Perinteinen elektroniikan valmistus perustuu prosesseihin, jotka johtavat usein materiaalihävikkiin, korkeisiin työkalukustannuksiin ja merkittäviin varastointikuluihin. Viime vuosina lisäävä valmistus (additive), erityisesti 3D-tulostus, on kuitenkin alkanut nousta varteenotettavaksi vaihtoehdoksi elektroniikan valmistuksessa, sillä se tarjoaa lisää suunnittelun joustavuutta sekä mahdollisia ympäristö- ja taloudellisia etuja.
| Artikkelin on kirjoittanut Mouser Electronicsin Mark Patrick. Hän tuli Mouserin palvelukseen kesällä 2014 työskenneltyään aiemmin RS Componentsilla markkinointitehtävissä ja sitä ennen Texas Instrumentsissa sovelluskehityksen tuessa. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Coventryn yliopistosta. |
Samalla kun toimitusketjuista kehitetään kestäviä ja valmistuksesta ympäristötietoista, alkavat insinöörit, hankinta-ammattilaiset ja akateemiset tutkijat aktiivisesti tutkimaan lisäävää valmistusta varteenotettavana vaihtoehtona elektroniikan tuotannossa. Tässä artikkelissa tarkastelemme lisäävän valmistuksen jatkuvaa kehitystä elektroniikkateollisuudessa, analysoimme sen hyötyjä ja rajoituksia sekä keskustelemme siitä, miten valmistajat pyrkivät integroimaan tämän innovatiivisen teknologian osaksi valtavirtatuotantoa.
Lisäävän valmistuksen kehitys
3D-tulostuksen ensivaiheissa sen pääasiallinen käyttötarkoitus oli mekaanisten osien nopea prototyyppivalmistus elektronisissa kokoonpanoissa. Insinöörit ja suunnittelijat hyödynsivät teknologian mahdollistamaa nopeaa iterointia ja kokeellisten mallien kehittämistä, käyttäen sen joustavuutta suunnittelun arviointiin ilman vähimmäistilausmääriä.
Vaikka 1980-luvun alkupuolen 3D-tulostimet tuottivat pääasiassa pinnallisia prototyyppejä, tarkkuuden ja materiaalien kehitys on laajentanut merkittävästi niiden kyvykkyyksiä. 2000-luvun puolivälistä alkaen tapahtuneet asteittaiset parannukset – kuten parempi resoluutio, monimateriaalitulostus ja kehittyneet jälkikäsittelytekniikat – ovat mahdollistaneet monimutkaisempien geometrioiden ja räätälöityjen rakenteiden luomisen, samalla kun tulostusnopeus on kasvanut huomattavasti.
Lisäävän valmistuksen kasvavat vahvuudet tekevät siitä yhä tärkeämmän sekä kestävän että erittäin räätälöidyn elektroniikkatuotannon kannalta. Teknologialla voidaan jo nyt valmistaa mittatilaustyönä suunniteltuja elektronisia osia, kuten elektrodeja, antenneja, koteloita ja piirilevyalustoja. Markkinan arvoksi arvioitiin noin 10,48 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2024, ja sen odotetaan kasvavan noin 43,89 miljardiin dollariin vuoteen 2034 mennessä, mikä tarkoittaa 15,4 prosentin vuotuista kasvua.
Lisäävän valmistuksen hyödyt
Yksi lisäävän valmistuksen merkittävimmistä eduista elektroniikan tuotannossa on sen myönteinen vaikutus kestävyyteen. Perinteiset, poistaviin prosesseihin perustuvat valmistusmenetelmät voivat aiheuttaa huomattavaa materiaalihävikkiä. Sen sijaan 3D-tulostus rakentaa komponentit kerros kerrokselta, käyttäen vain tarvittavan määrän materiaalia.
Vaikka yksittäisistä osista, kuten koteloista tai RF-suojista (kuva 1), syntyvä hävikki saattaa olla vähäinen (esimerkiksi muutama reikä), tämäkin menetys kertautuu sarjatuotannossa. Tässä esimerkissä on myös otettava huomioon kotelon soveltuvuus: 3D-tulostuksen tarjoama joustavuus mahdollistaa räätälöityjen ja pienempien koteloiden tai RF-suojien käytön, mikä entisestään vähentää materiaalin kulutusta.
