L'importanza della produzione additiva nella progettazione elettronica

I metodi di fabbricazione convenzionali che prevedono processi di fotolitografia presentano notevoli svantaggi, tra cui la preparazione di sostanze chimiche pericolose e l'uso di scarti di materiali di terre rare. L'obiettivo di qualsiasi tecnologia di fabbricazione sostenibile ed efficiente deve prevedere l'adattabilità alla prototipazione rapida o alla realizzazione di dispositivi elettronici completamente funzionanti.

Ecco perché vi è una crescente necessità di produzione additiva (AM) in una vasta gamma di sistemi per la progettazione elettronica. A causa delle loro funzionalità, componenti quali transistor, raddrizzatori controllati al silicio, diodi, diodi luminescenti (LED), amplificatori operazionali e dispositivi passivi richiedono processi di fabbricazione complessi.

Figura 1: Ender-3 S1 Pro di Creality può essere utilizzato per involucri, attacchi e maschere per i test e l'assemblaggio di prodotti. (Immagine per gentile concessione di Creality)

Oggi la stampa 3D di componenti elettronici ha rivoluzionato la progettazione e la produzione, dando la possibilità di realizzare prodotti complessi con funzionalità più complesse. Questo approccio è considerato la nuova frontiera della produzione additiva e dell'elettronica stampata, visti i benefici, tra cui la riduzione dei materiali di scarto, l'abbattimento dei tempi e dei costi di allestimento.

Inoltre, grazie alla complessità della supply chain e ai requisiti dinamici dei componenti elettronici, le aziende che adottano la fabbricazione additiva possono produrre con precisione lotti che soddisfano esattamente la domanda, senza eccedenze. La produzione pianificata a sua volta genera meno rifiuti elettronici rispetto alle tecniche di produzione sottrattiva.

L'elettronica prodotta in maniera additiva (AME) è la soluzione alla riflessione del segnale e alle interferenze elettromagnetiche nelle schede elettroniche multistrato. L'AME utilizza materiali conduttivi e non conduttivi nello stesso sistema di stampa 3D per creare circuiti tridimensionali che possono essere incorporati in involucri protettivi. I progettisti elettronici possono quindi trarre vantaggio da un utilizzo efficiente dello spazio, che riduce al minimo le perdite di interconnessione e le dimensioni complessive delle schede.

Per il successo è necessario utilizzare la giusta tecnologia di stampa 3D. Ad esempio, la tecnologia FDM è spesso ideale per l'efficienza dei costi, la SLA per i dettagli più fini e la SLS per i componenti più resistenti. Anche i materiali per la stampa 3D fanno la differenza: il PLA è adatto per costruire modelli base e l'ABS per produrre componenti durevoli.

Modi in cui i progettisti elettronici sfruttano la stampa 3D

Per quanto riguarda i componenti elettronici realizzati tramite AM, le possibilità sono due: la stampa 3D con contatto e quella senza contatto. I progettisti possono utilizzare la stampa con contatto, che trasferisce l'inchiostro tramite contatto diretto con il substrato finale, per la produzione di componenti elettronici su scala industriale.

Figura 2: Il filamento di stampa PLA 3D di MG Chemicals è ideale per applicazioni ad alta risoluzione, mentre l'ABS è adatto per la flessibilità e la migliore resistenza alle alte temperature. (Immagine per gentile concessione di MG Chemicals)

Tuttavia sta emergendo un mercato per la prototipazione rapida di questi complessi circuiti elettronici. È sempre più alto il numero di ingegneri che si rivolgono alla stampa a getto d'inchiostro senza contatto, considerata adatto alla fabbricazione di prototipi in piccoli volumi per circuiti stampati semplici. Questa tecnica garantisce un'elevata produttività e costi ridotti, ma rischia di danneggiare lo strato inferiore durante il processo di stampa.

L'efficienza della fabbricazione additiva è notevolmente migliorata e quindi aiuta i progettisti elettronici a concentrarsi sull'innovazione nella progettazione di circuiti. Tecnologie come la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e Multi-Jet Fusion (MJF) possono gestire la produzione di queste schede, cosa che in precedenza rappresentava uno svantaggio. Rispetto ai processi tradizionali, con la tecnica AM è possibile produrre rapidamente lotti di involucri elettronici e basette sperimentali di buone dimensioni.

Altre letture: Che cos'è la stampa 3D e come funziona?

Per quanto riguarda lo spazio applicativo dell'IoT, i progettisti possono sfruttare l'AM per dispositivi integrati dotati di funzionalità avanzate, come sistemi di rilevamento, elaborazione e attuazione. In particolare, è stata rivolta grande attenzione ai sistemi miniaturizzati nei settori medicale, robotico e aerospaziale.

Agenzie spaziali quali la NASA e il Glenn Research Center hanno realizzato un sistema destinato all'integrazione in un veicolo spaziale. Grazie alla capacità della produzione additiva di integrare componenti multifunzione in strutture stampate in 3D, è possibile dispiegare dispositivi fabbricati in miniatura in sistemi con vincoli di spazio.

Il futuro dell'elettronica prodotta in modo additivo

I dispositivi elettronici stampati in 3D sono ampiamente utilizzati nell'elettronica di potenza, nei sensori, nelle batterie, nelle celle solari, nell'elettronica estensibile e nei dispositivi indossabili. Sono state adottate nuove metodologie per superare i problemi di integrità del segnale e di gestione termica riscontrati con i metodi di produzione convenzionali.

Il futuro risiede in una maggiore adozione dell'elettronica funzionale stampata in 3D in applicazioni a livello industriale.