, ai sensori e molti altri. Uno dei vantaggi dell'elettronica stampata in 3D è la possibilità di personalizzare su richiesta un determinato prodotto elettronico. Sia per quanto riguarda il layout dei circuiti che per il dispositivo da indossare, riduce il costo dell'integrazione della complessità e può essere progettato, testato e prodotto rapidamente.

Questa capacità di personalizzazione di massa apre nuove possibilità per i dispositivi dell'Internet of Things, gli impianti medici, l'elettronica di consumo e altri settori in cui sono necessari prodotti personalizzati o a basso volume. Gli scaffold di tessuti di precisione, i biosensori e gli impianti medici intelligenti sono particolarmente adatti alle tecniche di circuiti additivi.

Diverse tecnologie di materiali chiave hanno permesso di compiere progressi significativi in Elettronica stampata in 3D. Gli inchiostri conduttivi a base di argento, oro e nanotubi di carbonio consentono di depositare modelli intricati di percorsi elettrici con stampanti 3D ad alta risoluzione. Sono disponibili anche inchiostri dielettrici e isolanti per separare e incapsulare efficacemente le tracce conduttive. In combinazione con gli sviluppi delle teste di stampa 3D multi-materiale e degli estrusori multi-ugello, questi inchiostri facilitano la fabbricazione strato per strato di circuiti e dispositivi funzionanti.

L'integrazione di componenti elettronici a montaggio superficiale, come resistenze, condensatori e circuiti integrati, direttamente nelle strutture stampate in 3D, porta l'elettronica stampata a un passo dalla sostituzione completa della produzione tradizionale. Utilizzando la robotica pick-and-place, questi componenti elettronici passivi e attivi possono ora essere posizionati e fissati automaticamente durante o dopo il processo di stampa. Questo apre la possibilità di una vera e propria stampa a livello di sistema con calcolo, rilevamento e connettività wireless incorporati.

In futuro, i ricercatori dell'elettronica stampata stanno cercando di migliorare la conduttività, la risoluzione e la resa attraverso nuove formulazioni di materiali e innovazioni del processo di stampa 3D. La stampa multiasse combinata, i metodi di polimerizzazione e il controllo di qualità online daranno probabilmente vita a prodotti elettronici finiti con prestazioni pari ai circuiti prodotti tradizionalmente. Un ulteriore lavoro sul rilevamento all'interno dell'ugello, sul controllo del processo ad anello chiuso e sul perfezionamento della manipolazione di più materiali promette di ottimizzare stampa 3D in resina circuiti e la progettazione di prodotti intelligenti. I progressi in queste aree significano che la fabbricazione digitale di dispositivi elettronici completamente funzionali attraverso la produzione additiva sta diventando sempre più fattibile.

In sintesi, l'elettronica stampata in 3D è un campo in evoluzione e promettente che sfuma i confini tra produzione e design. Integrando la libertà di progettazione additiva con la fabbricazione di circuiti funzionali, consente possibilità senza precedenti di prodotti elettronici personalizzati, su misura per applicazioni di nicchia ed esigenze personalizzate. I continui progressi dei materiali e dei processi porteranno l'elettronica stampata in 3D verso la commercializzazione e l'adozione mainstream in molti settori nei prossimi anni.

Elettronica stampata in 3D multi-materiale

Realizzazione di circuiti ibridi con materiali diversi

Le moderne stampanti 3D multi-materiale consentono la deposizione simultanea di materiali conduttivi e non conduttivi. Questo permette di:

• Fabbricazione di componenti elettronici complessi da materiali diversi in un'unica stampa, come metalli, polimeri conduttivi e isolanti.
• Produrre circuiti ibridi contenenti parti elettriche e meccaniche integrate senza ulteriori fasi di assemblaggio.
• Disegni di circuiti conformi che possono essere incorporati in strutture 3D non planari.

Elettronica integrata

La ricerca recente ha dimostrato le tecniche per incorporare fili, chip e altri componenti elettronici direttamente nel Termoplastica stampata in 3D durante il processo di fabbricazione. Questo permette di integrare i circuiti funzionali all'interno di geometrie 3D complesse.

