Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Plastronique 3D“

En 2015, une enquête menée par la Fondation pour l'Université de Lyon (1), auprès d’une centaine d’entreprises françaises, a montré que l'un des freins majeurs au développement de l’électronique sur substrat polymère, plus communément appelé plastronique, était le manque d'ingénieurs qualifiés ayant des compétences transdisciplinaires. Cela a été attribué à la nature intrinsèquement multi-physiques du sujet, impliquant de nombreux aspects qu’un ingénieur, non formé, peut difficilement gérer. En effet, la plastronique allie des compétences aussi bien en électronique, en plasturgie, en mécatronique, en sciences des matériaux, en chimie, etc. Une autre conclusion de cette enquête est que les entreprises ont besoin d’ingénieurs spécialisés dans tous ces domaines, mais également de responsables techniques capables de mener un projet en coopération avec les spécialistes concernés. Le défi consiste alors à proposer, en lien étroit avec les entreprises, des profils de collaborateurs appropriés capables de transcender le potentiel d'innovation de ces nouvelles technologies. Dans cet article, nous illustrerons un exemple de mini-projet réalisé sur la plateforme d’enseignement et de recherche dédiée à la plastronique sur Lyon-Saint-Etienne.

L’enseignement de l’électronique se heurte à un manque d’appétence de la part des étudiants. Ouvrir le champ technologique vers la fabrication additive et la plastronique est de nature à solliciter de nouveau l’intérêt des étu-diants. Malheureusement il est délicat de donner un premier exemple pertinent qui confirme l’intérêt et mette les diffé-rents cours en perspective, car la plastronique balaie des connaissances allant des matériaux, à la chimie, la plasturgie, la conception mécanique 3D, etc. L’article présente un mini-projet sur la réalisation d’un dispositif plastronique à l’aide de la fabrication additive et de la métallisation autocatalytique, comme premier contact des étudiants avec les aspects tech-nologiques. Il s’agit de fabriquer une maquette de camion imprimée en 3D, qui embarque sur sa surface non plane un circuit électronique typique. Tout d’abord le schéma électronique et la conception mécanique sont réalisés et assemblés. L’objet est ensuite imprimé et les pistes sont métallisées. La maquette du camion est obtenue après le brasage des com-posants. Cette maquette vise à provoquer un questionnement de la part de l’étudiant et lui permettre de mieux position-ner le contenu des cours et travaux pratiques d’une formation spécialisée en plastronique.

Au croisement des métiers de la plasturgie et de l’électronique, la plastronique constitue un nouveau champ technologique et ouvre de nouvelles opportunités pour miniaturiser et intégrer de manière optimale des systèmes électroniques aux objets polymères en trois dimensions – 3D. De nouveaux procédés émergent et trouvent des applications innovantes dans de nombreux secteurs d’activité. A cet égard, l’intérêt des industriels et des étudiants est en pleine croissance. Il convient de répondre à ces attentes avec un éventail de formations appropriées et de les accompagner par des enseignements spécifiques que nous souhaitons originaux. Cet article introduit la plastronique et plus particulièrement le procédé plastronique 3D appelé Electronique Structurelle Surmoulée (ESS, IME – In Mold Electronics). Il présente également les étapes du travail expérimental et pratique de mise en oeuvre d’un projet étudiant. L’objectif est de s’adapter aux niveaux des apprenants et aux objectifs pédagogiques désirés. Il s’agit de réaliser, dans son ensemble, un dispositif fonctionnel concret suscitant l’éveille et l’intérêt des apprenants.

Au croisement des métiers de la plasturgie et de l’électronique, la plastronique ouvre de nouvelles opportunités pour miniaturiser et intégrer de manière optimale des systèmes électroniques aux objets polymères en trois dimensions – 3D. De nouveaux procédés émergent et trouvent des applications innovantes dans des secteurs d’activité très diversifiés. Cet article introduit une étude de cas qui a été développé avec le procédé plastronique 3D d’Electronique Structurelle Surmoulée (ESS) également appelé IME (In Mold Electronics). Dans un objectif pédagogique, nous illustrons un travail pratiques de mise en œuvre. Nous passons en revue l’ensemble des étapes de fabrication d’un système appelé « La Boucle infinie ». L’étude de cas se prête à un travail de Travaux Pratiques dans une approche d’enseignement par projets qui vise l’attractivité et la pluridisciplinarité.

