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La stampa 3D porta i circuiti elettronici nello spazio: così si apre una nuova era

on 11 Aprile 2019

La stampa 3D di PCB e circuiti elettronici è ormai arrivata a un punto di maturazione talmente avanzato che è entrata a pieno titolo nel settore a maggiore complessità, quello dell’aerospazio. Tre notizie arrivate nelle ultime settimane danno la misura di quanto tutto ciò sia concreto. La prima è l’approvazione del brevetto, negli Stati Unito e in Corea, per l’inchiostro dielettrico destinato alla stampa 3D di materiali elettronici, sviluppato da Nano Dimension, che porterà questa tecnologia nella Stazione Spaziale Internazionale. Poi la notizia che il nostro cliente Thales Alenia Space ha cominciato ad adottare la stampa 3D per produrre in serie alcuni componenti per i satelliti di telecomunicazione basati sulla piattaforma all-electric Spacebus Neo. Infine la decisione della NASA di stanziare 2 milioni di dollari per lo sviluppo di sensori multidimensionali stampati in 3D.

L’inchiostro dielettrico di Nano Dimensione sulla Stazione Spaziale Internazionale

L’inchiostro dielettrico è un materiale speciale, basato sulle nano-particelle, che viene utilizzato nella stampa 3D per realizzare le parti non conduttive. L’inchiostro dielettrico di Nano Dimension riesce a fornire prestazioni eccellenti per le comunicazioni ad alta frequenza fino a 6 GHz, con performances del circuito paragonabili a quelle dei circuiti sviluppati utilizzando tecniche di produzione convenzionali. Questo tipo di prestazioni, combinato con la leggerezza dell’inchiostro e le proprietà dielettriche, ha reso DragonFly Pro – il sistema e la tecnologia di produzione additiva di precisione di Nano Dimension – molto attraente per il settore spaziale. Risulta promettente, in particolare, nel campo emergente dei mini satelliti, dove peso e dimensioni sono requisiti di progettazione determinanti.

inchiostro dielettrico stampa 3D

Così si presenta al microscopio uno degli inchiostri dielettrici fotopolimerici sviluppati da Nano Dimension

Nel brevetto approvato viene utilizzata una nuova composizione e un nuovo metodo per formare un materiale termoindurente stampabile con eccellenti proprietà fisiche. Ciò è ideale per tavole termoindurenti, fogli e / o film potenzialmente utili per formare elementi di alloggiamento di vari dispositivi che richiedono alte prestazioni.

“L’approvazione di questo brevetto è un altro passo nel nostro percorso per cambiare radicalmente il modo in cui vengono realizzate le parti elettroniche e aggiungere valore ai processi di progettazione e produzione”, ha detto Amit Dror, CEO di Nano Dimension. “I circuiti a radiofrequenza come gli amplificatori e le antenne prodotte con la stampa additiva, grazie alla nostra DragonFly Pro, saranno testati sulla Stazione Spaziale Internazionale come parte di un progetto congiunto di Harris e Space Florida. Siamo molto entusiasti di questo progetto e del suo enorme potenziale nello sviluppo di applicazioni innovative per lo spazio.”

Stazione Spaziale Internazionale

Gli elementi che compongono la Stazione Spziale Internazionale (aprile 2016)

La stampa 3D in serie per satelliti e veicoli spaziali

La stampa 3D non è proprio un novità, nello spazio, perché protagonisti come Thales Alenia Space e Leonardo – entrambi clienti Cadlog – già hanno attuato diverse iniziative nel campo. Nel 2015 una partnership tra le due società portò al lancio del satellite TürkmenÄlem MonacoSat, dotato di supporti in alluminio per le antenne stampati in 3D, poi diventati tecnologia standard per via della loro leggerezza. I satelliti per telecomunicazioni Koreasat 5A e 7, messi in orbita nel 2017, erano dotati delle più grandi componenti per veicoli spaziali stampati in 3D in Europa. Oggi la società francese ha deciso di fare il salto e produrre in serie alcuni componenti per i satelliti di telecomunicazione basati sulla piattaforma Spacebus Neo. In questo splendido video sullo Spacebus Neo è possibile cogliere l’importanza di soluzioni modulari nella produzione di satelliti.

Sullo Spacebus Neo ci saranno quattro staffe in alluminio per le ruote di reazione e 16 staffe di attivazione e puntamento dell’antenna (ADPM). Il ricorso alla stampa 3D è motivato dalle esigenze di mercato, dal momento che questa soluzione permette di ridurre i costo del 10%, accorciare i tempi di consegna di 1-2 mesi e diminuire l peso del 30%. Un’altra caratteristica interessante della stampa 3D è che essa permette di coniugare la produzione in serie con la personalizzazione, per adattare i dispositivi alle esigenze specifiche delle diverse missioni spaziali. I connettori e i raccordi per i cavi sono incorporati nel progetto complessivo, realizzato tramite un unico processo di stampa, che evita ulteriori fasi di assemblaggio.

