Impression fonctionnelle sur objets 3D à l'aide d'un robot 6-axes
Bourg-en-Bresse, AINTEREXPO 13 octobre 2021
Nadège REVERDY-BRUAS, Grenoble INP UGA Pagora/LGP2
Damien PAULET, Grenoble INP UGA, IUT1
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CONTEXTE – PROBLEMATIQUE
Structuration Laser sur pièce plastique injectée et dépôt de composants :
3D-MID / LDS
Surmoulage avec injection de film
fonctionnel d’électronique
imprimée
TRL ~ 9 TRL ~ 5 - 7 TRL ~ 3 - 4
Chaire d’Excellence Industrielle
IMPRESSION
FONCTIONNELLE DIRECTE
sur pièce plastique et
dépôt de composants
I. Présentation de la Chaire
I.1. Chaire d’Excellence Industrielle I.2. Acteurs de la Chaire MINT
I.3. Roadmap
I.4. Verrous scientifiques/technologiques
II. Principaux résultats acquis
II.1. Technologies de dépôt d’encre II.2. Recuit des encres
II.3. Pilotage de l’impression
II.4. Exemples de dispositifs imprimés
III. Perspectives
Applications, projets
AGENDA
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I.1. Chaire d’Excellence Industrielle
I. Présentation de la Chaire
Industriel Écoles
• Grenoble INP-Pagora
• Grenoble INP-Phelma
Acquisition de
SAVOIRS/COMPÉTENCES Laboratoires
• LGP2
• IMEP-LaHC
• Plateforme S.mart-DS
Portée par
https://fondation-grenoble-inp.fr/nos-chaires/
I.2. Acteurs de la Chaire MINT
I. Présentation de la Chaire
Institute of Microelectronic, Electromagnetism and Photonic
Laboratory of Pulp and Paper and Graphic Arts
Technological platform for sharing of industrial technologies
Expertise en matériaux biosourcés, bioraffinerie, papiers/cartons,
procédés d’impression
Impression fonctionnelle Electronique imprimée
Expertise en conception et
caractérisation microélectronique, électromagnétique, RF et photonique
Conception et
caractérisation circuits
Plateforme technologique de mutualisation de technologies
industrielles => mise à disposition de ressources techniques et d’expertise
Fabrication additive
Automatisation
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I.3. Roadmap
I. Présentation de la Chaire
Axe 1
Axe 2
Axe 3
2015 Sept 2017
Impression d’encres fonctionnelles sur
thermoplastiques 2D => 3D Procédés conventionnels
=> impression directe
Impression directe d’encres fonctionnelles
sur pièces de formes 3D
Impression 3D Multi- matières de pièces
Plastroniques intégrées
2021
I.4. Verrous scientifiques/technologiques
I. Présentation de la Chaire
❑ Plastronique
o Rencontre de la Plasturgie et de l’Électronique
o Fonctionnalisation de pièces plastiques par de l’électronique
❑ Challenges de la Chaire
o Imprimer des fonctionnalités électroniques sur substrats thermoplastiques 3D o Développer un procédé industriel
o Assurer la fiabilité des fonctions imprimées au regard des spécifications
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I.4. Verrous scientifiques/technologiques
I. Présentation de la Chaire
Les défis à relever
• Adhésion des pistes conductrices sur substrats plastiques
• Résolution d’impression
• Recuit des encres conductrices (sans détérioration du substrat)
• Vieillissement des dispositifs
• Gestion des trajectoires 3D
• Continuité des pistes sur des surfaces bombées, à angles droits
• Recuit in-situ
Passage 2D => 3D
AGENDA
II.1.1. Procédé sérigraphique II.1.2. Têtes d’impression II.2. Recuit des encres
II.3.1. Imprimante 3D Prusa
II.3.2. Imprimante 4 axes Janome II.3.3. Robot Staübli 6 axes
II.4.1. Continuité électrique sur pièce 3D II.4.2. Antenne LoRa
II.4.3. Lignes coplanaires sur pièces 3D II.4.4. Radôme sur pièce 3D
I. Présentation de la Chaire
I.1. Chaire d’Excellence Industrielle I.2. Acteurs de la Chaire MINT
I.3. Roadmap
I.4. Verrous scientifiques/technologiques
II. Principaux résultats acquis
II.1. Technologies de dépôt d’encre II.2. Recuit des encres
II.3. Pilotage de l’impression
II.4. Exemples de dispositifs imprimés
III. Perspectives
Applications, projets
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II.1. Technologies de dépôt d’encre
II. Principaux résultats acquis
9.95 mm
7.7 mm
200 µm
200 µm 200 µm 200 µm
o Adhésion et résistivité => Satisfaisante
o Résistivité surfacique => 55 mΩ/ (ρ = 330 nΩ.m)
o Résolution d’impression (connexion pour QFN40)
=> pas de contact entre les lignes
Avant le test Après le test
D’après Fanny TRICOT Post-Doc – Septembre 2016
Minimum
theoretical width for a continuous line: 100 µm
II.1.1. Procédé sérigraphique
II. Principaux résultats acquis
Technologie à vis sans fin Dispenseur : type Archimède (preeflow® eco-PEN300)
