Обґрунтування вибору технології 3D-друку електронних модулів

Ключові слова: карти Пайтця, полярні діаграми властивостей, технологія 3D друку, адитивний метод, прототипування, провідне чорнило

Анотація

Здійснено ґрунтовний аналіз традиційних технологій виготовлення електронних плат, які забезпечують стабільно належну якість продукції, але водночас не відповідають зростаючим вимогам сучасного виробництва з позицій сталого розвитку, екологічної безпеки, ресурсозбереження, швидкості створення прототипів. З'ясовано, що актуальним напрямом удосконалення технологій є впровадження адитивного 3D-друку, які дадуть змогу значно скоротити кількість відходів, зменшити споживання матеріалів, автоматизувати виробничі процеси та підвищити гнучкість виготовлення електронних плат. Проаналізовано численні публікації, що висвітлюють використання 3D друку в електронній промисловості, та встановлено, що більшість із них містять неповні або рекламно спрямовані відомості, що не дають змоги здійснити об'єктивне оцінювання ефективності та функціональних обмежень відповідних технологій. У процесі дослідження виокремлено п'ять ключових технологій, придатних для виготовлення електронних плат: струменеве нанесення матеріалів, струменеве нанесення наночастинок, аерозольно-струменевий друк, мультифункційне нанесення чорнила, безперервне осадження за допомогою лазера та пошарове ламінування матеріалів. Встановлено перелік характеристик, які відображають як параметри остаточного продукту, так і особливості виробничого процесу, включно з його технологічною складністю, вартісними чинниками, надійністю і масштабованістю. Запропоновано методику оцінювання зазначених характеристик за 10-бальною шкалою, що забезпечує кількісне порівняння альтернативних технологій. Розроблено параметризовані моделі процесів адитивного виготовлення електронних плат у вигляді карт властивостей, які дають змогу здійснювати швидкий відбір технологій, найпридатніших до конкретних вимог до виробництва. Запропоновані моделі можна застосовувати для обґрунтованого прийняття рішень щодо впровадження технологій 3D-друку в різних галузях промисловості, включно з високоточною електронікою, автоматизованими системами керування, виробництвом сенсорних пристроїв та прототипуванням інноваційних рішень.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Біографії авторів

Л. К. Гліненко, Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів

канд. техн. наук, доцент, кафедра електронних засобів інформаційно-комп'ютерних технологій

В. М. Фаст, Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів

канд. техн. наук, доцент, кафедра електронних засобів інформаційно-комп'ютерних технологій

Посилання

D Printing Industry. (2016). Optomec 3D printing smartphones. URL: https://3dprintingindustry.com/news/optomec-3d-printing-smartphones-87740/

AMPOWER. (2024). AMPOWER report on additive manufacturing: Management summary. URL: https://ru.scribd.com/document/ 719680785/AMPOWER-Report-2024-Management-Summary

Andwin Circuits. (2024). Revolutionizing PCB production with additive manufacturing techniques. URL: https://www.andwinpcb.com/revolutionizing-pcb-production-with-additive-manufacturing-techniques/

ASTM International. (2021). Additive manufacturing – General principles: Fundamentals and vocabulary (ASTM 52900:2021). URL: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/sist/482823e1-57b2-481f-87e7-11da730ba16f/2-astm-52900-2021

Bead Electronics. (n.d.). Innovations with PCB manufacturing through 3D printing. URL: https://www.beadelectronics.com/blog /innovations-with-pcb-manufacturing-through-3d-printing

Benitez, I. B. (2025). Innovations in electrical engineering using 3D printing technology: A review. 2024 International Conference on IT Innovation and Knowledge Discovery (ITIKD), 1–6. https://doi.org/10.1109/ITIKD63574.2025.11005248

Birnbaum, R. (2023, January 30). Digital mass manufacturing of electronics – Breaking the mold [Video]. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=waJnsDSwLdk

