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Circuits électroniques micro-ondes fabriqués via une imprimante 3D à faible coût et un filament en plastique – ImpressionEn3D.com

Dans l’industrie électronique, l’impression 3D a été utilisée pour fabriquer des capteurs, des composants électroniques extensibles et des composants électroniques conformes, et pour fabriquer des guides d’ondes et des antennes pour les appareils à micro-ondes. En effet, la technologie peut être utilisée pour concevoir des substrats diélectriques pour des applications spécifiques et des dispositifs multicouches avec plusieurs couches diélectriques, fonctionnant avec une grande variété de matériaux à différentes densités.

Une équipe de chercheurs de l’Université Miguel Hernández d’Elche en Espagne, qui a publié une étude intitulée «Low-Cost Additive Manufacturing Techniques Applied to the Design of Planar Microwave Circuits by Fused Deposition Modeling. Le document détaille leur travail en utilisant une imprimante 3D FDM bon marché et des filaments à base de plastique pour fabriquer et mettre en œuvre des circuits électroniques micro-ondes.

«Étant donné que tous les filaments commerciaux disponibles pour ce type d’imprimante 3D ne sont pas destinés à mettre en œuvre des dispositifs hyperfréquences, il est nécessaire d’obtenir les paramètres électriques de chaque matériau (constante diélectrique et tangente de perte). De plus, comme FDM ne permet pas l’impression de matériaux métalliques et que les filaments conducteurs actuellement disponibles n’ont pas une conductivité élevée, pour les circuits micro-ondes, il est nécessaire de développer une technique de métallisation de pièces d’impression 3D, en utilisant des plaques de cuivre fixées directement sur le substrat. , comme cela se fait avec des substrats à haute fréquence conventionnels », ont écrit les chercheurs. «De plus, en raison du processus de fabrication du circuit, qui comprend, d’une part, la fabrication d’un substrat à base d’une structure stratifiée pseudo-thermofusionnée en plastique, et d’autre part, l’utilisation d’adhésifs époxy pour coller les plaques de cuivre , il est nécessaire de vérifier si l’ensemble du processus aboutit à une structure fiable. »

L’équipe a choisi une imprimante 3D Prusa i3 Hephestos à faible coût pour cette étude, qui utilise la technologie de modélisation de dépôt par fusion (FDM) par extrusion. Le logiciel Cura a été utilisé pour ajuster les différents paramètres d’impression 3D, ci-dessous, pour tous les matériaux utilisés.

Les chercheurs ont analysé de nombreux filaments standard de 1,75 mm de diamètre pour «obtenir différentes propriétés électriques pour la conception de circuits hyperfréquences», et ont choisi ceux-ci à utiliser dans l’étude:

  • PLA de German RepRap: polymère composé de molécules d’acide lactique
  • ABS de Fillamentum: thermoplastique amorphe résistant aux chocs
  • Iglidur I180-PF (Tribo) d’Igus: résistant au frottement, bonne réponse à la dégradation par l’usure
  • ASA de Fillamentum: thermoplastique résistant aux UV et à l’eau
  • Acier inoxydable PLA de Protopasta: en PLA et filament broyé en acier inoxydable pulvérisé
  • Filament Laybrick de CC-PRODUCTS: en grès, offre une finition de surface similaire à celle de la céramique ou de la pierre
  • Filament Nylon 230 de Taulman: polyamide synthétique
  • Filament LayWoo-D3 de CC-PRODUCTS: fait de fibres de bois et de PLA, offre une finition de surface similaire au bois
  • Filament Smartfil EP de Fillamentum: fait de PLA et de carbonate de calcium, offre une finition de surface similaire à celle du calcaire
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Comme vous pouvez le voir ci-dessous, les feuilles formant les substrats de circuits micro-ondes imprimés en 3D peuvent être classées en couche externe ou en couche interne. Étant donné que la rigidité mécanique du substrat peut être affectée par l’épaisseur des couches externes, l’équipe déclare qu’elles «doivent être solides avec un pourcentage de densité de motif de remplissage de 100%» et fabriquées selon un motif rectiligne afin de réduire la rugosité de la surface. et éviter la porosité. Cependant, peu importe la densité de remplissage ou le motif utilisé pour les couches internes.

Le substrat imprimé en 3D a été métallisé en attachant de chaque côté deux feuilles de cuivre de 35 µm pressées hydrauliquement, en utilisant de la colle époxy non conductrice 2216 B / A GREY. Les chercheurs ont construit les circuits micro-ondes avec un Protomat S42 de la fraiseuse à commande numérique LPKF, et une fois que la colle a solidifié le cuivre sur le substrat, elle peut être utilisée.

Toute erreur de fabrication, comme des bulles et des vides entre les couches, un manque d’homogénéité dans les couches, ou trop d’adhésif, pourrait entraîner une défaillance potentielle de l’intégrité structurelle et des performances du circuit imprimé 3D. Ainsi, afin de «vérifier la métallisation et la fabrication correctes du substrat», l’équipe a utilisé des techniques ultrasoniques non destructives rapides et précises mais peu coûteuses pour effectuer une analyse structurelle, et s’est tournée vers les techniques d’analyse du domaine temporel et fréquentiel des circuits C-scans pour voir s’il y avait des problèmes ou des défauts structurels.

De plus, les chercheurs ont caractérisé les propriétés électriques de chaque filament dans la gamme de fréquences micro-ondes et ont implémenté des filtres micro-ondes standard et nouveaux dans la technologie microruban et stripline.

Enfin, l’équipe a conçu et fabriqué des circuits hyperfréquences planaires simples dans une preuve de concept pour démontrer à quel point il est possible d’utiliser l’impression 3D pour cette application.

«Les appareils conçus ont été fabriqués et mesurés avec de bons résultats, ce qui démontre la possibilité d’utiliser des imprimantes 3D à faible coût dans le processus de conception de circuits hyperfréquences planaires», ont-ils écrit.

En suivant la méthodologie de cette équipe, d’autres chercheurs pourraient apprendre à ajouter des structures de circuits hyperfréquences plus complexes à leur travail, y compris la conception de filtres de guide d’ondes «au moyen de structures périodiques où les techniques additives permettent la conception des sections de guide d’ondes pour obtenir une bande passante de rejet plus élevée». et où la configuration correcte de l’imprimante 3D permet de concevoir un «facteur de couplage des différentes sections de filtre».

«L’analyse structurelle par ultrasons a montré la fiabilité du processus de fabrication. Enfin, pour vérifier les différentes possibilités offertes par le procédé de fabrication additive présenté, différents filtres à impédance échelonnés simples et complexes ont été mis en œuvre en technologie microruban et stripline. De bons résultats ont été obtenus dans les deux technologies, avec de meilleures performances lorsque des possibilités additives, telles que différentes densités de substrat sont utilisées, de sorte que l’on peut conclure que les techniques de fabrication additive offrent de larges possibilités dans la conception de circuits hyperfréquences planaires », ont conclu les chercheurs.

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