Metodi basati sui filamenti

Le stampanti 3D basate su filamenti depositano prima un materiale isolante e poi stampano selettivamente tracce conduttive utilizzando filamenti specializzati. I ricercatori hanno sviluppato nuovi filamenti polimerici conduttivi per questo approccio.

Inchiostri funzionali per circuiti stampati

Inchiostri con nanoparticelle d'argento

Gli inchiostri a base di nanoparticelle d'argento offrono un'elevata conduttività e risoluzione. Sono comunemente utilizzo della stampa 3D nella stampa a getto d'aria, a getto d'inchiostro e a estrusione di elettronica flessibile e stampata. Le tracce prodotte da questi inchiostri possono rivaleggiare con le prestazioni dei circuiti in rame prodotti tradizionalmente.

Inchiostri di grafene/carbonio

Gli inchiostri di grafene e carbonio producono tracce conduttive economiche e leggere. Trovano applicazione nei touchscreen pieghevoli, negli indossabili e nella bioelettronica, grazie alla loro flessibilità meccanica. Tuttavia, la conduttività è tipicamente inferiore rispetto agli inchiostri all'argento. Le nuove formulazioni mirano a migliorare questo aspetto per le applicazioni circuitali.

Circuiti ibridi

Per superare le limitazioni degli approcci monomateriale, i ricercatori stanno integrando la stampa 3D con la litografia tradizionale. Alcuni approcci stampano tracce conduttive su substrati 3D personalizzati, che vengono poi elaborati con tecniche litografiche consolidate. Altri incorporano i componenti elettrici stampati in 3D come uno strato nei circuiti ibridi multistrato fabbricati con metodi sia additivi che sottrattivi. Questo espande la complessità dei circuiti stampabili al di là di ciò che è attualmente possibile ottenere con la sola stampa 3D.

I progressi nella fabbricazione di circuiti 3D

Stampa a più alta risoluzione

I miglioramenti tecnologici hanno incrementato le capacità dell'elettronica stampata in 3D. Le stampanti 3D a più alta risoluzione possono ora depositare tracce conduttive più sottili, inferiori a 100 micron. Ciò consente di realizzare circuiti più densi e sofisticati.

Elettronica integrata

Le nuove tecniche integrano dispositivi attivi come chip, sensori e componenti di accumulo di energia direttamente nei substrati termoplastici durante la stampa 3D. Ciò consente la produzione di sistemi elettronici completamente funzionali, senza necessità di post-elaborazione.

Stampa a più ugelli

I sistemi di stampa 3D a più ugelli possono depositare contemporaneamente diversi materiali funzionali, per migliorare la registrazione tra i componenti e aumentare i rendimenti. Isolanti, conduttori e materiali attivi Materiali per la stampa 3D può essere posizionato con precisione.

Conduttori flessibili e allungabili

Le innovazioni di processo aiutano a produrre conduttori estensibili e autorigenerabili, che consentono un'elettronica stampata in 3D flessibile e indossabile. I progetti di circuiti possono ora piegarsi, allungarsi e potenzialmente riprendersi dai danni.

Integrazione di componenti passivi

Le guide d'onda, le antenne e altri componenti passivi stampati in 3D consentono di produrre in modo additivo circuiti wireless compatti e dispositivi Internet-of-Things. Questo amplia le possibilità di progettazione dell'elettronica stampata.

Applicazioni e tendenze future

Indossabili e impiantabili

I circuiti conformali 3D consentono l'integrazione perfetta dell'elettronica nell'abbigliamento, nelle protesi e nei dispositivi medici impiantabili, grazie a progetti di circuiti additivi.

Oggetti intelligenti e IoT

L'incorporazione dell'intelligenza e della connettività mediante l'elettronica stampata in 3D consente di sviluppare nuove generazioni di prodotti interattivi, sistemi di automazione domestica e sensori industriali.

Microfluidica e bioelettronica

La stampa 3D consente l'integrazione di componenti elettronici con canali fluidici, valvole e reattori per applicazioni nell'analisi chimica, nello sviluppo di organi su chip e nella medicina personalizzata.