Cadence. (2020). Laminated Object Manufacturing: The Future of Rapid PCB Prototyping? URL: https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-is-laminated-object-manufacturing-thefuture-of-rapid-pcb-prototyping

CustomPartNet. (n.d.). Laminated Object Manufacturing (LOM). Retrieved August 19, 2024. URL: https://www.custompartnet.com/wu/laminated-object-manufacturing

CustomPartNet. (n.d.). Process Comparison Tool. Retrieved February 19, 2025. URL: https://www.custompartnet.com/rapid-process-compare?p=94,90,168,169

Dermeik, B., & Travitzky, N. (2020). Laminated object manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials, 22(9), article ID 2000256. https://doi.org/10.1002/adem.202000256

Dizon, J. R. C., Espera, A. H., Chen, Q., & Advincula, R. C. (2018). Mechanical characterization of 3D-printed polymers. Additive Manufacturing, 20, 44–67. https://doi.org/10.1016/j.addma.2017.12.002

Dong, Y., Bao, C., & Kim, W. S. (2018). Sustainable Additive Manufacturing of Printed Circuit Boards. Joule, 2(4), 579–582. https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.03.015

DuPont. (n.d.). Inkjet printing for eco-friendly PCB etch processes. URL: https://www.dupont.com/blogs/inkjet-printing-for-eco-friendly-pcb-etch-processes.html

ELEPCB. (2024). What is PCB printing. URL: https://www.elepcb.com/blog/3d-pcb-printing/

Eletimes. (n.d.). World's first continuous laser assisted deposition technology. Retrieved February 19, 2025. URL: https://www.eletimes.com/worlds-first-continuous-laser-assisted-deposition-technology-c-l-a-d

Espera, A. H., Dizon, J. R. C., Chen, Q., & Advincula, R. C. (2019). 3D-printing and advanced manufacturing for electronics. Progress in Additive Manufacturing, 4, 245–267. https://doi.org/10.1007/s40964-019-00077-7

Feygin, M., & Hsieh, B. (n.d.). Laminated Object Manufacturing (LOM): A Simpler Process. URL: https://repositories.lib.utexas.edu/server/api/core/bitstreams/95bf7a6d-8ea9-4a47-bc81-4a3dd320a8e4/content

Fidan, I., Huseynov, O., Ali, M. A., Alkunte, S., Rajeshirke, M., Gupta, A., Hasanov, S., Tantawi, K., Yasa, E., Yilmaz, O., Loy, J., Popov, V., & Sharma, A. (2023). Recent inventions in additive manufacturing: Holistic review. Inventions, 8(4), article ID 103. https://doi.org/10.3390/inventions8040103

Grand View Research. (2022). Printed electronics market size, share & trends analysis report by material (substrate, ink), by technology (inkjet, screen), by device (displays, RFID), by region (Asia Pacific, Europe), and segment forecasts, 2022–2030 (Report ID: 978-1-68038-180-1, 133 p.). URL: https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/printed-electronics-market

Hackaday. (2022, July 26). A new way to produce PCBs with your 3D printer. Hackaday. URL: https://hackaday.com/2022/07/26/a-new-way-to-produce-pcbs-with-your-3d-printer/

Hlinenko, L. K., & Fast, V. M. (2017). System Choice of Optimal Technological 3D MID Solution. Transactions of National technical university of Ukraine "Kyiv polytechnic institute". Part: Radiotechnique. Radioapparatus building, 69, 56–61. URL: https://nbuv.gov.ua/UJRN/VKPI_rr_2017_69_11

Hlinenko, L., Fast, V., & Zanichkovskyy, Y. (2024). 3D printing of PCBs in biomedical device. In 2024 17th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET) (pp. 544–547). https://doi.org/10.1109/TCSET64720.2024.10755549

Hoerber, J., Glasschroeder, J., Pfeffer, M., Schilp, J., & Zaeh, M. (2014). Approaches for additive manufacturing of 3D electronic applications. Procedia CIRP, 17, 806–811. https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.01.090

