Destaque do aplicativo:5 componentes eletrônicos que podem se beneficiar da impressão 3D

A impressão 3D de eletrônicos está se tornando rapidamente uma das principais tecnologias para o avanço da fabricação de eletrônicos. Atualmente, ele está sendo amplamente usado para acelerar o desenvolvimento de produtos por meio de prototipagem rápida. No entanto, vemos cada vez mais a tecnologia mudando para a produção de componentes eletrônicos funcionais.

Em 2029, prevê-se que o mercado total de eletrônicos impressos em 3D valha mais de US $ 2 bilhões. No artigo de hoje, estamos explorando as tendências e alguns dos aplicativos que impulsionam esse crescimento.

Dê uma olhada nos outros aplicativos abordados nesta série:

Impressão 3D para trocadores de calor

Impressão 3D para rolamentos

Impressão 3D para fabricação de bicicletas

Impressão 3D para Odontologia Digital e Fabricação de Alinhador Transparente

Impressão 3D para implantes médicos

Foguetes impressos em 3D e o futuro da fabricação de naves espaciais

Impressão 3D para Fabricação de Calçados

Impressão 3D na Indústria Ferroviária

Óculos impressos em 3D

Impressão 3D para produção de peças finais

Impressão 3D para suportes

Impressão 3D para peças de turbinas

Como a impressão 3D permite componentes hidráulicos de melhor desempenho

Como a impressão 3D apóia a inovação na indústria de energia nuclear

Impressão 3D para Fabricação de Calçados

O que está impulsionando a adoção da impressão 3D na indústria de eletrônicos?

O ciclo de vida dos produtos eletrônicos está diminuindo, incentivando os fabricantes de produtos eletrônicos a encontrar maneiras de acelerar o desenvolvimento e a fabricação de produtos. Atualmente, a maior parte da produção de protótipos e componentes é terceirizada para o Leste Asiático. Isso significa que os fabricantes que desenvolvem produtos na Europa e na América do Norte precisam enviar projetos eletrônicos para a China e, muitas vezes, esperar semanas para receber os protótipos de volta.

Além disso, a quantidade mínima de pedido é muitas vezes maior do que a que um fabricante precisaria, forçando-o a comprar mais protótipos do que o necessário para teste e validação.

Com esses desafios em mente, os fabricantes estão procurando maneiras de trazer a prototipagem para mais perto de suas equipes de design.

Uma forma de o conseguir é utilizar fabricantes locais contratados. Isso, no entanto, apresenta outra questão de possível violação da Propriedade Intelectual (PI). Idealmente, os fabricantes precisam ter uma solução para fazer prototipagem internamente, e é aqui que a impressão 3D eletrônica entra.

As impressoras 3D, desenvolvidas especificamente para aplicações eletrônicas, estão ganhando força porque permitem que as empresas de eletrônicos para trazer a prototipagem interna. Esses sistemas geralmente vêm em um formato de desktop compacto, o que os torna fáceis de colocar diretamente no departamento de desenvolvimento de produtos. É importante ressaltar que as impressoras 3D podem criar protótipos de componentes eletrônicos, como placas de circuito impresso (PCBs), antenas, capacitores e sensores, em questão de horas. Como resultado, a validação do projeto se torna mais rápida, permitindo, assim, reprojetos mais frequentes. Além disso, manter um sistema interno de impressão 3D para eletrônicos diminui o risco de roubo de IP. Outro fator que impulsiona a impressão 3D eletrônica é a evolução e miniaturização contínuas dos componentes eletrônicos, com aumento da demanda por funcionalidades avançadas. A demanda por eletrônicos flexíveis não padronizados está crescendo exponencialmente, mas como a fabricação de tais componentes pode ser um desafio com as técnicas tradicionais, as tecnologias de impressão 3D estão começando a fornecer os meios para atender à demanda.

Eletrônica impressa não é um conceito novo. As tecnologias de impressão 2D, como jato de tinta e serigrafia, têm sido usadas para fabricar componentes eletrônicos há vários anos. Todos esses processos ainda estão bem e vivos, mas têm limitações. A maioria dos processos 2D foi desenvolvida para imprimir em 2 dimensões, o que significa que só podem ser usados ​​para fabricar componentes eletrônicos em uma superfície plana.

Por exemplo, na fabricação de PCB tradicional, os engenheiros projetam em 2D, como bem como fabricar as diferentes camadas de PCB em 2D. Em seguida, eles devem completar todos os tipos de etapas adicionais do processo, como perfuração, prensagem e galvanização, a fim de começar a conectar muitas camadas separadas em uma placa de circuito tridimensional e multicamadas.

A impressão 3D expande as opções de design , na medida em que permite aos engenheiros imprimir circuitos inteiros em superfícies não planas.

É certo que esta tecnologia está sendo usada principalmente para prototipagem. No entanto, sistemas novos e aprimorados estão começando a entrar no mercado, sinalizando que em breve poderemos ver a eletrônica impressa em 3D usada em produtos totalmente funcionais produzidos em massa.

