Stampa 3D nell'elettronica di consumo

Questa guida vi aiuterà a capire:

• Che cos'è la stampa 3D?
• In che modo la stampa 3D sta rivoluzionando l'elettronica di consumo? 
• Le schede elettroniche possono essere stampate in 3D?
• Come viene utilizzata la stampa 3D nell'elettronica di consumo?
• Quali sono i limiti della stampa 3D nell'elettronica di consumo? 
• La stampa 3D aiuta a eliminare i rifiuti elettronici

La stampa 3D, o fabbricazione additiva, è una tecnica di produzione che crea un oggetto tridimensionale a partire da un file di progettazione assistita da computer (CAD). Il termine comprende diversi processi che vedono uno o più materiali - tipicamente plastica, metallo, cera o materiali compositi - essere depositati strato per strato per costruire una forma.

Un computer controlla l'intero processo, rendendo la stampa 3D un metodo economico, efficiente e preciso per creare oggetti di qualsiasi geometria o complessità. Oggi la stampa 3D è utilizzata in tutti i settori per produrre prototipi, strumenti e maschere, componenti e parti per uso finale.

Le stampanti 3D sono disponibili in varie dimensioni, da quelle sufficientemente piccole da stare su un banco di lavoro alle macchine industriali di grande formato.

Le stampanti di grandi dimensioni possono produrre oggetti più grandi, ma le macchine occupano più spazio e costano molto di più delle stampanti da banco. Anche su una stampante di grande formato è più complesso ottenere una stampa di successo, a causa del volume di materiale e dei tempi di stampa necessari.

La stampa 3D nell'elettronica di consumo offre molti vantaggi, tra cui: 

• Razionalizzazione e semplificazione dello sviluppo del prodotto
• Maggiore libertà di progettazione
• Tempi di commercializzazione più rapidi
• Produzione di componenti più leggeri e performanti
• Maggiori opzioni di personalizzazione per i clienti
• Maggiore efficienza dei costi e delle risorse
• Consolidamento di parti precedentemente separate in un'unica unità
• Ottimizzazione dell'inventario e della gestione della catena di fornitura

La velocità di commercializzazione è fondamentale per il successo di ogni prodotto, ma in particolare per l'elettronica di consumo. Con la tecnologia che avanza più velocemente che mai, la finestra di lancio dei nuovi prodotti si riduce sempre di più.

Se una volta si poteva misurare la durata di vita di un dispositivo in anni, oggi si tratta di mesi. Apple ha impiegato mezzo decennio per rilasciare i suoi primi cinque modelli di iPhone, contro le cinque varianti del 2022. Uno dei motivi è il forte desiderio dei clienti di nuovi modelli, funzioni e innovazioni a prezzi sempre più bassi.

Un altro fattore che spinge la crescita della stampa 3D nell'elettronica di consumo è l'esplosione dei dispositivi contenenti tecnologie digitali. I dispositivi tradizionali di elettronica di consumo erano principalmente incentrati sull'intrattenimento e sulla comunicazione: televisori, lettori musicali, computer, console di gioco e telefoni.

Recentemente abbiamo assistito all'arrivo di un numero sempre maggiore di prodotti che offrono una qualche forma di connettività a Internet. Questi includono ogni sorta di indossabili leggeri, dispositivi di streaming ed elettrodomestici "intelligenti".

Non sorprende che i produttori di elettronica di consumo si stiano rivolgendo alla stampa 3D per rimanere al passo con la concorrenza e soddisfare la domanda del mercato in modo più economico. Esempi di stampa 3D sono presenti in tutte le fasi della produzione, dalla ricerca e sviluppo (R&S) alla produzione, fino alla personalizzazione e agli accessori aftermarket.

Tutti i marchi di elettronica di consumo più noti al mondo, tra cui Apple, Samsung, Sony, Microsoft, Panasonic e HP, utilizzano già la stampa 3D. Così come molte start-up e aziende dirompenti del mercato.

Oltre a utilizzare la tecnologia nelle loro attività, diverse grandi aziende di elettronica producono anche stampanti 3D per il mercato industriale. In effetti, le stampanti 3D desktop più piccole sono esse stesse elettronica di consumo.