Kuva 1. RF-suojien, kuten kuvassa esitetyn, valmistus voi johtaa raaka-aineiden hukkaan (Lähde: frog/stock.adobe.com).
Paikallinen tuotanto on yksi 3D-tulostuksen eduista. Hajautetun tuotannon mahdollisuus tarkoittaa, että pienempiä eriä elektronisia komponentteja voidaan valmistaa paikan päällä tai alueellisesti, mikä parantaa toimitusketjujen kestävyyttä ja tarjoaa insinööreille ketterämpiä valmistusratkaisuja.
Taloudellisesta näkökulmasta kalliiden työkalujen tarpeen poistuminen ja mahdollisuus tilausperusteiseen tuotantoon auttavat yrityksiä hallitsemaan varastoa ja tuotantokustannuksia tehokkaammin. Markkinoilla, joilla nopea innovointi ja monimutkaiset tuotesyklit ovat tavallisia, lisäävän valmistuksen kyky siirtyä nopeasti uuteen tuotantoon tehokkuudesta tinkimättä on merkittävä kilpailuetu. Teknologia mahdollistaa nopean prototypoinnin sekä suorat tuotantoerät, joissa on monimutkaisia geometrioita, joita perinteiset menetelmät eivät kykene toteuttamaan.
Suunnitteluinsinööreille 3D-tulostuksen hyödyt voivat laajentaa suunnittelumahdollisuuksia mahdollistaen uusien ominaisuuksien ja toimintojen integroinnin, jotka olisivat muuten kustannuksiltaan tai fyysisesti mahdottomia toteuttaa perinteisin menetelmin. Tämä on erityisen arvokasta esimerkiksi puettavassa terveysteknologiassa, jossa suunnittelun on vastattava yksilöllisten käyttäjien tarpeita.
3D-tulostuksen haasteet ja rajoitukset nyt
Lisäävä valmistus ei kuitenkaan ole ilman rajoituksia, ja ne liittyvät tyypillisesti materiaalien saatavuuteen ja ominaisuuksiin. Vaikka kehitys on ollut merkittävää, tuotantotasoiseen laatuun soveltuvien materiaalien valikoima on edelleen suppeampi kuin perinteisissä valmistusmenetelmissä. Insinöörit kohtaavat yhä haasteita materiaalien lujuuden, sähkönjohtavuuden ja pitkäaikaisen kestävyyden suhteen – erityisesti, kun pyritään valmistamaan elektronisia komponentteja.
Myös tuotantonopeus herättää huolta. Vaikka 3D-tulostus on erinomainen ratkaisu räätälöityyn ja pienivolyymiseen tuotantoon, joidenkin tuotteiden kohdalla sen hitaampi valmistusnopeus voi rajoittaa sen soveltuvuutta laajamittaiseen tuotantoon. Korkean kysynnän elektroniikkatuotteissa perinteiset valmistusmenetelmät saattavat edelleen olla etulyöntiasemassa tiukkojen tuotantoaikataulujen saavuttamisessa.
Laadunvalvonta on toinen alue, jolla lisäävä valmistus vaatii tarkastelua. Jotta tuotannon laatu säilyisi tasaisena useissa valmistuserissä, organisaatioiden on otettava käyttöön tiukat prosessistandardit ja kehittyneet valvontajärjestelmät, joilla voidaan hallita mahdollisia vaihteluita materiaalien ominaisuuksissa ja rakenteellisessa eheydessä. Monissa tapauksissa joudutaan tekemään teknologisia kompromisseja suunnittelun monimutkaisuuden ja kokonaisrakennusajan välillä. Vaikka erittäin monimutkaiset muodot ovat teknisesti mahdollisia, niiden vaatima lisäaika ja virheriski voivat tehdä prosessista tehottomamman kuin perinteiset menetelmät.
Näiden haasteiden ratkaiseminen on olennaista, jos 3D-tulostuksesta halutaan tehdä täydentävän teknologian sijasta valtavirran valmistusratkaisu. Kehitys niin akateemisessa maailmassa kuin teollisuudessakin edistää kuitenkin tätä siirtymää.