Holkar, R. R., Umarji, G. G., Shinde, M. D., & Rane, S. B. (2025). 3D printing of microwave materials, components and their applications – A review. Journal of Manufacturing Processes, 137, 280–305. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.02.006

Hong, F., Myant, C., & Boyle, D. E. (2021). Thermoformed circuit boards: Fabrication of highly conductive freeform 3D printed circuit boards with heat bending. In Proceedings of the 2021 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (article ID 669, pp. 1–10). Association for Computing Machinery. https://doi.org/10.1145/3411764.3445469

Huang, Q., & Zhu, Y. (2019). Printing conductive nanomaterials for flexible and stretchable electronics: A review of materials, processes, and applications. Advanced Materials Technologies, 4(7), article ID 1800546. https://doi.org/10.1002/admt.201800546

Immensa. (n.d.). Powder Bed Fusion (SLS vs SLM vs EBM vs MJF). Retrieved August 19, 2024. URL: https://immensa.io/powder-bed-fusion-sls-vs-slm-vs-ebm-vs-mjf-additive-manufacturing/

Javice, H. (n.d.). C.L.A.D. – Continuous Laser-Assisted Deposition: Sustainability, Flexibility and Product Miniaturisation [Video]. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=P88xrQxd7Ec

Kamyshny, A., & Magdassi, S. (2018). Conductive nanomaterials for 2D and 3D printed flexible electronics. RSC Advances, 6(2), 2818–2827. https://doi.org/10.1039/C5RA23440G

Kritchman, E., et al. (2021). 3D particle printing (U. S. Patent No. US20210354365A1). XJet Ltd. URL: https://patents.google.com/patent/US20210354365A1

Leadsintec. (2024). The application of 3D printing technology in PCB manufacturing. URL: https://leadsintec.com/the-application-of-3d-printing-technology-in-pcb-manufacturing/

Martins, P., Correia, V., & Lanceros-Mendez, S. (2021). Additive manufacturing of multifunctional materials. In Advanced Lightweight Multifunctional Materials (Chapter 2, pp. 25–42). Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818501-8.00011-1

Martins, P., Pereira, N., Lima, A. C., Garcia, A., Mendes-Filipe, C., Policia, R., Correia, V., & Lanceros-Mendez, S. (2023). Advances in printing and electronics: From engagement to commitment. Advanced Functional Materials, 2(7), 24–29. https://doi.org/10.1002/adfm.202213744

Maulana, M. F., Zulfi, Sulistyaningsih, Darwis, F., Desvasari, W., & Munir, A. (2024). On the use of 3D printing technique for 5G mmWave antenna development. 2024 15th Global Symposium on Millimeter-Waves & Terahertz (GSMM), pp. 39–41. https://doi.org/10.1109/GSMM61775.2024.10553193

MMT-AM. (n.d.). Xjet's NanoParticle Jetting™ (NPJ™). URL: https://mmt-am.com/capabilities/xjet-nanoparticle-jetting/

Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q., & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 143, 172–196. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012

OPE Journal. (2023, November). ioTech pushes boundaries of miniaturisation for semiconductor packaging and assembly at Productronica 2023. URL: https://ope-journal.com/news/iotech-pushes-boundaries-of-miniaturisation-for-semiconductor-packaging-and-assembly-at-productronica-2023

Optomec. (2018, August). Aerosol Jet FLEX System [PDF]. URL: https://optomec.com/wp-content/uploads/2018/08/AJ-FLEX-SystemWEB0818.pdf

Optomec. (2021, June). Aerosol Jet 4 datasheet [PDF]. URL: https://optomec.com/wp-content/uploads/2021/06/4-Datasheet_2-1.pdf

Optomec. (n.d.). Aerosol Jet 3D printing for printed antennas in smartphones and consumer devices. URL: https://optomec.com/printed-antennas/