Nonostante la crescente adozione, la stampa 3D nell'elettronica di consumo è ancora relativamente poco diffusa. Viene utilizzata principalmente per la prototipazione e la modellazione rapida o per la produzione di involucri protettivi o personalizzati, piuttosto che di parti finali.

Questa situazione potrebbe cambiare quando i ricercatori continueranno a sviluppare metodi per stampare in 3D circuiti ed elementi elettrici o conduttivi. Questo lavoro potrebbe portare a dispositivi stampati in 3D con elettronica incorporata all'interno.

Ciò sarebbe più veloce e meno dispendioso in termini di risorse rispetto alla necessità di produrre sia l'elettronica che le custodie. Inoltre, potrebbe eliminare la necessità di schede elettroniche separate.

I circuiti stampati in 3D (PCB) sono un'applicazione molto discussa della stampa 3D nell'elettronica di consumo. L'attrattiva della stampa 3D dei circuiti stampati comprende l'opportunità di portare la produzione all'interno dell'azienda, evitando le interruzioni della catena di fornitura, e la possibilità di produrre circuiti più complessi in modo più rapido ed economico. 

La fabbricazione di un PCB comporta di solito molte fasi ripetitive di fresatura e incisione. Il numero di passaggi aumenta con l'aumentare della complessità dei circuiti. Il processo richiede molto tempo, utilizza sostanze chimiche pericolose e genera notevoli rifiuti. La stampa 3D dei circuiti stampati aiuta a superare tutti questi problemi. 

I circuiti stampati standard sono inoltre rigidi e disponibili in una manciata di forme standard. I PCB stampati in 3D offrono una libertà di progettazione quasi illimitata e possono essere realizzati con materiali flessibili, persino estensibili.

Esistono due tipi di PCB stampati in 3D: la stampa con materiale conduttivo per formare direttamente il circuito o la stampa di un circuito con canali vuoti da riempire successivamente con materiale conduttivo. Alcune stampanti possono stampare anche le schede, mentre per altre è necessario aggiungerle.

Sebbene i PCBS stampati in 3D abbiano avuto un certo successo, sono stati per lo più limitati a prove di concetto e a produzioni su piccola scala. Per poter sfidare seriamente le tecniche di produzione di massa tradizionali, i PCB stampati in 3D necessitano di una ricerca e di uno sviluppo molto più approfonditi.

Attualmente sono in corso sperimentazioni sui possibili impieghi in biomedicina, energia rinnovabile, aerospazio e difesa. Alcune aziende produttrici di stampanti 3D hanno anche rilasciato macchine dedicate alla stampa 3D dell'elettronica.

 

• PROTOTIPAZIONE RAPIDA

I prototipi fisici, che si tratti di semplici mock-up o di modelli in scala dettagliati, sono una parte fondamentale dello sviluppo di un prodotto. I modelli concettuali delle prime fasi consentono di convalidare i progetti, di testare la funzionalità e di vedere come i prodotti appaiono e si sentono veramente.

La prototipazione aiuta a mostrare potenziali problemi o miglioramenti nelle prime fasi del processo di produzione e garantisce che il progetto finale sia conforme alle specifiche di progettazione. L'aspetto negativo è rappresentato dai tempi e dai costi necessari. I prototipi e i test sono la parte dello sviluppo del prodotto che richiede più tempo. O almeno, lo erano in passato.

La stampa 3D comprime il ciclo di sviluppo del prodotto, consentendo di progettare, stampare e testare le parti in una frazione del tempo e del costo dei metodi di produzione tradizionali.

La riduzione del tempo tra le iterazioni di progettazione consente di eseguire un maggior numero di test in un periodo uguale o più breve. Ciò consente ai produttori di ottimizzare e rilasciare nuovi prodotti molto più rapidamente, il che è fondamentale in un mercato così competitivo come quello dell'elettronica di consumo.

• INVOLUCRI ELETTRONICI

Gli involucri sono un altro uso comune della stampa 3D nell'elettronica di consumo. La tecnologia aiuta a superare una sfida progettuale fondamentale per i produttori di elettronica: come tenere insieme in modo sicuro e protetto i componenti elettrici interni, garantendo al contempo che l'intero prodotto rimanga elegante e di facile utilizzo? 