▪ débit max : 1480 µL/min
▪ aiguille 200 µm
Technologie piézoélectrique
Valve de jetting VERMES MDV 3200A
▪ Viscosité des fluides : moyen à fortement visqueux
▪ Différents diamètres de buses (de 30 à 1200 µm)
Technologie
électropneumatique Electrovanne Microdots
NORDSON - valve à pointeau, reliée à un contrôleur
II.1. Technologies de dépôt d’encre
II.1.2. Têtes d’impression
=> Dépôt d’un cordon / Proche du substrat => Dépôt de gouttes / Eloignée du substrat
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II.1. Technologies de dépôt d’encre
II. Principaux résultats acquis
Fabrication of 3D conductive circuits: print quality evaluation of a direct ink writing process”, 2018, F. Tricot, C. Venet, D. Beneventi, D. Curtil, D. Chaussy, T.P. Vuong, J.E Broquin, N. Reverdy-Bruas, RSC Adv., 8, 26036–26046
Presse sérigraphique DEK
Horizon 03i Tête Ecopen sur imprimante 3D Prusa
Caractérisation rhéologique
II.1.2. Têtes d’impression - ECOPEN
II.1. Technologies de dépôt d’encre
II. Principaux résultats acquis
Screen printed lines: a) 50 µm theo.
width line, b) 100 µm theo. width line 1) without defect 2) with a lack of ink, c) 500 µm theo. width line 1) without defect and c) 2) with dribbles at the lower edge
a) 3d view of a line printed with the developed process (needle with a 200 µm inner diameter, Q = 5 µL/min, v = 150 mm/min), b) profile of a cross section of the line presented in a)
a) 3D view of a screen printed horizontal line with a theoretical width of 200 µm, b) profile of the cross section of the printed line presented in a).
II.1.2. Têtes d’impression - ECOPEN
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II. Principaux résultats acquis
Fabrication of 3D conductive circuits: print quality evaluation of a direct ink writing process”, 2018, F. Tricot, C. Venet, D. Beneventi, D. Curtil, D. Chaussy, T.P. Vuong, J.E Broquin, N. Reverdy-Bruas, RSC Adv., 8, 26036–26046
Presse sérigraphique DEK Horizon 03i
Tête Ecopen sur imprimante 3D Prusa
Exemples d’impressions sur objets thermoplastiques 3D (avec encre Henkel)
200 µm 500 µm 1000 µm
Elargissement 30% 12% <10%
Epaisseur 5,1 ± 1,6 µm
5 µL/min 40 µL/min 60 µL/min Largeur mesurée
( aiguille = 200 µm) 580 µm 650 µm 790 µm
Epaisseur
( aiguille = 110 et 200 µm) 5 µm < e < 50 µm
o Épaisseur imprimée ECOPEN
=> Dépend du diamètre interne de l’aiguille et du débit
II.1. Technologies de dépôt d’encre
II.1.2. Têtes d’impression - ECOPEN
II. Principaux résultats acquis
=> Gestion des trajectoires
=> Détermination de l'influence de la vitesse, du diamètre de l’aiguille, du piston de la valve et de la distance entre le substrat et l’aiguille
Caractéristiques variables
o Vitesse : 1-35 mm/s
o Distance entre le substrat et l’aiguille : 200-800 µm
o Diamètre de l’aiguille : 150 µm, 200 µm, 330 µm, 410 µm et 610 µm o Course du pointeau : 0-2 tours et ouverture max
II.1. Technologies de dépôt d’encre
II.1.2. Têtes d’impression - NORDSON
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II. Principaux résultats acquis
D’après Camille DELFAUT, Thèse –Mars 2020
Sens d’i mpr ess ion
II.1. Technologies de dépôt d’encre
II.1.2. Têtes d’impression - VERMES
Paramètres ajustables - Distance au substrat
- Temps de montée du piston
- Temps d’ouverture de la valve
- Temps de descente du piston
- Temps entre 2 cycles
II.2. Recuit des encres
II. Principaux résultats acquis
Sample
Resistance
Power generator
Oscilloscope Banana plug
i (A)
t (s)
≈ 30s
35s 15s
i1 i2 i3
Sollicitation
2 min 25 s
Substrate
Ink D8
(TDS: ρ < 750 nΩ.m)
Ink D2
(TDS: ρ best = 375 nΩ.m) Ohmic
ρ (nΩ.m)
Thermal curing 90 min ρ (nΩ.m)
Ohmic ρ (nΩ.m)
Thermal curing 90 min ρ (nΩ.m)
Technyl 321 ± 42 445 ± 56 (110°C)
337 ± 41 (200°C)* 407 ± 42 536 ± 63 (110°C)
432 ± 58 (200°C)*
Cycoloy 286 ± 31 332± 41 (110°C) 292 ± 26 481± 51 (110°C)
o Nécessité d’un recuit pour développer la conductivité des pistes imprimées => recuit ohmique
vs recuit thermique
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II.2. Recuit des encres
II. Principaux résultats acquis
Ohmic curing of silver micro particle inks printed on thermoplastics”, 2021, F. Tricot, C. Venet, D. Beneventi, D. Curtil, D. Chaussy, T.P. Vuong, J.E, Broquin, N. Reverdy-Bruas Journal of Electronic Materials,50:6183–6195, https://doi.org/10.1007/s11664-021-09145-7
Printed line temperature on PC+ABS substrate during the ohmic curing performed with P1 and P2 parameters for a) ink D8 and b) ink D2.
