أثر الإلكترونيات ذات الطباعة الثالثة على عمليات التصنيع في المركبات الفضائية

مقدمة

وقد سعت صناعة الفضاء الجوي منذ وقت طويل إلى إيجاد سبل لخفض الوزن، وتقليص جداول الإنتاج، وزيادة حرية تصميم المركبات الفضائية، وتشمل أساليب التصنيع التقليدية اختلاقات منفصلة للمجالس الإلكترونية، وأجهزة الأسلاك، والعناصر الهيكلية، تليها التجمعات الكثيفة العمالة، كما أن ظهور مكونات فضائية ذات طابع ثلاثي الأبعاد - معروفة أيضاً باسم الإلكترونيات المصنعة بصورة مضافة - يعيد تشكيل هذه العمليات عن طريق تركيب هياكل إلكترونية ذات مسارات فضائية مباشرة.

ما هي الإلكترونيات المُعدّلة من ثلاثية الأبعاد؟

وتجمع الالكترونيات ذات الطباعة العالية بين الصناعات التحويلية المضافة وإنتاج الدوائر الالكترونية، وبدلا من قذف النحاس من لوحة مسطحة أو مكونات موزعة على طبقة فرعية، تبنى هذه المؤسسة طبقة هياكل إلكترونية باستخدام أكوام متماسكة ومواد غذائية وشرائح متطورة، ويمكن للطابعات المتعددة الأغراض المتخصصة أن تودع كلا من الشعارات الهندسية الكهربية والأثريات الصنعية التقليدية.

وتنطوي العملية عادة على نموذج رقمي يحدد الهندسة لكل من الجزء الهيكلي والممرات الكهربائية المدمجة، إذ أن الطابعة التي تستخرج أو تستخرج مواد النفاثة مثل الحبر الساخر الفضي، وأجهزة البوليميد الديك، وأجهزة الاستيعاب المباعة من أجل تركيب المكونات، وتستخدم بعض النظم المتقدمة أجهزة التوليد المحتوية على الهباء الجوي أو أجهزة التكوين الليزري المصممة لحل الملامح الغرامية الغرامية.

فوائد التصنيع الحرفي الفضائي

تخفيض الوزن

(ب) كل غرام يُطلق في المدار يكلف آلاف الدولارات - تعتمد الإلكترونيات التقليدية على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وأجهزة الاتصال الثقيلة، وأجهزة الاستيعاب السائبة التي تضيف كتلة كبيرة.() وتقضي الأجهزة الإلكترونية ذات الطباع 3D على الكثير من هذه الأجهزة عن طريق إدماج آثارها مباشرة في الألواح الهيكلية أو الأقواس المعقوفة أو المساكن، ويمكن أن يحل جزء واحد مضاف مضاف من أجزاء من الألوافة محل عشر قطعة تقليدية، مما يوفِّرَّد وزناً يصل إلى 4060 في بعض النماذج الفرعية.

التصميم

ويتيح التفريغ الحر للالكترونيات اتباع شكل المركبة الفضائية بدلا من إجبار المركبة الفضائية على استيعاب اللوحات المسطحة ويمكن أيضا طباعة أجهزة الاستشعار على السطح الداخلي لصهريج الوقود لرصد الضغط دون حفر؛ ويمكن أن تتوافق الهوائيات مع الجلد الخارجي لساتل ما، وتحسين القدرة الهوائية وأداء الإشارات.

الإنتاج السريع وسلسلة الإمداد المبسّطة

ويتطلب إنتاج المركبات الفضائية التقليدية أوقاتاً طويلة من أجل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور العادم، وأجهزة الأسلاك، والاستعانة بمصادر الاتصال، وبأجهزة إلكترونية مجهزة بثلاثة دداتم، يمكن للآلة الوحيدة أن تصنّع تركيبة كاملة للكهرباء من ملف رقمي في ساعات أو أيام، وفي الوقت الذي يخفض فيه التصنيع الطلب المخزون ويقلل سلسلة الإمداد ويمكّن من سرعة التكرار أثناء دورات التصميم.

الكفاءة في التكاليف

وتشير التقديرات الواردة من الدراسات الصناعية إلى أن إدماج الإلكترونيات في الهياكل ذات الطابع الثالث يمكن أن يقلل من تكاليف التصنيع الإجمالية بنسبة 30 في المائة لبعض النظم الفرعية، بالإضافة إلى أن القدرة على الجمع بين مهام متعددة في جزء واحد، يقلل عدد الموردين، وفحوص التأهيل، ونقاط التفتيش، كما أن انخفاض درجة التعقيد، على دورة حياة مركبة فضائية، يعني أيضا زيادة الموثوقية وانخفاض مخاطر التكامل.

التحديات والحدود الحالية

وعلى الرغم من الوعد، يجب أن تنجو الأجهزة الإلكترونية ذات الطباعة الثلاثية الأبعاد من ظروف الحيز المتطرف، كما أن المواد الخام الحرارية تتراوح بين 180 درجة مئوية و150 درجة مئوية، والهزات أثناء الإطلاق تفرض شروطاً صارمة على المواد والوصلات البينية، كما أن الأورام المركبة التي تعمل على الحفاظ على مقاومة ثابتة وعلى الارتداد في آلاف الدورات الحرارية، ويجب أن تكون القدرات الديموغرافية أكبر من أن تصمد أمام السلوكيات العالية.

