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Institut de recherche Raytheon-UMass Lowell (RURI) et impression 3D

Lowell, Massachusetts a été un centre historiquement important du progrès industriel américain. Située sur la rivière Merrimack dans le nord du Massachusetts, la prolifération des filatures de coton et des centres textiles a conduit à une croissance exponentielle de l’industrie textile américaine au cours des années 1800 et 1900. Avance rapide d’environ 100 ans et Lowell a réorienté son attention vers les nouvelles industries américaines de la science et de l’électronique. Raytheon, l’un des plus grands entrepreneurs de défense au monde, a emménagé à Lowell, créant un partenariat, en 2014, avec le plus grand établissement d’enseignement de Lowell, l’Université du Massachusetts à Lowell (UML).

Le partenariat a conduit à l’avancement, à la découverte et à la recherche de pointe dans la conception électronique en impression 3D par le Raytheon & UMass Lowell Research Institute (RURI) ainsi qu’à un grand partenariat d’entreprise, Printed Electronics Research Collaborative (PERC), un consortium de 19 distributeurs et producteurs d’électronique micro-ondes imprimée.

Dans l’usine UML RURI, il y a un bâtiment entier dédié aux travaux de laboratoire pour optimiser l’électronique micro-ondes imprimée. Le Dr Craig Armiento, PhD, est le fondateur et président de RURI et forme des étudiants et des ingénieurs pour faire progresser l’électronique micro-ondes imprimée pour les applications industrielles. Le travail et la formation reçus à RURI sont à égalité avec les progrès scientifiques de la Rice University avec l’aérospatiale, de l’Université de l’Illinois avec le calcul intensif et du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) avec l’éclairage.

RURI développe des systèmes micro-ondes intégrés pour les cartes de circuits électroniques, les connecteurs et les antennes. Ces produits sont hautement optimisés et étudiés et ont été pivotés avec une technologie d’impression 3D récente. L’utilisation de l’impression 3D par RURI fait partie de la prolifération de l’impression 3D pour l’électronique imprimée en 3D dans la science et le monde universitaire.

PERC est une organisation parapluie qui s’ajoute au partenariat Raytheon et UMass Lowell. À lui seul, le PERC a recueilli plus de 6,5 millions de dollars en financement privé et public. Les organisations PERC représentent des fournisseurs dans six sous-secteurs différents de l’espace électronique imprimé en 3D, à savoir les systèmes, sous-systèmes, composants, équipements de traitement, modélisation et conception pour la modulation d’amplitude (AM) et les matériaux imprimables.

PERC fait un effort particulier pour poursuivre des applications pratiques avec ces sociétés et commande des fournitures pour la fabrication de transistors, de substrats flexibles et d’objets en graphène (pour ne citer que quelques pratiques). PERC choisit parmi les meilleurs fournisseurs, passant de la commande nScrypt de renommée nationale basée en Floride pour les imprimantes 3D à Namix basée au Japon pour les encres électriquement conductrices.

Modèle RURI pour l’électronique à micro-ondes

Pour comprendre le travail de RURI, il est important de comprendre la recherche dirigée par le Dr Armiento. Vous trouverez ci-dessous un aperçu du travail effectué à RURI.

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Chez RURI, il existe un processus de conception que les ingénieurs utiliseront pour modéliser les circuits imprimés électriques. Les chercheurs créent des cartes thermiques, schématisent la position mathématique et utilisent des graphiques pour démarrer le processus de conception de circuits. UML concevra ensuite des structures de circuits imprimés et planifiera le processus d’impression des circuits et composants de la carte restants.

La prochaine étape du processus est le développement et la caractérisation des matériaux / encres. Au moment de la presse, l’encre imprimée en 3D du jour à UML est principalement composé de Baryum Strontium Titanate (BST). Avant d’utiliser les composants BST, il y a des tests et des recherches sur le matériau et l’encre. Les ingénieurs effectueront une série de tests de résistance et documenteront les résultats des tests. Les tests mesurent les performances répétables, la durée de conservation et la stabilité de la température. S’ils trouvent que les matériaux sont faibles pendant les tests, ils travailleront et prépareront de nouvelles conceptions et subiront de nouvelles simulations pour se préparer à nouveau à différents matériaux imprimés en 3D.

