La importancia de la fabricación aditiva en el diseño electrónico

Los métodos de fabricación convencionales que involucran procesos de fotolitografía presentan desventajas significativas, incluida la preparación química peligrosa y el uso de desechos de materiales de tierras raras. El objetivo de cualquier tecnología de fabricación sostenible y eficiente debe ser adecuado para la creación rápida de prototipos o dispositivos electrónicos completamente funcionales.

Es por eso que existe una creciente necesidad de fabricación aditiva (FA) en una amplia gama de sistemas de diseño electrónico. Componentes como transistores, rectificadores controlados por silicio, diodos, diodos emisores de luz (LED), amplificadores operacionales y dispositivos pasivos tienen procesos de fabricación complejos debido a sus funcionalidades.

Figura 1: Creality Ender-3 S1 Pro se puede utilizar para cajas, montajes y plantillas para pruebas y ensamblaje de productos. (Fuente de la imagen: Creality)

Actualmente, la impresión 3D de componentes electrónicos ha revolucionado el diseño y la fabricación, ofreciendo el potencial de construir productos complejos con capacidades en capas. Este enfoque se considera la próxima frontera en la fabricación aditiva y la electrónica impresa debido a sus beneficios, incluida la reducción del desperdicio de material, los cuellos de botella de tiempo y los costos de configuración.

Además, con las complejidades de la cadena de suministro y los requisitos dinámicos de los componentes electrónicos, las empresas que adoptan la fabricación aditiva pueden fabricar con precisión lotes de productos que satisfacen exactamente la demanda sin excedentes. A su vez, esta producción planificada genera menos residuos electrónicos que las técnicas de fabricación sustractiva.

La electrónica fabricada aditivamente (EFA) es la solución a la reflexión de la señal y la interferencia electromagnética dentro de las placas electrónicas multicapa. AME utiliza materiales conductores y no conductores en el mismo sistema de impresión 3D para crear circuitos tridimensionales que se pueden incrustar en carcasas protectoras. Por lo tanto, los diseñadores electrónicos pueden beneficiarse de una utilización eficiente del espacio que minimiza las pérdidas de interconexión y reduce el tamaño total de las placas.

El éxito requiere el uso de la tecnología de impresión 3D adecuada. Por ejemplo, FDM suele ser adecuado para la rentabilidad, SLA para detalles finos y SLS para componentes resistentes. Los materiales de impresión 3D también marcan la diferencia: el PLA es adecuado para la construcción de modelos básicos y el ABS para la fabricación de piezas de alta durabilidad.

Formas en que los diseñadores electrónicos aprovechan la impresión 3D

Cuando se trata de componentes electrónicos de fabricación aditiva, hay dos formas: impresión 3D con contacto y sin contacto. Los diseñadores pueden utilizar la impresión por contacto que transfiere la tinta a través del contacto directo entre la tinta y el sustrato de destino para la fabricación de componentes electrónicos a escala industrial.

Figura 2: El filamento de impresión 3D PLA de MG Chemicals es adecuado para aplicaciones de alta resolución, mientras que el ABS es flexible y resistente a temperaturas más altas. (Fuente de la imagen: MG Chemicals)

Sin embargo, hay un mercado emergente para la creación rápida de prototipos de estos complejos circuitos electrónicos. Cada vez son más los ingenieros que optan por la impresión de inyección de tinta sin contacto. Se considera adecuado para la fabricación de prototipos a bajos volúmenes para placas de circuitos simples. La técnica ofrece un alto rendimiento y costos reducidos, pero sufre posibles daños en la capa inferior durante el proceso de impresión.

La eficiencia de la fabricación aditiva ha mejorado drásticamente, lo que ha ayudado a los diseñadores electrónicos a centrarse en diseños de circuitos innovadores. Tecnologías como la sinterización selectiva por láser (SSL) y la fusión multichorro (FM) pueden manejar la producción de estas placas, algo que antes era un inconveniente. Un buen tamaño de lote de carcasas electrónicas y placas de prueba se puede fabricar rápidamente con AM en comparación con los procesos tradicionales.

Lectura adicional: ¿Qué es la impresión 3D y cómo funciona?

En cuanto al espacio de aplicaciones de IoT, los diseñadores pueden aprovechar la fabricación aditiva para dispositivos integrados con funcionalidades avanzadas, como sistemas de detección, procesamiento y actuación. En particular, se presta mucha atención a los sistemas miniaturizados en los campos médico, robótico y aeroespacial.

Agencias espaciales, como la NASA y su Centro de Investigación Glenn, construyeron un sistema integrado para ser integrado en la nave espacial. Debido a la capacidad de la fabricación aditiva para incorporar componentes multifuncionales en estructuras impresas en 3D, los dispositivos fabricados en miniatura se pueden implementar en sistemas de área restringida.

El futuro de la electrónica de fabricación aditiva

Los dispositivos electrónicos impresos en 3D se utilizan ampliamente en electrónica de potencia, sensores, baterías, células solares, electrónica elástica y dispositivos de vestir. Se han adoptado nuevas metodologías para superar los problemas de integridad de la señal y gestión térmica que encuentran los métodos de fabricación convencionales.

El futuro pasa por una mayor adopción de la electrónica funcional impresa en 3D en aplicaciones a nivel industrial.