导言

航空航天工业长期以来一直在寻找降低重量、缩短生产时间和增加航天器设计自由度的方法。 传统的制造方法包括电子板、电线吊带和结构组件的分离,然后是劳动密集型组装。 3D的印刷电子 — — 也称为添加型制造的电子(AME) — — 的出现正在通过直接将导电回路和组件嵌入航天器结构来改变这些过程。 本条探讨了3D的印刷电子如何将航天器制造从设计和原型到组装和空间操作的转化。

什么是3D+Printed电子?

3D ⁇ 印刷电子将添加剂制造与电子电路生产相结合. AME不是将铜从平板或熔化离散部件蚀刻到底板上,而是利用导墨,电极材料和嵌入式芯片逐层建立电子结构层. 专用的多 ⁇ 材料打印机可以将结构热塑性与导轨痕迹都沉积在一个单一的建构周期中,这样工程师就可以创建符合曲线或复杂表面的三 ⁇ 维电路——传统平板电路板不可能实现的东西.

这一过程通常涉及一个数字模型,它既规定了结构部分的几何学,也规定了嵌入式电气路径。打印机然后挤出或喷射材料,如银色的导墨、多米底二电和组件附件的solder paste点。一些先进的系统使用喷雾器或激光直接结构来解决50微米以下的细微特征。结果是一个单晶部分,其内有电线、传感器,甚至有电阻器或天线等被动部件,这些部件都是在不经过加工后组装步骤的情况下建造的。

航天器制造的惠益

减重

每发射到轨道上,每克成本就花费数千美元。 传统电子依赖于单独的多氯联苯、重联结器和大块线织物,这些物质增加了大量质量。 3D ⁇ 印刷的电子通过将痕迹直接装入结构板、括号或内壳来消除许多此类物质。 单一添加剂 ⁇ 制造的部分可以替换十几块传统部件,在某些子系统中节省高达40 ⁇ 60%的重量。 例如,装有嵌入天线和电线的卫星总线板减少了对单独电带的需求,可以腾出大量载荷或推进剂。

设计灵活性

自由造型使电子能够跟随航天器的形状,而不是强迫航天器容纳平板. 传感器可以在燃料箱内表面打印,以监测压力而不钻孔;天线可以符合卫星的外皮,改善空气动力学和信号性能. 复杂的几何仪表,如分支波导或3D ⁇ 互联堆,在不受标准PCB制造的限制下变得实用. 这种设计自由还可以使地形优化——工程师可以把导电路径精确地放置在机械负荷允许的地方,降低压力浓度,改善热管理.

更快的生产和简化供应链

传统的航天器生产需要较长的周期才能生产定制的多氯联苯、电线带和连接器。 单台机器可以使用3D ⁇ 打印的电子设备,在数小时或数天之内从数字文件中编织出完整的结构 ⁇ 电子组装。在需求制造上,可以减少库存,缩短供应链,并在设计周期中迅速进行迭代。 对于小型卫星星座,必须迅速生产数百个单元,AME提供一条串联生产的道路,而无需注射模具或人工电线组的延迟。

成本效率

工业研究估计,将电子设备纳入3D+打印结构可以将某些子系统的制造总成本降低30 % 。 此外,将多种功能合并为一部分的能力减少了供应商、资格测试和检查点的数量。 在航天器的生命周期中,降低复杂性也意味着可靠性更高和一体化风险更低。

挑战和目前的限制

尽管有这一承诺,3D ⁇ 印刷的电子必须经受住空间的极端条件. 真空,辐射,热循环从−180°C到+150°C,发射时的振动对材料和接口提出了严格的要求. 导电墨必须维持稳定的阻力和粘合力,超过数千个热循环. 电阻封装必须承受高压下气压的冲压,防止短路. 目前的导电面面比散装铜的抗压性往往更高,限制了它们用于高 ⁇ 流电客车. 高频信号 ⁇ (超过10GHz)由于表面粗糙和印刷材料的电阻损失,在高频下信号 ⁇ 的电阻性也仍然很强.

