Capabilities and Solutions for Implementing In-Mold Electronics Technology for Smart Products
Por Catarina Faria, Sílvia Cruz , Do PIEP, para a revista “ O Molde “
(English Below) 🇵🇹
A tecnologia In-Mold Electronics (IME), integra circuitos eletrónicos diretamente em substratos poliméricos durante o processo de moldação por injeção. Esta tecnologia representa uma revolução na produção de dispositivos multifuncionais, a redução de componentes e, consequentemente, peso, resultando em dispositivos mais leves e compactos, ao mesmo tempo em que proporciona maior flexibilidade e versatilidade dos dispositivos, permitindo a integração de funcionalidades eletrónicas. Estas características tornam a IME uma solução promissora para diversos setores, como a indústria automóvel, médica ou de embalagens.
Apesar do seu elevado potencial tecnológico, a tecnologia IME apresenta ainda alguns desafios, principalmente no que toca à compatibilidade dos materiais, a precisão dos processos de impressão, a estabilidade térmica e mecânica dos materiais durante o processo de moldação.
Capacidades técnicas do PIEP e da Ruy de Lacerda
Nesse contexto, o PIEP- Pólo de Inovação em Engenharia de Polímeros, reconhecido pela sua atuação na inovação e desenvolvimento de novas soluções tecnológicas, tem concentrado esforços em otimizar a implementação da produção de soluções por IME e superar os desafios produtivos. A transição do processo IME de uma produção em pequena escala para larga escala envolve diversos desafios que afetam diretamente a qualidade dos produtos finais e a viabilidade da tecnologia. Por este motivo, o PIEP tem trabalhado em colaboração com a empresa Ruy de Lacerda, especializada em fornecer equipamentos, ferramentas e materiais para impressão industrial, com o objetivo de otimizar o scale-up da produção de soluções por IME e superar os desafios produtivos.
Principal tecnologia de impressão para IME
A impressão por serigrafia tem-se destacado como tecnologia predominante devido à alta resolução e compatibilidade com as tintas condutoras. No entanto, a escalabilidade do processo de impressão por serigrafia exige a superação de desafios relacionados à repetibilidade. Para viabilizar o scale-up de soluções IME, é essencial que as telas de impressão e as tintas condutoras sejam adequadas para garantir a uniformidade na espessura do circuito, sem defeitos de alinhamento ou variações que possam comprometer a performance do dispositivo eletrónico. A qualidade de impressão deve, por isso, ser rigorosamente controlada para evitar a quebra dos circuitos condutores e, consequentemente, comprometer a condutividade elétrica dos circuitos.
Adicionalmente, a termoformação dos circuitos é outro aspeto importante porque confere maior flexibilidade pois permite a sua adaptação dos circuitos a diferentes substratos e geometria dos moldes. Esta técnica permite que os circuitos impressos sejam moldados em formas mais complexas e ajustadas aos requisitos de flexibilidade dos dispositivos finais. Ao ser aplicada após a impressão dos circuitos, esta tecnologia ajuda a garantir que os circuitos mantenham sua integridade, mesmo quando submetidos a deformações ou alterações dimensionais.
Durante o processo de moldação por injeção, os materiais (tinta condutoras, tintas decorativas e substrato) são sujeitos a condições extremas como, por exemplo, a elevadas taxas de corte e temperaturas, etc., que podem comprometer a qualidade da integração dos circuitos. Os parâmetros do processo de moldação por injeção devem, dessa forma, ser ajustados para garantir que os circuitos não sejam danificados assegurando as suas propriedades elétricas. A capacidade de otimizar os parâmetros do processo, incluindo a pressão, temperaturas do molde e do fundido, entre outros, é fundamental para garantir a consistência dos circuitos bem como a repetibilidade do processo.
Para além disso, como principais desafios é de destacar a compatibilidade entre materiais utilizados. Durante o processo de moldação, as diferenças de coeficiente de expansão térmica entre os materiais podem causar deslocamento do substrato polimérico ou wash-out da tinta condutora, comprometendo a funcionalidade dos dispositivos. Para mitigar estes riscos, é essencial selecionar tintas condutoras e substratos com propriedades de aderência otimizadas. As propriedades elétricas e mecânicas das tintas devem também ser estáveis sob uma ampla gama de condições ambientais, como temperaturas extremas ou exposição à humidade.