3D-tulostuksen tulevaisuus elektroniikassa
Lisäävän valmistuksen integroiminen osaksi elektroniikan valtavirtatuotantoa merkitsee muutosta siinä, miten elektroniikkaa valmistetaan – ja siten myös siinä, miten sitä suunnitellaan. Sekä akateemisessa maailmassa että teollisuudessa kehitetään nopeasti uusia ratkaisuja, jotka mahdollistavat sekä yksittäisten elektronisten komponenttien että kokonaisvaltaisten kokoonpanomenetelmien valmistuksen.
3D-tulostetut passiiviset elektroniset kokoonpanot
Yksi esimerkki alan innovaatioista tulee Muratalta. Yritys tunnetaan maailman johtavana keraamisten passiivikomponenttien – kuten kondensaattoreiden, kelojen ja vastusten – toimittajana, ja se on hiljattain esitellyt NeuroStone-ratkaisun, joka on uusi 3D-tulostettu innovaatio lääkinnällisiin sovelluksiin.
NeuroStone on esimerkki siitä, miten lisäävä valmistus mullistaa jopa kaikkein erikoistuneimmat alat – tässä tapauksessa lääkintäteknologian – yhdistämällä edistyneet 3D-tulostustekniikat sellaiseen tarkkuuteen, jota vaaditaan kehittyneissä elektronisissa anturiratkaisuissa. NeuroStonen ytimessä on Muratan oma tulostusteknologia, jonka avulla voidaan valmistaa monimutkaisia kolmiulotteisia rakenteita – sellaisia, joita olisi perinteisin menetelmin lähes mahdoton toteuttaa (kuva 2).
Kuva 2: Muratan NeuroStone mahdollistaa monimutkaisten 3D-tulostettujen muotojen valmistuksen (Lähde: Murata Manufacturing).
Lisäävä valmistusprosessi hyödyntää keraamia, johtavaa metallia ja tukimateriaalia (onteloiden muodostamiseksi) halutun geometrian rakentamiseen. Yhtäaikaisen polton aikana tukirakenteet palavat pois, ja jäljelle jäävät keraaminen alusta ja metallielektrodit. Tämä mahdollistaa monimutkaisten 3D-johdotusten toteutuksen (kuva 3).
Perinteiseen piirilevytekniikkaan (PCB), joustaviin piirilevyihin (FPC) tai keraamisiin alustoihin verrattuna NeuroStone tarjoaa poikkeuksellista suunnittelun joustavuutta, lämmönkestävyyttä ja miniatyrisoinnin mahdollisuuksia.
Kuva 3: NeuroStonen 3D-tulostus mahdollistaa erittäin kompaktit rakenteet ja monimutkaisen kolmiulotteisen johdotuksen (Lähde: Murata Manufacturing).
NeuroStone-komponenttien kerroksittainen rakenne ei ainoastaan vähennä materiaalihukkaa ja tuotantoaikaa, vaan myös vähentää laajojen työkalujen tarvetta. Tämä johtaa pienempiin ja helpommin räätälöitäviin lopputuotteisiin, mikä tekee NeuroStonesta erittäin soveltuvan lääkinnällisiin sovelluksiin, kuten katetreihin ja endoskooppeihin (kuva 4).
Kuva 4: Muratan NeuroStone-teknologia voi auttaa valmistajia joko integroimaan suurempia LED-komponentteja tai pienentämään lääkinnällisten endoskooppien kokoa (Lähde: romaset/stock.adobe.com).
NeuroStone havainnollistaa, miten 3D-tulostetut komponentit eivät ole pelkästään prototyyppejä, vaan toimivia, suorituskykyisiä osia, jotka voidaan integroida vaativiin sovelluksiin – kuten lääkinnällisiin instrumentteihin.
