A IME não é propriamente um processo ou tecnologia nova. Na verdade, em muitos aspetos, é uma evolução da já consolidada IMD, ou decoração de moldes, onde a moldagem (ou outras formas de conformação 3D) é combinada com a impressão gráfica. No entanto, a transição da IMD para a IME não é simples, especialmente à escala comercial. Aliás, isto explica em parte porque é que a IME demorou tanto tempo a alcançar um sucesso comercial duradouro, apesar de todos os esforços e tentativas falhadas.
No entanto, isso está a mudar. De facto, os produtos IME de baixo volume já estão no mercado, e a transição para aplicações de maior volume não está longe. O relatório "In-Mold Electronics 2019-2029: Technology, Market Forecasts, Players" projeta que o mercado ultrapasse os 250 milhões de dólares até 2024. Este relatório fornece uma avaliação detalhada dos materiais, processos, produtos e protótipos, aplicações e mercados para o IME, bem como diversas tecnologias concorrentes, como dispositivos de interligação moldados (MIDs) e deposição por aerossol. Além disso, este relatório fornece previsões de mercado para dez anos, segmentadas por aplicação, e panoramas das principais empresas desta cadeia de valor emergente.
Este artigo complementa o relatório anteriormente referido para descrever as principais tendências de inovação que sustentam a comercialização da IME. Aqui, iremos considerar as tendências em materiais, processos e design. Isto proporcionará ao leitor uma melhor compreensão desta promissora tecnologia.
Tudo precisa de mudar para viabilizar a comercialização da IME. Novos materiais necessitam de ser desenvolvidos para suportar novas exigências, como o estiramento e a conformação 3D; novos processos precisam de ser criados para combinar a impressão 2D, a conformação 3D e a colocação de componentes rígidos; e novos procedimentos de design e conceitos de produto precisam de ser desenvolvidos com base nas características dos materiais e processos, bem como nas necessidades do mercado. Esta ampla transformação a diversos níveis prolongou os prazos de lançamento no mercado.
Tendências em Materiais:
Os materiais funcionais em IME (Impressão Mecânica Integrada) devem cumprir novos requisitos. Têm de resistir a um único evento de estiramento significativo durante a transformação da folha impressa em 2D num objeto 3D. Isto é muito mais difícil de alcançar para as tintas funcionais (em oposição às simples tintas gráficas), dado que o alongamento pode perturbar a sua função, por exemplo, rompendo o caminho condutor nas tintas condutoras.
Não existe um grau único de elasticidade exigido; no entanto, níveis mais elevados de elasticidade são geralmente desejáveis. Regra geral, 20% de alongamento é o mínimo, enquanto em muitos casos é preferível 60% ou mais. Os fornecedores já procuram diferenciar-se com base na elasticidade do material, pois isso simplifica o processo de fabrico e permite uma maior liberdade de design.
Os materiais funcionais também devem ser fiáveis em condições de campo severas. Isto é particularmente crítico em aplicações automóveis e similares. Surpreendentemente, este aspeto foi frequentemente negligenciado nos primórdios da engenharia mecânica. De facto, falhas e recalls de produtos IME de renome foram causados por falta de fiabilidade. As propriedades dos materiais utilizados podem sofrer alterações significativas durante os ensaios a humidade elevada e temperatura elevada. Esta variação deve ser tida em conta no projeto do produto.
A tecnologia IME não é composta por uma única camada de materiais. Na verdade, é necessário imprimir uma série de materiais em camadas para obter o efeito desejado. Estas camadas podem incluir tintas gráficas, tintas condutoras, dielétricos, tintas condutoras transparentes, revestimentos de carbono, entre outros.
Até à data, o material funcional mais estudado tem sido a tinta condutora. Atualmente, diversos fornecedores em todo o mundo disponibilizam tintas condutoras para IME. Este enfoque justifica-se porque as tintas condutoras com carga metálica (quase sempre prateada) representam o material mais caro e valioso da pilha e são as mais sensíveis a alterações de condutividade, como o alongamento.
Outros materiais são também cruciais no processo. Em particular, os adesivos condutores imprimíveis a baixa temperatura, que também apresentam alguma elasticidade, estão atualmente com uma oferta de produtos cada vez maior. De um modo geral, todos os materiais funcionais devem ser compatíveis entre si. Esta compatibilidade é fundamental, especialmente durante o processo de formação, e tem um impacto significativo nas propriedades finais. De facto, até a sequência em que os materiais são depositados pode influenciar. Isto representa um desafio de desenvolvimento, mas também uma oportunidade para desenvolver e comercializar portfólios completos de materiais para impressão 3D.
