導入事例

航空宇宙産業は、重量を減らし、生産のタイムラインを短くし、スペースクラフトのための設計自由を高めるための長い求められた方法を持っています。従来の製造方法は、電子ボード、配線ハーネス、および構造部品の製造を分離し、労働集約的なアセンブリによって続きます。この3Dプリントエレクトロニクスの出現は、また、添加剤製造された電子機器(AME)とも呼ばれています。これらは、直接、導電回路とコンポーネントを宇宙船構造に組み込むことで、これらのプロセスを再構成されています。この製品は、電子工作や設計から製造する方法を模造しています。

3D-Printed Electronicsとは何ですか?

3D-printed電子は、電子回路製造と添加剤の製造を組み合わせます。 フラットボードやはんだ付けする離散剤コンポーネントから基板に銅をエッチングする代わりに、AMEは導電性インク、誘電材料、および埋め込まれたチップを使用して、レイヤーによって電子構造層を組み立てます。 特化マルチマテリアルプリンタは、構造熱可塑性および導電性トレースを単一のビルドサイクルに堆積できます。 これにより、エンジニアは、従来の回路と不可能な曲線または複雑な表面に合わせる3次元回路を作成することができます。

プロセスは通常、構造部品と埋め込まれた電気経路の幾何学を規定するデジタルモデルを含みます。プリンターは、銀系導電性インク、ポリイミド誘電体、およびはんだ-ペーストドットなどの材料を押出しまたはジェット機で押出します。一部の高度なシステムは、アエゾーゾールジェットまたはレーザーダイレクトストラスチャーを使用して、50μm以下の微細な機能を解決します。結果は、一体配線、センサー、およびパッシブコンポーネントの構成要素が組み込まれている、またはすべてのアンテナを組み立てたり、または組み立てたりすることなく、モノリシックな部品です。

宇宙船の製造業のための利点

体重減少

あらゆるグラムは、軌道に開始されたドルのコストを数千ドル。従来の電子機器は、別のPCB、重いコネクタ、および重要な質量を追加する多量的な配線織機に依存しています。 3Dプリントエレクトロニクスは、構造パネル、ブラケット、またはハウジングに直接トレースを統合することにより、これらの多くは排除します。 単一の添加剤製造部品は、いくつかのサブシステムで最大40〜60%の体重を節約し、ダース伝統的な部分を交換することができます。 例えば、埋め込まれたアンテナと、または追加のパワーを節約する、または追加のハーネスを節約することができます。

設計柔軟性

自由の形成は、電子が宇宙船を強制するのではなく、宇宙船の形状に従うことを可能にします。センサーは、ドリル穴なしで圧力を監視するために燃料タンクの内部面に印刷することができます。アンテナは、衛星の外皮に合わせ、空力と信号性能を向上させることができます。このような複雑な幾何学は、標準的なPCB製造の制約なしに、燃料タンクの内部面に印刷することができます。この設計の自由は、天体の改善と機械的負荷を正確にすることができます。

より高速な生産と簡易なサプライチェーン

従来の宇宙船の生産は注文のPCBs、配線用ハーネスおよびコネクターの調達のための長い鉛の時間を必要とします。3D印刷された電子工学を使うと、単一機械は時間か日のデジタル ファイルからの完全な構造電子アセンブリを製造できます。オンデマンドの製造業は在庫を減らします、供給の鎖を短くし、設計周期の間に急速な反復を可能にします。100単位がすぐに作り出なければならない小さい衛星の星のために、AMEはアセンブリの注入の用具の費用なしでシリアル生産に道を提供しますまたはアセンブリの遅れのアセンブリの訓練。

コスト効率

フィーダー部品、アセンブリの労働量が少なく、物流の合理化は、システム全体のコストを削減します。業界調査の見積もりは、電子機器を3D-printed構造に統合することで、特定のサブシステムに対して30〜50%のトータル製造コストを削減することができます。さらに、複数の機能を1つの部分に組み合わせる能力は、サプライヤー、資格試験、検査ポイントの数を減らすことができます。宇宙船のライフサイクル全体では、複雑性を削減し、より高い信頼性と低統合リスクを意味します。

課題と現在の制限

約束にもかかわらず、3D印刷された電子工学はスペースの極端な条件を生き残る必要があります。真空、放射、熱循環--180°Cへの+ +150°Cおよび開始の間の振動は材料およびインターフェイスの厳しい条件を課します。伝導性のインクは熱周期の何千もの安定した抵抗および付着を維持しなければなりません。誘電体カプセル封入は高圧の下の短絡に耐え、防ぎます。伝導性のりは頻繁にバルク銅より高い抵抗を持っていて、高電圧の欠陥に高められた力-の残余剰の信号を制限します(-)。