Principais aplicações de eletrônicos impressos em 3D

Antenas impressas em 3D

As antenas são um componente sempre presente em todas as aeronaves comerciais e militares, bem como em satélites, UAVs e terminais terrestres.

O advento da impressão 3D levou ao desenvolvimento de novos designs de antenas que não poderiam ser alcançados com as técnicas tradicionais de fabricação. A impressão 3D também permitiu que os fabricantes produzissem formas de antenas tradicionais com menos peso e a um custo mais baixo.

A Optisys é uma empresa que se concentra no design, fabricação e teste de antenas leves usando impressão 3D de metal. Para fabricar antenas, a Optisys usa um processo de fusão em leito de pó, onde finas camadas de pó são soldadas em metal sólido por um laser de alta potência.

Através deste processo de soldagem, uma peça é construída, uma pequena camada de cada vez. Este processo de fabricação permite que o material seja adicionado apenas quando necessário, alcançando uma determinada função mecânica ou de radiofrequência (RF).

Em um exemplo, a Optisys produziu uma peça de demonstração - um X-band SATCOM Integrated Tracking Antena Array (XSITA). A impressão 3D, em combinação com o software de simulação, permitiu à Optisys reduzir o número de peças na montagem de mais de 100 para apenas 1 peça única. A Optisys também relatou que os prazos de entrega foram reduzidos em 9 meses, de 11 para 2 meses, e os custos de produção foram reduzidos em pelo menos 20%

Interconexões

Parte intrínseca de qualquer sistema eletrônico, as interconexões são estruturas que conectam dois ou mais elementos de circuito (como transistores) eletricamente. Os métodos atuais de fabricação de interconexões, como a ligação de fios, têm algumas limitações, incluindo caminhos longos dos condutores e alta tensão mecânica em componentes frágeis. Imprimir as interconexões diretamente nas placas de componentes de PCB e RF pode resolver esses desafios.

A tecnologia Aerosol Jet, desenvolvida pela Optomec, é uma das tecnologias que podem imprimir interconexões conformadas em superfícies 3D, eliminando a necessidade de ligação por fio.

A impressão a jato de aerossol começa com a atomização de tinta, produzindo gotículas de um a dois mícrons de diâmetro. As gotículas atomizadas são arrastadas por um fluxo de gás e enviadas para a cabeça de impressão. A impressora então injeta gotas de material em alta velocidade, permitindo que grudem no substrato. O processo ocorre em temperatura ambiente sem o uso de câmaras de vácuo ou pressão.

Uma equipe da empresa de tecnologia aeroespacial e de defesa, Northrop Grumman, usou esse método para produzir semicondutores de arseneto de gálio (GaAs). No estudo, os pesquisadores imprimiram em 3D camadas dielétricas e interconexões de ouro do tipo ponte em circuitos integrados monolíticos de micro-ondas baseados em GaAs (MMICs). Após a impressão, os dispositivos MMIC foram submetidos a testes de RF e testes de confiabilidade, incluindo choque térmico, ciclo térmico e teste de tensão de corrente. Tendo sobrevivido a tais condições adversas, os MMICs não mostraram sinais de degradação de desempenho, provando que as interconexões impressas em 3D podem funcionar em cenários do mundo real.

Capacitores

Um capacitor, dispositivo utilizado em circuitos eletrônicos para armazenar energia e carga elétrica, é mais um componente que pode ser impresso em 3D.

As tecnologias tradicionais de fabricação de PCBs de hoje exigem que os capacitores sejam montados em um PCB. Isso, no entanto, resulta em um uso não muito eficiente da área de superfície do PCB.

A impressão 3D, por outro lado, permite que os capacitores sejam impressos diretamente no PCB, permitindo que os engenheiros eletrônicos evitem um processo de montagem complexo e potencialmente demorado, ao mesmo tempo em que criam pegadas menores na placa de circuito.

Outros benefícios podem incluir caminhos de circuito mais curtos, larguras de banda expandidas, velocidade de sinal aumentada e ruído minimizado.

A Nano Dimension, desenvolvedora de impressoras eletrônicas 3D, anunciou recentemente que desenvolveu com sucesso um capacitor impresso em 3D embutido. Sua tecnologia, alimentando uma linha de impressoras 3D DragonFly, funciona depositando dois materiais (um condutor e um dielétrico) em camadas do substrato para cima, seguindo as localizações especificadas no arquivo de projeto.

Após mais de 260 testes, com 30 dimensões diferentes de capacitores impressos em 3D, a empresa comprovou resultados consistentes, que mostraram menos de 1% de variação entre os componentes. A Nano Dimension afirma que os seus condensadores podem ser utilizados em linhas de transmissão de radiofrequência, processamento de áudio, recepção de rádio e condicionamento de circuitos de potência.

