Arrière-plan…
On trouve des circuits imprimés (PCB) dans presque tous les appareils électroniques de tous les secteurs. Cependant, chaque appareil ou objet utilisant un PCB nécessite une version unique, la conception de la palette de soudure devant être ajustée avec précision pour s’adapter à la géométrie du circuit imprimé.
Les palettes de soudage servent à appliquer des composants traversants sur les circuits imprimés lors de l’assemblage. Elles protègent les composants CMS (montage en surface) des circuits et exposent les composants non masqués à la soudure à la vague à plus de 200 °C (392 °F). La plupart des matériaux polymères fondent sous l’effet de la chaleur d’une station de soudage standard.
En ce qui concerne leur fabrication, les PCB et les palettes de soudure qui soutiennent leur production ont des exigences thermiques, électriques, géométriques et mécaniques qui ont tendance à aller au-delà de ce que la plupart des matériaux pour l’impression 3D peuvent offrir.
Qu’est-ce qui rend la fabrication additive à base de composites différente ?
La technologie de fabrication additive composite (CBAM) a été développée pour toutes les étapes de l’assemblage de circuits imprimés. Il s’agit du seul procédé à base de poudre combinant des fibres longues de carbone ou de verre avec des matrices thermoplastiques hautes performances comme le PA12 et le PEEK.
L’utilisation de fibres longues (au moins 12 mm de longueur) offre des performances et une résistance considérablement améliorées, par rapport aux fibres courtes ou coupées, sur toute la pièce et jusqu’aux extrémités, en plus d’autres propriétés comme la stabilité dimensionnelle avec résistance à la chaleur et aux produits chimiques.
Grâce à sa résistance aux hautes températures et à son faible coefficient de dilatation thermique, le PEEK est un matériau idéal pour les applications de fabrication électronique. Ce polymère haute performance permet d’utiliser un fer à souder sur le montage sans l’endommager, ce qui maintient les composants en place pendant le processus et élimine les risques de déformation. La technologie CBAM permet également de produire des montages sur mesure en quelques jours seulement et à un coût bien inférieur à celui des procédés de fabrication traditionnels.
Ricoh 3D s'est associé à Impossible Objects en 2021 pour commercialiser sa technologie CBAM sur le marché européen. Mark Dickin, responsable de l'ingénierie de fabrication additive et de moulage chez Ricoh 3D, a déclaré :
« Bien que beaucoup ne considèrent pas les gabarits et les montages comme l’application naturelle de ces types de composites, ce que nous savons, c’est que l’un des principaux obstacles à l’impression 3D est le coût.
La technologie CBAM allie rentabilité et performance de manière unique. Nous constatons que les composites renforcés de fibres longues sont utilisés pour améliorer l’ingénierie des plastiques moins coûteux, des pièces métalliques légères ou pour créer des pièces entièrement nouvelles, autrement impossibles à fabriquer.
Parties plates et emplumées
Les pièces étroites, telles que les circuits imprimés et les hélices, constituent d’excellentes applications pour la technologie CBAM. L’impression de points et de bords biseautés avec des fibres uniformément réparties, permettant d’obtenir des pièces hautement résistantes et parfaitement fonctionnelles, est possible grâce à l’association de feuilles de fibres longues et de poudres polymères hautes performances.
Mais comment ça marche ?
Tout commence par la prise d’une feuille de tissu non tissé (en fibres de carbone ou en fibres de verre) et, à l’aide d’une tête d’impression à jet d’encre, la tranche CAO est imprimée sur la feuille à l’aide d’un fluide propriétaire.
La feuille est ensuite recouverte d’une poudre polymère qui adhère là où le fluide a été déposé.
L’excès de polymère est éliminé, laissant le polymère déposé sélectivement sur la feuille, les étapes étant répétées pour toutes les couches.
Les feuilles sont ensuite empilées, comprimées et chauffées jusqu’au point de fusion du polymère.
Les fibres qui ne contiennent pas de polymère sont ensuite sablées pour révéler la ou les pièces imprimées en 3D.
Ce procédé unique permet de produire des pièces présentant un rapport résistance/poids élevé, pour un coût jusqu’à la moitié du prix des pièces métalliques.
Lisez nos études de cas ci-dessous pour découvrir comment le CBAM est utilisé dans le domaine de la fabrication électronique…
Cas d’utilisation
Plateau d’alignement LED
Type de pièce : Fibre de carbone PEEK
Température de déflexion thermique : 260 °C (500 °F)
Résistance chimique : élevée
Résultat : Élimination des problèmes de qualité
Dimensions de la pièce : 103,0 x 29,6 x 10,5 mm
Délai de livraison : 1 semaine
L’exemple ici montre un plateau d’alignement qui était nécessaire pour contenir 16 lumières LED perpendiculaires à la carte PCB pendant le processus de soudure à la vague pour un fournisseur d’électronique.
