مقدمه مقدماتی

صنعت هوافضا مدت ها به دنبال راه هایی برای کاهش وزن، کوتاه کردن زمان بندی تولید و افزایش آزادی طراحی برای ساخت فضاپیما است. روش های سنتی شامل ساخت جداگانه از تخته های الکترونیکی، سیم کشی و اجزای ساختاری، به دنبال مونتاژ نیروی کار فشرده، ظهور دستگاه های الکترونیکی 3D چاپ شده - همچنین به عنوان افزودنی های الکترونیکی تولید (AME) شناخته می شود - این فرآیندها را به طور مستقیم با جاسازی قطعات مونتاژ و ساخت و ساز قطعات به بررسی این مواد الکترونیکی.

الکترونیک 3D-Printed چیست؟

الکترونیک پرینت سه بعدی ترکیب تولید افزودنی با تولید مدار الکترونیکی است، به جای ذخیره مس از یک هیئت مدیره مسطح یا اجزای گسسته بر روی یک بستر، AME ساخت ساختارهای لایه الکترونیکی با استفاده از جوهر های لایه، مواد دی الکتریک و تراشه های تخصصی جاسازی شده می تواند هر دو ترموپلاستی ساختاری و ردیابی های رسانا را در یک چرخه واحد ایجاد کند که این اجازه می دهد تا مهندسان سه مدار پیچیده یا پیچیده را ایجاد کنند - چیزی که با صفحات چند بعدی یا غیر ممکن است.

این فرآیند به طور معمول شامل یک مدل دیجیتال است که هندسه هر دو بخش ساختاری و مسیرهای الکتریکی جاسازی شده را مشخص می کند. پرینتر سپس رزین ها یا مواد جت مانند جوهر رسانای نقره ای، پلیومی دی الکتریک، و نقاط ذخیره شده برای وابستگی جزء استفاده می کند. برخی از سیستم های پیشرفته از یک جت محلول یا لیزر مستقیم برای حل دقیق زیر 50 ویژگی های مونتاژ، بدون سیم کشی، حتی قطعات منفعل و یا قطعات سیم کشی، مقاومت می کنند.

مزایای ساخت Spacecraft

کاهش وزن

هر گرم پرتاب شده به مدار هزاران دلار هزینه دارد. الکترونیک سنتی متکی به PCB های جداگانه، کانکتور های سنگین و سیم کشی بزرگ است که توده قابل توجهی را اضافه می کند. 3D چاپ شده الکترونیک بسیاری از این ها را با ادغام مستقیم بر روی پانل های ساختاری، براکت ها یا مسکن ها حذف می کند.یک بخش افزودنی تک نفره می تواند جایگزین یک دوجین قطعات سنتی شود، تا 40٪ وزنه را برای ذخیره سازی قطعات جداگانه با استفاده از پانل های شارژ و یا خطوط شارژ کند.

طراحی انعطاف پذیری

ساخت فرم آزاد اجازه می دهد تا الکترونیک به دنبال شکل فضاپیما به جای مجبور کردن فضاپیما به جای نصب تخته های مسطح باشد. سنسورها می توانند بر روی سطح داخلی یک مخزن سوخت چاپ شوند تا بدون سوراخ های حفاری فشار را نظارت کنند؛ آنتن ها می توانند با پوست بیرونی یک ماهواره سازگار شوند، بهبود آئرودینامیک و اجرای سیگنال، زمین های پیچیده مانند شاخه های موج یا 3D را که دقیقاً قادر به بهبود محدودیت های استاندارد سازی PCB هستند، بهبود دهند، همچنین می توانند سرعت طراحی استاندارد را بهبود دهند.

زنجیره تامین سریع تر تولید و Simplified Supply Chains

تولید سنتی فضاپیما نیاز به زمان طولانی برای PCB های سفارشی، سیم کشی و منبع اتصال دارد.با الکترونیک پرینت سه بعدی، یک ماشین واحد می تواند یک مونتاژ کامل ساختاری الکترونیکی را از یک فایل سیم کشی دیجیتال در ساعت ها یا روزها ایجاد کند. On- Demand موجودی را کاهش می دهد، زنجیره تامین را کوتاه می کند و سرعت آن را در طول طراحی چرخه های کوچک ماهواره ای، که صدها واحد تولید را به سرعت تولید می کند، بدون استفاده از قطعات دستی یا ارائه می کند.

هزینه بهره وری

بخش های کمتر، کار مونتاژ کمتر و تدارکات ساده هزینه کلی سیستم را کاهش می دهد. برآوردها از مطالعات صنعت نشان می دهد که ادغام الکترونیک به ساختارهای 3D چاپ شده می تواند هزینه های تولید کل را 30 تا 50٪ برای سیستم های فرعی خاص کاهش دهد. علاوه بر این، توانایی ترکیب چندین توابع به یک بخش تعداد تامین کنندگان، آزمایش های واجد شرایط و نقاط بازرسی را کاهش دهد.

چالش ها و محدودیت های فعلی

علی رغم وعده، الکترونیک پرینت سه بعدی باید از شرایط شدید فضا، خلاء، پرتو، دوچرخه سواری حرارتی از -180 درجه سانتیگراد به +150 °C، و ارتعاشات در هنگام راه اندازی، الزامات سختگیرانه ای را بر مواد و اتصالات فشار می آورد. ریدایرکت ها باید مقاومت پایدار و چسبندگی بیش از هزاران چرخه حرارتی را حفظ کنند.