Les étapes suivantes du processus sont l’impression 2D / 3D dans des imprimantes spécialisées et des imprimantes 3D, respectivement. Il y a des laboratoires d’impression 3D dans le bâtiment du Saab Emerging Technologies & Innovation Center pour la Francis School of Engineering de l’UMass Lowell. Les concepteurs apprennent les limites du matériau et de l’impression et effectuent des post-traitements pour s’assurer que le matériau est imprimé comme prévu.

La dernière partie du processus est la classification par radiofréquence (RF) / micro-ondes où les matériaux diélectriques et autres propriétés électroniques sont mesurés à des fréquences élevées dans des tests tels que la méthode du guide d’ondes. Ce processus de test garantit les propriétés micro-ondables de l’électronique.

Produits fabriqués à RURI

Les produits fabriqués avec cette méthodologie sont, comme mentionné précédemment, des circuits imprimés, des connecteurs et des antennes. Avec les cartes de circuits imprimés, les composants sont principalement basés sur un matériau de surface sélective en fréquence (FSS) qui agit comme un filtre électromagnétique. Les fréquences sont modifiables en imprimant des condensateurs variables, ou varactors, entre les éléments du circuit. Les connexions pour le circuit imprimé utilisent les encres diélectriques pour lesquelles UML effectue des recherches. Le titanate de strontium de baryum associé à l’argent I et à l’argent III produira sur les circuits un matériau conducteur adapté aux températures élevées.

Des connecteurs comme celui de l’encre sont développés chez UML. Les scientifiques UML imprimeront des connecteurs de puces à partir d’imprimantes 3D et mesureront leurs propriétés. Ces connecteurs ont montré des performances prometteuses jusqu’à certaines fréquences d’émetteur et sont actuellement étudiés pour être utilisés dans l’électronique.

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Des antennes imprimées en 3D ont également été développées et peuvent être utilisées sur la plupart des principaux systèmes électroniques. Expérimente UML avec divers thermoplastiques et matériaux conducteurs et dispose de salles dédiées aux tests d’antennes imprimées en 3D. UML imprimera des thermoplastiques hélicoïdaux, Vivaldi et Yagi-Uda et les moulera pour la production finale. Il y a une chambre anéchoïque dans l’installation pour tester la portée et la cohérence de l’antenne. Les travaux effectués sur les antennes ont déjà réduit les coûts et ont stimulé le prototypage rapide pour la fabrication d’antennes. Il est très prometteur d’augmenter encore le processus de prototypage rapide et d’optimiser les itérations de conception.

Le crédit d’impôt pour la recherche et le développement

Adopté en 1981, le crédit d’impôt fédéral pour la recherche et le développement (R-D), désormais permanent, permet un crédit qui varie généralement entre 4% et 7% des dépenses admissibles pour des produits et procédés nouveaux et améliorés. La recherche qualifiée doit répondre aux quatre critères suivants:

  • Doit être de nature technologique
  • Doit faire partie de l’entreprise du contribuable
  • Doit représenter la R&D au sens expérimental et comprend généralement tous les coûts liés au développement ou à l’amélioration d’un produit ou d’un processus
  • Doit éliminer l’incertitude grâce à un processus d’expérimentation qui considère une ou plusieurs alternatives

Les coûts éligibles comprennent les salaires des employés américains, le coût des fournitures consommées dans le processus de R&D, le coût des tests de pré-production, les dépenses de recherche sous contrat aux États-Unis et certains coûts associés au développement d’un brevet.

Le 18 décembre 2015, le président Obama a signé le PATH Act, rendant permanent le crédit d’impôt pour la R&D. À partir de 2016, le crédit de R&D peut être utilisé pour compenser l’impôt minimum alternatif pour les entreprises dont les revenus sont inférieurs à 50 millions de dollars et les entreprises en démarrage peuvent obtenir jusqu’à 250 000 dollars par an de remises en espèces sur la masse salariale.

Conclusion

Le président du système de l’Université du Massachusetts, Marty Meehan, attribue à RURI de grandes opportunités pour Raytheon avec les meilleurs talents d’ingénierie et les produits fabriqués par ce talent d’ingénieur. Des brevets ont déjà été déposés pour l’encre imprimée en 3D pour les systèmes à micro-ondes par des employés de Raytheon et des étudiants de l’UMass Lowell. Raytheon a également attiré l’attention du financement gouvernemental pour l’électronique militaire des États-Unis. De nombreux organes directeurs en ont pris note et ont promis des ressources et des subventions à RURI et à la collaboration PERC à UMass Lowell.

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