Métallisation electroless 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 :

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 plastroniques à destination des industries de pointe (aéronautique, défense, médecine, etc.).

La Plastronique 3D a pour but d’intégrer directement des circuits électroniques — pistes conductrices et composants — sur des pièces plastiques (substrats) en trois dimensions. Cette technologie permet ainsi une intégration fonctionnelle optimale et une liberté de conception inédite, repoussant les limites des méthodes traditionnelles.

Pour les prototypes ou les petites séries de dispositifs finaux, la fabrication additive permet d'élaborer les substrats afin de pouvoir par la suite définir les pistes sur les surfaces 3D par métallisation electroless. Dans ce projet, seront uniquement considérés des thermoplastiques et composites à haute performance pour leurs bonnes propriétés thermiques, mécaniques et chimiques. A l'aide d'imprimantes industrielles, il conviendra d'étudier les nombreux défis posés par l'impression en 3D de ces matériaux (état de surface et porosité, maitrise des températures d'impression, degré de cristallinité, etc.) .

Par ailleurs, la réalisation des pistes conductrices 3D, par combinaison de métallisations electroless (chimique) et électrochimique, pose également des difficultés qu'il conviendra d'étudier : localisation en 3D des pistes, adhésion des couches conductrices, contrôle de leur épaisseur et optimisation de leur conductivité.

Travail à effectuer

Le stagiaire participera au développement des protocoles d’impression 3D, de post-traitements (chimiques, thermiques, mécaniques, plasmas) et de métallisation (electroless, électrodéposition) 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 offre 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 optimisera les procédures de finition, par 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 electroless et électrodéposition ;

- 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,…) et la caractérisation (MEB, microscope numérique 3D, FTIR, fluorescence X, titration automatique, mouillage, conductivité, tests d’adhésion...) des dispositifs.

Ingénieur (ou équivalent) en matériaux ou chimie  (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.