I sensori multifunzione della NASA stampati in 3D

Il terzo progetto di cui vi parliamo è stato ideato da una scienziata bengalese della NASA, Mahmooda Sultana, la quale ha ricevuto un finanziamento di 2 milioni di dollari per sviluppare sensori multifunzione tramite stampa 3D destinati all’esplorazione spaziale.

Mahmooda Sultana

Mahmooda Sultana

Sultana, che lavora al centro spaziale di Goddard, a Washington D.C., Usa, ha detto: “Siamo davvero entusiasti delle possibilità di questa tecnologia”. Grazie al finanziamento, possiamo portare questa tecnologia ad un livello successivo e offrire potenzialmente alla NASA un nuovo modo per creare piattaforme personalizzate di sensori multifunzione, che credo posso aprire la porta a tutti i tipi di missione e utilizzi”.

La scienziata aveva sviluppato prototipi di sensori multifunzione grazie a una stampante 3D sviluppata dalla Northeastern University. Questi sensori erano costituiti da vari nanomateriali, tra cui grafene e nanotubi di carbonio. Già in questa prima fase il team era riuscito ad ottenere una sensibilità che si avvicinata alle parti per milione, che è l’obiettivo della fase di sviluppo attualmente in corso. Potrà essere utile, ad esempio, misurare la concentrazione in parti per milione di elementi come l’ammoniaca e il metano nell’atmosfera.

I 2 milioni di finanziamento serviranno al team di Sultana soprattutto per sviluppare spettrometri più piccoli. Utilizzati per misurare le proprietà della luce nello spettro elettromagnetico, gli spettrometri sono strumenti particolarmente utili per identificare i materiali. Tali dispositivi sono utilizzati in astronomia per comprendere la composizione di stelle e pianeti. Attualmente, i dispositivi di spettroscopia sono troppo grandi per essere trasportati nello spazio. La stampante 3D permetterà di realizzare gli spettometri insieme ad altri dispositivi multi-sensori in un’unica piattaforma.

La stampa 3D è oggi al centro dell’attenzione sia della NASA che di altre agenzie spaziali, in vista di future esplorazioni della luna e di Marte. Dispositivi multi-sensori come quelli sviluppati da Sultana potrebbero trovare alloggiamento nei rover e nei satelliti utilizzati per questo tipo di missioni.

Scopri le potenzialità della stampa 3D in elettronica con un caso d’uso concreto:

Scarica il caso d’uso di rilavorazione agile di un PCB BGA

BGATutti i dettagli di un caso concreto, nel quale una società europea, leader nel settore delle comunicazioni e dei sensori, a 2 giorni dalla consegna di 24 prototipi di circuiti stampati con BGA, si è trovata di fronte a un errore di progettazione. L’unica soluzione possibile per rispettare i tempi e non perdere il cliente, è stato ricorrere alla stampa in 3D.

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Le caratteristiche tecniche dei dispositivi elettronici italiani presenti nella sonda InSight appena atterrata su Marte

on 28 Novembre 2018

L’atterraggio della sonda InSight su Marte è da tutti considerato un grande successo, considerato che la velocità di arrivo nell’atmosfera del pianeta rosso è stata di 20.000 chilometri all’ora e che in passato molte missioni sono fallite proprio per la difficoltà di non fare schiantare al suolo i mezzi inviati. Anche stavolta è stata la Nasa a promuovere l’operazione, ma parte del successo è europeo, essendo presenti nella sonda alcune tecnologie chiave per la riuscita della missione. E anche noi di Cadlog ci sentiamo fieri, perché una di queste tecnologie è stata implementata da Leonardo, che è un nostro cliente.

insight su marteI diversi componenti di Insight, la sonda atterrata su Marte.

Star Tracker, la bussola italiana targata Leonardo

Come fa una navicella spaziale ad orientarsi nello spazio, dovendo operare a centinaia di migliaia di chilometri di distanza dai propri controllori? Leonardo (ex Finmeccanica) ha messo a punto una sorta di bussola spaziale, Star Tracker, che consente al veicolo – una navicella, un satellite, una sonda – di capire dove si trova esattamente e come è orientato. Lo Star Tracker misura l’”attitudine” e mette a confronto le misurazioni con una mappa stellare registrata nel proprio computer.

attitudineL’attitudine è una misura geometrica che determina la posizione di un oggetto nello spazio, ricavata dall’angolo rispetto a ciascuno dei tre assi di un sistema di riferimento.