توسعه مواد

تحقیقات در مورد هادی های چاپی جدید - مانند جوهر های مس، ذرات مس با روکش نقره و کامپوزیت گرافن - با هدف بستن شکاف عملکرد به طور همزمان، ترموپلاستی های با دمای بالا مانند PEEK و PEK برای چاپ مستقیم از الکترونیک سازگار هستند، زیرا از گازهای عالی و مقاومت چند ماده ای که ترکیب می کند، چاپ چند ماده ای است که ترکیب می تواند بخش های توسعه ساختاری انعطاف پذیر را از جریان دهد.

دقت و قطعنامه

پرینترهای پیشرفته AME به عرض خط تا 50100 μm می رسند که برای بسیاری از سنسورها و سیگنال های دیجیتال کافی است اما هنوز هم ضخیم تر از 25 μm PCB های استاندارد است.برای اتصالات متراکم، تکنیک های جدید مانند لیزر هدایت مستقیم (LDS) یا چاپ الکتروودینامیک برای جلوگیری از مسدود کردن رزولوشن های لایه های پردازش حلقه 10 و همچنین کنترل گسترده است.

برنامه های فعلی در Spacecraft

چندین آژانس و شرکت در حال حاضر تجهیزات الکترونیکی 3D چاپ شده توسط ناسا (FLT:0) برنامه اضافه سازی برای Spacecraft (AMS) را آزمایش کرده اند آنتن های چاپی و مدارهای رادیویی را در پانل های مکعب Sat نشان داده است. آژانس فضایی اروپا (ESA) با موفقیت یک باند 3D چاپ شده با سرعت 3، در مقایسه با یک سنسور فرکانسی کوچک در مقایسه با کاهش یک سنسور معمولی 3، 40٪.

مثال قابل توجه دیگر پروژه فضایی آلنیا را که یک واحد تله متری ماهواره ای را با ردهای رسانای چاپ شده در یک ساختار پلیمری تقویت شده کربن تولید می کند، این رویکرد بیش از 30 کانکتور و 15 متر سیم را از بین برد، و منجر به کاهش 50٪ در توده و کاهش 60٪ در ساعات کار دستی می شود که می تواند قابلیت اطمینان از فضا را ساده کند.

آینده چشم انداز و پتانسیل تحول

تولید و تعمیر در مدار

چشم انداز نهایی برای پرینتر الکترونیکی 3D چاپ شده در فضا در حال تولید افزودنی در مدار است (با یک چاپگر چند ماده ای در ایستگاه فضایی یا یک تاسیسات پرواز آزاد، فضانوردان یا سیستم های روباتیک می توانند تخته های مدار جایگزین را به سمت سیم کشی 3، تعمیر سیم کشی گام آسیب دیده یا حتی به روز رسانی محموله در طول ماموریت های طولانی مدت در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) انجام دهند و در حال حاضر به صورت ساده ای که قطعات تولید قطعات سخت افزاری را در حال توسعه می دهد، اجازه می دهد تا قطعات تولید قطعات کوچک را کاهش دهد.

ادغام با دیجیتال Twin و AI

همانطور که فضاپیما به هم پیوسته تر می شود، الکترونیک پرینت سه بعدی نقش مهمی در سنجش و ارزیابی توزیع شده ایفا خواهد کرد. فضاپیمای آینده ممکن است هزاران سویه چاپی، دما و سنسورهای پرتو را که داده ها را به یک مدل دوقلو دیجیتال تغذیه می کنند، ترکیب با بهینه سازی بهینه سازی ماشین، دوقلو دیجیتال می تواند به طور خودکار طرح چاپ برای نسل بعدی طراحی فضاپیما را تنظیم کند.

مدل های تولید ترکیبی

به جای جایگزین کردن تمام روش های سنتی، AME احتمالا در فرآیندهای هیبریدی استفاده می شود: ساختارهای پرینت سه بعدی با اتصال های چاپی و IC متعارف انتخاب شده و جایگزین شده IC مرسوم، این ترکیب بهترین از هر دو جهان - انعطاف پذیری طراحی افزودنی با عملکرد ثابت شده از بسته های نیمه هادی استاندارد است. S چند هواشناسان در حال حاضر در حال توسعه سلول های تولید ترکیبی هستند که ادغام یک ربات شش محور، و یک قطعه خودکار در نسل بعدی.

نتیجه گیری

الکترونیک پرینت سه بعدی به سرعت از کنجکاوی آزمایشگاهی به تکنولوژی آماده پرواز حرکت می کند، با جاسازی مدارهای به طور مستقیم به ساختارهای فضاپیما، تولید کنندگان به کاهش چشمگیر وزن، پیچیدگی و زمان تولید در حالی که به دست آوردن آزادی طراحی بی سابقه، اگرچه عملکرد مواد و وضوح چاپ هنوز نیاز به اصلاح بیشتر برای قدرت بالا و برنامه های با فرکانس بالا، تحقیقات مداوم و تظاهرات پرواز موفق ثابت می کند که امکان پذیر شدن در طراحی الکترونیک انعطاف پذیر است، به عنوان یک طراحی داخلی، و ساده تر، به عنوان یک طراحی سایت های بیشتر، به عنوان یک طراحی ساده تر، و مقرون به کار می شود.