À l’origine, le client n’utilisait aucun dispositif ni aucune méthode pour s’assurer que la position de chaque LED était alignée pour l’assemblage de niveau suivant, mais lorsque son client a eu besoin que les LED s’alignent avec la superposition d’affichage qui recouvrait le PCB dans l’assemblage final, il s’est tourné vers l’impression 3D.
Avec 16 LED et 150 cartes à retravailler, un gabarit a été rapidement développé par impression 3D pour maintenir les LED en place pendant le processus de soudure à la vague. Cependant, les fixations en PLA, ABS et PVDF fondaient toutes sous l’effet de la chaleur de la soudure à la vague. Le PEEK à fibre de carbone a donc été exploré pour produire un plateau d’alignement réutilisable haute température.
Dispositif de soudage
Type de pièce : Fibre de carbone PEEK
Température de déflexion thermique : 260 °C (500 °F)
Résistance chimique : élevée
Résultat : Production triplée ; problèmes de qualité éliminés
Dimensions de la pièce : 109,9 x 34,9 x 10,9 mm
Délai de livraison : 1 semaine
Lorsqu’un autre client a reçu une augmentation de 400 % des commandes, un dispositif était nécessaire pour regrouper le processus de soudage manuel d’un connecteur soudé sur PCB, dans le but d’augmenter la production et de réduire les taux de défaillance.
La principale zone de défaillance se situait au niveau du sertissage des bornes sur le fil blindé, ce qui a conduit le client à reconcevoir l’assemblage câble/PCB et à convertir les bornes en un connecteur soudé sur PCB.
Les opérations ont dû être rapidement intensifiées pour répondre à la demande croissante, mais le goulot d’étranglement est venu du soudage de ce nouveau connecteur à la carte mère par câble coaxial. Les opérateurs devaient tenir une carte plus petite qu’un timbre-poste et s’assurer que le connecteur était à 90 degrés sur 3 axes, après avoir pré-étamé les pastilles de 8 900 connecteurs par semaine. Après la première semaine, les opérateurs se plaignaient de crampes aux mains.
Par conséquent, un dispositif de fixation en fibre de carbone PEEK a été développé pour maintenir 10 cartes à la fois tout en maintenant la position du connecteur sur la carte.
Résultat ? Le client a triplé sa production, les opérateurs étant capables de produire les 800 pièces en 4 jours, au lieu d’une semaine pour trois opérateurs.
Dispositif de soudage sélectif
Type de pièce : Fibre de carbone PEEK
Température de déviation thermique : 260 °C (500 °F)
Résistance chimique : élevée
Résultat : Élimination des problèmes de qualité
Dimensions de la pièce : 152,5 x 101,6 x 15,5 mm
Délai de livraison : 1 semaine
Lorsqu’un client du secteur aérospatial a renvoyé 300 assemblages de circuits imprimés en raison d’une dimension critique qu’il avait manquée, notre client était fier d’avoir fourni une réponse à une question difficile.
Le circuit imprimé nécessitait un connecteur, non visible sur l’image ci-dessus, qui devait être surélevé de 0,7 mm parallèlement au circuit imprimé. La tolérance donnée était de 0,1 mm, ce qui est quasiment impossible à respecter avec un procédé de soudage automatisé.
Le client avait l’habitude de créer son propre outillage et a donc conçu une géométrie permettant de souder neuf connecteurs à la fois dans le panneau de processus.
Le nouveau dispositif, imprimé en PEEK en fibre de carbone, a permis de retravailler les panneaux restants et de passer tous les tests de parallélisme et de dimensions de hauteur – avec 300 autres panneaux commandés sans retour.
Plateau de dissipateur thermique à montage en surface
Type de pièce : Fibre de carbone PEEK
Température de déflexion thermique : 260 °C (500 °F)
Résistance chimique : élevée
Résultat : Problème impossible résolu
Dimensions de la pièce : 150,5 x 96,3 x 12,09 mm
Délai de livraison : 1 semaine
Le dispositif ci-dessus était une conception expérimentale pour un client explorant des méthodes de dissipation de la chaleur du transistor de puissance. Cet ensemble, utilisé dans les équipements radio du contrôle aérien, est soumis à des contraintes continues pendant 24 à 48 heures et doit pouvoir supporter des contraintes thermiques.
Il fallait un dispositif non métallique capable de résister à la température extrême de 265° et de garantir que le PCB soit soudé au dissipateur thermique, ce qui est contre-intuitif pour un morceau de métal conçu pour dissiper la chaleur.
