3D-geprinte elektronica: De opkomst van additieve circuitfabricage

De 3D-printtechnologie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld, waardoor fabrikanten materialen kunnen deponeren om objecten in het echt te vormen van sporen. Oorspronkelijk werd 3D-printing gebruikt voor het ontwikkelen van prototypes voor productieontwerpen en kunststofsectoren en -onderdelen, maar nu gebruiken onderzoekers en ingenieurs het voor complexe toepassingen zoals geprinte bedrading. Op basis van de additieve fabricage die bekend staat als 3D-printen, wordt geprinte elektronica of het in lagen opleggen van circuits en elektronische componenten gebruikt om werkbare elektronische systemen te produceren. Deze nieuwe techniek opent de deur voor nieuwe ontwerpoplossingen in de productie van elektronica die met eerdere technieken niet mogelijk waren.

Het uitharden en sinteren of sinteren van geleidende en niet-geleidende materialen die laag voor laag in de exacte patronen worden afgezet, betekent dat elk aantal functies die bij 3D-printen zijn onderzocht, kunnen worden ingebouwd, van circuits, antennes en sensoren tot vele andere. Een van de voordelen van 3D-geprinte elektronica is dat een bepaald elektronisch product op verzoek kan worden aangepast. Zowel bij de lay-out van printplaten als bij het dragen van apparaten worden de kosten voor de integratie van complexiteit verlaagd en kan er snel ontworpen, getest en geproduceerd worden.

Deze mogelijkheid tot massale aanpassing opent nieuwe mogelijkheden voor Internet of Things apparaten, medische implantaten, consumentenelektronica en andere industrieën waar gepersonaliseerde producten of producten in kleine aantallen nodig zijn. Precisieweefselsteigers, biosensoren en slimme medische implantaten zijn bijzonder geschikt voor additieve circuittechnieken.

Verschillende belangrijke materiaaltechnologieën hebben aanzienlijke vooruitgang mogelijk gemaakt in 3D-geprinte elektronica. Met geleidende inkten van zilver, goud en koolstofnanobuisjes kunnen ingewikkelde patronen van elektrische paden worden gedeponeerd met 3D-printers met hoge resolutie. Er zijn ook diëlektrische en isolerende inkten beschikbaar om geleidende sporen effectief te scheiden en in te kapselen. In combinatie met ontwikkelingen op het gebied van multi-materiaal 3D printkoppen en multi-nozzle extruders, vergemakkelijken deze inkten de laag-voor-laag fabricage van functionerende circuits en apparaten.

De integratie van opbouw elektronische componenten zoals weerstanden, condensatoren en geïntegreerde circuits direct in 3D-geprinte structuren brengt geprinte elektronica een stap dichter bij het volledig vervangen van traditionele productie. Met behulp van pick-and-place robotica kunnen deze passieve en actieve elektronische componenten nu automatisch gepositioneerd en vastgezet worden tijdens of na het printproces. Dit opent mogelijkheden voor echt printen op systeemniveau met ingebedde berekeningen, sensoren en draadloze connectiviteit.

Onderzoekers op het gebied van geprinte elektronica streven ernaar om de geleidbaarheid, resolutie en opbrengst te verbeteren door middel van nieuwe materiaalformules en innovaties in het 3D-printproces. Gecombineerd multi-assig printen, uithardingsmethodes en online kwaliteitscontrole zullen waarschijnlijk leiden tot afgewerkte elektronische producten met prestaties die overeenkomen met traditioneel gefabriceerde circuits. Bijkomend werk op het gebied van detectie in de spuitmondjes, procesbesturing met gesloten regelkring en verfijning van de verwerking van meerdere materialen belooft het volgende te optimaliseren hars 3D printen circuits en het ontwerpen van slimme producten. Vooruitgang op deze gebieden betekent dat de digitale fabricage van volledig functionele elektronische apparaten door middel van additieve fabricage steeds haalbaarder wordt.

Samengevat is 3D-geprinte elektronica een zich ontwikkelend en veelbelovend gebied dat de grenzen tussen productie en ontwerp doet vervagen. Door additieve ontwerpvrijheid te integreren met de fabricage van functionele circuits, biedt het ongekende mogelijkheden voor op maat gemaakte elektronische producten voor nichetoepassingen en persoonlijke behoeften. De voortdurende vooruitgang op het gebied van materialen en processen zal er de komende jaren toe leiden dat 3D-geprinte elektronica op grote schaal gecommercialiseerd en toegepast zal worden in vele industrieën.