Optomec. (n.d.-a). Aerosol Jet materials (datasheets). Retrieved May 20, 2025. URL: https://optomec.com/printed-electronics/aerosol-jet-materials/

Optomec. (n.d.-b). Aerosol Jet technology. Retrieved May 20, 2025. URL: https://optomec.com/printed-electronics/aerosol-jet-technology/

Ota, H., Emaminejad, S., Gao, Y., Zhao, A., Wu, E., Challa, S., Chen, K., Fahad, H., Jha, A., Kiriya, D., Gao, W., Shiraki, H., Morioka, K., Ferguson, A., Healy, K., Davis, R., & Javey, A. (2016). Application of 3D printing for smart objects with embedded electronic sensors and systems. Advanced Materials Technologies, 1(1), article ID 1600013. https://doi.org/10.1002/admt.201600013

PADT Inc. (n.d.). Nanoparticle Jetting [NPJ]. URL: https://www.padtinc.com/digital-manufacturing/3dprinting-glossary/

Park, J., Tari, M. J., & Hahn, H. T. Characterization of the Laminated Object Manufacturing (LOM) process. URL: https://web.archive.org/web/20040902105109id_/https://ime.ucla.edu:80/~jpark/Research/jp.pdf

Rao, C. H., Avinash, K., Varaprasad, B. K. S. V. L., et al. (2022). A review on printed electronics with digital 3D printing: Fabrication techniques, materials, challenges and future opportunities. Journal of Electronic Materials, 51, 2747–2765. https://doi.org/10.1007/s11664-022-09579-7

RayPCB. (n.d.). PCB Screen Printing vs PCB Inkjet Printing: What's the Difference?. URL: https://www.raypcb.com/pcb-screen-printing-vs-pcb-inkjet-printing/

Renn, M. J., Schrandt, M., Renn, J., & Feng, J. Q. (2017). Localized laser sintering of metal nanoparticle inks printed with aerosol jet technology for flexible electronics. Journal of Microelectronics and Electronic Packaging, 14(4), 132–139. https://doi.org/10.4071/imaps.521797

Saleh, E., et al. (2017). 3D inkjet printing of electronics using UV conversion: Supporting information. URL: https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201700134

Saleh, E., Zhang, F., He, Y., Vaithilingam, J., Fernandez, J., Wildman, R., Ashcroft, I., Hague, R., Dickens, P., & Tuck, C. (2017). 3D inkjet printing of electronics using UV conversion. Advanced Materials Technologies, 2(10). https://doi.org/10.1002/admt.201700134

Seiti, M., Degryse, O., Ferraro, R. M., Giliani, S., Bloemen, V., & Ferraris, E. (2023). 3D Aerosol Jet® printing for microstructuring: Advantages and limitations. International Journal of Bioprinting, 9(6), article ID 0257. https://doi.org/10.36922/ijb.0257

Seiti, M., Verma, A., Degryse, O., Vetrano, M. R., & Ferraris, E. (2023). Aerosol jet-based printing for smart multifunctional nano-inks. In R. K. Gupta & T. A. Nguyen (Eds.), Smart Multifunctional Nano-inks (Chapter 4, pp. 75–90). Elsevier, 23–28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91145-0.00013-X

Sher, D. (2024). ioTech shapes a flexible future for 3D printed electronics. Voxel Matters. URL: https://www.voxelmatters.com/iotech-shapes-a-the-flexible-future-of-3d-printed-electronics/

SYS Systems. (2020). Connex3 [Spec Sheet]. URL: https://www.sys-uk.com/wp-content/uploads/2020/06/Spec-Sheet-36-Connex3-EN-A4.pdf

Three-Dimensional Molded Interconnect Devices (3D-MID): Materials, Manufacturing, Assembly, and Applications for Injection Molded Circuit Carriers. (2014). Carl Hanser Verlag. https://doi.org/10.1007/978-1-56990-552-4

Tri-Tech 3D. (n.d.). Jet Carmel 1400C 3D Printer: Ultimate Ceramic Additive Manufacturing System. URL: https://www.tritech3d.co.uk/3d-printers/xjet-carmel-1400c/

