Plastroniques 3D IME – Modélisation et caractérisation multiphysique des déformations – Optimisation des méthodes et outils de conception des fonctions électroniques

La plastronique 3D est une technologie qui combine la plasturgie (fabrication et mise en forme de pièces en polymères) et l’électronique afin d’intégrer directement des circuits électroniques dans des objets en polymères, souvent en trois dimensions. Elle consiste à déposer ou à imprimer des circuits électroniques fonctionnels (pistes conductrices, capteurs, antennes, LED, etc.) directement sur des pièces en polymère. Cette approche permet de créer des objets connectés et intelligents tout en réduisant le nombre de composants et en optimisant l’intégration des fonctions électroniques, ce qui réduit l’encombrement et le poids, et améliore l’ergonomie d’un système.

Parmi les techniques utilisées en plastronique, l’In-Mold Electronics (IME) [i] est un procédé en forte émergence dans l’industrie dans des secteurs comme l’automobile, les transports et l’aéronautique. L’IME est une combinaison entre l’Electronique Imprimée (EI) et des procédés de transformation en plasturgie (thermoformage, surmoulage). Les étapes du procédé de fabrication sont typiquement : (i) impression du réseau conducteur (encres conductrices et diélectriques) et d’éléments de décoration (encres décorative) sur un film thermoplastique mince ; (ii) report et assemblage des composants électroniques (en 2D) ; (iii) mise en forme en 3D par thermoformage ; pour finir (iv) par une étape de surmoulage de l’électronique par injection de thermoplastique.

L’objectif de la thèse sera d’étudier l’influence des déformations induites par le thermoformage du réseau conducteur sur le polymère (en lien avec les composants électroniques). Il conviendra alors de mettre en œuvre et d’améliorer des modèles de simulation prédictif multi-physiques en cours de développement au laboratoire sous Abaqus[ii]. Il s’agira notamment d’élaborer et de caractériser des véhicules de test (électrique et mécanique) afin d’alimenter et de valider le modèle théorique. Celui-ci permettra d’anticiper et de corriger les déformations 3D du réseau conducteur. Une pré-distorsion numérique du réseau permettra de répondre aux contraintes de conception pour : (i) améliorer la robustesse du routage 3D et du placement des composants (en anticipant les zones de contraintes physiques du substrat), (ii) garantir la géométrie des plages d’accueil des composants à haute densité, (iii) faciliter l’intégration d’antennes radiofréquences.

Les démonstrateurs d’étude seront, dans un premier temps, développés en Polycarbonate (PC - polymère de référence) et étendus, par ajustement des paramètres, à d’autres polymères, notamment des polymères très technique (ex. PEEK, PEI…) ou biosourcés (ex. PLA) [iii] afin de poursuivre la démarche d’éco-conception et de recyclabilité dans laquelle l’équipe est pleinement engagée.

Le doctorant aura accès aux moyens de simulation, fabrication et caractérisation de la plateforme plastronique du laboratoire AMPERE (INSA Lyon, Villeurbanne) ainsi qu’aux moyens de plasturgie du laboratoire IMP (INSA Lyon, Oyonnax). Des moyens de caractérisation (MEB, fluorescence X, mouillage, adhésion, DSC, ATG, FTIR, DRX etc.) ainsi que des moyens de simulations multiphysiques seront mis en œuvre. De nombreux contacts sont prévus avec des industriels partenaires des laboratoires.

Les objectifs du travail :

• Compréhension du procédé de fabrication plastronique 3D en technologie IME ;
• Modélisation multiphysique :  Prise en main des outils de simulations (ex : Abaqus/Explicit) simulations thermomécaniques, etc. ;
• Utilisation et amélioration des codes de prédistortion du motif avant thermoformage. (ex. Python) – Des travaux préliminaires ont déjà conduits à des résultats prometteurs ;
• Développement pratique de véhicules de tests pour valider les résultats des simulations ;
• Caractérisations : dimensionnelles et électriques des véhicules de tests ;
• Définition de règles de routage d’un dispositif plastronique IME ;
• Réalisation de démonstrateurs innovants permettant d’illustrer les avancés apportées (en collaboration avec les électroniciens du laboratoire).

Le projet est porté par le laboratoire AMPERE (UMR CNRS 5005, site INSA) situé sur le campus Lyon Tech La Doua, Villeurbanne. Le laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères, IMP (UMR CNRS 5223, site d’Oyonnax) sera associé.

Le laboratoire Ampère (www.ampere-lab.fr) est une Unité Mixte de Recherche (UMR5005), sous tutelle de l'École Centrale de Lyon, de l'Université Claude Bernard Lyon 1, de l'INSA de Lyon et du CNRS. L’effectif est d’environ 200 personnes. La personne retenue intégrera une équipe interdisciplinaire composée de physicochimistes, de spécialistes en plastronique et d’électroniciens. Elle sera accueillie sur le site de l'INSA et aura accès aux équipements de la plateforme Plastronique d’AMPERE (>150m² d’équipements : moyens de fabrication, instruments de caractérisation et de test. Des outils de simulation multiphysique seront également mis à disposition.

Profil du candidat :

• Ingénieur et/ou titulaire d’un Master spécialisé. Compte-tenu de la nature du sujet, différents profils de candidats pourront être étudiés : électronicien, spécialiste des matériaux, plasturgiste, mécatronicien. Noter que ces travaux s’intégreront dans une équipe interdisciplinaire de chercheurs (physicochimistes, plasturgistes, électroniciens, etc.) qui assurera à la personne recrutée les formations spécifiques à la plastronique ;
• Bon niveau de français et d'anglais (minimum niveau B2 ou équivalent) ;
• Excellentes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication ;
• Qualités d'adaptabilité, de créativité avec un goût marqué pour l’expérimentation ;
• La motivation sera avant tout un critère déterminant dans la sélection du candidat.