物资开发

对新的可打印导体——如铜墨、银色铜粒子和石墨复合材料——的研究旨在缩小性能差距,同时,正在对PEEK和PEKK等高温热塑性设备进行改造,以直接印刷电子产品,因为其极佳的外燃和辐射阻力。

精确度和分辨率

国家电磁层电磁层打印机的线宽度降至50 ⁇ 100 μm,这足以使许多传感器和数字信号比标准多氯联苯的25 μm线更紧,对于密集的连接,正在探索激光直线结构(LDS)或电流动力印刷等新技术,将分辨率推向10 μm以下。 内部处理检查和闭路控制也正在开发中,以确保大面积印刷的连续层对齐性和传导性。

目前对航天器的应用

几个机构和公司已经测试了3D ⁇ 打印电子。 美国航天局的航天器添加制造程序在立方体卫星板上演示了印刷天线和射频电路。 欧洲航天局(欧空局)成功地为通信卫星验证了3D ⁇ 打印波导带的过滤器,与传统的金属机械相比,质量减少了40%。2023年,一家商业小型“卫星”制造商将一个完全3D ⁇ 打印姿态控制传感器套件——包括印刷磁圈和太阳传感器——整合在一个单一的结构包里,从几周到两天的时间里剪切组装时间。

另一个显著的例子是Thales Alenia Space项目,该项目产生了一个卫星遥测装置,其印有碳纤维的导轨痕迹,它消除了30多个连接器和15米的电线,从而减少了质量50%,减少了60%的人工装配时间。

未来展望和转型潜力

轨道制造和维修

3D ⁇ 印刷的空间电子产品的最终愿景是轨道添加剂制造。空间站或自由飞航设施上安装了多件材料打印机,宇航员或机器人系统可以制造更换电路板,修复损坏的电线,甚至延长长期任务期间的有效载荷。 国际空间站(ISS)的早期实验已经打印出简单的结构部件。 将这种能力推广到电子设备上,将使深空间飞行任务能够自给自足,减少对昂贵再补给发射的需求。欧空局高级制造实验室的研究人员正在开发一台三维打印机,可以处理微重力中的热塑性和传导性,这是在轨道上制造闭合-1的关键步骤。

与数字双胞胎和AI的融合

随着航天器的相互连接程度的提高,3D ⁇ 印刷电子将在分布式感知和激活中发挥作用。未来的航天器可能将数千个印刷机株、温度和辐射传感器输入数字双子模型,从而能够实时进行结构健康监测和预测性维护。数字双子与机器 ⁇ 学习优化相结合,可以自动调整下一代航天器的印刷布局,以实地性能数据为基础,比以往更快地关闭设计 ⁇ 制造循环。

混合制造方法

相加式的三维印刷结构将有可能用于混合工艺,而不是取代所有传统方法:3D ⁇ 印刷结构,采用印刷的互联和pick ⁇ 和placed常规IC。 这结合了两个世界中最好的——添加剂设计的灵活性和经证明的标准半导体包的性能。 多个航空航天质已经开发了混合生产细胞,将六维轴机器人臂、三维打印机和组件放置头整合在一起,在一个单一的自动化工作流程中生产下一代卫星底盘。

结论

3D ⁇ 印刷电子技术正在从实验室好奇心迅速转向飞行准备技术。 通过将电路直接嵌入航天器结构,制造商在获得前所未有的设计自由的同时,大幅降低了重量、复杂性和生产时间。 尽管高功率和高频应用的材料性能和印刷分辨率仍需进一步完善,但正在进行的研究和成功的飞行演示证明了这一方法的可行性。 随着空间工业对添加剂制造的接受,3D ⁇ 印刷电子技术将成为航天器设计的基石 — — 在未来几十年里,能够执行更有能力、更负担得起和更具有复原力的任务。