Lors du Formnext 2025, le Fraunhofer IWU présentera la dernière génération de l'outil WEAM (Wire Encapsulating Additive Manufacturing). Cette technologie ouvre de nouvelles possibilités : des composants peuvent être fabriqués avec une multitude de fonctions électriques intégrées - et cela avec une performance nettement meilleure pour des tâches sensorielles et portantes que les procédés d'impression à base de pâte, d'encre et de poudre. La clé réside dans l'utilisation de fils et de câbles standard, qui garantissent des propriétés électriques parfaites grâce à leur alliage homogène et à leur section transversale de conducteur constante.
L'avantage décisif réside dans le contrôle précis des propriétés électriques grâce au choix de l'alliage, du diamètre du conducteur et de la conception des pistes, en combinaison avec une rotation continue de l'outil. Cela permet d'intégrer directement des fonctions telles que des lignes de puissance et de données, des capteurs intégrés pour la proximité, la charge, les niveaux, la température ou encore des blindages au sens de la compatibilité électromagnétique (CEM) sur des composants existants ou de les intégrer de manière invisible par des processus ultérieurs. Lors de la Formnext, le Fraunhofer IWU présente une tête d'impression WEAM prête pour la production en série, intégrée dans l'installation du fabricant CR3D. L'équipe dirigée par Lukas Boxberger démontre l'utilité industrielle de WEAM à travers quatre exemples.
Exemple de chauffage radial pour la protection des capteurs RADAR dans les automobiles : liberté de conception maximale, fonctionnement parfait, faible consommation de matériaux.
Sous le terme Radom, une combinaison des mots RADAR et Dome (dôme), on entend une enveloppe de protection structurelle et résistante aux intempéries qui entoure une antenne et la protège des influences extérieures, tout en restant perméable aux ondes radio. Elle doit rester exempte de glace pour un fonctionnement fiable des systèmes radar et de capteurs dans des conditions météorologiques extrêmes. Les solutions précédentes reposent sur des films chauffants ou des fils intégrés par ultrasons, qui ne supportent que des déformations modérées et ne permettent donc pas tous les designs. En tant que pièce démonstratrice, l'Institut Fraunhofer IWU a appliqué des conducteurs chauffants directement sur un film pour le fournisseur automobile Nissha dans le procédé WEAM, qui a ensuite été déformé et intégré dans la pièce.
Le procédé WEAM présente l'avantage que le fil reste exactement à sa place même après l'injection arrière - il n'y a ni perte de fonction ni apparition de délaminage. La consommation de matériau est très économique, tout en garantissant une très haute puissance de chauffage.
Des fils chauffants intégrés dans des radômes pourraient permettre un dégivrage écoénergétique et ainsi contribuer à une plus grande autonomie dans les véhicules électriques à batterie, par exemple. Dans les véhicules, ces fils chauffants peuvent être intégrés comme des émetteurs de chaleur proches du corps dans les accoudoirs, les éléments latéraux ou les dossiers des sièges avant, ce qui réduit considérablement les besoins énergétiques par rapport aux chauffages d'habitacle. En plus de l'industrie automobile, les véhicules militaires et les drones pourraient également bénéficier de capteurs fiables en cas de neige, de glace et de températures extrêmes. Dans les avions, une protection contre le givrage pourrait aider à réduire les efforts de maintenance tout en augmentant la sécurité. Dans de nombreuses applications industrielles, des couvertures de capteurs pour systèmes autonomes garantiraient un fonctionnement fiable dans des conditions difficiles.
Exemple de circuits imprimés hautement flexibles, extensibles et formables en 3D.
Avec WEAM, il est possible d'appliquer des agencements de circuits complexes sur un film thermoplastique en polyuréthane (TPU) d'une épaisseur de 0,1 mm. Les pistes peuvent être entièrement ou partiellement recouvertes de plastique, selon les exigences électriques (par exemple, résistance à la perforation). Pour les contacts, le revêtement peut être omis. Les lignes peuvent se croiser tout en restant électriquement isolées. Le TPU combine les propriétés des plastiques, telles que la formabilité et la résistance chimique, avec celles du caoutchouc (élasticité, flexibilité) ; les circuits imprimés ainsi fabriqués supportent un très haut degré de déformation tridimensionnelle, alors que les circuits flexibles ou stretch traditionnels avec des pistes à base d'encre, de pâte ou de poudre échouent déjà.