L’objectif de la thèse est d’évaluer l’intérêt de la plastronique 3D dans le domaine de la transmission d’énergie à distance par induction électromagnétique (TEDIM). En effet, la TEDIM est actuellement basée sur des inductances planes, qui n’autorisent un transfert d’énergie entre émetteur et récepteur que sur une courte à moyenne distance, à condition de plus qu’elles soient alignées. Dans ce manuscrit est étudié le cas particulier de récepteurs de forme 3D disposés à l’intérieur d’une boite émettrice de 50 cm de côté comportant 4 inductances émettrices. Différents récepteurs avec des inductances plastroniques ont été étudiés en abordant les questions suivantes : résonance des inductances plastroniques à 6,78 MHz, dimensionnement et forme en 3D. Ainsi, un récepteur en plastronique de forme quasi-sphérique (Ø 8 cm) a été fabriqué par impression 3D, structuration laser directe, métallisation autocatalytique et électrodéposition. Celui-ci a été doté de 3 inductances réceptrices solénoïdes en plastronique et disposées orthogonalement sur les équateurs ayant chacune un facteur de qualité supérieur à 129 ±10. Les résultats expérimentaux sont les suivants : (1) le récepteur reçoit jusqu'à 4,33 W avec un rendement de 15,8 % au centre de la boite, et (2) lorsque l’on fait varier la position et l’orientation du récepteur dans la boite, la disposition des inductances permet, dans une large mesure, de moyenner la puissance reçue. En conclusion, la plastronique permet d’intégrer, relativement aisément, des inductances autorisant une TEDIM, dans les habillages d’appareils électroniques, à la manière des antennes électromagnétiques intégrées par plastronique dans les téléphones intelligents. Ces inductances peuvent épouser la forme 3D de ces habillages, ce qui permet de concevoir des récepteurs et émetteurs omnidirectionnels
The objective of this thesis is to evaluate the interest of 3D molded interconnect devices technologies 3D-MID for wireless power transfer (WPT) through electromagnetic induction. WPT systems mostly uses planar coils that allows transfer between receiver and emitter at low and mid-range distance, at the condition that they are well aligned. We studied a specific case with a 3D receiver enclosed in a half meter box with 4 emitting inductors on 4 sides. Three questions were examined: the magnetic resonance of 3D-MID inductors at 6.78 MHz, their dimensions and their 3D shape. The nearly spherical shape 3D-MID receiver (Ø 8 cm) was 3D printed, activated with laser direct structuring (LDS), autocatalytic metallization and electroplating. It has 3 solenoid receiving inductors, each with quality factor above 129 ±10, placed orthogonally on the equators. The experimental results show: (1) the receiver is able to receive 4.33 W at 15.8 % efficiency in the middle of the box and (2) that we can change position and orientation of the receiver in the box, the placement of the inductors allows, in a widely meaning, to mean the received power. In conclusion 3D-MID allows to integrate, relatively easily, inductors for WPT, in the casing of electronics devices, in the same way as for 3D-MID electromagnetic antennas in smartphones. These inductors can 3D-shape the casing, which will allow the design of omnidirectional receivers