素材開発

銅系インキ、銀系銅粒子、黒鉛複合材などの新印刷可能な導体の研究は、性能ギャップを閉じることを目指しています。同時に、PEEKやPEKKなどの高温熱可塑性は、優れたガス化と放射線抵抗のために、電子機器の直接印刷のために適応されています。柔軟な基質を有する構造ポリマーを組み合わせた多材料印刷は、開発の重要な分野であり、回路の回転や橋梁の伸縮が異なる部分を移動させるような緊張を取り除くセクションを可能にします。

精密・高分解能

ステート・オブ・ザ・アート・アメプリンターは、多くのセンサーやデジタル信号に接種する50〜100μmまでのライン幅を達成していますが、標準PCBの25μmラインよりも依然として粗いです。密接な相互接続のために、レーザー直接構造(LDS)や電気流体力学印刷などの新技術は、10μm以下の解像度をプッシュするために探しています。イン・プロセス検査とクローズドループ制御は、印刷領域全体に一貫して開発され、印刷および印刷領域全体に大きな方向性を確保しています。

宇宙船の現在のアプリケーション

いくつかの代理店や企業はすでに飛行-テスト済み3D-プリントエレクトロニクスを持っています。 NASAの[]スペースクラフト(AMS)プログラム()のための添加剤製造は、CubeSatパネル上の印刷されたアンテナと無線周波数回路を実証しました。 ヨーロッパのスペースエージェンシー(ESA)は、通信衛星用の3D-プリントされた導波バンド-パスフィルタを正常に認定し、従来の金属加工と比較して40%削減する。 市販のコイルは、30〜20〜20日間、製造されたセンサーを完全に調整しました。

もう一つの注目すべき例は、カーボン=ファイバ強化ポリマー構造に埋め込まれた導電性トレースで衛星テレメトリーユニットを生成した「3つのアレンア宇宙プロジェクト」です。このアプローチは、30以上のコネクタと15メートルのワイヤを排除し、質量の50%削減と手動アセンブリ時間の60%削減を実現します。このような実証実験は、AMEが統合ワークフローを簡素化しながら、スペースレベルの信頼性を配信できることを検証します。

未来の展望と変革の可能性

オン軌道製造と修理

空間内の3Dプリントエレクトロニクスの究極のビジョンは、オン軌道の添加剤製造です。マルチマテリアルプリンターは、スペースステーションまたはフリーフライング施設を内蔵し、アストロノウトまたはロボットシステムが、交換回路基板を製作したり、破損した配線を修理したり、長期にわたるミッションでペイロードをアップグレードしたりすることができます。国際宇宙ステーション(ISS)での早期実験は、すでに単純な構造部品を印刷しました。電子機器へのその機能を強化することで、ディープ・スペースが自己の低減、または再構築に必要なプロセスを容易にすることができます。[F] 製造プロセスは、プロセスを自動化する必要とすることができます。

デジタルツインとAIとの統合

宇宙船は、より相互接続されるように、3Dプリントされた電子機器は、分散センシングと作動の役割を果たします。将来の宇宙船は、データにデジタルツインモデルにフィードする印刷株、温度、放射線センサーの何千もの組み込みをすることができます。これにより、リアルタイム構造的な健康監視と予測的なメンテナンスが可能になります。機械学習の最適化と組み合わせ、デジタルツインは、自動で、フィールドパフォーマンスデータに基づいて次世代の宇宙船を調節することができます。設計ループを閉じる前に、設計ループを閉じます。

ハイブリッド製造アプローチ

従来のあらゆる方法の交換よりも、AMEはハイブリッド・プロセスで用いられるでしょう。3D-printed構造体には、プリント配線とピック・アンド・プレースド・従来のICが搭載されています。この製品は、両方の世界でも最高の製品です。標準半導体パッケージの実証済みの性能で、添加剤設計の柔軟性を兼ね備えています。複数の航空宇宙プライムは、6軸ロボットアーム、3Dプリンター、およびコンポーネント配置ヘッドを統合したハイブリッド製造セルを開発し、単一の自動化ワークフローで次世代衛星を生成します。

コンテンツ

3Dプリントエレクトロニクスは、実験室の好奇心から飛行準備技術に急速に移動しています。 回路を宇宙船構造に直接埋め込むことにより、メーカーは重量、複雑性、生産時間を劇的に削減し、これまでにない設計自由を得ながら達成します。 マテリアル性能と印刷の解像度は、高電力および高周波アプリケーション、継続的な研究開発と成功する飛行実証のためのさらなる改良を必要としています。 業界は、電子機器の埋め込みとして、3D-耐摩耗性を発揮します。 より多くの設計が可能であり、より多くの技術が、より効率的な設計が可能になるように、より多くの技術は、より効率的な設計を実現するために、より効率的な設計を実現することができます。