Multi-materiaal 3D-geprinte elektronica

Hybride schakelingen maken met verschillende materialen

Moderne multi-materiaal 3D printers maken het mogelijk om gelijktijdig geleidende en niet-geleidende materialen aan te brengen. Dit maakt:

• Complexe elektronische onderdelen maken van verschillende materialen in één enkele afdruk, zoals metalen, geleidende polymeren en isolatoren.
• Hybride schakelingen produceren die geïntegreerde elektrische en mechanische onderdelen bevatten zonder extra assemblagestappen.
• Conforme circuitontwerpen die ingebed kunnen worden in niet-vlakke 3D-structuren.

Ingebedde elektronica

Recent onderzoek heeft technieken aangetoond om draden, chips en andere elektronische componenten rechtstreeks in 3D-geprinte thermoplasten tijdens het fabricageproces. Hierdoor kunnen functionele circuits worden geïntegreerd in complexe 3D-geometrieën.

Methoden op basis van vezels

Op filament gebaseerde 3D printers deponeren eerst een isolerend materiaal en printen vervolgens selectief geleidende sporen met behulp van gespecialiseerde filamenten. Onderzoekers hebben nieuwe geleidende polymeerfilamenten voor deze aanpak ontwikkeld.

Functionele inkten voor gedrukte schakelingen

Zilveren nanodeeltjes inkten

Inkten met zilveren nanodeeltjes bieden een hoge geleidbaarheid en resolutie. Ze worden vaak gebruik van 3D printen in aerosoljet-, inkjet- en extrusieprinten van flexibele en gedrukte elektronica. Met deze inkten geproduceerde sporen kunnen de prestaties van traditioneel vervaardigde koperen circuits evenaren.

Grafeen/Koolstof-inkten

Grafeen- en koolstofinkten produceren goedkope, lichtgewicht geleidende sporen. Dankzij hun mechanische flexibiliteit vinden ze toepassingen in buigbare aanraakschermen, wearables en bio-elektronica. De geleidbaarheid is echter meestal lager dan bij zilverinkten. Nieuwe formuleringen proberen dit te verbeteren voor circuittoepassingen.

Hybride schakelingen

Om de beperkingen van enkelvoudige materiaalbenaderingen te overwinnen, integreren onderzoekers 3D-printen met traditionele lithografie. Sommige benaderingen printen geleidende sporen op aangepaste 3D-substraten die later worden bewerkt met behulp van gevestigde lithografische technieken. Anderen integreren 3D-geprinte elektrische componenten als één laag in meerlaagse hybride circuits die met zowel additieve als subtractieve methoden worden vervaardigd. Hierdoor wordt de complexiteit van printbare circuits groter dan wat momenteel haalbaar is met alleen 3D-printen.

Vooruitgang in 3D Circuit Fabricage

Afdrukken met een hogere resolutie

Technologische verbeteringen hebben de mogelijkheden van 3D-geprinte elektronica vergroot. 3D printers met een hogere resolutie kunnen nu fijnere geleidende sporen van minder dan 100 micron aanbrengen. Dit maakt dichtere en geavanceerdere circuitontwerpen mogelijk.

Ingebedde elektronica

Nieuwe technieken integreren actieve apparaten zoals chips, sensoren en energieopslagcomponenten direct in thermoplastische substraten tijdens het 3D-printen. Dit maakt de productie van volledig functionele elektronische systemen zonder nabewerking mogelijk.

Afdrukken met meerdere spuitmondjes

3D-printsystemen met meerdere spuitmonden kunnen verschillende functionele materialen tegelijk deponeren voor een betere registratie tussen onderdelen en een hoger rendement. Isolatoren, geleiders en actieve 3D printmaterialen precies geplaatst kunnen worden.

Flexibele en rekbare geleiders

Innovaties in de verwerking helpen bij de productie van rekbare en zelfherstellende geleiders die flexibele en draagbare 3D-geprinte elektronica mogelijk maken. Circuitontwerpen kunnen nu buigen, uitrekken en mogelijk herstellen van schade.

Integratie van passieve componenten

Ingebedde 3D-geprinte golfgeleiders, antennes en andere passieve componenten maken het mogelijk om compacte draadloze circuits en Internet-of-Things apparaten additief te produceren. Dit breidt de ontwerpmogelijkheden voor geprinte elektronica uit.

Toepassingen en toekomstige trends

Draagbare en implanteerbare apparaten

3D-conforme circuits maken naadloze integratie van elektronica in kleding, prothesen en implanteerbare medische apparaten mogelijk via additieve circuitontwerpen.

