NASA рассматривает аэрозольную 3D-печать для изготовления электроники

Нет более яркого примера высокотехнологичного штучного и мелкосерийного производства, чем космическая отрасль. Многие космические аппараты, особенно исследовательские, изготавливаются в единственных экземплярах, что в немалой степени обуславливает их высокую стоимость. Решения здесь два. Первое заключается в использовании коммерчески доступных компонентов, что не всегда возможно из-за несоответствия изделий исключительно высоким стандартам безопасности и надежности. Второе состоит в снижении себестоимости за счет использования аддитивных технологий. NASA исследует технологию пятиосевой аэрозольной печати («Aerosol Jet Printing») применимо к изготовлению электронных компонентов космических аппаратов. Назвать эту технологию методом 3D-печати в ее текущем виде сложно, ибо упор делается на печать одиночных слоев, но здесь все зависит от желания, так как возможность объемного построения существует. Главное же практическое достоинство в глазах NASA заключается в возможности наносить произвольные рисунки токопроводящими и изолирующими материалами на объекты сложной формы.

Основной причиной для исследований в области аэрозольной 3D-печати стала миниатюризация компонентов и космических аппаратов в целом. Все более популярными становятся микроспутники, создаваемые по универсальному стандарту CubeSat. При этом небольшие аппараты сохраняют высокую функциональность, а разработчики стремятся использовать небольшой рабочий объем с максимальной выгодой. Одним из решений может стать изготовление компонентов сложной формы, оптимально использующих внутренний объем. Более того, определенные детали можно выполнять не в виде отдельных компонентов, а печатать прямо поверх других деталей. Простым примером тому служат 3D-печатные антенны, использующие в качестве субстрата корпус аппарата или другие детали.

«Если мы добьемся успеха, аэрозольная 3D-печать может стать новым методом изготовления компактных электронных сборок, а также улучшить их технические характеристики и конструкционную плотность», – считает Бетани Пакетт, технолог Центра космических полетов Годдарда и руководитель проекта. Кроме того, г-жа Пакетт уверена, что аэрозольная печать позволит значительно сократить производственный цикл уникальных электронных компонентов с месяца до одного-двух дней.

Пионером технологии считается американская компания Optomec, принимающая участие в проекте наряду с рядом других производителей, университетов и научно-исследовательских исследовательских учреждений. Суть же метода состоит в произвольном газовом напылении частиц, включая серебро, золото, платину и алюминий. Начинается процесс, как всегда, с этапа CAD-проектирования, после чего в дело вступает 3D-печатающая установка с пятиосевым манипулятором. Возможности технологии не ограничиваются нанесением токопроводящих материалов. Точно так же возможна печать диэлектриками и даже построение углеродных нанотрубок – цилиндрических молекул углерода с многообещающими свойствами, полезными в производстве электроники и оптики. Таким образом, возможна печать электронных схем на поверхностях любой формы. «Технология позволяет печатать на изгибах, сферах, обычных плоских поверхностях или даже на гибких материалах, которые потом могут быть согнуты в необходимую форму», – поясняет Бетани Пакетт.

Все это делает аэрозольную 3D-печать отличным методом для производства сенсорных сборок, особенно сложной формы и миниатюрных размеров. Последний момент обуславливает необходимость упаковки соединенных компонентов в постоянно уменьшающиеся объемы, что становится все сложнее и сложнее для традиционных производственных технологий. «Мы можем сделать проводку толщиной в считанные микроны. Эти соединения очень тонкие, толщиной всего в десять микрон. Подобных размеров невозможно достичь при использовании традиционных методов изготовления печатных плат», – рассказывает исследователь. На иллюстрации выше изображена полоска жидкокристаллического полимера с золотой проводкой в 60 микрон, напечатанная методом аэрозольного напыления. Технология не будет ограничена изготовлением одних лишь детекторов. Технолог Вес Пауэлл считает, что аэрозольная 3D-печать может быть использована для печати антенн, кабельных сборок и другого «железа» прямо на несущих элементах конструкции космических аппаратов.



Как это работает:

Аэрозольная 3D-печать использует принцип аэродинамической фокусировки для точного нанесения электронных чернил на субстраты. Чернила заправляются в атомизатор, создающий плотное облако капель диаметром от двух до пяти микрон, насыщенных необходимым материалом. Затем аэрозоль распыляется головкой, фокусирующей поток с помощью газового чехла – потока газа, обволакивающего поток аэрозоля. При проходе через головку происходит ускорение, а аэрозоль фокусируется в плотный поток капель, текущий внутри газового чехла. В качестве защитной газовой оболочки обычно используется чистый азот или сухой воздух. На дистанции до 5 миллиметров от головки до субстрата получаемый поток сохраняет плотность вплоть до касания, благодаря чему достигается высокое разрешение печати. Пятиосевая конструкция позволяет менять направление печати и следовать практически любым контурам по векторам, заложенным в алгоритм. В опытных установках Optomec детализация может варьироваться от десяти микрон до трех миллиметров, хотя верхний порог может при необходимости быть повышен, так как система поддается масштабированию, в том числе и за счет применения печатающих массивов.

На каком этапе находятся исследования? Отвечает Бетани Пакетт: «Аэрозольная 3D-печать обладает потенциалом для создания различных конфигураций, но наносимые материалы пока не были испытаны в условиях, приближающихся к полетным. Этим мы сейчас и занимаемся».