Tecnologie aeronautiche e spaziali

I circuiti stampati conformazionali permettono di essere leggeri, avionica rinforzataSatelliti e sistemi di supporto a terra ottimizzati per applicazioni avanzate nell'avionica e nell'aerospaziale.

Tecnologie avanzate

La ricerca sta migliorando le tecniche multi-materiale, raggiungendo una precisione di stampa su scala nanometrica, sviluppando nuovi metodi di auto-assemblaggio ed esplorando approcci di produzione ibridi per realizzare sistemi elettronici stampati in 3D ancora più sofisticati. Questo campo è pronto a rivoluzionare la produzione elettronica.

Conclusione

L'elettronica stampata in 3D ha registrato enormi progressi negli ultimi anni ed è destinata ad avere un impatto drastico su diversi settori in futuro. Le innovazioni dei materiali hanno permesso di stampare conduttori e inchiostri dielettrici, mentre la stampa multimateriale ora incorpora abitualmente componenti elettronici passivi e attivi all'interno di geometrie 3D complesse.

Queste tecnologie consentono circuiti completamente personalizzati e conformali, impossibili da produrre fino ad oggi. Dai dispositivi medici ai prodotti di consumo, fino all'ingegneria aerospaziale, qualsiasi applicazione che preveda involucri elettronici specializzati o progetti unici è un candidato per la fabbricazione digitale additiva. Con la maturazione delle tecniche, l'elettronica stampata in 3D continuerà ad integrarsi sempre più strettamente con la lavorazione litografica tradizionale, per ottenere soluzioni a livello di sistema.

Le risoluzioni inferiori a 100 micron superano oggi facilmente molte capacità di fabbricazione di PCB convenzionali. L'adozione dei circuiti stampati in 3D accelererà con l'aumento dei rendimenti e la Costo della stampante 3D diminuire grazie a continui perfezionamenti del processo. La capacità di personalizzare in massa a volumi ridotti rende la produzione additiva particolarmente interessante per l'IoT e la medicina personalizzata. L'ulteriore espansione delle applicazioni nel campo della bioelettronica e della flessibilità spingerà l'innovazione continua nei set di materiali e negli approcci di stampa.

Entro questo decennio, si prevede che l'elettronica stampata in 3D soppianterà i metodi di produzione tradizionali per molte applicazioni di circuiti compatti e complessi. Con l'evoluzione delle tecniche additive multi-materiale fino alla maturità industriale, la fabbricazione digitale trasformerà lo sviluppo dei prodotti elettronici e personalizzerà i dispositivi su scala. Le libertà di progettazione e le funzionalità integrate della stampa 3D aprono la strada ai dispositivi intelligenti in rete di prossima generazione.

Domande frequenti

D: In che modo l'elettronica stampata in 3D differisce dalla produzione tradizionale?

R: Utilizza i processi additivi per fabbricare direttamente i circuiti strato per strato, anziché l'incisione sottrattiva e l'assemblaggio. Ciò consente di realizzare progetti innovativi, come i circuiti incorporati/conformali e la facilità di personalizzazione.

D: Quali sono i materiali comunemente utilizzati?

R: Gli inchiostri a base di argento, carbonio e polimeri forniscono tracce conduttive, mentre le materie plastiche come la termoplastica fungono da isolanti dielettrici tra le tracce. I progressi nei nanomateriali e negli inchiostri stanno ampliando la libreria di stampabili.

D: Quanto possono essere precise le tracce?

R: Le tecnologie leader possono stampare linee sottili fino a 50 micron con l'estrusione ad alta risoluzione e il getto di aerosol. La stampa multimateriale registrata aumenta ulteriormente la densità.

D: Quando supererà i PCB tradizionali?

R: I vantaggi della personalizzazione di massa servono già i mercati di nicchia. Ma i rendimenti devono ancora migliorare per ottenere la parità di costo/prestazioni necessaria per le applicazioni consumer di alto volume entro 5-10 anni.