5 manieren waarop 3D-printen de elektronica-industrie kan transformeren

3D-printen en elektronica lijken misschien nog steeds een noviteit, maar de technologie staat klaar om enorme veranderingen in de industrie teweeg te brengen.

Hoewel de technologie nog steeds voornamelijk wordt gebruikt als prototyping-tool, kunnen de voordelen van 3D-printen – van een snellere time-to-market, meer vrijheid van ontwerp en maatwerk – worden benut door de elektronica-industrie.

Hoe werkt 3D-printen met elektronica?

3D-printen van elektronica omvat meestal het gebruik van materiaalstraaltechnologie. Met behulp van dit proces worden geleidende en isolerende inkten op het printoppervlak gespoten in lijnen zo dun als enkele microns. UV-licht wordt vervolgens toegepast om de inkt te laten stollen.

Een opvallend kenmerk van materiaalstralen is dat het 3D-printen van meerdere materialen mogelijk maakt. Voor de elektronica-industrie betekent dit dat functionele schakelingen en behuizingen tegelijkertijd in één printproces kunnen worden vervaardigd, wat het assemblageproces aanzienlijk vereenvoudigt.

5 voordelen van 3D-printelektronica

1. In-house prototypen

In een branche die zo competitief is als elektronica, is de vraag naar kleinere, dunnere apparaten met verbeterde functionaliteit onvermijdelijk.

Het ontwikkelen van een prototype van een Printed Circuit Board (PCB) - de kern van elk elektronisch apparaat - en andere elektronische onderdelen is echter vaak een uitdaging, en deze taak wordt vaak uitbesteed. Dit resulteert doorgaans in langere doorlooptijden en outsourcing in deze context kan ook gepaard gaan met zorgen over intellectueel eigendom. De komst van 3D-printen betekent echter dat het maken van prototypes van circuits en printplaten intern kan worden verplaatst, waardoor elektronicafabrikanten hun inkoopkosten kunnen verlagen en tegelijkertijd alle zorgen over IP-inbreuk kunnen wegnemen.

2. Snellere time-to-market

Het intern produceren van prototypes kan efficiëntie opleveren tijdens de productontwerpfase. 3D-printen maakt een snellere doorloop van ontwerpiteraties mogelijk, waardoor de ontwerpvalidatiefase wordt versneld. Door producten veel sneller te ontwikkelen, krijgen elektronicafabrikanten een concurrentievoordeel en realiseren ze een flexibelere productie.

3. Ontwerpflexibiliteit

3D-printen biedt mogelijkheden om complexe vormen en componenten te ontwerpen. Zo kunnen meerlaagse circuits nu 3D-geprint worden op niet-platte, flexibele oppervlakken, wat met traditionele fabricagetechnieken niet mogelijk zou zijn. Met 3D-printen kunnen ingenieurs ook ontwerpen voor functionaliteit in plaats van maakbaarheid, wat betekent dat complexe structuren met ingebouwde elektronica, ingekapselde sensoren en antennes gemakkelijker kunnen worden geproduceerd.

4. Maatwerk

3D-printen vergroot de mogelijkheden voor het vervaardigen van op maat gemaakte elektronica. Ingenieurs van de Universiteit van Minnesota onderzoeken bijvoorbeeld het potentieel van op maat gemaakte sensoren die direct 3D op de huid worden geprint. Hoewel het maatwerk van elektromechanische onderdelen via 3D-printen nog in de kinderschoenen staat, is op maat gemaakte consumentenelektronica al een realiteit. 3D-printen kan worden gebruikt om gepersonaliseerde elektronische behuizingen, USB-sticks en toetsenborden te maken.

5. Vereenvoudigde toeleveringsketen

Fabrikanten die ervoor kiezen om hun productie van elektronica in eigen beheer te brengen met behulp van 3D-printen, kunnen een aanzienlijke impact hebben op de toeleveringsketen. Interne productie heeft het voordeel van vereenvoudigde of zelfs verminderde uitbesteding, waardoor de bijbehorende kosten van levering en verzending worden verlaagd. 3D-printen van elektronica verlaagt ook de opslag- en distributiekosten dankzij on-demand fabricage en de mogelijkheid om een ​​digitale inventaris aan te maken.

