L'IME non è esattamente un processo o una tecnologia nuova. Anzi, per molti aspetti, è un'evoluzione della consolidata IMD, o decorazione dello stampo, in cui lo stampaggio (o altre forme di formatura 3D) viene combinato con la stampa grafica. Tuttavia, la transizione dall'IMD all'IME non è semplice, soprattutto su scala commerciale. Questo spiega in parte perché l'IME abbia impiegato così tanto tempo per raggiungere un successo commerciale duraturo, nonostante tutti gli sforzi e i tentativi falliti.
Tuttavia, questa situazione sta cambiando. Infatti, i prodotti IME a basso volume sono già presenti sul mercato e la transizione verso applicazioni a volume più elevato non è lontana. Il rapporto "In-Mold Electronics 2019-2029: Technology, Market Forecasts, Players" prevede che il mercato supererà i 250 milioni di dollari entro il 2024. Questo rapporto fornisce una valutazione dettagliata di materiali, processi, prodotti e prototipi, applicazioni e mercati per l'IME, nonché di diverse tecnologie concorrenti come i dispositivi di interconnessione stampati (MID) e la deposizione aerosol. Inoltre, il rapporto fornisce previsioni di mercato decennali segmentate per applicazione e una panoramica delle aziende chiave in questa catena del valore emergente.
Questo articolo si basa sul rapporto precedentemente citato per delineare le principali tendenze innovative che sono alla base della commercializzazione dell'IME. In particolare, prenderemo in considerazione le tendenze relative a materiali, processi e design, al fine di fornire al lettore una migliore comprensione di questa promettente tecnologia.
Per consentire la commercializzazione dell'IME, è necessario un cambiamento radicale. Occorre sviluppare nuovi materiali in grado di resistere a nuove esigenze, come lo stiramento e la formatura 3D; nuovi processi per combinare la stampa 2D, la formatura 3D e il posizionamento di componenti rigidi; e nuove procedure di progettazione e concetti di prodotto, basati sulle caratteristiche dei materiali e dei processi, nonché sulle esigenze del mercato. Questa profonda trasformazione a più livelli ha allungato i tempi di immissione sul mercato.
Tendenze nei materiali:
i materiali funzionali nell'IME devono soddisfare nuovi requisiti. Devono resistere a un singolo e significativo evento di allungamento durante la trasformazione del foglio stampato in 2D in un oggetto 3D. Questo è molto più difficile da ottenere per gli inchiostri funzionali (a differenza della semplice grafica) poiché l'allungamento può comprometterne la funzionalità, ad esempio interrompendo il percorso conduttivo negli inchiostri conduttivi.
Non esiste un unico grado di elasticità richiesto; tuttavia, livelli di elasticità più elevati sono generalmente preferibili. Come regola generale, un allungamento del 20% è il minimo, mentre in molti casi si preferisce un 60% o più. I fornitori stanno già cercando di differenziarsi in base all'elasticità del materiale, poiché questa semplifica il processo produttivo e consente una maggiore libertà di progettazione.
I materiali funzionali devono essere affidabili anche in condizioni operative estreme. Questo aspetto è particolarmente critico nel settore automobilistico e in applicazioni simili. Sorprendentemente, agli inizi questo aspetto veniva spesso trascurato. Infatti, guasti e richiami di noti prodotti IME sono stati causati proprio da una mancanza di affidabilità. Le proprietà dei materiali utilizzati possono spesso variare significativamente durante i test ad alta umidità e alta temperatura. Tale variazione deve essere presa in considerazione nella progettazione del prodotto.
L'IME non è composto da un singolo strato di materiali. Infatti, per ottenere l'effetto desiderato, è necessario stampare una pila di materiali. Questa pila può includere inchiostri grafici, inchiostri conduttivi, dielettrici, inchiostri conduttivi trasparenti, rivestimenti in carbonio e così via.
Finora, il materiale funzionale più studiato è stato l'inchiostro conduttivo. Oggi, diversi fornitori in tutto il mondo offrono inchiostri conduttivi per IME. Questa attenzione è giustificata dal fatto che gli inchiostri conduttivi caricati con metalli (quasi sempre argento) rappresentano il materiale più costoso e prezioso dello stack e sono i più sensibili alle variazioni di conduttività, come l'allungamento.
Anche altri materiali sono fondamentali in questo processo. In particolare, gli adesivi conduttivi stampabili a bassa temperatura, che presentano anche una certa elasticità, stanno attualmente registrando una crescente offerta di prodotti. In generale, tutti i materiali funzionali devono essere compatibili tra loro. Questa compatibilità è fondamentale, soprattutto durante il processo di formatura, e ha un impatto significativo sulle proprietà finali. Infatti, anche la sequenza di deposizione dei materiali può avere un impatto. Ciò rappresenta una sfida per lo sviluppo, ma anche un'opportunità per sviluppare e commercializzare portafogli completi di materiali IME.