Un involucro (o custodia) protegge le apparecchiature elettroniche sensibili come i circuiti, gli interruttori e i display, evitando al contempo le scosse elettriche agli utenti. Inoltre, l'aspetto estetico è fondamentale nel mercato dell'elettronica di consumo, con dispositivi moderni sottili, eleganti e dotati di touchscreen. Per raggiungere questi obiettivi è necessario un involucro ben progettato e ottimizzato, che si adatti alla forma complessiva del prodotto. Inoltre, deve essere affidabile e facile da realizzare.

La stampa 3D è in grado di raggiungere questi obiettivi in modo unico, grazie alla sua capacità di produrre parti più leggere ma altrettanto resistenti, se non addirittura più forti, di quelle prodotte con metodi tradizionali. La velocità della stampa 3D consente inoltre di misurare rapidamente un involucro fisico rispetto a ciò che deve contenere, apportando le modifiche necessarie alle dimensioni.

Inoltre, la stampa 3D offre un nuovo livello di libertà di progettazione. Può produrre forme altamente complesse e personalizzate che sarebbe difficile o impossibile realizzare in altro modo. Questo aiuta gli ingegneri di prodotto non solo a progettare involucri migliori, ma anche a stampare in 3D oggetti con cavità interne già presenti al loro interno.

• CUSTODIE PROTETTIVE

Un altro uso della stampa 3D nell'elettronica di consumo è quello delle custodie per proteggere i dispositivi da cadute, urti e rovesciamenti. Analogamente alle custodie, le custodie stampate in 3D possono essere realizzate rapidamente con un equilibrio ottimizzato tra peso e resistenza.

Le custodie possono anche essere facilmente personalizzate in base alle esigenze individuali, grazie a un'ampia scelta di design, colori, texture e materiali. A seconda del materiale scelto, le custodie possono essere trasparenti, flessibili, rigide, altamente precise, ergonomiche, lisce al tatto o economiche.

Gli accessori aftermarket come le custodie sono disponibili da tempo, ma solo in una gamma limitata di design. La produzione su richiesta con la stampa 3D offre una scelta infinita in termini di opzioni di personalizzazione. Tra gli esempi vi sono custodie, impugnature, comandi, inserti, supporti e supporti personalizzati.

Spesso i progetti possono essere visualizzati, modificati e scelti tramite un'app e poi ritirati in negozio o consegnati direttamente. Il costo della stampa 3D di un articolo è uguale a quello di migliaia, indipendentemente dalla sua complessità, e l'intero processo si svolge in pochi giorni, a volte in poche ore.

 

Le sfide legate alla velocità, alla scalabilità e ai costi hanno tradizionalmente impedito alla produzione personalizzata di diventare mainstream. I progressi della tecnologia di stampa 3D hanno iniziato a cambiare le cose.

Il recente sviluppo di materiali biocompatibili sicuri per la pelle ha portato a una crescente gamma di auricolari e punte per cuffie personalizzati stampati in 3D. Questi offrono una vestibilità sicura e riducono notevolmente la possibilità che gli auricolari cadano dall'orecchio. Anche il comfort e l'isolamento dal rumore sono migliorati.

L'introduzione di una soluzione personalizzata nel mercato degli auricolari si basa su un flusso di lavoro semplice, accessibile e scalabile che combina le più recenti tecnologie digitali, di automazione CAD e di stampa 3D.  

Il marchio audio globale Sennheiser Ambeo ha recentemente collaborato con Formlabs, azienda leader nella stampa 3D, per sviluppare un processo di questo tipo. Un processo che consente ai clienti di personalizzare in modo semplice e conveniente i propri auricolari per ottenere una vestibilità unica.

I clienti possono ora utilizzare un'applicazione per smartphone per scansionare le proprie orecchie, sostituendo il tradizionale e lungo processo di impronta auricolare. L'uso dell'intelligenza artificiale (AI) consente di ottenere una scansione in meno di 60 secondi. L'intelligenza artificiale migliora anche la qualità della scansione e ricostruisce le parti dell'orecchio non catturate dal telefono.

La scansione viene inviata direttamente a un sistema basato su cloud che utilizza l'apprendimento automatico per convertire rapidamente la forma scansionata in un progetto di auricolare specifico pronto per la stampa 3D.

Gli auricolari personalizzati stampati in 3D sono estremamente precisi e possono essere prodotti in diversi materiali e colori. È inoltre possibile incidere iniziali e loghi per una maggiore personalizzazione.