O substrato apresenta também uma oportunidade para o desenvolvimento e fornecimento. Até à data, a maioria tem utilizado substrato de policarbonato devido à sua boa conformabilidade; no entanto, outros estão a desenvolver alternativas, como os PET especiais. Esta é uma área que vale a pena acompanhar. O material de moldagem também será importante, especialmente se um novo material puder ser desenvolvido para facilitar as condições de moldagem. Isto simplificaria os requisitos de desempenho para todos os outros materiais no processo.
Tendências e desafios do processo.
O processo é crucial. Não é simples. Envolve a impressão e secagem/cura de múltiplos materiais funcionais e gráficos sobre um substrato moldável em 2D, como o policarbonato. Em seguida, trata-se de converter a folha 2D numa forma 3D através de moldagem térmica ou a vácuo a altas temperaturas. A sobremoldagem também deve ocorrer a altas temperaturas. Em muitos casos, pode ser tentador simplificar o processo de produção em massa, mas a experiência passada sugere que isso acarreta riscos significativos.
A questão da seleção e colocação de componentes rígidos é também desafiante. Se a seleção e colocação ocorrerem após a conformação, a máquina de seleção e colocação deverá ser capaz de lidar com a colocação num espaço 3D. Isto exigirá ferramentas especializadas de seleção e colocação, bem como ferramentas de dispensação de adesivo, e quase certamente tornará o processo mais lento. A seleção e colocação também podem ocorrer numa folha 2D antes da conformação. No entanto, isto exigiria adesivos especiais, bem como um design cuidadoso do produto e do processo para garantir que os componentes rígidos permanecem colados após todas as etapas de conformação.
De um modo geral, o processo de desenvolvimento é complexo. Requer um conhecimento profundo dos materiais, bem como de cada etapa do processo. A questão do desempenho é um desafio persistente e específico. Isto porque os defeitos não podem ser reparados, uma vez que os componentes eletrónicos estão embutidos ou integrados estruturalmente. Assim, os defeitos são dispendiosos, pois desperdiçam dispositivos totalmente formados. No geral, há uma curva de aprendizagem acentuada a ser ultrapassada. Isto criou a necessidade de centros ou entidades com conhecimento e experiência acumulados para reduzir o tempo de desenvolvimento e as barreiras técnicas de entrada. Também significou que muitos fabricantes tradicionais de impressoras de membrana ou outras impressoras funcionais com baixa tolerância ao risco e/ou fluxo de caixa restrito tiveram de esperar que o setor amadurecesse mais antes de investir na evolução do seu negócio para impressoras de membrana incorporada (IMEs). Esta evolução tornar-se-á cada vez mais inevitável e acelerará à medida que as IME atingirem um nível mais elevado de maturidade técnica e, possivelmente, de modularidade.
Tendências e Desafios de Design.
Conceber produtos IME não é uma tarefa simples. Isto deve-se ao facto de exigir um conhecimento profundo das características dos materiais e dos processos. Não é ainda um processo simplificado, pois carece de pacotes de software consolidados com bibliotecas funcionais/de componentes para layout e posicionamento. Isto contrasta fortemente com os processos de design encontrados, por exemplo, em PCBs padrão. As exigências do mercado também ainda não são claras, bem estabelecidas ou convergentes. Isto acontece porque, apesar de anos de desenvolvimento, a indústria ainda se encontra numa fase exploratória, desenvolvendo inúmeros protótipos e conduzindo processos de qualificação. Os produtos e protótipos ainda são, na sua maioria, feitos à medida, sem projetos padronizados.
Tudo isto complica o processo de desenvolvimento de produtos, prolonga o tempo de lançamento no mercado e cria barreiras à entrada tanto para os utilizadores como para os potenciais fabricantes. No entanto, a indústria está a reagir e algumas empresas estão a posicionar-se para responder precisamente a esta necessidade, o que ajuda a acelerar a comercialização em geral.
Os temas brevemente abordados neste artigo contribuíram certamente para o atraso no lançamento de produtos no mercado. De facto, a Engenharia Mecânica Integrada (IME), apesar da sua aparente simplicidade no papel, é um empreendimento complexo que exige mudanças drásticas nos materiais, processos, projetos e conceitos de produto. No entanto, o setor avançou muito em termos de conhecimento acumulado e oferta de produtos. Os produtos de baixo volume já estão no mercado, e as aplicações de alto volume estão perto da qualificação final. Aliás, prevemos que este mercado ultrapasse os mil milhões de dólares na próxima década.
Autor: Dr. Khasha Ghaffarzadeh, Diretor de Investigação, IDTechEx
