3D-печать в электронной промышленности 2020

  • автор:

3D-печать в электронной промышленности является одной из областей применения аддитивного производства.

3D печать (также известная как аддитивное производство, AM) — это прорывная технология, которая развивается более 30 лет. Но в последние годы привлекает все больше и больше внимания.

3D-печать в электронной промышленности — введение

3D-печать в электронной промышленности обладает уникальной способностью управлять областью точек-линий в геометрии и материале каждого слоя для объекта в полном масштабе от микромасштаба до макромасштаба.

Возникающая многомасштабная технология 3D-печати из нескольких материалов обладает огромным потенциалом для реализации одновременного и полного контроля над изготовленным объектом.

Который включает в себя:

— внешнюю геометрию,

— внутреннюю архитектуру,

— функциональную поверхность,

— состав материала и соотношение

А также распределение градиента, диапазон размеров элементов. От нано, микро, до макромасштабов, встроенных компонентов и электросхем и т. д. Таким образом, 3D-печать в электронной промышленности может создавать гетерогенный и иерархически структурированный объект с заданными свойствами и множеством функций. Которые не могут быть достигнуты с помощью существующих технологий.

3D-печать в электронной промышленности считается революционной технологией и производственным инструментом нового поколения. Которая действительно может выполнять «создание материала» и «создание жизни». В частности, подрывать традиционный дизайн продукта и схему производства.

3D-печать прокладывает путь и приведет к большому прорыву в различных приложениях. например в:

— функциональных тканях и органах,

— функционально дифференцированных материалах/структурах решетки, метаматериалах, интеллектуальных материалах, функционально встроенных электронных компонентах,

— биологических материалах/структурах,

— множественных — функциональный продукт, мягкий робот и т. д.

Кроме того, он может способствовать огромному прогрессу во многих областях. Например, включая материалы, биомедицину, электронику, механику, бионику, аэрокосмическую промышленность и т. д.

В последние несколько лет 3D-печать использовалась для производства электроники и структурной электроники. В частности, электронные/электрические компоненты размещают и встраивают в трехмерную структуру для формирования многофункционального продукта путем прерывания процесса трехмерной печати.

3D-печать способствует интегрированной сборке и встраиванию других компонентов в результате послойных или точечных характеристик.

Функциональные элементы, теперь интегрируются в продукты или конструкции, напечатанные на 3D-принтере. Такие как датчики, схемы и встроенные компоненты. В результате, открывая путь к захватывающим новым рынкам, приложениям и возможностям.

Кроме того, 3D-печать может использоваться для печати электроники на эластичных и гибких биосовместимых «шкурах» с интегральными схемами. Которые могут соответствовать монтажным поверхностям неправильной формы.

Следовательно, 3D-печать в электронной промышленности может предложить огромный потенциал и уникальные возможности для создания сложных объектов с множеством функций.

В частности, 3D-печать в электронной промышленности продемонстрировала уникальную способность производить встроенную электронику, трехмерную структурную электронику, конформную электронику, растягиваемую электронику, OLED и т. д.

Приложения для 3D-печати были значительно расширены. 3D-печать в электронной промышленности считается следующим этапом развития AM.

Харроп Дж., Директор исследовательской компании IDTechEx, считает, что наиболее многообещающее применение трехмерной печати из нескольких материалов будет в области электроники. Большое количество исследований и усилий в такой области как 3D-печать в электронной промышленности было выполнено как академическими кругами, так и промышленными предприятиями.

3D-печать в электронной промышленности в последние годы достигла больших успехов.

Эта статья в основном представляет собой всесторонний обзор последних достижений в области 3D-печать в электронной промышленности. Кроме того, обсуждаются проблемы и перспективы электроники для 3D-печати. Эта статья может предоставить справочную информацию и направление для дальнейших исследований и исследований электроники 3D-печати.

3D-печать в электронной промышленности - последние достижения

3D-печать в электронной промышленности — последние достижения

Многие исследователи пытались добавить электронные функции в трехмерные печатные структуры путем встраивания электронных/электрических компонентов и полной инкапсуляции межсоединений проводящих дорожек.

Возможность запуска или остановки сборки на любом заданном уровне позволяет встраивать электронные компоненты для производства конформных встроенных трехмерных электронных систем.

