PANORAMA DE COMPOSANTS HYPERFRÉQUENCES 3D RÉALISÉS PAR FABRICATION ADDITIVE

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1 PANORAMA DE COMPOSANTS HYPERFRÉQUENCES 3D RÉALISÉS PAR FABRICATION ADDITIVE 1. Nicolas Delhote, S. Bila, S. Verdeyme, O. Tantot, D. Baillargeat, A. Perigaud, M. Thevenot, T. Monedière T. Chartier 2. L. Estagerie, J. Puech, L. Lapierre, L. Carpentier, G. Carayon 1. XLIM UMR 7252, SPCTS UMR 7315, Université de Limoges/CNRS, Limoges, France 2. CNES, France, Toulouse, France

2 XLIM, LIMOGES 2 laboratoires (CNRS-Université of Limoges) : XLIM and SPCTS Optoélectronique composants RF Matériaux céramiques et procédés Lab. D Excellence Σ_LIM 60 FTE/year 7.5 M 2011 to 2019 Poles de compétitivité et PME 2

3 PLAN Introduction commune (Xlim Labsticc) o Principes généraux o Avantages attendus Stéréolithographie céramique Impression jet d encre o Principe o Exemples Impression 3D plastique Impression 3D métal Conclusion commune (Xlim- Labsticc) 3

4 INTRODUCTION La fabrication additive o Principe Fabrication couche par couche d un objet 3D à partir d un fichier CAO Fichier CAO Format.STL Fiche STL découpé en couches 2D Pièce final (après traitement) Fabrication couche par couche 4

5 INTRODUCTION La fabrication additive Principe Fichier CAO dessiné ou issu d un scanner Format STL définissant la surface et l intérieur des pièces (triangularisation) Fabrication physiques de couches Fabrication directe des pièces ou des outils Possibilité de cycles courts prototypage optimisation Pr A. Bernard, Association Française de Prototypage Rapide 5

6 INTRODUCTION La fabrication additive Un peu d histoire Premiers brevets: Juillet 84 (fr) et Aout 84 (USA) En France: Jean Claude André avec Olivier De Witte et Alain Le Méhauté Dans la même période: création de 3D Systems(USA) par Charles W. Hull et Raymond S. Freeden 1986 sur un système basé sur: - l utilisation d un fichier STL - le lasage de résines photosensibles - pilotage informatisé 6

7 INTRODUCTION La fabrication additive La norme ISO :2014E (24 Juin 2014) UNM (Union de Normalisation de la Mécanique) 920: fab. add. Olivier Coissac 7 catégories de technologies (groupe ASTM F42 Add. Manuf. ) Photopolymérisation de résine dans une cuve (stéréolithographie) Ejection de matière (jet d encre, ) Ejection de liant Fusion de lit de poudre (DMLS, ) Extrusion de matière (FDM, micro-extrusion) Dépôt énergétique direct de matière Laminage de feuilles(carton, papier, ) 7

8 INTRODUCTION La fabrication additive La norme ISO :2014E (24 Juin 2014) UNM 920 Olivier Coissac Pr A. Bernard, Association Française de Prototypage Rapide 8

9 INTRODUCTION La fabrication additive Avantages attendus La juste quantité de matière (peu de déchets) Temps de fabrication et consommation d énergie réduits Obtention de formes 3D complexes (difficile/impossible par voie traditionnelle) Moins de pièces à assembler Customisation sans limites Choix étendu de matières (plastiques, métal, céramique) Technologie presse bouton 9

10 INTRODUCTION La fabrication additive Et pour les hyperfréquences, quelles ruptures? Prototypage de concepts Formes complexes Fort degré de customisation Choix de matières Fabrication 3D peu/pas d assemblage, compacité Large spectre d applications Bref, franchir un saut vis-à-vis des technologies plus traditionnelles (usinage, assemblage, moulage, ) sur les formes accessibles 10

11 PLAN Introduction commune (Xlim Labsticc) o Principes généraux o Avantages attendus Stéréolithographie céramique Impression jet d encre o Principe o Exemples Impression 3D plastique Impression 3D métal Conclusion commune (Xlim- Labsticc) 11

12 STEREOLITHOGRAPHIE Procédé Etape 1: préparation de la suspension Monomère Photo polymérisable Photo-initiateur Dispersant (agglomération and sédimentation des particules) Agent épaississant Particules céramiques Pate photosensible Etape 2: fabrication similaire à la SLA polymère Fab. couche par couche Polymérisation par laser UV Pièce crue Etape 3: firingcycles Déliantage: élimination des matières org. Frittage: densification and dimensions finales Pièce frittée 12

13 STEREOLITHOGRAPHIE Procédé Ficher 3D CAO Format.STL.STL découpé en tranches 2D Fab. couche par couche Pièce frittée Pièce crue Nettoyage 13

