Con dispositivi elettronici sempre più piccoli e complessi, la stampa 3D di microprecisione non serve solo a ridurre le dimensioni dei progetti esistenti. Può cambiare il modo in cui un componente viene concepito. Ne abbiamo parlato con Jake Collins, Senior Applications Engineer di Boston Micro Fabrication (BMF), l’azienda che ha sviluppato la tecnologia Projection Micro Stereolithography (PµSL).
Progettare per la funzione, non per il processo
In che modo la stampa 3D di microprecisione supera i limiti della produzione elettronica convenzionale?
Ogni processo produttivo convenzionale porta con sé regole che ingegneri e progettisti hanno imparato a rispettare, e quelle regole finiscono inevitabilmente per influenzare il disegno del pezzo. Lo stampaggio a iniezione e la lavorazione CNC sono buoni esempi. Sono tecnologie eccellenti, ma impongono vincoli geometrici: evitare elementi interni che non si possono stampare o lavorare, rispettare la direzione di sformo, mantenere gli spessori di parete dettati dall’attrezzatura.
La stampa 3D di microprecisione, e in particolare la PµSL, elimina molti di questi vincoli. Il pezzo viene costruito strato dopo strato, in modo additivo, quindi direzione di sformo e accesso dell’utensile non contano più. L’ingegnere è molto più libero di realizzare geometrie interne complesse, dettagli molto piccoli e strutture come i lattice, difficili o impossibili da ottenere con i metodi tradizionali. Il cambiamento di fondo è che si può progettare sempre più per la funzione che il componente deve svolgere, invece che intorno ai limiti del processo.
Come può semplificare l’assemblaggio elettronico, integrando più componenti e funzioni?
Una delle opportunità più grandi è passare da un approccio basato sull’assemblaggio a uno basato sulle prestazioni del dispositivo finito. Per i vincoli di produzione, molti componenti sono sempre stati realizzati separatamente, spesso con processi diversi, e poi assemblati. Ogni componente e ogni passaggio di assemblaggio in più aggiunge manodopera, tolerance stack-up e nuovi possibili punti di guasto.
La stampa 3D di microprecisione apre la strada alla part consolidation. Invece di progettare una serie di pezzi separati che alla fine devono combaciare, si possono riunire più elementi e funzioni in un’unica struttura. Le fiber array sono un buon esempio. Una guida stampata in 3D può offrire una spaziatura molto ravvicinata tra le fibre con tolleranze molto strette e incorporare nello stesso pezzo cambi di direzione e variazioni nella geometria dei fori. Questo può rendere più efficiente il routing e aumentare la densità delle fibre, fino a ottenere dispositivi più piccoli e con prestazioni migliori. Vediamo anche la possibilità di integrare canali per fluidi destinati alla gestione termica, o di creare interconnessioni conduttive e via tramite metallizzazione selettiva.
Questo non significa che la stampa 3D sostituirà ogni componente o materiale di un dispositivo elettronico: molti svolgono funzioni altamente specializzate. L’opportunità sta nel capire dove più parti, prima separate, possono confluire in una struttura integrata, riducendo la complessità e potenzialmente migliorando prestazioni e affidabilità.
Dal piano alle tre dimensioni
Quali possibilità si aprono progettando l’elettronica in tre dimensioni anziché attorno alle tradizionali architetture 2D?
Con l’evoluzione dei dispositivi abbiamo in genere aumentato la complessità e spinto sulla miniaturizzazione. Ma miniaturizzare un’architettura esistente può voler dire portarsi dietro gli stessi presupposti progettuali e gli stessi limiti produttivi che hanno dato forma al dispositivo originale.
La microfabbricazione additiva permette di porsi un’altra domanda. Senza i vincoli della produzione e dell’assemblaggio convenzionali, si progetterebbe ancora attorno a PCB planari, connettori discreti e alle altre architetture consolidate, o si disegnerebbe qualcosa di radicalmente diverso? È qui che le cose diventano interessanti.
Invece di pensare l’elettronica come una pila di schede sostanzialmente bidimensionali, si può iniziare a ragionare in tre dimensioni. Le interconnessioni potrebbero attraversare un componente in X, Y e Z, seguendo il percorso più efficiente anziché restare confinate su strati planari. Viene in mente un sistema di vasi sanguigni che percorre una struttura in modo naturale, più che una rigida sovrapposizione di percorsi 2D.
