La electrónica 3D es un método de fabricación emergente que permite integrar componentes electrónicos en el interior o en la superficie de los objetos. Las técnicas de fabricación de electrónica 3D permiten nuevas características, como la personalización masiva, una mayor integración y una sostenibilidad mejorada en la industria electrónica. Existen tres enfoques principales de la electrónica 3D: la aplicación de la electrónica a una superficie 3D, la electrónica en molde y la electrónica 3D totalmente impresa.

En el informe de IDTechEx "3D Electronics/Additive Electronics 2024-2034: Technologies, Players, and Markets" se analiza en detalle cada uno de estos enfoques.

El informe sopesa los pros y los contras de cada enfoque con numerosos estudios de casos que muestran cómo las diferentes técnicas y materiales de fabricación cumplen los requisitos de las oportunidades de aplicación en los sectores de la automoción, los bienes de consumo, el embalaje de circuitos integrados y los dispositivos médicos.

Aplicación de la electrónica a superficies 3D
El método más consolidado para añadir funcionalidad eléctrica a la superficie de objetos 3D es la estructuración directa por láser (LDS). El LDS experimentó un enorme crecimiento hace aproximadamente una década y se utiliza para fabricar cientos de millones de dispositivos al año, incluidas antenas y sencillas interconexiones conductoras en la superficie de objetos de plástico moldeados por inyección en 3D. Sin embargo, a pesar de su alta velocidad de creación de patrones y su adopción generalizada, la LDS tiene algunos puntos débiles que dejan espacio para enfoques alternativos a la metalización de superficies. Por ejemplo, la impresión por chorro de válvula (valve jet printing), también conocida como dispensación, ya se utiliza para una pequeña proporción de antenas. Esta técnica permite la deposición rápida de una amplia gama de materiales.

La impresión por chorro de aerosol y la transferencia directa inducida por láser (LIFT - Laser-Induced Forward Transfer) son otras tecnologías de deposición digital contempladas en el informe. Estas tecnologías ofrecen mayor resolución y deposición rápida de una amplia gama de materiales, respectivamente. Existen otras técnicas emergentes como la dosificación de ultraprecisión, la impresión electrohidrodinámica, la impresión por impulsos, la tampografía y la metalización por pulverización. Se prevé un crecimiento gradual del mercado de la electrónica parcialmente aditiva, sobre todo en los sectores de las telecomunicaciones y la microelectrónica.

Electrónica en molde
La electrónica en molde (IME), en la que los componentes electrónicos se imprimen o montan antes del termoformado en un componente 3D, facilita la transición hacia una mayor integración de la electrónica, especialmente cuando se requieren sensores táctiles capacitivos e iluminación. La IME ofrece múltiples ventajas con respecto a los interruptores mecánicos convencionales, como una reducción del peso y del consumo de material de hasta el 70% y un montaje mucho más sencillo.

El proceso de fabricación de IME puede considerarse una extensión del proceso de decoración en molde (IMD), ya bien establecido. De este modo, pueden reutilizarse gran parte de los conocimientos sobre el proceso y los bienes de equipo existentes. La IME se diferencia de la IMD por la serigrafía inicial de tintas termoformables conductoras, seguida de la deposición de adhesivos conductores de la electricidad y el montaje de los SMD (dispositivos de montaje superficial, principalmente LED en la actualidad). También se pueden producir circuitos multicapa más complejos imprimiendo tintas dieléctricas para permitir los cruces.

A pesar de sus ventajosas características, el despliegue comercial de componentes SMD integrados en IME ha sido hasta ahora bastante limitado. Esta adopción relativamente lenta, sobre todo en el mercado principal de interiores de automóviles, se atribuye tanto a las dificultades para cumplir los requisitos de cualificación de los automóviles como a la gama de alternativas menos sofisticadas, como la aplicación de películas funcionales a piezas termoformadas. Junto con una mayor aceptación de la tecnología, la adopción de la IME requerirá reglas de diseño claras, materiales que se ajusten a las normas establecidas y, sobre todo, el desarrollo de herramientas de diseño electrónico. IDTechEx predice que el crecimiento más significativo de la electrónica 3D se producirá en la electrónica en molde (IME) una vez que supere su fase de validación.

Electrónica 3D totalmente impresa
Podría decirse que el enfoque más innovador de la electrónica aditiva es la electrónica 3D totalmente impresa, en la que los materiales dieléctricos y conductores se depositan secuencialmente. En combinación con componentes SMD colocados, se obtiene un circuito, potencialmente con una compleja estructura multicapa incrustada en un objeto de plástico 3D. La principal propuesta de valor es que cada objeto y circuito incrustado puede fabricarse con un diseño diferente sin el gasto que supone fabricar máscaras y moldes cada vez.

La electrónica totalmente impresa en 3D es, por tanto, muy adecuada para aplicaciones en las que hay que fabricar a corto plazo una amplia gama de componentes. La tecnología también es prometedora para aplicaciones en las que la forma personalizada e incluso la funcionalidad son importantes. La capacidad de la electrónica impresa en 3D para fabricar diferentes componentes utilizando el mismo equipo y la disociación asociada del coste unitario y el volumen también podrían permitir una transición a la fabricación bajo demanda.

El reto de la electrónica totalmente impresa en 3D es que la fabricación es fundamentalmente un proceso mucho más lento que la fabricación de piezas mediante moldeo por inyección, ya que cada capa debe depositarse secuencialmente. Aunque el proceso de impresión puede acelerarse utilizando múltiples boquillas, está mejor orientado a aplicaciones en las que la personalización ofrece una ventaja tangible. Garantizar la fiabilidad también es un reto, teniendo en cuenta las diferentes propiedades de los materiales; además, con la electrónica incorporada, las reparaciones post hoc son imposibles; una estrategia es utilizar el análisis de imágenes para comprobar cada capa y realizar cualquier reparación antes de depositar la siguiente.