A Importância de Parcerias no Desenvolvimento de Novas Soluções
O trabalho do PIEP tem, por isso, incidido na capacitação tecnológica e de recursos para o desenvolvimento de soluções funcionais que permitam a transição do IME para a produção em larga escala. Por meio de apoio técnico às empresas do setor, o PIEP contribui para a superação dos desafios tecnológicos e para o fortalecimento da competitividade industrial. Nesse âmbito, no passado dia 24 de setembro 2024 realizou-se nas instalações do PIEP, um workshop dedicado à divulgação da importância da eletrónica impressa na indústria dos plásticos. Este workshop contou com a presença de especialistas no ramo da Eletrónica Impressa como a Universidade do Minho, e entidades nacionais como a GLN Advanced Solutions que já utilizam a tecnologia IME nos seus produtos. Com a dinamização deste workshop, o PIEP divulgou a sua capacidade instalada, mas também, proporcionou um espaço de troca de conhecimento sobre tendências de mercado e reforçou o compromisso do PIEP em fomentar a inovação no setor de eletrónica impressa.
Esta iniciativa decorrente no âmbito do Polarise: Innovation in Polymer Engineering for a Circular and Digital Environment permitiu delinear a sinergia entre a experiência do PIEP no que toca ao processo de moldação com a experiência e perspetivas trazidas pelos vários participantes. Este esforço colaborativo permite o desenvolvimento de soluções inovadoras, capazes de superar os desafios técnicos pelos quais a indústria necessita ultrapassar, e viabilizar a implementação desta tecnologia à escala industrial.
🇬🇧
Capacities and Solutions for Implementing In-Mold Electronics Technology for Smart Products
By Catarina Faria and Sílvia Cruz, from PIEP, for the magazine “O Molde”
In-Mold Electronics (IME) technology integrates electronic circuits directly into polymer substrates during the injection molding process. This represents a breakthrough in the production of multifunctional devices by reducing components and weight, resulting in lighter and more compact devices while offering greater flexibility and versatility, enabling the seamless integration of electronic functionalities. These features make IME a promising solution for various sectors, including the automotive, medical, and packaging industries.
Despite its high technological potential, IME technology still faces challenges, particularly regarding material compatibility, printing process precision, and thermal and mechanical stability during molding.
Technical Capabilities of PIEP and Ruy de Lacerda
In this context, PIEP – Innovation Hub in Polymer Engineering, known for its expertise in technological innovation and development, has focused on optimizing the IME production process and overcoming industrial challenges. The transition from small-scale to large-scale IME production involves various obstacles that directly affect product quality and the feasibility of the technology.
For this reason, PIEP has collaborated with Ruy de Lacerda, a company specialized in providing equipment, tools, and materials for industrial printing, to optimize the scale-up of IME solutions and address production challenges.
Main Printing Technology for IME
Screen printing has emerged as the dominant technology due to its high resolution and compatibility with conductive inks. However, scaling up this process requires overcoming challenges related to repeatability. To enable IME solutions at an industrial scale, printing screens and conductive inks must ensure uniform circuit thickness without alignment defects or variations that could impact electronic performance.
Additionally, thermoforming plays a crucial role in enhancing circuit flexibility, allowing adaptation to different substrates and mold geometries. This technique enables printed circuits to be shaped into more complex forms, ensuring they maintain their integrity even under deformation or dimensional changes.
During the injection molding process, materials (conductive inks, decorative inks, and substrates) are subjected to extreme conditions, such as high shear rates and temperatures, which can compromise circuit integration. Process parameters must be carefully adjusted to prevent damage and maintain electrical properties. Controlling pressure, mold, and melt temperatures is essential for consistent circuit quality and process repeatability.
Furthermore, material compatibility remains a critical challenge. Differences in thermal expansion coefficients can lead to substrate displacement or conductive ink wash-out, affecting device functionality. Selecting conductive inks and substrates with optimized adhesion properties is key to mitigating these risks. Conductive inks must also maintain stable electrical and mechanical properties across a wide range of environmental conditions, including temperature extremes and humidity exposure.
The Importance of Partnerships in Developing New Solutions
PIEP has focused on technological capability building and developing functional solutions to transition IME to large-scale production. By providing technical support to industry players, PIEP contributes to overcoming technological challenges and strengthening industrial competitiveness.
In this regard, on September 24, 2024, a workshop was held at PIEP’s facilities to highlight the importance of printed electronics in the plastics industry. The event featured experts from the Printed Electronics sector, including the University of Minho and national entities such as GLN Advanced Solutions, which already apply IME technology in their products.
By organizing this workshop, PIEP not only showcased its installed capabilities but also facilitated knowledge exchange on market trends and reinforced its commitment to driving innovation in the printed electronics sector.
This initiative, developed under Polarise: Innovation in Polymer Engineering for a Circular and Digital Environment, strengthened synergies between PIEP’s expertise in molding processes and the perspectives shared by industry participants. This collaborative effort is essential for developing innovative solutions, overcoming technical challenges, and enabling the industrial-scale implementation of IME technology.