C’è poi la possibilità di realizzare connettori e interposer specifici per l’applicazione. Invece di scegliere un componente standard perché è disponibile o perché i costi di attrezzatura rendono antieconomica la personalizzazione, l’ingegnere può progettare un’interconnessione sui requisiti di quel dispositivo. Questo conta sempre di più man mano che i componenti scendono sotto il millimetro, come nelle fiber array e negli array di sensori, dove le soluzioni off-the-shelf sono poche. In definitiva l’obiettivo non è soltanto rimpicciolire l’elettronica di oggi. È ripensarne l’architettura quando i vincoli produttivi non impongono più di progettare tutto attorno a strutture sostanzialmente bidimensionali.
Come sta cambiando il modo in cui gli ingegneri realizzano prototipi e collaudano i nuovi progetti?
La prototipazione rapida è stata una delle prime applicazioni della manifattura additiva, perché permetteva di accorciare i cicli di progettazione e di provare più iterazioni prima di andare in produzione. Con la microfabbricazione additiva questo vantaggio pesa ancora di più, perché per componenti molto piccoli e complessi i cicli di sviluppo convenzionali possono essere molto lunghi.
Pensiamo a un ingegnere con un’idea poco convenzionale per migliorare le prestazioni, per esempio un canale per fibra di forma diversa o una struttura lattice complessa. Di solito la modella, la simula e poi aspetta settimane, a volte mesi, per avere un prototipo, a seconda della complessità e del processo. In alcuni casi scopre che quella geometria non si può proprio produrre.
La microfabbricazione additiva comprime molto questo ciclo. Progettazione iniziale e simulazione non cambiano necessariamente, ma il passaggio dal CAD al componente fisico può ridursi da settimane o mesi a pochi giorni. Grazie alla precisione del processo, il prototipo riproduce molto fedelmente la geometria del CAD.
Cambia anche l’economia della sperimentazione. Poter sbagliare in fretta e a costi contenuti permette di provare geometrie e idee che prima si sarebbero scartate per i costi di attrezzatura, i limiti produttivi o i tempi di sviluppo. Invece di restringere presto il campo delle opzioni, l’ingegnere può esplorarne molte di più e verificarne le prestazioni reali. Spesso è lì che nascono i passi avanti più importanti: quando si va oltre ciò che si è sempre considerato producibile e si rompe, letteralmente, lo stampo.
Fotonica, RF e microdispositivi
Quali ambiti della progettazione elettronica hanno più da guadagnare?
Ce ne sono diversi in cui la microfabbricazione additiva ha già un impatto e dove il potenziale ci sembra particolarmente alto. Fotonica e interconnessioni sono l’esempio più evidente. Allineamento, accoppiamento e packaging delle fibre richiedono tolleranze strettissime e dettagli sempre più piccoli. Geometrie di canale 3D complesse come fori rastremati, cambi di percorso interni e array esagonali compatti (HCP) si prestano bene a questa tecnologia. Possono migliorare le prestazioni e aprire nuove strade nel design dei componenti fotonici.
Un altro ambito interessante sono i componenti RF e a microonde. La microfabbricazione additiva consente geometrie 3D di antenne e guide d’onda che con la produzione tradizionale non sarebbero realizzabili, pensate per superare le prestazioni delle geometrie planari. Con la metallizzazione si possono ottenere componenti funzionali per l’uso finale, con vantaggi prestazionali rispetto ai progetti planari e potenzialmente con una produzione meno complessa.
Ci sono poi i microdispositivi consumer: apparecchi acustici, smart glasses e sensori indossabili. Devono diventare più piccoli e meno invasivi e integrare sempre più funzioni. Saper produrre componenti molto piccoli, precisi e specifici per l’applicazione può avere un ruolo importante nella loro evoluzione, che è da tempo uno degli obiettivi del settore. In tutti questi casi la sfida comune è far stare più funzioni e più prestazioni in dispositivi sempre più piccoli e complessi. È in questa combinazione di scala, precisione e complessità geometrica che vediamo le opportunità maggiori.
In conclusione, qual è la più grande opportunità per la stampa 3D di microprecisione nell’elettronica?
Il messaggio principale è che la microfabbricazione additiva non consiste solo nello stampare pezzi più piccoli più in fretta. Serve a lasciare all’ingegnere la libertà di concentrarsi sull’applicazione e sulle prestazioni di cui ha bisogno, invece di progettare intorno ai vincoli della produzione convenzionale. Con un’elettronica sempre più piccola e complessa, questo apre modi completamente nuovi di affrontare il progetto.
