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20 avril 2019

La plastronique au service de l’automatisation et de la réduction des coûts de production

Le service Matériautech d’Allizé-Plasturgie a mis en place de nombreux partenariats avec des fabricants de matières et des sociétés développant des procédés de plastronique. Plusieurs démonstrateurs GEM Plastronique ont été fabriqués et intègrent des fonctionnalités électroniques permettant de mettre en avant le potentiel de cette technologie. Ce nouveau démonstrateur est le fruit de la collaboration entre le service Matériautech d’Allizé-Plasturgie et trois acteurs de la plasturgie, que sont les sociétés S2P, RTP Company, et Texen. Le dossier technique permet de découvrir plusieurs des technologies plastroniques innovantes.

Procédé de Gravure Laser LDS LPKF

La technologie LDS (gravure directe par laser) développée par LPKF, permet de produire des pistes sur des pièces injectées complexes. Le procédé est le suivant : la pièce est injectée à partir d’une matière incorporant un additif organométallique. Ensuite, un faisceau laser grave directement les pistes pour activer la matière grâce à un procédé physicochimique entre l’additif et le laser.

Différentes étapes du procédé LDS

Une fois cette matière activée, les pièces sont plongées dans différents bains électrolytiques (cuivre, nickel, or). Cette technologie est adaptée aussi bien aux petites, moyennes et grandes séries, en fonction des machines d'activation laser utilisées. La dernière étape consiste à intégrer les composants électroniques par soudure.

Dans le cas du démonstrateur GEM, les composants sont intégrés par soudure à la vague. Le procédé laser offre une grande flexibilité grâce à la possibilité de changer rapidement le design électronique. Il s’applique sur une large gamme de thermoplastiques techniques et performants allant du PC au PEEK, et en développement sur des résines thermodurcissables. Il est également possible d’intégrer des composants sur des pièces prototypes usinées ou imprimées en 3D. LPKF a développé un revêtement avec additifs LDS qui peut être activé par laser. Après l'application et le durcissement du revêtement, le composant peut être traité et métallisé comme n'importe quel autre composant classique LDS.

Développement du démonstrateur GEM plastronique

Plusieurs démonstrateurs GEM sont disponibles dans les différentes Matériautech. Ces échantillons développés par le service Matériautech d’Allizé-Plasturgie en partenariat avec les sociétés S2P, RTP et Texen, intègrent différentes fonctionnalités mettant en avant le potentiel de cette technologie :

  • Quatre fonctions LED : les LED sont pilotées par quatre touches capacitives. Quand le doigt, conducteur d'électricité, touche la pièce, le système détecte une perte de charge et permet donc de piloter les LED sur les deux faces du GEM.
  • Alimentation par USB
  • Jauge de contrainte : ce système permettant la détection et la mesure de contraintes dans le matériau (mesure déformation, détection fissures…).
  • Fonction antenne sinus 3D à large bande .

 

Platronique : procédé par plasma, DDM (DIGITAL DIRECT METALLIZATION)

L'élimination des lampes à incandescence au profit des éclairages LED plus efficaces et plus durables fournit à l'industrie de l'éclairage une excellente opportunité d'envisager de nouvelles technologies.

Les LED consomment environ 90 % moins d'électricité que les lampes à incandescence, ce qui représente une économie importante. Elles sont également extrêmement durables ; les exigences des fabricants concernant la durée de vie des ampoules LED sont entre 20 000 et 50 000 heures d'éclairage.

Malgré l'efficacité des LED, une partie de la puissance est encore perdue sous forme de chaleur qui doit être dissipée pour éviter la surchauffe des LED, ce qui peut réduire la fiabilité et la durée de vie du luminaire. Pendant des décennies, la réponse de l'industrie de l'éclairage à la gestion de la chaleur a été l'utilisation de dissipateurs thermiques en métal. Ceux-ci fonctionnent bien mais avec des coûts importants en termes d’outillage et de fabrication, et des opérations secondaires nécessaires. De plus, ils limitent également les options de conception. Les formulations thermoplastiques thermoconductrices offrent une alternative rentable, permettant de mouler par injection ou extrusion pour permettre une liberté de conception et de design. Les pièces peuvent être consolidées en intégrant plusieurs fonctions et aucune finition secondaire n'est requise.

Un certain nombre de polymères peuvent être utilisés comme matrice, le choix dépendant de l'application. Certaines modifications de conception peuvent être nécessaires pour tenir compte de la conductivité thermique plus faible des thermoplastiques par rapport à celle du métal. Ces modifications comprennent l'utilisation d'ailettes pour aider à dissiper la chaleur. Grâce à ces solutions, il est possible de réaliser des économies et rationaliser les différentes étapes de fabrication. La pièce d’éclairage fabriquée aujourd'hui a généralement un circuit imprimé plat sur lequel sont intégrés tous les composants électroniques, et qui est assemblé sur un dissipateur de chaleur métallique, généralement en aluminium. La forme de ces systèmes est plutôt simple. Les dissipateurs thermiques existent en quelques formes différentes, mais la plupart d'entre eux consistent en une partie plate couverte par des ventilateurs. Les ventilateurs sont nécessaires pour améliorer le transfert de chaleur par convection.