Aktiivisten komponenttien 3D-tulostus
Toinen tulevaisuuden innovaation alue tulee Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijoilta, jotka ovat hiljattain ottaneet merkittävän askeleen kohti täysin 3D-tulostettuja aktiivisia elektroniikkakomponentteja. Toisin kuin perinteiset piipohjaiset puolijohdeteknologiat, joita valmistetaan erittäin tarkasti hallituilla litografia- ja etsausprosesseilla (kuva 5), MIT:n läpimurto perustuu kehittyneeseen lisäävään valmistusmenetelmään. Tässä prosessissa sekä puolijohde- että johtavia materiaaleja voidaan pinota kerroksittain peräkkäin.
Kuva 5: Puolijohteen etsauskone (Lähde: Christian Delbert/stock.adobe.com).
MIT:n kehittämä uusi menetelmä hyödyntää ainutlaatuista kuparilla seostettua polymeeriä, joka muodostaa risteäviä johtavia alueita. Tämän ansiosta laitteen resistanssia voidaan ohjata tarkasti säätämällä syöttöjännitettä. Tämä teknologia on yksi ensimmäisistä esimerkeistä siitä, miten aktiivisia elektronisia komponentteja – kuten transistoreita – voidaan valmistaa suoraan tulostamalla. Vaikka kupariseostetun polymeerin suorituskyky ei vielä vastaa piipohjaisten puolijohteiden tasoa, se voi silti olla riittävän toimiva moniin käyttötarkoituksiin.
MIT:n menetelmän etuja ovat muun muassa tarpeen mukaan tapahtuva valmistus ja muotoilun räätälöitävyys, mikä voi vähentää sekä varastointikustannuksia että työkalutarvetta. Lisäävä prosessi myös minimoi materiaalihukan, sillä se tallettaa rakennusvaiheessa vain juuri tarvittavat materiaalimäärät. Lisäksi kyky integroida useita eri materiaaleja saumattomasti yhden tulostusprosessin aikana voi mahdollistaa piiriratkaisuja, joissa yhdistyvät sekä passiiviset että aktiiviset komponentit ilman monimutkaisia kokoonpanovaiheita.
Vaikka MIT:n menetelmä on vielä kehitysvaiheessa, tämä lisäävä lähestymistapa avaa uusia mahdollisuuksia joustavaan ja kestävään elektroniikkatuotantoon. Näin on erityisesti sovelluksissa, joissa voidaan hyväksyä alhaisempi nopeus tai suorituskyky vastineeksi nopeasta iteroinnista ja luovasta suunnittelusta.
Yhteenveto
Lisäävä valmistus on nousemassa tasaisesti varteenotettavaksi vaihtoehdoksi elektroniikan tuotannossa. Vaikka teknologia on yhä kehitysvaiheessa, sen tarjoamat konkreettiset hyödyt – kuten materiaalihukan vähentäminen ja suunnittelun räätälöitävyys – puhuttelevat sekä elektroniikkainsinöörejä että hankintapäättäjiä.
Mahdollisuus valmistaa monimutkaisia komponentteja – Muratan NeuroStonen kaltaisista räätälöidyistä passiivikokoonpanoista MIT:n alkuvaiheen aktiivisten komponenttien tutkimukseen – alkaa jo muuttaa sitä, miten komponentteja suunnitellaan ja tuotetaan.
Niille insinööreille, jotka pyrkivät ylittämään suunnittelun rajoja ja parantamaan kestävyyttä, sekä hankintatiimeille, jotka haluavat vahvistaa toimitusketjujen joustavuutta, lisäävän valmistuksen asteittainen käyttöönotto tarjoaa uusia mahdollisuuksia. Kuten aina, uusimmat innovatiiviset elektroniikkakomponentit auttavat insinöörejä viemään näitä uusia tekniikoita eteenpäin – tukien tulevaisuutta, jossa elektroniikan tuotanto on entistä kestävämpää, joustavampaa ja tehokkaampaa.
Virtaamamittaus on monissa laitteissa kriittinen mutta usein ongelmallinen toiminto. Perinteiset mekaaniset anturit kuluvat ja jäävät sokeiksi pienille virtausnopeuksille. Ultraäänitekniikkaan perustuvat valmiit moduulit tarjoavat nyt tarkan, huoltovapaan ja helposti integroitavan vaihtoehdon niin kuluttaja- kuin teollisuussovelluksiin.