Теперь, можно создать единый объект из нескольких материалов и встроенных компонентов. Естественно, используя преимущества метода 3D-печать в электронной промышленности. А также доступ к отдельным слоям во время изготовления,

Встроенная электроника может значительно снизить массу и сложность сборки за счет исключения кабельных межсоединений и избыточной упаковки электроники. Возможность встраивать сложные функциональные компоненты и электронику в 3D-печатные структуры очень важна для пользователей малых спутников, которые хотят использовать 3DP в ограниченном пространстве.

НАСА/GRC (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства/Исследовательский центр Гленна) и America Makes выполнили методы AM для разработки встроенной электроники, используемой в конструкциях космических кораблей.

Производственная платформа, мульти-трехмерная система, которая объединяет две системы FDM (моделирование методом наплавления), фрезерный станок с ЧПУ (числовое программное управление) для микрообработки и прецизионный дозатор для нанесения проводящих красок, были разработаны для производства трехмерных, мультиматериальных, многофункциональных устройств (3D-печатный модуль CubeSat) для удовлетворения требований аэрокосмических приложений.

Система может встраивать провода и компоненты на подложку из нескольких материалов для обеспечения механической, электронной, тепловой и электромагнитной функциональности и создания конформных структур со встроенной электроникой.

CubeSat Trailblazer интегрировал структуру, напечатанную на 3D-принтере. А встроенная электроника была успешно запущена в 2013 году.

Это исследование представляет собой подтверждение концепции передовых полностью инкапсулированных устройств для 3D-печати. Он также подтвердил полезность полностью встроенного межблочного соединителя.

Стелька для обуви со встроенной схемой измерения давления и температуры, с микросхемой беспроводной связи для передачи данных была изготовлена ​​методом трехмерной печати из нескольких материалов.

Были созданы многослойные тактильные датчики, включая изолирующие слои и чувствительные элементы. Используя не только 3D-печать в электронной промышленности, а и гибридный процесс 3D-печати.

Этот процесс позволяет создавать корпус датчика слой за слоем, печатать чувствительные элементы на поверхности корпуса и создавать дополнительные слои.

Благодаря сочетанию струйной, аэрозольной и экструзионной печатающих головок наносимый материал может варьироваться с широким диапазоном растворителей.

Используя 3D-печать в электронной промышленности создана трехмерная «умная крышка» со встроенным индуктором — беспроводным пассивным датчиком. Который, как было продемонстрировано, контролирует качество жидких пищевых продуктов без проводов.

Трехмерные структуры, включающие как опорные, так и расходные конструкции, создаются с разрешением 30 мкм с использованием технологии FDM, оснащенной системой с несколькими соплами. После удаления расходных материалов впоследствии впрыскиваются суспензии частиц серебра. Которые затвердевают в виде металлических элементов/межсоединений.

Это может быть первая демонстрация комплексного производственного процесса для печати 3D аддитивного полимера с заполнением жидкой металлической пастой для использования в потенциальных приложениях.

Коммерческий принтер для печати нескольких материалов 3Dn-300 от nScrypt Inc. был использован для изготовления полностью встроенной низкопрофильной антенны. 3D-принтер включает в себя двойные напыляющие головки, позволяющие распределять два разных материала.

Термопластический материал распределяется из одной головки посредством процесса экструзии нити для печати диэлектрических компонентов. В то время как другая головка печатает, краска/паста печатается с другой головки с размером элементов всего 20 мкм для создания проводящих элементов.

Гибридный процесс 3D-печати, объединяющий стереолитографию (SL) и прямую печать (DP), был принят для создания функциональных, монолитных 3D-структур со встроенной электроникой.

Гибридная система SL/DP состоит из машины 3D Systems SL 250/50 и микродозирующего насоса nScrypt, интегрированного в машину SL через выровненные под прямым углом этапы линейного перемещения.

Подложка/механическая структура была изготовлена ​​SL. А межсоединения выполнены токопроводящими чернилами DP. Был разработан процесс изготовления трехмерного электронного устройства с использованием гибридной машины SL/DP с требованием нескольких запусков и остановок процесса SL, удаления неотвержденной смолы с подложки SL, вставки активных и пассивных электронных компонентов, DP и лазера.