Ce dispositif de fixation en PEEK fibre de carbone a simplifié le processus, car des goupilles de centrage permettaient d’aligner la carte et le dissipateur thermique dans le plateau imprimé en 3D. Ainsi, la production de ce dispositif a été confirmée à raison de 25 par mois pendant les cinq années suivantes.
Palette de soudure à la vague
Type de pièce : Fibre de carbone PEEK
Température de déflexion thermique : 260 °C (500 °F)
Résistance chimique : élevée
Résultat : Respect du délai client de 2 semaines
Dimensions de la pièce : 210,4 x 162,23 x 8,0 mm
Délai de livraison : 1 semaine
Cette palette de soudure à la vague en fibre de verre PEEK a été conçue et imprimée prête à être produite en moins d’une semaine, permettant à notre client de respecter un délai de deux semaines.
Le ruban Kapton avait auparavant été utilisé pour recouvrir les « doigts » dorés de la carte, qui étaient branchés sur une alimentation électrique et devaient donc être exempts de soudure.
Lorsque le ruban adhésif se détachait ou était oublié à plusieurs reprises, une palette a été conçue pour éviter que ce problème ne se reproduise. Le délai de livraison prévu pour une palette était généralement de six semaines, avec un délai supplémentaire pour la reconception.
Avec FibreGlass PEEK, la première et la deuxième itération ont été produites en seulement deux semaines et testées avec succès avec un panneau de remplacement.
Palette SMT
Type de pièce : Fibre de carbone PEEK
Température de déflexion thermique : 260 °C (500 °F)
Résistance chimique : élevée
Résultat : La production a pu démarrer 6 semaines plus rapidement qu’avec une solution de fabrication traditionnelle
Dimensions de la pièce : 254,0 x 177,8 x 6 mm
Délai de livraison : 1 semaine
Notre client produisait des palettes CMS depuis de nombreuses années, retravaillant 20 à 30 % de la carte à chaque commande après les tests, car l’assemblage ne pouvait être testé que dans le boîtier. Le boîtier est soudé par ultrasons autour du circuit imprimé, ce qui signifie que toute défaillance entraîne sa destruction et sa perte.
La principale cause de défaillance résidait dans la qualité de la soudure d’un connecteur, impossible à inspecter par des moyens classiques grâce aux broches cachées sous la pièce. Le connecteur se détachait de quelques pastilles en raison d’une déformation lors de la refusion CMS.
Pour remédier à ce problème, une palette CMS en PEEK fibre de carbone a été produite avec une poche pour le connecteur. Cela a permis d’améliorer le rendement à environ 85-90 % et, sans modification supplémentaire du procédé de soudure, le client a atteint son objectif de 95 % de rendement au premier passage pour ce produit.
Dispositif de soudage sélectif
Type de pièce : Fibre de verre PEEK
Température de déflexion thermique : 260 °C (500 °F)
Résistance chimique : élevée
Résultat : Traitement rapide et à volume élevé
Dimensions de la pièce : 15,75 x 16,58 x 15,00 mm
Délai de livraison : 1 semaine
Le maintien du connecteur lors du soudage sélectif posait problème : le côté soudé en premier refroidissait inévitablement et soulevait l’autre côté. Le matériel ne pouvait pas être installé lors du soudage du connecteur, car des fils se trouvaient juste à côté, et les vis et écrous devaient être exempts de soudure.
Des fixations en fibre de verre PEEK empêchent désormais les connecteurs de pencher vers l’avant ou vers l’arrière pendant le soudage. Une fois le circuit imprimé refroidi, le matériel est installé et l’écart entre les vis est éliminé en serrant les vis au couple.
Comme ce connecteur comporte 44 broches, sa réparation représente un projet complet qui peut prendre des heures. Le dispositif de fixation en fibre de verre PEEK a déjà résolu le problème.
Conclusion
L’un des défis historiques du travail avec des composites dans la fabrication électronique à l’aide de méthodes conventionnelles a toujours été le temps et le coût.
La fabrication additive change cela, en offrant un moyen plus rapide et plus efficace de produire des pièces composites, que ce soit en imprimant directement des outils ou des pièces d’utilisation finale.
Il n’est pas étonnant que les matériaux composites renforcés de fibres séduisent de nombreux secteurs industriels. Ces matériaux sont plus résistants et durables que les polymères non renforcés, tout en étant plus légers et plus abordables que les métaux.
Chez Ricoh 3D, nous sommes enthousiasmés par les opportunités offertes par la fabrication additive composite et sommes impatients de développer avec nos clients des applications qui exploitent les capacités et les performances réalisables avec la technologie CBAM, une technologie unique de fabrication de composites à base de poudre.