o Nécessité d’un recuit pour développer la conductivité des pistes imprimées => recuit ohmique
II.3. Pilotage de l’impression
II. Principaux résultats acquis
II.3.1. Imprimante 3D - Prusa
Tête Ecopen sur imprimante 3D Prusa
o Impression à plat
o Table (x, y) et déplacement en z
o Possibilité d’imprimer sur de
légers bombés/creux
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II.3. Pilotage de l’impression
II. Principaux résultats acquis
II.3.2. Imprimante 4 axes - Janome
o Impression à plat
o Table (x, y), déplacement en z et rotation possible o Possibilité d’imprimer sur de légers bombés/creux
Robot Janome 4 axes
X Y
Z R Z
II.3. Pilotage de l’impression
II. Principaux résultats acquis
II.3.3. Robot 6 axes STAUBLI
o Impression sur objets 3D
o 2 repères constructeur : 1 repère à la base du robot (« world ») 1 repère au niveau de l’outil (« extrémité »)
o Possibilité d’imprimer sur des bombés/creux, angles droits, sphères
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II.4. Exemples de dispositifs imprimés
II. Principaux résultats acquis
II.4.1. Continuité électrique sur pièce 3D
o Suivi d’une trajectoire 3D sur une pièce de longueur > 30 cm o Continuité de la piste obtenue
Impression sur une pièce 3D (aiguille de 330 µm de
diamètre, une cinquantaine de points enregistrés le long de la pièce)
D’après Stage Emma Ferreira-Lopes - Juillet 2020
II.4. Exemples de dispositifs imprimés
II. Principaux résultats acquis
▪ Conférence URSI – Atlanta – Juillet 2019
✓ LoRaWAN (Long Range Wide-Area Network)
✓ Protocole de communication par radio
✓ Connecté à internet => Internet des objets
✓ Permet de connecter un réseau de capteurs
✓ f = 869,453 MHz en europe
II.4.2. Réalisation d’un prototype d’antenne imprimée LoRa
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II.4. Exemples de dispositifs imprimés
II. Principaux résultats acquis
New potential of a direct printed LoRaantenna”, 2019, C. Delfaut, T.-P. Vuong, N. Reverdy-Bruas, D. Curtil and C. Venet, URSI Conference, Atlanta (USA).
II.4.2. Réalisation d’un prototype d’antenne imprimée LoRa
FS: antenna in free space
BAT: antenna in a battery environment
BAT+CAS: antenna in a battery and case environment
Simulation of the impact of the ink and substrate and optimization of the antenna
(a) Modified design of the antenna with silver ink printed on PC+ABS (b) Jetting system on the cartesian robot
Thermal curing
performed in an oven at 90°C during 30 min
2 operating frequencies: 869 MHz for LoRa network and 1575 MHz for the GPS
=> the 6 dB-bandwidth obtained is 25 MHz for LoRa and 56 MHz for GPS
=> the efficiency for LoRa is -4 dB (40%) and -1.2 dB (75%) for GPS
➔ suitable for IoT application
II.4. Exemples de dispositifs imprimés
II. Principaux résultats acquis
II.4.3. Lignes coplanaires sur pièces 3D
Objectif : Réaliser des règles de conception pour imprimer des dispositifs RF sur des pièces 3D
=> Analyser la transmission du signal sur des configurations 3D classiques en imprimant des
lignes coplanaires sur des angles
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II.4. Exemples de dispositifs imprimés
II. Principaux résultats acquis
II.4.4. Radôme sur pièce 3D
“Printed radome for reconfigurable antenna radiation pattern in 5G applications”, 2021, C. T.-H.-L. Dam, C. Delfaut, G. Houzet, T. Lacrevaz, A. Niembro-Martin, Q.-B. Duong, N. Reverdy-Bruas, T.-P. Vuong, APS-URSI Conference, Singapour, 04- 10 dec. 2021.