14 STEREOLITHOGRAPHIE Polymérisation par laser UV Epaisseur de couche: µm ; Vitesse de fab.: 100 couches/h Precision >1 %, Surfaces > 10 cm 2 possible Production par couches successives 14

15 EXEMPLES: FILTRE PASSE BANDE Filtre passe bande (bande Ku) SLA 1mm Métallisation Or par pulvérisation 100µm 500µm Ins. Loss~2.5 db at 17.5 GHz BW : 300 MHz Thickness: 2 mm S 11 A. Khalil et al., IMS 2011, June2011, Baltimore S (db) Mesures S 21 15

16 EXEMPLES: FILTRE LARGE BANDE Filtre à large bande passante (>10%,bande C) o Thèse soutenue par l ESA: Ceramic Filters by 3D Stereolithography Y. Marchives et al., Wide-band dielectric filter at C-band manufactured by stereolithography, Eur. Mic. Conf., October 2014 (Zirconia) 16

17 EXEMPLES: ANTENNES 60 GHZ Antennes passives pour com. sans fils (WLAN) o Filtre-antenne Filtre céramique 60 GHz antenne cornet (Alumine) F. Kouki et al., Miniature Ceramic Filter - Antenna For Wireless Communications Systems at 60GHz, Eur. Microwave Conf., October 2014 Filtre de canal à 60 GHz o Antenne lentille 3 cm Antenne lentille 60 GHz (Alumine) N. T. Nguyen, et al, Design and Characterization of 60-GHz Integrated Lens Antennas Fabricated Through Ceramic Stereolithography, IEEE Trans. on Ant. and Propag., vol. 58, n. 8, 2010 Partenaire: 17

18 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX Outils d optim. de forme => Couplage des différentes techniques (GT,AG,LS, DoE) Q 0 =4600 (th: 5400) Q 0 =6710 (th: 6700) Q 0 =6400 (th: 6650) F 2 =7,54 GHz F 2 =7,14 GHz F 2 =7,77 GHz Résonateurs 3D par SLA (ε r =9.1, tan δ = ) S. Bila, Xlim 18

19 PLAN Introduction commune (Xlim Labsticc) o Principes généraux o Avantages attendus Stéréolithographie céramique Impression jet d encre o Principe o Exemples Impression 3D plastique Impression 3D métal Conclusion commune (Xlim- Labsticc) 19

20 IMPRESSION JET D ENCRE Principe Fabrication d objets 3D couche par couche à partir de fichiers CAO Z X Y Par déposition de microgouttes céramique, métallique ou polymère (quelques pl) éjection par système multi-buses Impression localisée de matériaux spécifiques avec une approche multicouche - multimatériaux 20

21 IMPRESSION JET D ENCRE Imprimante Labo. Matériaux et procédés Limoges, France Pr. T. Chartier, Pr. M. Lejeune Ceradrop, PME, Limoges, France Dr. Remi Noguera o Impression multicouches d encres céramiques (PZT, Al 2 O 3, ) and métalliques (Argent, Or,..) o Tête multibuses (256) o Machine spécifique dédiée o Logiciels spécifiques o Haute précision de posit (<3µm) and répétabilité (<2µm) 21

22 IMPRESSION JET D ENCRE: COMPOSANTS Conductivité encre Ag (recuit 900 C) Simulation Lignes cop. S 21 mes et sim. S 11 mes et sim. Action R&T CNES Conductivité ~20 S/µm Atténuation moyenne : ~ GHz 22

23 IMPRESSION JET D ENCRE: COMPOSANTS Capacité cofrittée (métal isolant métal) 1 mm x 1mm Placement optimisé des gouttes 1 mm Recuit 900 C 3h 1 ère électrode Diélectrique (Ag) (Heraeus 51K65, matériau compaible LTCC) Carac extraites de la mesure: -permittivité ε r = tan δ ~ at 20 GHz 2 ème électrode (Ag) Capacité après frittage C ~ 1.2 pf Multilayer and bi-material printing and firing validated R. Rammalet al, MultimaterialInkjet Technologyfor the Fabrication of Microwave Components, Eur. Mic. Conf., Oct

24 IMPRESSION JET D ENCRE: COMPOSANTS Exemples de composants HF Filtre interdigité(λ/4) Capteur de gaz imprimé K. Frigui, C. Paragua, et al, Xlim Partenariat: - Nanyang Tech. Univ, Singapour - IMS Bordeaux 24

25 IMPRESSION JET D ENCRE: COMPOSANTS Exemples de composants HF Antennes EBG sur plexiglas -Ep. Plexiglas = 5 mm (permet de garantir la planéité - excitation par antenne cornet Impression sur de larges surfaces Plexiglas 25