Slimme voorwerpen en IoT

Door intelligentie en connectiviteit in te bouwen met behulp van 3D-geprinte elektronica kunnen nieuwe generaties interactieve producten, domoticasystemen en industriële sensoren worden ontwikkeld.

Microfluïdica en bio-elektronica

3D-printen maakt de integratie mogelijk van elektronische componenten met vloeistofkanalen, kleppen en reactoren voor toepassingen in chemische analyse, orgaan-op-een-chip ontwikkeling en gepersonaliseerde geneeskunde.

Lucht- en ruimtevaarttechnologieën

Conforme gedrukte schakelingen maken lichtgewicht, robuuste luchtvaartelektronica, satellieten en grondondersteuningssystemen geoptimaliseerd voor geavanceerde toepassingen in de luchtvaart en ruimtevaart.

Vooruitstrevende technologieën

Het onderzoek is gericht op het verbeteren van multimateriaaltechnieken, het bereiken van printprecisie op nanoschaal, het ontwikkelen van nieuwe zelfassemblagemethoden en het verkennen van hybride fabricagemethoden om nog geavanceerdere 3D-geprinte elektronische systemen te realiseren. Dit gebied staat op het punt om een revolutie teweeg te brengen in de productie van elektronica.

Conclusie

3D-geprinte elektronica heeft de afgelopen jaren enorme vooruitgang geboekt en zal in de toekomst een drastische impact hebben op verschillende industrieën. Materiaalinnovaties hebben levensvatbare geprinte geleiders en diëlektrische inkten mogelijk gemaakt, terwijl multimateriaal printen nu routinematig zowel passieve als actieve elektronische componenten integreert in complexe 3D-geometrieën.

Deze technologieën maken volledig aangepaste en conforme circuits mogelijk die tot nu toe onmogelijk te produceren waren. Van medische apparaten tot consumentenproducten en ruimtevaarttechniek, elke toepassing met gespecialiseerde elektronische behuizingen of eenmalige ontwerpen komt in aanmerking voor digitale additieve productie. Naarmate de technieken rijper worden, zal 3D-geprinte elektronica steeds nauwer geïntegreerd worden met traditionele lithografische verwerking om oplossingen op systeemniveau te realiseren.

Resoluties onder 100 micron overtreffen nu gemakkelijk veel conventionele mogelijkheden voor PCB-fabricage. Het gebruik van 3D-geprinte circuits zal versnellen naarmate de opbrengsten toenemen en 3D printer kosten verminderen door voortdurende procesverfijningen. De mogelijkheid tot massa-aanpassing bij kleinere volumes maakt additieve productie bijzonder aantrekkelijk voor IoT en gepersonaliseerde geneeskunde. Verdere uitbreiding van toepassingen in flexibele en bio-elektronica zal leiden tot voortdurende innovatie in materiaalsets en printbenaderingen.

Binnen dit decennium zal 3D-geprinte elektronica naar verwachting de traditionele productiemethoden voor veel compacte en complexe circuittoepassingen vervangen. Naarmate multi-materiaal additieve technieken zich ontwikkelen tot industriële volwassenheid, zal digitale productie de ontwikkeling van elektronische producten transformeren en apparaten op schaal aanpassen. De ontwerpvrijheid van 3D printen en de geïntegreerde functionaliteit maken de weg vrij voor de volgende generatie slimme netwerkapparaten.

FAQs

V: Waarin verschilt 3D-geprinte elektronica van traditionele productie?

A: Het maakt gebruik van additieve processen om circuits direct laag voor laag te fabriceren in plaats van subtractief etsen en assembleren. Dit maakt nieuwe ontwerpen mogelijk zoals ingebedde/conforme circuits en eenvoudige aanpassing.

V: Welke materialen worden gewoonlijk gebruikt?

A: Zilver-, koolstof- en polymeerinkten zorgen voor geleidende sporen, terwijl kunststoffen zoals thermoplasten als diëlektrische isolatoren tussen de sporen fungeren. Vooruitgang op het gebied van nanomaterialen en inkten breidt de bibliotheek van printbare materialen uit.

V: Hoe nauwkeurig kunnen sporen zijn?

A: Toonaangevende technologieën kunnen lijnen tot 50 micron dun bedrukken met extrusie en aerosoljet met hoge resolutie. Geregistreerd multimateriaal printen verhoogt de dichtheid nog verder.

V: Wanneer zal het conventionele PCB's overtreffen?

A: Voordelen van aanpassing aan de massa zijn al goed voor nichemarkten. Maar de rendementen moeten nog verbeteren om binnen 5-10 jaar op hetzelfde niveau van kosten en prestaties te zitten als nodig is voor massatoepassingen voor consumenten.