La chaire MINT (innovating for molded & printed electronics) est une Chaire d’Excellence scientifique soutenue par la Fondation Partenariale Grenoble INP et ayant pour mécène Schneider Electric. Au travers de la Chaire MINT, Schneider s’engage avec deux laboratoires de recherche, le LGP2 et l’IMEP-LaHC dans le but de développer des fonctionnalités électroniques sur des thermoplastiques de forme 3D. La Chaire MINT a donné lieu à la thèse : « intégration de fonctions électroniques imprimées sur des thermoplastiques 2D et 3D pour des applications radiofréquences ».Les objectifs de cette thèse sont les suivants : mettre en œuvre, caractériser et optimiser le procédé d’impression jetting sur thermoplastique 2D et 3D. De plus, afin de pouvoir définir les limites et les atouts de cette technologie pour des applications radiofréquences, les performances de ce procédé en radiofréquence doivent être évaluées. Des dispositifs ont également été mis en œuvre afin d’illustrer les possibilités du procédé.Pour cela la thèse est présentée en trois chapitres : dans un premier temps une étude bibliographique est réalisée sur les procédés plastroniques et leurs applications actuelles de dresser un état de l’art du domaine plastronique. Les technologies plastroniques sont détaillées et une proposition de classification de celles-ci parmi les technologies de fabrication additives 3D maitrisées est proposée. Des dispositifs réalisés en technologie plastroniques sont présentés pour chacun des domaines abordés. Dans un deuxième temps le développement du procédé de jetting et sa caractérisation géométrique et électrique est présenté. Les paramètres d’impression sont étudiés et optimisés pour une impression robuste. Des stratégies d’optimisation de l’impression sont mises en place.Finalement, à travers une caractérisation de ligne de transmission coplanaire en 2D et en 3D, une évaluation des performances radiofréquence des impressions avec le procédé jetting est réalisée. Des lignes coplanaires en 2D sont simulées et imprimées. Une optimisation de l’impression est réalisée en imprimant des plans de masse maillés. Des lignes coplanaires sont également imprimées sur des substrats 3D comportant des angles à 90° et à 130°, puis mesurées. Des applications radiofréquences sont ensuite détaillées sur des substrats 2D et 3D tels qu’une antenne LoRa, un tag RFID et un radôme pour antenne 5G
The MINT chair (innovating for molded & printed electronics) is an Excellency scientific chair supported by the Fondation Partenariale Grenoble INP and sponsored by Schneider Electric. Through MINT chair, Schneider teams up with two research laboratories, the LGP2 and the IMEP-LaHC, to develop electronic features on 3D shaped thermoplastics. The MINT chair gave rise to the thesis: « Printed integration of electronic capabilities on 2D and 3D thermoplastic for radiofrequency implementations »This thesis goals are the implementation, characterization and optimization of the jetting impression process on 2D and 3D thermoplastic. Moreover, the performances of this process must be assessed in order to define its strengths and limits in a radiofrequency usage. Finally, the process capabilities were showcased by printing prototypesTo this end, this dissertation is split into three successive chapters. Firstly, the state of the art of the plastronic field, carried out through literature review on plastronic processes and their current implementations, is presented. Plastronic technologies are examined and a classification amongst well-known 3D additive manufacturing technologies is proposed. Prototypes made with plastronic technologies are displayed for each concerned field. Secondly, the electrical and geometric characterization as well as the implementation of the jetting process is presented. Printing parameters are studied and optimized to determine a resilient printing process and printing optimization strategies are set up. Finally, jetting process printouts radiofrequency capabilities are assessed through characterization of 2D and 3D coplanar transmission lines. 2D coplanar transmission lines are simulated and printed. The printing process is optimized by printing meshed ground planes. Coplanar lines are printed on 3D substrates having 90- and 130-degrees angles, then measured. Some radiofrequency implementations are examined: a LoRa antenna, a RFID tag and a 5G antenna radome

