Fonctionnalisation plastronique et métallisation de composites et thermoplastiques à très hautes performances imprimés en 3D

Ampère (UMR 5005) est un laboratoire de recherche pluridisciplinaire sous la tutelle du CNRS, de l’ECL, de l’INSA et de l’UCBL avec un effectif d’environ 160 collaborateurs. Le stage aura lieu au sein de la Plateforme Plastronique d’AMPERE à l’INSA de Lyon.

L’étudiant sera inséré au sein d’une équipe interdisciplinaire (électroniciens, physicochimistes, spécialistes des matériaux) dédiée à la Plastronique 3D et à l’Electronique Imprimée.

Contexte :

Jusqu’à présent, les sous-ensembles — électronique, mécanique, thermique ou fluidique — de dispositifs complexes, tels que les drones, les robots ou les équipements médicaux, sont généralement conçus et fabriqués de manière indépendante avant d’être assemblés. L’exemple le plus courant reste l’intégration de circuits imprimés plans dans un châssis mécanique. Cette approche fragmentée freine l’optimisation globale des dispositifs, en particulier en matière de compacité, de légèreté et d’intégration fonctionnelle.

Dans ce contexte, la Plastronique 3D se présente comme une solution innovante. Elle permet d’intégrer directement des circuits électroniques — pistes conductrices et composants — sur des pièces plastiques en trois dimensions. Cette technologie offre ainsi une intégration fonctionnelle optimale et une liberté de conception inédite, repoussant les limites des méthodes traditionnelles.

Dans l’industrie, les supports 3D des dispositifs plastroniques sont généralement produits en série par injection ou thermoformage de thermoplastiques.

Pour les prototypes ou les petites séries de dispositifs finaux, la fabrication additive offre une alternative pertinente : elle permet une flexibilité accrue de conception et une réduction des coûts. Cependant, cette méthode soulève plusieurs défis, notamment l’état de surface des supports imprimés, leur porosité interne, ainsi que leurs propriétés mécaniques et thermiques.

Par ailleurs, la réalisation des pistes conductrices disposés sur des surfaces 3D, par métallisation chimique ou électrochimique, pose également des problèmes majeurs : adhésion des couches conductrices, contrôle de leur épaisseur et optimisation de leur conductivité.

Une autre contrainte est que les supports imprimés en 3D doivent tenir les profils de température nécessaires au brasage des composants électroniques.

Le stagiaire s’intégrera dans une équipe, qui a pour but de de développer un procédé innovant pour la production en petites séries de dispositifs finaux à destination des industries de pointe (aéronautique, défense, etc.).

En s'appuyant sur les dernières avancées de l'impression 3D, le projet vise à assurer aux dispositifs plastroniques, une robustesse mécanique optimale, une résistance accrue aux hautes températures et une excellente tenue chimique. Sur le plan électrique, l'objectif est d’aboutir à des dispositifs plastroniques 3D dont les performances approcheront, voire égaleront, celles des circuits imprimés 2D conventionnels.

Travail à effectuer

Le stagiaire participera au développement des protocoles d’impression 3D et de post-traitements (tribofinition, traitements chimiques) des substrats. Les matériaux ciblés incluent des thermoplastiques à haute performance tels que le Polyétherimide (PEI), le Polyéthercétonecétone (PEKK) et le Polyétheréthercétone (PEEK).

Un composite à base de polyamide renforcé de fibres courtes de carbone sera également utilisé. Imprimé avec des renforts longs (verre, carbone, Kevlar), ce matériau combinera légèreté et performances mécaniques, offrant un rapport masse/résistance comparable à celui de l’aluminium.

Concernant la fabrication des pistes conductrices 3D, le stagiaire contribuera à la mise au point d’un procédé innovant associant métallisation chimique (electroless) et électrodéposition, permettant le dépôt de couches conductrices épaisses. Il sera notamment responsable de l’élaboration des procédures de finition, incluant le dépôt de couches protectrices (métalliques et/ou organiques), essentielles en électronique.

En résumé, le projet adressera les points suivants :

- Maîtriser l’impression 3D de composites et de thermoplastiques à haute performance ;

- Optimiser les post-traitements pour améliorer l’état de surface des substrats imprimés, réduire leur porosité et faciliter leur métallisation par voie humide ;

- Contrôler l’épaisseur et renforcer l’adhésion des dépôts métalliques obtenus par voie humide ;

- Développer les protocoles de finition des dispositifs (dépôts métalliques ou organiques) afin de faciliter le brasage des composants électroniques et d’assurer la protection des circuits.

L’étudiant aura accès à la plateforme plastronique d’AMPERE, pour ce qui concerne la fabrication (imprimantes 3D, tribofinition, texturation laser, plasma, fonctionnalisation par voie chimique, métallisation electroless et électrodéposition, potentiostat, brasage de composants…) et la caractérisation (MEB, microscope numérique 3D, FTIR, fluorescence X, titration automatique, mouillage, conductivité, tests d’adhésion...) des dispositifs.

Ingénieur (ou équivalent) en matériaux, chimie ou plasturgie (avec un très bon parcours universitaire). Capacité à travailler et à s’intégrer dans une équipe interdisciplinaire. Des qualités d’expérimentateur sont indispensables. Une formation en plastronique sera assurée pendant le stage. Aucune connaissance en électronique n’est nécessaire autre que les bases de l’Electricité.  Très bonne maitrise du français et de l’anglais à l’écrit et à l’oral.