За счет отверждения проводящих дорожек на месте создание монолитных трехмерных структурных электронных устройств может быть выполнено без снятия устройства с машины во время изготовления. Jang et al. также представили изготовление трехмерного схемного устройства по гибридному процессу SL и DW технологий. Изготовленная на заказ система SL была принята на вооружение вместо серийного SL.

3D-печать в электронной промышленности - 3D структурная электроника

3D-печать в электронной промышленности — 3D структурная электроника

Гибридная технология в сочетании с прямой записью/отверждением (DWC) и проекционной микростереолитографией (PμSL) была использована для создания трехмерной структурной электроники.

Для создания трехмерных структур был применен процесс PμSL. А токопроводящие дорожки были созданы путем комбинации DWC с нанокомпозитами УНТ/полимер. Которые могут стать емкостью нового поколения недорогой трехмерной структурной электроники в области бытовой, оборонной и медицинской электроники.

Технология гибридного производства в сочетании с технологиями AM предложит возможности полностью трехмерного производства с высоким разрешением, из нескольких материалов и на больших площадях.

А также потребует только окружающих условий обработки (не требуется чистая комната, вакуум или высокотемпературная среда).

Недостатки процесса изготовления печатной платы включают:

— сложность,

— трудоемкость,

— более высокую стоимость,

— ограниченное формирование продукта, поскольку печатная плата должна быть включена.

Чтобы преодолеть эти недостатки, Jiang et al. сообщили о гибридном процессе с использованием стереолитографии и прямой записи (DW) для изготовления устройств с трехмерной схемой.

Изоляционные конструкции печатных плат высокой точности изготовили с использованием SL. Кроме того, схемы были выполнены на нескольких слоях с использованием DW. Lopes et al. также представила аналогичную производственную систему с использованием технологий SL и DW для изготовления трехмерной структурной электроники.

Интеграция SL в сочетании с микродозированием (нанесение сопла) и технологией Pick-and-Place (вставка компонентов) позволяет создавать диэлектрические подложки сложной формы с замысловатыми деталями. В которых миниатюрные полости используются для интеграции электронных компонентов с запрессовкой.

Печатные токопроводящие дорожки служат в качестве электрических соединений, осаждаемых интегрированной системой микродозирования в системе SL. В результате эта комбинация технологий производства революционизирует интеграцию электроники в механические структуры как «трехмерную структурную электронику».

Уикер и Макдональд продемонстрировали разработку систем SL из нескольких материалов и технологий, способных изготавливать структуры из нескольких материалов с механическими, электрическими и биохимическими функциями.

Некоторые функциональные объекты, включая имплантаты, спроектировали из различных материалов. Микромасштабные детали из нескольких материалов, трехмерную структурную электронику также изготовили.

Проблемы загрязнения, связанные с использованием нескольких вязких материалов в одной конструкции, пропускной способности и ограниченного количества материалов, а также проводящих чернил с возможностью низкотемпературного отверждения, по-прежнему остаются проблемой.

Эластичная электроника

Эластичная электроника

С развитием электроники прогресс в технологиях производства способствовал развитию аспектов меньшего размера, скорости и эффективности. До сих пор основное внимание уделялось жесткой электронике.

Однако недавний интерес к таким устройствам, как носимая электроника и мягкая робототехника, привел к появлению совершенно нового набора электронных устройств — растягиваемой электроники. И 3D-печать в электронной промышленности здесь в первых рядах.

Эти новые устройства требуют новых производственных решений для интеграции разнородных мягких функциональных материалов. 3D-печать в электронной промышленности может использоваться для печати электроники на эластичных и гибких биосовместимых «шкурах» с интегральной схемой. Которая может соответствовать монтажным поверхностям неправильной формы.

Muth et al. сообщили о методе встроенной 3D-печати (e-3DP) для изготовления тензодатчиков. В этом методе вязкоупругие чернила экструдируются в эластомерный резервуар через сопло для нанесения.

Чернила используются как резистивный чувствительный элемент. А резервуар формирует матричный материал. Закрывающий слой (заполняющая жидкость) используется для заполнения пустот, образующихся в процессе перемещения сопла через резервуар.

Наконец, в результате совместного отверждения резервуара и заполняющей жидкости формируется монолитная часть. Которая покрывала и удерживала внедренную токопроводящую жидкость для чернил.

