Les multiples atouts de la fabrication additive en font un procédé de plus en plus intéressant dans le cadre de la production durable et hautement personnalisable de composants électroniques, explique Mark Patrick, directeur du contenu technique chez Mouser Electronics EMEA. Cette technologie permet déjà de produire des dispositifs sur mesure tels que des électrodes, des antennes, des boîtiers et des substrats. Cela représente un marché qui était évalué à 10,48 milliards de dollars en 2024 et devrait selon les estimations atteindre les 43,89 milliards de dollars d’ici 2034 avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 15,40%.
Avantages de la fabrication additive
Le recours à la fabrication additive dans le cadre de la production de composants électroniques s’avère très positif sur le plan de la durabilité. Les méthodes de fabrication traditionnelles basées sur des procédés soustractifs impliquent souvent un gaspillage important des matériaux, tandis qu’en imprimant les composants couche après couche, l’impression 3D n’utilise pas plus de matériau que nécessaire.
Bien que la fabrication d’éléments individuels comme des boîtiers ou des blindages RF ne génère qu’une quantité minime de déchets (par exemple, le matériau lors du perçage de quelques trous), dans le contexte d’une production de masse, ces pertes cumulées finissent par constituer un volume non négligeable. Or, en reconsidérant l’adéquation du boîtier, par exemple, l’impression 3D peut s’avérer plus intéressante. Cette technique offre en effet plus de flexibilité et permet de produire des boîtiers ou des blindages RF plus petits et sur mesure, ce qui réduit la quantité de matériau nécessaire.
Un autre avantage de l’impression 3D réside dans la possibilité d’établir une production locale et décentralisée. Cela permet de fabriquer des petits lots de composants électroniques sur site ou à un niveau régional, ce qui améliore la résilience de la chaîne d’approvisionnement et offre aux ingénieurs des solutions de fabrication plus agiles.
D’un point de vue économique, le fait de ne pas devoir utiliser de coûteuses machines-outils et de disposer d’un mode de production à la demande permet également aux entreprises de mieux gérer leur inventaire et leurs stocks ainsi que leurs coûts de production. Dans le contexte de marchés où les innovations se succèdent à un rythme effréné et où les cycles de produits complexes sont la norme, la capacité de la fabrication additive à faire pivoter rapidement la production sans perdre en efficacité constitue un avantage concurrentiel significatif. Ce mode de fabrication offre la possibilité de réaliser rapidement des prototypes tout en facilitant les cycles de production directs avec des géométries complexes que les techniques classiques peinent à reproduire.
Pour les ingénieurs concepteurs, la fabrication additive multiplie les options de conception en intégrant des fonctionnalités qui seraient autrement bien trop chères ou physiquement impossibles à mettre en œuvre avec les approches conventionnelles. Cela s’avère particulièrement intéressant pour des applications telles que les « wearables » (dispositifs électroniques portés sur soi) destinés au secteur médical et qui peuvent ainsi être personnalisés pour chaque patient.
Défis et limites actuelles de la fabrication additive
Malgré tous ces avantages, la technologie additive a ses limites et celles-ci sont généralement liées à des restrictions matérielles. Bien que des progrès notables aient été réalisés sur ce plan, le nombre de matériaux disponibles pour l’impression 3D dont la qualité est compatible avec une mise en production reste encore bien inférieur à celui des matériaux disponibles pour la méthode de fabrication classique. Les ingénieurs ont toujours maille à partir avec la résistance, la conductivité et la durabilité des matériaux, en particulier lorsqu’il s’agit de produire des composants électroniques.
De plus, la vitesse de production peut aussi poser un problème. Même si la personnalisation et la production à faible volume sont les points forts de la fabrication additive, ce mode de fabrication est toutefois plus lent que les procédés à haut volume, ce qui, pour certaines conceptions, restreint son applicabilité dès lors qu’il s’agit de produire à grande échelle. Dans le cas de produits à forte demande, les procédés classiques présentent l’avantage de pouvoir respecter des délais de production serrés.
Le contrôle qualité est un autre domaine de préoccupation. Afin de garantir une qualité constante pour tous les objets imprimés, les entreprises doivent mettre en œuvre une normalisation scrupuleuse des processus ainsi que des systèmes de surveillance robustes pour parer aux éventuelles variations dans les propriétés des matériaux et dans l’intégrité structurelle.
Ce sont autant de questions auxquelles il faudra trouver une réponse si l’on souhaite que l’impression 3D passe du statut de solution complémentaire à celui de mode de fabrication à part entière. On notera toutefois que cette évolution a tendance à s’accélérer sous l’impulsion des progrès réalisés dans la recherche universitaire ainsi que dans le secteur industriel.
Impression 3D de composants électroniques passifs
Un exemple de cette innovation industrielle nous vient de Murata, l’un des principaux fournisseurs mondiaux de composants passifs en céramique (condensateurs, inductances et résistances). L’entreprise a récemment dévoilé NeuroStone, une solution pour les applications médicales réalisée par impression 3D.
NeuroStone illustre parfaitement la façon dont la fabrication additive révolutionne même les secteurs les plus spécialisés – ici, la technologie médicale – en combinant des techniques d’impression 3D de pointe avec la précision requise pour des composants de détection électronique sophistiqués. Au cœur de NeuroStone se trouve la technologie d’impression exclusive de Murata, qui lui permet de fabriquer des structures 3D complexes qui seraient presque impossibles à réaliser avec les méthodes conventionnelles.
Le procédé additif utilise de la céramique, du métal conducteur et un matériau de support (pour la formation des cavités) pour construire la géométrie cible. La recuisson brûle les structures de support et ne laisse derrière elle que le substrat céramique et les électrodes métalliques. Ce procédé permet de créer par exemple un câblage interne complexe en 3D). Par rapport à l’assemblage classique de circuits imprimés, aux circuits imprimés flexibles (FPC) ou aux substrats céramiques, NeuroStone offre une flexibilité de conception, une stabilité thermique et une miniaturisation exceptionnelles.
Impression 3D de composants électroniques actifs
Dans un autre domaine d’innovation, les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment franchi une étape majeure vers l’électronique active intégralement imprimée en 3D. Contrairement aux technologies classiques utilisées pour les semi-conducteurs au silicium qui reposent sur la lithographie et des procédés de gravure hautement contrôlés, l’innovation du MIT consiste en un procédé de fabrication additive sophistiqué capable de déposer des matériaux semi-conducteurs et conducteurs par couches successives.
Ce procédé utilise un polymère unique dopé au cuivre qui forme des zones conductrices entrecroisées, ce qui permet un contrôle précis de la résistance du dispositif en faisant varier la tension d’entrée. Cette technologie est l’une des premières à démontrer comment des composants électroniques actifs, par exemple des transistors, peuvent être directement formés par impression. Bien que le polymère dopé au cuivre ne soit pas tout à fait aussi performant que les semi-conducteurs en silicium, cette technologie s’avérerait toutefois suffisamment fonctionnelle pour de nombreuses applications.
Ce procédé du MIT a donc pour principaux avantages la possibilité de produire des objets à la demande et de personnaliser les conceptions, ce qui permet de réduire à la fois les coûts de stockage et d’outillage. Le procédé additif permet également de réduire le gaspillage de matériaux en utilisant précisément la quantité requise de matériau pour chaque impression. En outre, le fait de pouvoir intégrer de manière transparente plusieurs types de matériaux dans un même processus d’impression ouvre la voie à des conceptions de circuits intégrant à la fois des éléments passifs et des éléments actifs sans que cela nécessite d’étapes d’assemblage complexes.