Welke systemen zijn beschikbaar?

Nano Dimension's DragonFly Pro-systeem

Nano Dimension is gespecialiseerd in 3D-geprinte meerlaagse PCB-prototypes op verschillende substraten (stijf en flexibel). De DragonFly Pro System 3D-printer is gebaseerd op materiaalstraaltechnologie en is in staat om PCB's te printen met verschillende functies, zoals interconnectoren. Het systeem van Nano Dimension is opmerkelijk voor het 3D-printen van meerdere materialen, waarbij tegelijkertijd eigen geleidende en diëlektrische inkten worden gebruikt om functionele circuits en antennes te vervaardigen.

Optomec's Aerosol Jet-technologie

Optomec is een ander bedrijf dat het spel voor D-geprinte elektronica verandert. Het in de VS gevestigde bedrijf heeft zijn Aerosol Jet-technologie ontwikkeld voor het 3D-printen van elektronica op micronformaat. Optomec biedt een lijn van Aerosol Jet-systemen die in staat zijn om flexibele PCB's, conforme antennes, sensoren en gegoten onderling verbonden apparaten te produceren. Het opvallende kenmerk van de Aerosol Jet 3D-printers is dat ze compatibel zijn met reeds in de handel verkrijgbare materialen.

Neotech AMT Het in Duitsland gevestigde Neotech AMT is gespecialiseerd in het hybride 3D-printen van elektronica. Het systeem, de PJ 15X, combineert een CNC-bewegingsplatform en 3D-compatibele printkoppen om geleiders, halfgeleiders, verwarmingspatronen, weerstanden en meer te produceren. De machine is ontworpen voor toepassingen in productontwikkeling en rapid prototyping.

BotFactory PCB 3D-printers
Voordelige prototyping van printplaten is nu mogelijk met de BotFactory-lijn van 3D-printers. De systemen maken gebruik van een inkjettechnologie om kleine druppeltjes geleidende en isolerende inkt op verschillende substraten neer te zetten. De desktopsystemen zijn een van de meest betaalbare opties voor 3D-printen van elektronische componenten die momenteel op de markt zijn.

Vooruitkijken

Prototyping is nog steeds de meest gebruikte toepassing van 3D-printen binnen de elektronica-industrie. Vooruitkijkend kan 3D-printen echter een haalbare techniek worden voor het produceren van draagbare of ingebedde sensoren voor realtime gezondheidsmonitoring. Bovendien kunnen 3D-geprinte sensoren in lenzen worden ingebouwd om augmented reality-toepassingen mogelijk te maken, terwijl 3D-geprinte embedded elektronica kan worden gebruikt in objecten van smartphones tot auto's, waardoor functionaliteit wordt toegevoegd en ze lichter worden.

Maar voordat we deze toepassingen aan kracht zien winnen, zijn er verschillende uitdagingen die moeten worden aangepakt. Ten eerste zal er ontwerpsoftware moeten worden ontwikkeld die kan definiëren hoe elektronische componenten binnen het onderdeel zelf kunnen worden afgedrukt. Momenteel staat dergelijke ontwerpsoftware nog in de kinderschoenen, hoewel dit naar verwachting de komende jaren zal toenemen. Een andere uitdaging is de ontwikkeling van materialen die geschikt zijn voor 3D-printen op nanoschaal, aangezien veel elektronische componenten nanometergroot zijn.

Ondanks deze uitdagingen heeft 3D-printelektronica echter alle kansen om hetzelfde pad te volgen als early adopters van de technologie zoals auto- en ruimtevaart. Naarmate de technologie volwassener wordt en nieuwe spelers de markt betreden, verwachten we dat 3D-printen van elektronica uiteindelijk zou kunnen verschuiven van alleen een prototyping-tool naar directe, eindproductie.