3D-печать в электронной промышленности может создавать мягкие сенсоры легко и легко программируемым образом. Для обеспечения возможности e-3DP разработали систему многокомпонентных материалов, состоящая из чернил, резервуара и заполняющей жидкости.

Вышеупомянутый метод, который для создания легкорастяжимых датчиков с помощью e-3DP, открывает новые подходы к производству функциональных мягких устройств для носимой электроники.

Возможность печати интегральных схем на гибкой подложке позволяет электронным устройствам иметь соответствующую форму, легкую структуру и ударопрочную конструкцию. Чего сложно достичь с помощью жестких подложек. Например, таких как полупроводниковые пластины и стеклянные пластины.

Bijadi et al. успешно протестировали осуществимость процесса 3D-печати на основе экструзии шприца для печати растяжимой встроенной электроники с использованием проводящего силикона SS-26S на гибких непроводящих силиконовых подложках.

В этом методе использовался проводящий материал для создания полной схемы с компонентами SMT и встроенными микроконтроллерами. Вместо того, чтобы просто использовать проводящие силиконовые дорожки в качестве гибких межсоединений.

Vatani et al. представила гибридный производственный процесс, включающий прямую печать / отверждение (DPC) и проекционную стереолитографию для растягиваемых тактильных датчиков.

Процесс изготовления тактильного датчика включает в себя создание корпуса датчика, печать чувствительных элементов на поверхности тела и создание некоторых дополнительных слоев для покрытия отвержденных чувствительных элементов.

Разработанный для трехмерной печати растягиваемый чувствительный материал представляет собой фотоотверждаемую и растяжимую жидкую смолу, наполненную многослойными углеродными нанотрубками (MWNT).

Прочие электронные/электрические изделия и сопутствующие технологии

Прочие электронные/электрические изделия и сопутствующие технологии

3D-печать в электронной промышленности обладает способностью создавать сложную и конформную электронику, интегрированную в производимый продукт. Печать Aerosol Jet от Optomec продемонстрировала возможность построения функциональных антенн на конформных носителях для 3D-печати.

Весь процесс печати точно контролирует расположение, геометрию и толщину покрытия и обеспечивает гладкую зеркальную поверхность для обеспечения оптимальных характеристик антенны.

Некоторые виды антенн мобильных устройств печатаются с помощью процесса Aerosol Jet. Например, такие как LTE, NFC, GPS, Wifi, WLAN и BT. Производительность таких антенн, проверенных поставщиком компонентов сотового телефона, находится на одном уровне с другими методами производства.

На данный момент технология 3D-печать в электронной промышленности Aerosol Jet использовалась для массового производства печатной трехмерной конформной электроники в виде антенны и датчика. Как видно, гибридный процесс DW/AM представляет большой потенциал для создания антенн с трехмерной структурой.

Процесс аэрозольной струйной печати позволяет печатать конформные межсоединения на трехмерных поверхностях. Устраняя необходимость в соединении проводов. Например, для печати электрических соединений на трехмерной многослойной матрице или для изготовления светодиодных чипов.

Рунге показал часть протеза ноги, изготовленную из PLA (полимолочной кислоты) с помощью FDM. Показав сложные неплоские поверхности, с интегрированными в поверхность датчиками деформации, произведенными с помощью печати Aerosol Jet TM. И токопроводящими путями, нанесенными с помощью микродозирования, оба с использованием модульной производственной платформы.

Конструктивные элементы стержня протеза ноги изготавливаются методом FDM из термопластичного полимера PLA. Его функционализация зависит от встроенного в поверхность тензодатчика, реализованного с помощью аэрозольной печати.

Проводящие пути, проходящие через деталь, а также контактные площадки на их концах наносятся путем микродозирования.

Материалом резистивного датчика являются чернила на основе серебра. А межсоединения и контактные площадки изготовливаются из эпоксидной смолы, наполненной частицами серебра.

Первый в мире мультимедийный 3D-принтер для электроники, названный Voxel8, представляет собой универсальное настольное решение для проектирования и создания прототипов 3D-электронных устройств следующего поколения.