26 IMPRESSION JET D ENCRE: COMPOSANTS Exemples de composants HF Antennes coplanaires patch sur Kapton Fonctionnement à 2.5 GHz pour application Wifi Antenne CPW imprimée sur Kapton (ép. : 75 µm) Kapton déposé sur support Rohacell (ép. : 10 mm) Excellente correspondance (sim. Vs mes.) 26

27 IMPRESSION JET D ENCRE: RÉSUMÉ Jet d encre Vs autres technologies multicouches Properties LTCC Fr-4 LCP Ink jet (LTCC) Mini. dielectric layer (µm) Min. metallic layer (µm) ,4 Min. width(µm) Min. gap (µm) Max. layer number made 30 co-fired Surface (mm 2 ) 200 x x x x 400 Limitations Shrinkage Delimitationon edges ε r =3-4 No hermetic sealing Env. stability HF perfat high freq. Co-firing of «new» patterns need specific optimisation 27

28 PLAN Introduction commune (Xlim Labsticc) o Principes généraux o Avantages attendus Stéréolithographie céramique Impression jet d encre o Principe o Exemples Impression 3D plastique Impression 3D métal Conclusion commune (Xlim- Labsticc) 28

29 IMPRESSION 3D PLASTIQUE Principe de l extrusion de matière FDM: Fused Deposition Modeling Épaisseur minimale de couche : 125μm, Tolérances de fabrication : 125 μm Finition de surface : rugueux Vitesse de fabrication : lent Matériaux : thermoplastiques (ABS, PLA), Polycarbonate, élastomères, cires, plastiques chargés céramiques, MOT-d 3D printer Makerbot Stratasys k 20 k 29

30 IMPRESSION 3D PLASTIQUE Principe de l impression multijet Impression de gouttelettes : matière + support Epaisseur minimale de couche : 13 μm, Tolérances de fabrication : jusqu'à 16 μm (classiquement 35 μm, les moins résolues 100 μm) finition de surface : remarquable, très lisse. Vitesse de fabrication : Lent Matériaux : résines, thermoplastiques, cires Stratasys 100 k 30

31 Validation de proto. de composants HF Filtres hyperfréquences (FDM) IMPRESSION 3D PLASTIQUE CAO Fabrication par FDM Filtre 2 polesbande Ku (métallisation laque Argent) Nicolas Jolly et al., EUMC 2014 Filtre plan E accordable 31

32 IMPRESSION 3D PLASTIQUE Dispositifs filtre-antenne 60 GHz sous-système intégré Intégration 3D : MUX + cornet 26mm Kouki et al., Xlim, 2014 Alternative : prototypes fabriqués en plastique Polyjet : Précision < 80µm Epaisseur de couche = 16µm 32

33 PLAN Introduction commune (Xlim Labsticc) o Principes généraux o Avantages attendus Stéréolithographie céramique Impression jet d encre o Principe o Exemples Impression 3D plastique Impression 3D métal Conclusion commune (Xlim- Labsticc) 33

34 IMPRESSION 3D MÉTAL Filtre HF par frittage de poudre métallique 34

35 PLAN Introduction commune (Xlim Labsticc) o Principes généraux o Avantages attendus Stéréolithographie céramique Impression jet d encre o Principe o Exemples Impression 3D plastique Impression 3D métal Conclusion commune (Xlim- Labsticc) 35

36 CONCLUSION Avantages attendus La juste quantité de matière (peu de déchets) Temps de fabrication et consommation d énergie réduit Obtention de forme 3D complexes (difficile/impossible par voie traditionnelle) Customisation(presque) sans limites Moins de pièces à assembler Choix étendu de matières (plastiques, métal, céramique) Technologie presse bouton o Voies d amélioration Besoin de finition (rugosité de surf., traitements thermiques, retouches, ) Tolérances de fabrication et résolution Formation spécifique (nouvelle gén. de concepteurs) Règles de conception et culture propres Normalisation (en cours) o Limites: Restriction de certaines familles de techno. à certains matériaux Peu adapté à la prod. de masse en général (LDS, jet d encre), cout 36

37 CONCLUSION La fabrication additive Et pour les hyperfréquences, quelles ruptures? Prototypage de concepts cycles de tests rapides Formes complexes performances de pointes Fort degré de customisation diversité, originalité des concepts Choix de matières sélection et customisation de matériaux HF Fabrication 3D mais aussi recouvrirdes objets de formes 3D Large spectre d applications grand public, espace, bio., Bref, franchir un saut vis-à-vis des technologies plus traditionnelles (usinage, assemblage, moulage, ) sur les formes accessibles en cours 37

38 PERSPECTIVES Fabrication additive ET soustractive Fabrication très haute vitesse Procédé de fabrication CLIP carbon3d.com Nouveaux matériaux (composites, matériaux customisés pour les hyperfréquences, ) Hybridation de matières et d autres ruptures à venir 38

39 Merci pour votre attention Journée applications des technologies de fabrication additive aux antennes et circuits hyperfréquences 39