Questo è solo un esempio di come le aziende stiano utilizzando la stampa 3D per cambiare il modo in cui i clienti interagiscono con i loro prodotti, offrendo un approccio più incentrato sull'utente allo sviluppo del prodotto. Inoltre, il processo ampiamente automatizzato e la finitura superficiale liscia riducono il lavoro manuale necessario per la produzione di massa. 

 

• PRODUZIONE SU LARGA SCALA

La tecnologia di stampa 3D può spesso produrre un singolo articolo o un piccolo lotto in modo più rapido ed efficiente rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Tuttavia, è ancora in difficoltà quando si tratta di produzione di grandi volumi.

Una stampante 3D può stampare solo un certo numero di pezzi in qualsiasi momento, a seconda delle dimensioni della macchina e dell'oggetto, quindi potrebbe non essere la tecnica più veloce o più conveniente per le grandi produzioni.

• MANCANZA DI FAMILIARITÀ

Sebbene l'adozione sia in crescita, la stampa 3D nell'elettronica di consumo non è ancora onnipresente. I casi d'uso ruotano per lo più intorno alla realizzazione di prototipi, involucri, custodie protettive e beni di lusso. Applicazioni di livello superiore sono in fase di realizzazione, ma per ora la stampa 3D rimane secondaria rispetto ai metodi di produzione tradizionali, in particolare per la produzione di massa e in grandi volumi.

• QUALITÀ INCOERENTE

Le stampanti 3D non sono ancora in grado di stampare sempre risultati perfetti. I tassi di fallimento dipendono dalla macchina, dal materiale utilizzato e dall'oggetto da stampare. Il raggiungimento della finitura superficiale desiderata può anche richiedere ulteriori fasi di lavorazione manuale.

Gli errori e le fasi di post-elaborazione si ridurranno con il miglioramento della tecnologia e la maggiore familiarità con la stampa 3D.

Per gli oggetti personalizzati basati su un modello scansionato, la qualità della stampa finita sarà determinata anche dal livello di sofisticazione dello scanner o del software. Stampe di qualità superiore possono richiedere apparecchiature più capaci e più costose.

 

I rifiuti elettronici sono il flusso di rifiuti in più rapida crescita al mondo. Nel 2021 sono stati generati oltre 50 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici. L'elettronica di consumo è una fonte comune, con televisori, computer e telefoni cellulari tra gli articoli più scartati.

Molti di questi dispositivi avrebbero potuto essere riutilizzati, ricondizionati o riciclati piuttosto che sostituiti. Spesso il guasto è di lieve entità, come la rottura di un interruttore, di uno schermo o di un componente simile. Tuttavia, non sempre è facile, conveniente o comodo reperire e montare pezzi di ricambio.

La crescente attenzione alla riduzione dell'impronta di carbonio ha spinto le aziende a esplorare alternative più sostenibili e circolari. Hanno scoperto che la tecnologia di stampa 3D offre diverse soluzioni per combattere i rifiuti elettronici.

I produttori di elettronica di consumo e le aziende di terze parti utilizzano sempre più spesso la stampa 3D per fornire pezzi di ricambio economici su richiesta, nel momento del bisogno.

Altre aziende, come Reco-E, con sede in Germania, hanno trovato una soluzione innovativa per trattare i rifiuti elettronici esistenti.

I componenti elettrici contengono tipicamente metalli preziosi e terre rare. Questi vengono solitamente estratti incenerendo i rifiuti e separando i metalli dalle scorie di plastica fusa.

Reco-E utilizza un metodo di macinazione più pulito e privo di sostanze chimiche che consente di recuperare tutto il materiale e di dargli una seconda vita. Il metallo estratto viene trasformato in polveri metalliche di alto valore e purezza per la stampa 3D in metallo (o fabbricazione additiva). La plastica granulata viene raccolta e trasformata, ad esempio, in tubi fognari. 

Gli scienziati stanno anche lavorando per sviluppare una plastica biodegradabile che possa essere utilizzata per produrre circuiti stampati in 3D. I circuiti stampati tradizionali sono realizzati con fibre di vetro, resine e cavi metallici. Questo mix di materiali li rende difficili e costosi da riciclare. Un PCB biodegradabile sarebbe molto utile per i dispositivi elettronici monouso e, più in generale, per l'elettronica di consumo.