3D打印柔性电子,让太空任务“减重”!

柔性电子增材制造方面,此前,3D科学谷曾分享过西湖未来智造微米级3D打印完成数千万元融资,通过将金属、陶瓷、磁性材料、聚合物等集成处理应用,弥补电子、光学领域精密加工中百纳米至百微米的市场空白;3D科学谷也曾分享过梦之墨2021年完成近亿元B1轮融资 推动柔性电子增材制造产业化,梦之墨依托中国科学院理化技术研究所、清华大学等强大技术力量和自主知识产权,构建了“材料-制造-应用”三位一体的柔性电路绿色生产模式,用变革性技术打破电子制造边界。

3D打印柔性电子在世界范围内已然成为热点… …

3D打印柔性电子概括下来主要有两大特点,一是体现在“混合”二字,也就是在打印的过程中,不仅仅将液态的导电油墨和其他材料打印成电路的形状,还将电子元器件直接“插入”到电路上;二是体现在柔性方面,通过打印到可拉伸的基体表面上,这种产品就有了完成各种变形的柔性特点。

White paper_32_Valley© 3D科学谷白皮书

block 减重

利用3D打印开辟了柔性电子新的设计维度,允许创建新颖的堆叠或嵌入式集成电路。在这方面,ESA欧洲航天局正在积极的推进通过3D打印帮助太空任务“减重”。

任何太空任务的功能都由其电子和机电 (EEE) 组件决定。虽然单个标准卫星的尺寸很小,但它可能包含数千个这样的有源和无源电子零件,以及共计数公里的连接链路,ESA欧洲航天局正在研究3D打印这些电子设备,以提高整体稳健性,同时降低质量、制造交货时间和成本。

通过3D打印加工各种电活性材料,例如金属或碳掺杂聚合物,以形成晶体管、电容器和电阻器等设备,以及将它们连接在一起的电连接器。3D打印电子电气设备部件的主要优点是灵活性,几乎可以打印成任何形状,并沿着复杂的几何形状铺设柔性基材,这在传统制造中几乎是不可能的。

ESA欧洲航天局的电子开发团队汇集了来自材料、组件、天线和微波有效载荷等不同专业领域的专家,涵盖ESA 的四个部门:地球观测;人类与机器人工程;技术、工程和质量;电信和集成应用。目标是为将3D打印电子引入航天领域,创建一个共享路线图。

3D打印还可以以低得多的成本生产,根据科技巨头 Mercury Systems 的说法,比标准EEE零件便宜 95%,并且在本地完成,这应合了航天工业的小批量多品种混合要求。也大大缩短了周转时间——从 3-4 个月缩短到 12 小时。

此外,还可以利用比传统硅微电子行业通常使用的材料更便宜的材料,例如电活性聚酯或 PEEK 塑料。这些电路被打印在薄基板上,并且可以打印在现有硬件或结构表面上。

part_ESA打印电子零件样品
© ESA

传统上,焊接环节是EEE零件潜在故障的一个主要点,以至于ESA欧洲航天局在欧洲各地组织了一个焊接学校网络。而脆弱的焊料或硅连接可以用3D打印“墨水堆栈”代替,“墨水堆栈”的机械强度更强,能够更好地承受发射的压力。

此外,3D打印还开启了在国际空间站、月球或火星等地点现场修复和生产零件的前景。

block 可持续

3D打印电子产品在生产方面提供了一种更加可持续的方法,可以减少65-80%的废物、更少的制造工具和更低的温度,在运输、回收生物基塑料方面大大减少碳足迹。

part_ESA_2安装在国际空间站上的展开式太阳能电池阵列
© ESA

不过3D打印电子产品目前的一个主要缺点是3D打印电子产品尚不具备硅微电子行业中常用制造方法的极高精度和分辨率能力。

另一个问题是,除了少数情况外,与太空环境的兼容性也尚未完全建立。例如,Redwire为NASA提供了卷出式太阳能电池阵列(ROSA),这是一种完全灵活且可展开的太阳能电池阵列,用于国际空间站以及撞击小行星任务,并将用于绕月门户站的推进元件。

最近,Space Foundry在NASA 艾姆斯研究中心 (ARC) 开发了一项突破性的等离子喷射打印技术,并在微重力下成功进行了测试,而爱荷华州立大学的研究人员则与 NASA 合作在失重条件下测试了3D打印电子产品。

欧洲航天局的工作组结合了来自不同领域的专家,目前正在研究3D打印技术在太空中的所有可能应用,然后将其范围缩小到与太空要求兼容的几个改变游戏规则的方向,以优先考虑投资。

知之既深,行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络,3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析,请关注3D科学谷发布的白皮书系列。


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