De plus, WEAM propose l'option de combiner différentes alliages et agencements sur une surface afin d'intégrer la sensorique, l'actuateur et les lignes de données/puissance au niveau du film. Le revêtement en polymère peut être adapté en fonction des exigences électriques. Pour un contact parfait, le revêtement peut être omis en raison de sa haute isolation. Ici aussi, la liberté de conception est presque illimitée. Lors de l'utilisation d'un « film adhésif thermoplastique TPU », le circuit imprimé ou un faisceau de câbles peut être directement « repassé » sur divers matériaux (textile, non-tissé, tapis, bois, métal…). De nombreux domaines d'application sont envisageables :
- Wearables : Électronique qui s'intègre de manière transparente comme une seconde peau – pour plus de confort, moins de points de rupture et de nouvelles options de design.
- Intérieur/Construction : Systèmes de chauffage par le sol flexibles, câblage électrique, applications Shy-Tech (avec intégration aussi discrète que possible) dans les capteurs/actuateurs intégrés dans les composants.
- Automobile : Composants intérieurs avec électronique intégrée ou lignes intramodulaires ; la demande de faisceaux de câbles pourrait diminuer, tandis que la liberté de conception pourrait augmenter avec un poids réduit. De plus, des solutions modulaires supplémentaires sont envisageables.
- Défense : Sont envisagées des films capteurs pour la détection de charges et de déformations, l'intégration d'actionneurs pour des mécanismes de déverrouillage, des connexions intramodulaires, des circuits imprimés mieux protégés ainsi que des antennes radar de formes complexes.
Exemple : Câble flexible haute température sans PFAS
WEAM permet la fabrication de conducteurs flexibles thermoplastiques ou de circuits imprimés qui résistent à des températures allant jusqu'à 260 °C (temporairement 300 °C). Jusqu'à présent, cela n'était possible qu'avec le matériau polyimide (PI), qui est recouvert de matériaux contenant du fluor pour fixer les conducteurs métalliques. Avec WEAM, ce revêtement n'est plus nécessaire, car le conducteur est fixé avec le même matériau que le substrat en film.
Les avantages de la « liaison de type égal » incluent une excellente stabilité mécanique (le conducteur reste intact même sous de fortes contraintes de flexion), une faible consommation de matériau pour l'isolation électrique et, enfin, une grande recyclabilité grâce à la pureté des matériaux. Le WEAM peut donc être considéré comme une solution durable pour les applications à haute température.
Dans les domaines de l'automobile et de l'aéronautique, l'utilisation de telles solutions est pertinente dans le compartiment moteur ou à proximité des moteurs, où une résistance élevée à la température est requise tout en conservant un faible poids. Dans le secteur de la défense, l'électronique pourrait être conçue pour être robuste et durable dans des environnements extrêmes. L'ingénierie mécanique et la robotique pourraient bénéficier de câbles durables et respectueux de l'environnement pour des zones à forte charge, tout comme de systèmes de chauffage de surface délicats.
Exemple de drone : boîtier de composant avec fonctions électriques intégrées
À travers l'exemple d'un boîtier de drone avec des fonctions électriques intégrées, l'Institut Fraunhofer IWU montre qu'avec le WEAM, le boîtier devient la carte de circuit imprimé – ou la carte de circuit imprimé devient le boîtier. Des fonctions telles que la capteurique, l'actorique, le blindage électromagnétique ou les bobines de charge inductives peuvent être intégrées directement dans le but d'optimiser le transfert d'énergie : les blindages électromagnétiques ne sont plus liés à des mailles fixes dans cette solution et offrent ainsi une protection constante même pour des formes complexes.
Les boîtiers fonctionnels créent une valeur ajoutée claire dans une variété d'applications. Dans les outils électriques et l'électronique de plein air, les boîtiers doivent résister à des charges extrêmes, protéger contre l'eau pénétrante ou supporter des chocs. Une sensorique intégrée pourrait être utilisée pour la reconnaissance des utilisateurs ou pour déterminer la charge. Dans le secteur de la défense, des solutions d'automatisation robustes et peu coûteuses ainsi qu'une fabrication locale adaptée aux besoins sont envisageables. Les produits de consommation pourraient être conçus de manière particulièrement compacte et offrir des fonctions supplémentaires dans un espace réduit, tout en étant produits à moindre coût et en ayant une durée de vie plus longue.
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