University of Nottingham. (2017). New method developed to 3D print fully functional electronic circuits. URL: https://www.nottingham.ac.uk/news/pressreleases/2017/november/new-method-developed-to3d-print-fully-functional-electroniccircuits.aspx

Vorunichev, D. S. (2021). Investigation of the possibilities of printing multilayer printed circuit boards on a Dragonfly 3D printer with expired nanoink. 2021 International Conference on Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies (IT&QM&IS), pp. 476–479. https://doi.org/10.1109/ITQMIS53292.2021.9642766

Wibawa, T., Mastrisiswadi, H., & Ismianti, I. (2020). 3D print parameter optimization: A literature review. LPPM UPN "Veteran" Yogyakarta Conference Series Proceeding on Engineering and Science Series (ESS), 1(1), 146–151. https://proceeding.rsfpress.com/index.php/ess/index

Wohlers, T. (2024). Wohlers report 2024: 3D printing and additive manufacturing: Global state of the industry (384 p.). Wohlers Associates. URL: https://wohlersassociates.com/wohlers-report-2024-downloads/

Whelan, P. T. (1992, June). An information model for a CAM data base to support flexible manufacture of printed circuit boards. In IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol. 15, no. 3, pp. 306–310. https://doi.org/10.1109/33.148495

XJet. (n.d.). XJet to present world's first direct 3d metal ink-jet system using Nano Particle Jetting. URL: https://www.xjet3d.com/pr/news-from-rapid

Yan, Z., Li, J., Zhang, Z., & Peng, H. (2024). Solderless PCB: Reusing electronic components in PCB prototyping through detachable 3D printed housings. In Proceedings of the 2024 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (Article 345, pp. 1–17). Association for Computing Machinery. https://doi.org/10.1145/3613904.3642765

Yang, C.-J., & Wu, S.-S. (2022). Sustainable manufacturing decisions through the optimization of printing parameters in 3D printing. Applied Sciences, 12(19), article ID 10060. https://doi.org/10.3390/app121910060

Zhai, C., Wang, J., Tu, Y., Chang, G., Ren, X., & Ding, C. (2023). Robust optimization of 3D printing process parameters considering process stability and production efficiency. Additive Manufacturing, 71 p. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103588

Zhang, H., Moon, S. K., & Ngo, T. H. (2020). 3D printed electronics of non-contact ink writing techniques: Status and promise. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 7, 511–524. https://doi.org/10.1007/s40684-019-00139-9

Zheng, X., Williams, C., Spadaccini, C. M., & Shea, K. (2021). Perspectives on multi-material additive manufacturing. Journal of Materials Research, 36, 3549–3557. https://doi.org/10.1557/s43578-021-00388-y

Zhong, S., Shi, Q., Deng, Y., Sun, Y., Politis, C., & Yang, S. (2022). High-performance zirconia ceramic additively manufactured via NanoParticle Jetting. Ceramics International, 48(22), 33485–33498. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.07.294

Zikulnig, J., Chang, S., Bito, J., Rauter, L., Roshanghias, A., Carrara, S., & Kosel, J. (2023). Printed electronics technologies for additive manufacturing of hybrid electronic sensor systems. Advanced Sensor Research, 2(7). https://doi.org/10.1002/adsr.202200073

Ziv, C. (2019). A guide to additive manufacturing material selection for PCBs and electronics. Nano-DI. URL: https://www.nano-di.com/resources/blog/2019-a-guide-to-additive-manufacturing-material-selection-for-pcbs-and-electronics

Опубліковано
2025-05-29
Як цитувати
Гліненко, Л. К., & Фаст, В. М. (2025). Обґрунтування вибору технології 3D-друку електронних модулів. Scientific Bulletin of UNFU, 35(3), 75-87. https://doi.org/10.36930/40350308
Розділ
Інформаційні технології