Este marco está alinhado com as tendências da indústria eletrônica de miniaturização e nivelamento dos dispositivos eletrônicos. Claramente, a capacidade de impressão 3D para produzir capacitores menores está se expandindo, oferecendo aos engenheiros eletrônicos novas maneiras de otimizar seus designs de PCB.

Componentes de radiofrequência

Além dos capacitores, as impressoras 3D da Nano Dimension são usadas para projetar componentes de RF. Esses são elementos cruciais de qualquer sistema eletrônico usado para transmitir dados, vídeo, voz e outras informações a longas distâncias.

Harris Corporation, uma empresa especializada em comunicações táticas, sistemas e serviços geoespaciais e aviônica e guerra eletrônica, usou uma impressora 3D DragonFly Pro 2020 para desenvolver um amplificador RF impresso em 3D.

Usando a impressão 3D, Harris fabricou um circuito de 101 x 38 mm de espessura em 10 horas. As tintas condutoras e dielétricas de nanopartículas de prata da Nano Dimensions foram usadas para criar as peças elétricas funcionais em uma única impressão e, em seguida, os componentes foram soldados manualmente ao PCB.

Quando comparado ao amplificador tradicionalmente fabricado, o A contraparte impressa em 3D mostrou desempenho de RF semelhante, demonstrando claramente a viabilidade da eletrônica impressa em 3D para circuitos de RF.

Sensores

Sensores impressos em 3D são uma das aplicações mais interessantes da eletrônica impressa em 3D. Esses dispositivos, que podem detectar e responder a algum tipo de entrada do ambiente físico, são usados ​​em todos os lugares, desde sistemas de controle de emissão de carros a portas automáticas e telefones celulares. Sensores biomédicos são uma aplicação que pode se beneficiar da impressão 3D. Por exemplo, pesquisadores da Georgia Tech e da Emory University estão desenvolvendo um sensor impresso em 3D que pode ajudar os médicos a monitorar e avaliar sem fio a cura de aneurismas. O sensor foi criado com a ajuda da impressão 3D do jato de aerossol. É composta por seis camadas, fabricadas a partir de poliimida biocompatível, duas camadas separadas de um padrão de malha produzida a partir de nanopartículas de prata, um dielétrico e um material encapsulante de polímero macio.

De acordo com a equipe de pesquisa, a impressão 3D permite muito pequenos recursos eletrônicos a serem produzidos em uma única etapa. Isso elimina a necessidade do processo tradicional de litografia de várias etapas. Isso também significa que o sensor pode ser fabricado em um volume maior e a um custo baixo.

Essa tecnologia fornece um vislumbre de como a combinação de dispositivos inteligentes e impressão 3D eletrônica pode promover o avanço da saúde. Além de aplicações médicas, sensores impressos em 3D podem ser usados ​​para monitorar o desempenho das pás da turbina. Por exemplo, a General Electric está usando a tecnologia Aerosol Jet da Optomec para imprimir sensores de deformação de cerâmica diretamente nas lâminas da turbina. Esses sensores são usados ​​para detectar fadiga e deformação no metal para evitar falhas caras e perigosas.

O uso de sensores impressos em 3D economizou à GE $ 1 bilhão. A manutenção das lâminas da turbina é cara e demorada, mas os sensores de impressão 3D nos componentes da turbina a gás podem ajudar a otimizar esse processo. A combinação de impressão 3D e tecnologias de sensores está abrindo as portas para uma ampla variedade de aplicações nas indústrias médica, energética e aeroespacial. Conforme a pesquisa nesta área continua, veremos o uso de sensores impressos em 3D crescendo, alimentado pela necessidade de soluções de monitoramento menores, mas de alto desempenho.

O caminho à frente

A eletrônica impressa em 3D é um setor jovem, mas em rápido desenvolvimento, para a impressão 3D, crescendo em resposta às crescentes necessidades da indústria eletrônica. Atualmente, a impressão 3D eletrônica oferece soluções de prototipagem rápida, mas pode levar apenas alguns anos até que vejamos a fabricação aditiva de alto volume de produtos eletrônicos. As empresas estão tornando essa visão uma realidade, lançando sistemas aprimorados e capazes de produção e desenvolvendo materiais condutores e dielétricos de melhor desempenho. A Nano Dimension, por exemplo, revelou recentemente seu novo sistema DragonFly Lights-Out Digital Manufacturing (LDM). A empresa diz que o sistema pode ser usado para produzir PCBs multicamadas funcionais impressos em 3D, capacitores, bobinas, sensores e antenas em pequenos volumes. Os avanços no lado do hardware são uma das chaves para desbloquear a impressão 3D eletrônica além da prototipagem.

Igualmente empolgante é a quantidade de pesquisas conduzidas para desenvolver aplicações para eletrônica impressa em 3D. Pesquisadores e empresas estão empurrando o envelope para a fabricação de eletrônicos, explorando novas funcionalidades e design proporcionados pela impressão 3D.

Seguindo os passos da impressão 3D mecânica tradicional, o segmento de impressão 3D eletrônica parece prestes a experimentar um enorme crescimento nos próximos anos.