تطوير المواد

وتهدف البحوث التي تجرى في موصلات جديدة للطباعة - مثل الأكياس التي تعمل بالنحاس، وجسيمات النحاس الفضية، والمركبات الغرافينية - إلى سد فجوة الأداء، وفي نفس الوقت، يجب تكييف مكامن الحرارة العالية الحرارة مثل الخلايا النحاسية والفولطية للطباعة المباشرة للالكترونيات بسبب ارتفاعها في مستويات التفوق ومقاومتها للإشعاع.

الدقة والقرار

وتتحقق طابعات المشاريع الصغيرة والمتوسطة الحجم ذات الحجم الكبير من البارودات المتوسطة إلى 50100 ميكروم، وهو ما يكفي للعديد من أجهزة الاستشعار والإشارات الرقمية، ولكنه لا يزال أسير من خط الـ 25 ميكروغرام من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور القياسية، كما يجري استكشاف تقنيات جديدة مثل تركيب خطوط الليزر المباشرة للأجهزة الضوئية أو الطباعة الكهرومغناطيسية، وذلك لفرض عمليات تفتيش متسقة تحت مستويات 10 ميكروغرامات.

التطبيقات الحالية في مجال المركبات الفضائية

وقد قامت عدة وكالات وشركات باختبارات متطورة بالفعل على ٣ دال من الأجهزة الالكترونية ذات الطباعة العالية، وقد أظهرت أجهزة التصنيع الصناعي الصغيرة التابعة للناسا )العاملة في مجال تصنيع المركبات الفضائية( )٣٢( يوما من صنع أجهزة الاستشعار الصناعية الصغيرة، بما في ذلك أجهزة الاستشعار ذات الطابع التجاري، وهي أجهزة ذات طابع مضغي، على لوحات من طراز كوبيسات، ونجحت وكالة الفضاء الأوروبية في مقارنة ٤٠ في المائة من أجهزة الاستشعار ذات الطابع العالمي

ومن الأمثلة البارزة الأخرى مشروع " آلينيا " الفضائي الذي أنتج وحدة قياس ساتلية بواسطة آثار سلوكية مطبوعة مدمجة في هيكل متعدد أجهزة الكربون المقوى، وقد أدى هذا النهج إلى إزالة أكثر من 30 موصلا و15 مترا من السلك، مما أدى إلى انخفاض بنسبة 50 في المائة في الكتلة وانخفاض بنسبة 60 في المائة في ساعات العمل اليدوية.

التوقعات المستقبلية والإمكانيات التحويلية

في مجال التصنيع والتجديد

ويمكن أن تؤدي الرؤية النهائية للأجهزة الالكترونية ذات الطباعة الثلاثية الأبعاد في الفضاء إلى تصنيع مضافات، حيث يمكن للطابعة المتعددة الهواء على متن محطة فضائية أو مرفق حر للتحليق، أو للسيارات الفضائية الفلكية أو النظم الآلية أن تتلفق لوحات الاستبدال، أو تصليح الأسلاك المضرورة، أو حتى رفع الحمولات أثناء بعثات طويلة الأجل.

التكامل مع التوائم الرقمية و AI

ومع أن المركبات الفضائية أصبحت أكثر ترابطا، فإن الأجهزة الالكترونية ذات الطباعة الثالثة دال ستؤدي دورا في الاستشعار الموزع والتصوير، وقد تدمج المركبة الفضائية في المستقبل آلاف أجهزة الاستشعار المطبوعة ودرجة الحرارة والإشعاعية التي تغذي البيانات في نموذج رقمي مزدوج، مما سيمكن من رصد الصحة الهيكلية في الوقت الحقيقي ومن الصيانة المتوقعة، مع الاستفادة المثلى من التعلم الآلي، يمكن للتوائم الرقمي أن يكيف تلقائيا التصميم المطبوع على الجيل القادم من المركبات الفضائية.

النهج الصناعية الهجينة

وبدلاً من الاستعاضة عن جميع الأساليب التقليدية، من المرجح أن تستخدم هذه المشاريع في العمليات المختلطة: الهياكل المطبعية 3D التي لها وصلات مطبوعة ومواقع متداخلة، وهي تجمع بين أفضل العالمين - مرونة التصميم الإضافي والأداء المثبت لمجموعة من المواد القياسية شبه الموصلات، وهناك العديد من الرؤوس الفضائية الجوية تقوم بالفعل بتطوير خلايا إنتاجية مختلطة تدمج بين جيل آلي واحد من العناصر المكونة للتدفقات الصناعية، وهو جيل آلي واحد من ثلاثي.

خاتمة

وتنتقل الالكترونيات ذات الطباعة العالية بسرعة من الفضول المختبري إلى تكنولوجيا الطيران، فبإدماج دوائر السير مباشرة في هياكل المركبات الفضائية، يحقق المصانع تخفيضات كبيرة في الوزن والتعقيد والوقت الإنتاجي، مع اكتساب حرية تصميم غير مسبوقة، ومع أن الأداء المادي والطباعة ما زالا يتطلبان مزيدا من الصقل للتطبيقات العالية الطاقة والارتفاعية، فإن البحث الجاري والتظاهرات الناجحة للرحلات تثبت جدوى التصنيعية الثلاث.