Il report di IDTechEx "3D Electronics/Additive Electronics 2024-2034: Technologies, Players, and Markets" analizza in dettaglio ciascuno di questi approcci.
Il rapporto analizza i pro e i contro di ciascun approccio, con numerosi casi di studio che mostrano come diverse tecniche e materiali di produzione soddisfino i requisiti delle opportunità applicative nei settori automobilistico, dei beni di consumo, del packaging dei circuiti integrati e dei dispositivi medici.
Applicazione dell'elettronica alle superfici 3D:
il metodo più consolidato per aggiungere funzionalità elettriche alla superficie di oggetti 3D è la strutturazione diretta laser (LDS). L'LDS ha conosciuto una crescita straordinaria circa un decennio fa e viene utilizzata per produrre centinaia di milioni di dispositivi all'anno, tra cui antenne e semplici interconnessioni conduttive sulla superficie di oggetti in plastica stampati a iniezione in 3D. Tuttavia, nonostante l'elevata velocità di realizzazione dei modelli e la sua ampia diffusione, l'LDS presenta alcune debolezze che lasciano spazio ad approcci alternativi per la metallizzazione delle superfici. Ad esempio, la stampa a getto di valvola, nota anche come dispensazione, è già utilizzata per una piccola percentuale di antenne. Questa tecnica consente la deposizione rapida di un'ampia gamma di materiali.
Il getto di aerosol e il trasferimento in avanti indotto da laser (LIFT) sono altre tecnologie di deposizione digitale trattate nel rapporto. Queste tecnologie offrono, rispettivamente, una risoluzione più elevata e una deposizione più rapida di un'ampia gamma di materiali. Altre tecniche emergenti includono il dosaggio di ultra-precisione, la stampa elettrodinamica, la stampa a impulsi, la tampografia e la metallizzazione a spruzzo. Si prevede una crescita graduale nel mercato dell'elettronica parzialmente additiva, in particolare nei settori delle telecomunicazioni e della microelettronica.
L'elettronica in-mold
(IME), in cui i componenti elettronici vengono stampati o assemblati prima di essere termoformati in un componente 3D, facilita la transizione verso una maggiore integrazione elettronica, soprattutto quando sono necessari sensori tattili capacitivi e illuminazione. L'IME offre diversi vantaggi rispetto agli interruttori meccanici convenzionali, come una riduzione fino al 70% del peso e del consumo di materiale, e un assemblaggio molto più semplice.
Il processo di produzione IME può essere considerato un'estensione del consolidato processo di decorazione in-mold (IMD). Ciò consente il riutilizzo di gran parte delle conoscenze e delle attrezzature di processo esistenti. L'IME si differenzia dall'IMD per la serigrafia iniziale di inchiostri termoformabili conduttivi, seguita dalla deposizione di adesivi elettricamente conduttivi e dall'assemblaggio di SMD (dispositivi a montaggio superficiale, principalmente LED al giorno d'oggi). È inoltre possibile produrre circuiti multistrato più complessi stampando inchiostri dielettrici per realizzare le giunzioni.
Nonostante le sue caratteristiche vantaggiose, l'impiego commerciale di componenti SMD integrati nell'elettronica in-mold (IME) è stato finora piuttosto limitato. Questa adozione relativamente lenta, in particolare nel mercato principale degli interni automobilistici, è attribuibile sia alle difficoltà nel soddisfare i requisiti di qualificazione del settore automobilistico, sia alla gamma di alternative meno sofisticate, come l'applicazione di pellicole funzionali su parti termoformate. Oltre a una maggiore accettazione della tecnologia, l'adozione dell'IME richiederà regole di progettazione chiare, materiali conformi agli standard stabiliti e, soprattutto, lo sviluppo di strumenti di progettazione elettronica. IDTechEx prevede che la crescita più significativa nell'elettronica 3D si verificherà nell'elettronica in-mold (IME) una volta superata la fase di validazione.
Elettronica 3D completamente stampata:
Probabilmente l'approccio più innovativo all'elettronica additiva è l'elettronica 3D completamente stampata, in cui materiali dielettrici e conduttivi vengono depositati in sequenza. In combinazione con componenti SMD posizionati, ciò si traduce in un circuito, potenzialmente con una complessa struttura multistrato, incorporato all'interno di un oggetto in plastica stampato in 3D. Il principale vantaggio è che ogni oggetto e circuito incorporato può essere prodotto con un design diverso senza la necessità di creare maschere e stampi ogni volta.
I componenti elettronici interamente stampati in 3D sono quindi particolarmente adatti ad applicazioni che richiedono la produzione a breve termine di un'ampia gamma di componenti. Questa tecnologia si dimostra promettente anche per applicazioni in cui la forma e persino la funzionalità personalizzate sono fondamentali. La capacità dell'elettronica stampata in 3D di produrre componenti diversi utilizzando la stessa attrezzatura, insieme al conseguente disaccoppiamento tra costo unitario e volume, potrebbe inoltre consentire una transizione verso la produzione su richiesta.
La sfida dell'elettronica interamente stampata in 3D risiede nel fatto che la produzione è intrinsecamente un processo molto più lento rispetto allo stampaggio a iniezione, poiché ogni strato deve essere depositato in sequenza. Sebbene il processo di stampa possa essere accelerato utilizzando più ugelli, è più adatto ad applicazioni in cui la personalizzazione offre un vantaggio tangibile. Anche garantire l'affidabilità rappresenta una sfida, date le diverse proprietà dei materiali; inoltre, con l'elettronica integrata, le riparazioni a posteriori sono impossibili. Una strategia consiste nell'utilizzare l'analisi delle immagini per controllare ogni strato ed eseguire le riparazioni necessarie prima di depositare il successivo.