Cette thèse explore le domaine émergent de la plastronique 3D, qui fusionne l’électronique et la plasturgie pour intégrer des circuits électroniques sur des substrats 3D en polymère. Le travail se concentre sur le développement d’encres conductrices pour le procédé In-Mold Electronics (IME), une technique prometteuse pour la production en grand volume de dispositifs plastroniques, en particulier pour les interfaces homme-machine (IHM). Le processus IME comprend plusieurs étapes : l’impression de pistes conductrices sur un film mince de polycarbonate à l’aide d’encre conductrice, le transfert des composants électroniques sur le film et leur connexion au circuit par collage, le thermoformage du film en 3D et le surmoulage 3D par injection de thermoplastique. Après une revue de la littérature sur la plastronique et l’IME, la thèse propose l’étude de différentes formulations d’encres conductrices, en se concentrant sur celles composées d’une matrice polymérique organique contenant des charges d’argent micrométriques. Une méthodologie a été mise en place pour caractériser les encres à chaque étape du processus, en termes de résistivité électrique, d’adhésion, d’étirement et de cisaillement sous contraintes lors des étapes d’impression, de thermoformage et de surmoulage. Le polycarbonate a été utilisé comme matériau de référence pour le film et la matière de surmoulage. Plusieurs encres conductrices ont été élaborées à partir de matériaux organiques issus de la pétrochimie ou de matériaux biosourcés. À partir de matériaux pétrosourcés, nous avons obtenu des encres peu résistives (26 µΩ.cm) et avec une grande capacité de déformation par thermoformage. À partir de matériaux biosourcés, de nouvelles matrices organiques ont été formulées pour obtenir des encres plus responsables. Les encres -bio- se distinguent par leur respect de l’environnement grâce à un liant biodégradable, un solvant vert biosourcé et l’argent recyclable. Les performances atteignent une faible résistivité de 20 µΩ.cm et avec une grande capacité de déformation par thermoformage. Une encre -bio- a été surmoulée avec du polycarbonate, et un démonstrateur IME a été réalisé. Cependant, certaines difficultés persistent et limitent le potentiel d’application de ces formulations. Parmi elles, des cas critiques de délamination et de rupture des pistes conductrices lors du thermoformage. Également, de possible délavage des encres et le détachement des composants électroniques lors de l’étape d’injection peuvent survenir. Ces limitations sont liées aux contraintes géométriques engendrées par le 3D et ont été étudiées. Cependant, par contrainte de temps, toutes les encres n’ont pas pu être testées jusqu’à la réalisation d’un démonstrateur
This thesis explores the emerging field of 3D plastronics, which merges electronics and plastics engineering to integrate electronic circuits on 3D polymer substrates. The work focuses on the development of conductive inks for the In-Mold Electronics (IME) process, a promising technique for the high-volume production of plastronic devices, particularly for human-machine interfaces (HMIs). The IME process involves several steps: printing conductive tracks on a thin polycarbonate film using conductive ink, transferring the electronic components onto the film and connecting them to the circuit by bonding, thermoforming the film in 3D, and 3D overmolding by injection of thermoplastic. After a literature review on plastronics and IME, the thesis proposes the study of different formulations of conductive inks, focusing on those composed of an organic polymer matrix containing micrometric silver fillers. A methodology was set up to characterize the inks at each stage of the process, in terms of electrical resistivity, adhesion, stretching and shear under stress during the printing, thermoforming and overmolding stages. Polycarbonate was used as a reference material for the film and the overmolding material. Several conductive inks were developed from organic materials derived from petrochemicals or bio-based materials. From petro-based materials, we obtained low-resistivity inks (26 µΩ.cm) and with a high deformation capacity by thermoforming. From bio-based materials, new organic matrices were formulated to obtain more responsible inks. The -bio- inks are distinguished by their respect for the environment thanks to a biodegradable binder, a bio-based green solvent and recyclable silver. The performances reach a low resistivity of 20 µΩ.cm and with a high deformation capacity by thermoforming. A -bio- ink was overmolded with polycarbonate, and an IME demonstrator was produced. However, some difficulties persist and limit the application potential of these formulations. Among them, critical cases of delamination and rupture of the conductive tracks during thermoforming. Also, possible washing out of the inks and the detachment of the electronic components during the injection step can occur. These limitations are linked to the geometric constraints generated by 3D and have been studied. However, due to time constraints, not all the inks could be tested until the production of a demonstrator