La transition vers des polymères thermoconducteurs et un dissipateur thermique efficace peut être réalisé dans n’importe quelle forme. De plus, une nouvelle technologie baptisée Digital Direct Metallization (DDM), permet d'imprimer directement des pistes conductrices sur le dissipateur de chaleur en polymère. Les composants électroniques peuvent être soudés sur les pistes évitant ainsi l’utilisation d’un circuit imprimé (PCB). Les circuits imprimés sont à l’heure actuelle presque tous fabriqués en Asie en très grande séries avec des formes et tailles très limitées. Et parce qu'ils sont fabriqués en Asie, les coûts d'expédition et la logistique sont également un problème. En associant les polymères thermiquement conducteurs et le processus DDM, un fabricant peut directement créer un dispositif d'interconnexion moulé (Molded Interconnect Device : MID) avec des circuits conducteurs structurés sur le plastique injecté. Les avantages sont nombreux :

  • augmentation de la liberté de conception,
  • miniaturisation,
  • intégration de différentes fonctions,
  • réduction des coûts totaux.

Comment fonctionne le procédé DDM ? La substitution d'un dissipateur de chaleur en métal et d'une carte de circuit imprimé, avec un dissipateur de chaleur en polymère thermoconducteur – qui peut également être conducteur de l'électricité – entraîne des économies de coûts et permet une plus grande flexibilité de conception. Sur cette pièce moulée ou extrudée, il est possible d’utiliser le procédé DDM pour créer une disposition électrique après un processus d'écran, avec une structuration laser suivie d'un revêtement plasma. Outre une meilleure liberté de conception, cette technologie permet une métallisation « sèche » : elle ne requiert aucun bain de métallisation, contrairement aux processus de galvanoplastie standards. Le DDM est un procédé flexible et rapide, qui permet de raccourcir le délai de fabrication ainsi que la chaîne d'approvisionnement, tout en maintenant une excellente qualité. L'intersection de ces deux technologies offre une nouvelle solution intéressante pour la fabrication de systèmes LED, de modules électroniques de puissance, d'antennes, ainsi que dans des applications mécatroniques ou même pour la décoration.

Jet Sélectiv : métallisation par pulvérisation

La technologie Jet Selectiv est la dernière innovation de la société Jet Metal. Aboutissement de plusieurs années de recherches, cette technologie de métallisation sélective met en oeuvre le process Jet Metal qui consiste à la pulvériser simultanément deux aérosols en solution aqueuse pour créer une couche métallique fine et réfléchissante. Après la préparation de la surface et avant la métallisation, une étape supplémentaire est mise en oeuvre par rapport au processus de métallisation standard. Un motif est déposé par impression (par exemple impression jet d'encre, sérigraphie…). Ce motif organique servira de masque négatif et cachera la surface du substrat. Après l'étape de métallisation, cette couche de protection organique sera enlevée, ne laissant aucun dépôt de métal à l’endroit ou motif était imprimé. De nombreuses applications dans le domaine de l’impression électronique sont envisagées.

Surmoulage de films fonctionnalisés 

Il existe une tendance croissante à remplacer les boutons mécaniques, interrupteurs par des écrans tactiles ou capacitifs dans les secteurs tels que l’automobile, les appareils ménagers et l’électronique grand public. La société Kurz développe des films PET transparents avec structures métalliques conductrices. Le procédé utilise l’impression haute résolution de multi-couches, conductives et non conductives, et de couches fonctionnelles. Ce procédé permet différents types de fonctions tactiles. Le film peut être surmoulé par IML (In Mold Labelling) et associé au procédé IMD (In Mould Decoration) afin de réaliser des pièces fonctionnelles et décorées. Plusieurs applications sont actuellement industrialisées notamment dans l’életroménager avec l’écran d’affichage de lave linge intégrant fontions tactiles et rétroéclairage… Cette innovation permet d’envisager des design et fonctionalités innovants notamment pour des applications intérieures automobiles avec des fonctionalités de rétroéclairage. Le réseau Smart Plastics développe également une technologie de moulage avec surmoulage de film qui permet l'intégration de fonctionnalités caractéristiques électriques, opto-électriques ou électromécaniques dans des produits en plastique à géométrie complexe. La fonctionnalisation du substrat flexible peut être réalisée de manière entièrement imprimée (électronique imprimée) ou de manière semi-imprimée (électronique hybride), où seules certaines parties des circuits électriques sont imprimées et les autres fonctionnalités sont ajoutées par des procédés conventionnels d’assemblage de composants électroniques (SMT). Selon la géométrie, le film est en général thermoformé avant le procédé de surmoulage par IML sur un thermoplastique. Les finitions de surface peuvent être réalisées à l'aide de films décoratifs ou de revêtements. La société Engel développe le procédé « clearmelt » pour la décoration et le surmoulage IML pour l’intégration des pistes électroniques. Le procédé de décoration « clearmelt » permet de réaliser rapidement sur une presse à injecter des revêtements bi-composants PUR autoguérissant, résistants aux rayures même pour des applications extérieures automobiles.