Таким образом, он считается прорывной производственной платформой, способной печатать встроенную электронику. Он позволяет создавать прототипы трехмерных электронных устройств методом совместной печати термопластов и высокопроводящих серебряных чернил, которые можно печатать и отверждать при температуре окружающей среды без необходимости термического отжига.

3D-печать в электронной промышленности - перспективы, вызовы и будущие тенденции

3D-печать в электронной промышленности — перспективы, вызовы и будущие тенденции

3D-печать в электронной промышленности нарушает дизайн и производство электронных продуктов. Функциональные возможности устройств/продуктов, изготовленных с помощью 3D-печати, могут быть значительно расширены за счет включения электронных компонентов. Например, таких как датчики и схемы, в заранее определенные полости внутри готовых структур.

3D-печать в электронной промышленности включает не только традиционные механические характеристики. Но также встроенные оптические и электрические функции. Например, такие как датчик; все сложные конструкции сложно изготовить существующими методами производства.

Многие появляющиеся и инновационные продукты изготавливаются с использованием этих технологий. Например, такие как встроенная электроника, трехмерная структурная электроника, конформная электроника, растягиваемая электроника и т.д.

3D-печать в электронной промышленности считается следующим этапом развития AM.

Optomec разработала решение для крупносерийной печати для производства 3D-антенн и 3D-датчиков, которые тесно интегрировала с базовым продуктом. Начиная от смартфонов и заканчивая промышленными компонентами. Его можно использовать для печати больших объемов конформных датчиков и антенн непосредственно на предварительно сформированных трехмерных структурах.

Сложную электронику можно напечатать на 3D-принтере с микронным разрешением, что сделает смартфоны и медицинские устройства дешевле. Трехмерная микроструктурная печать Aerosol Jet обеспечивает сверхвысокое разрешение с размерами боковых элементов 10 мкм и соотношением сторон более 100: 1.

Электропроводность по-прежнему является одной из основных трудностей как для 3D-печатной электроники, так и для 2D-печатной электроники в целом из-за плохой проводимости чернил, вызванной низкой температурой отверждения из-за ограничений материала подложки, такого как картон, полимеры.

Все больше и больше проблем в области типов материалов и проблем обработки в процессе печати от 2D-электроники до 3D-интегрированных объектов.

Следовательно, следует изучить и создать совместимые наборы материалов, чтобы обеспечить адекватную функциональность и технологичность продукта, изобретенного дизайнерами. Кроме того, адгезия между материалами также является большой проблемой. Потому что проводящие материалы будут отделяться от подложки с плохой адгезией.

3D-печать в электронной промышленности требует разработать новые процессы, которые позволили бы наносить более широкие типы материалов. На сегодняшний день существует несколько решений, позволяющих изготавливать многофункциональные 3D-конструкции или изделия со встроенными функциональными системами.

По сравнению с другими методами гибридный процесс, сочетающий FDM и прямую печать/запись, демонстрирует более высокий прикладной потенциал и большую гибкость. Системы струйной печати материалов в настоящее время являются наиболее успешным процессом трехмерной печати из нескольких материалов среди технологий AM.

На сегодняшний день изготавливаются настоящие трехмерные полимерные компоненты из нескольких материалов с использованием процессов струйной печати. В настоящее время струйная обработка полимеров представляется ближайшим приближением к этому видению, доступному в настоящее время: сочетание высокого разрешения,

Контролируемое осаждение материала с возможностью фотополимеризации, которое позволяет немедленно затвердеть материалу после печати и, таким образом, облегчает нанесение материалов с различными функциональными или структурными ролями непосредственно друг за другом, обеспечивает основу для эффективной печати непосредственно системы структурной электроники. Мультиматериальная и многомасштабная 3D-печать будет наиболее многообещающим решением.

Будет производиться все больше и больше функциональной электроники с 3D-печатью и продуктов с электроникой. 3D-печать в электронной промышленности предоставляет мощный инструмент для разработки инновационных продуктов и расширяет множество функций 3D-печати.

Значительный прогресс в электронике для 3D-печати был достигнут за последние годы. Тем не менее, еще предстоит пройти долгий путь для 3D-печатной функциональной электроники и продуктов, а также их промышленных приложений.

Дальнейшие возможности электроники для 3D-печати еще предстоит изучить и изучить.

По материалам www.oejournal.org

Все новости в наших группах: вконтакте, twitter, facebook