Anche il substrato rappresenta un'opportunità di sviluppo e fornitura. Finora, la maggior parte dei produttori ha utilizzato un substrato in policarbonato grazie alla sua buona formabilità; tuttavia, altri stanno ora sviluppando alternative come i PET speciali. Questo è un settore da tenere d'occhio. Anche il materiale di stampaggio sarà importante, soprattutto se si riuscisse a sviluppare un nuovo materiale in grado di ridurre le condizioni di stampaggio. Ciò faciliterebbe i requisiti prestazionali per tutti gli altri materiali coinvolti nel processo.
Tendenze e sfide del processo.
Il processo è fondamentale. Non è semplice. Prevede la stampa e l'asciugatura/polimerizzazione di diversi materiali funzionali e grafici su un substrato modellabile bidimensionale come il policarbonato (PC). Successivamente, si tratta di convertire il foglio bidimensionale nella forma tridimensionale tramite stampaggio termico o sottovuoto ad alte temperature. Anche lo stampaggio a iniezione deve avvenire ad alte temperature. In molti casi, potrebbe essere allettante semplificare il processo di produzione di massa, ma l'esperienza passata suggerisce che ciò comporta rischi significativi.
Anche la questione del prelievo e del posizionamento dei componenti rigidi rappresenta una sfida. Se il prelievo e il posizionamento avvengono dopo la formatura, la macchina addetta a tale operazione deve essere in grado di gestire il posizionamento nello spazio tridimensionale. Ciò richiederà utensili di prelievo e posizionamento specializzati, nonché strumenti per l'erogazione dell'adesivo, e quasi certamente rallenterà il processo. Il prelievo e il posizionamento potrebbero anche avvenire su un foglio bidimensionale prima della formatura. Tuttavia, ciò richiederebbe adesivi speciali, nonché un'attenta progettazione del prodotto e del processo per garantire che i componenti rigidi rimangano incollati dopo tutte le fasi di formatura.
In generale, il processo di sviluppo è complesso. Richiede una conoscenza approfondita dei materiali, nonché di ogni fase del processo. La questione delle prestazioni rappresenta una sfida persistente e particolare. Questo perché i difetti non possono essere riparati, dato che i componenti elettronici sono incorporati o integrati strutturalmente. Pertanto, i difetti sono costosi, poiché comportano lo spreco di dispositivi già completi. Nel complesso, la curva di apprendimento da superare è ripida. Ciò ha creato la necessità di centri o enti con conoscenze ed esperienza consolidate per ridurre i tempi di sviluppo e le barriere tecniche all'ingresso. Ha anche significato che molti produttori tradizionali di interruttori a membrana o altre stampanti funzionali, con una bassa propensione al rischio e/o flussi di cassa limitati, hanno dovuto attendere un'ulteriore maturazione del settore prima di investire nell'evoluzione della propria attività verso le stampanti a membrana integrate (IME). Questa evoluzione diventerà sempre più inevitabile e accelererà man mano che le IME raggiungeranno un livello più elevato di maturità tecnica e, forse, di modularità.
Tendenze e sfide di progettazione.
Progettare prodotti IME non è semplice. Questo perché richiede una conoscenza approfondita delle caratteristiche dei materiali e dei processi. Non si tratta ancora di un processo semplificato, in quanto mancano pacchetti software consolidati con librerie funzionali/di componenti per il layout e il posizionamento. Ciò contrasta nettamente con i processi di progettazione che si riscontrano, ad esempio, nei PCB standard. Anche i requisiti di mercato non sono ancora chiari, ben definiti o convergenti. Questo perché, nonostante anni di sviluppo, il settore è ancora in una fase esplorativa, con la realizzazione di numerosi prototipi e lo svolgimento di processi di qualificazione. I prodotti e i prototipi sono ancora principalmente realizzati su misura, senza design standard.
Tutto ciò complica il processo di sviluppo del prodotto, allunga i tempi di immissione sul mercato e crea barriere all'ingresso sia per gli utenti che per i potenziali produttori. Tuttavia, il settore sta ora reagendo e alcune aziende si stanno posizionando proprio per soddisfare questa esigenza, contribuendo così ad accelerare la commercializzazione complessiva.
Gli argomenti brevemente trattati in questo articolo hanno certamente allungato i tempi di immissione sul mercato. Infatti, l'IME, nonostante la sua apparente semplicità sulla carta, è un'impresa complessa che richiede cambiamenti radicali in termini di materiali, processi, design e concetti di prodotto. Tuttavia, il settore ha fatto molta strada in termini di conoscenze accumulate e offerta di prodotti. I prodotti a basso volume sono già sul mercato e le applicazioni ad alto volume sono in procinto di ottenere la qualificazione finale. Prevediamo infatti che questo mercato supererà il miliardo di dollari nel prossimo decennio.
Autore: Dott.ssa Khasha Ghaffarzadeh, Direttrice della ricerca, IDTechEx