Lo Star Tracker è tecnicamente un “sensore di assetto” di medio campo visivo, integrato in un unico assieme progettato per resistere alle radiazioni. I sensori stellari come questo sono in grado di determinare l’orientamento del veicolo spaziale sui tre assi in modo accurato ed affidabile, con una massa molto ridotta e con un basso consumo di energia. Una caratteristica di questo strumento, che ha predecessori fin dagli anni ’60, è la sua estrema flessibilità. Progettato inizialmente per i satelliti geo-stazionari, ha partecipato alle più ardite missioni spaziali, comprese quelle della Nasa su Giove e le missioni private della SpaceX di Elon Musk.

L’hardware dello Star Tracker consiste in testine ottiche – generalmente ne sono presenti tre – contenenti le ottiche, il rilevatore e una piccola parte di elettronica, necessaria per comandarlo e per comunicare col computer del veicolo. Il software è inserito all’interno del AOCS (Altitude and Orbit Control Systems) del veicolo stesso ed è ottimizzato per poter condividere le risorse di calcolo con le altre necessità di navigazione e comunicazione.

star tracker leonardoLe tre testine ottiche che compongono lo Star Tracker che ha guidato la sonda InSight su Marte.

LaRRI, il microriflettore laser dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

LaRRI (Laser Retro-Reflector for Insight) un microriflettore laser sviluppato dai Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) con il supporto dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). LaRRI è uno dei tre principali strumenti ospitati dalla sonda InSight, insieme al sismografo che servirà a rilevare i terremoti marziani e a una sonda per monitorare il flusso di calore proveniente dall’interno del pianeta. Queste ultime due tecnologie sono rispettivamente francese e tedesca.

A differenza dello Star Tracker, che è stato indispensabile in volo, LaRRI opera sul suolo marziano. Esso consiste in un retroriflettore laser miniaturizzato (o microriflettore) che fornirà la posizione accurata del lander InSight durante la sua esplorazione. Inoltre contribuirà a testare la relatività generale di Einstein e sarà una delle prime “stazioni” di una futura rete marziana per misure geofisiche e fisiche. LaRRI, che è stato disegnato dal gruppo SCF_Lab dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, nell’ambito delle ricerche rivolte alla Luna e a Marte, in attività congiunte con ASI-Matera, pesa appena 25 grammi, ha un diametro e un’altezza di 54 e 19 millimetri rispettivamente ed è costituito da microriflettori laser fatti di un materiale adatto all’ambiente spaziale.

Il retroriflettore LaRRI (Laser Retro-Reflector for Insight) dell'INFNIl retroriflettore LaRRI (Laser Retro-Reflector for Insight) dell’INFN

Essendo uno strumento passivo, non necessita di manutenzione e quindi potrà funzionare nello spazio per molti decenni. Ogni microriflettore (retro)riflette il fascio laser proveniente da satelliti che orbitano intorno al pianeta e tutti assieme, disposti su una superficie sferica, contribuiscono a determinare con sempre maggior precisione la posizione del lander da parte del satellite orbitante dotato di laser.

La tecnologia dei retroriflettori è in uso sin dalle missioni Apollo sulla luna. Questi specchi, usati come bersaglio per raggi laser inviati da stazioni a Terra, costituiscono oggi una delle prove incontrovertibili dell’avvenuto allunaggio, dal momento che ne sono stati lasciati diversi sulla superficie lunare e sono tuttora rilevabili inviando un raggio laser dalla Terra.

Il retroriflettore installato dagli astronauti dell'Apollo 11.Il retroriflettore installato dagli astronauti dell’Apollo 11.

Scarica libro bianco con sintesi in italiano:

Applying Multi-Discipline Collaboration (ECAD/MCAD) to Reduce Program Risk

white paper ecad mcad collaborationIl libro bianco di Mentor Graphics esplora le attuali sfide nel settore aerospaziale in termini di progettazione elettro-meccanica, per enunciare i principi del “co-design”, cioè le modalità di lavoro che consentono ai progettisti elettronici e meccanici di collaborare e portare avanti il lavoro in parallelo.

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CadlogLe caratteristiche tecniche dei dispositivi elettronici italiani presenti nella sonda InSight appena atterrata su Marte

Aerospazio: nasce l’alleanza tra Boeing e Siemens-Mentor. Ecco gli strumenti software utilizzati per progettare gli aerei

on 11 Ottobre 2018

Nell’aerospazio la notizia del momento è l’alleanza tra Boeing e Siemens, che consentirà al gigante mondiale dell’industria aerospaziale di utilizzare i software di Mentor Graphics, oggi parte integrante della stessa Siemens. Tali strumenti diventeranno parte integrante di quelli che in Boeing vengono chiamati Second Century Enterprise Systems (2CES). I 2CES sono il cuore di una strategia della più grande impresa aerospaziale del mondo, per trasformare se stessa in vista delle sfide del ventunesimo secolo. L’obiettivo è di dominare anche i prossimi 100 anni, e hanno scelto di farlo in partnership con Siemens. Le due aziende insieme saranno in grado di trasformare ulteriormente la progettazione e la produzione, con iniezioni ancora più massicce di automazione e di digitalizzazione.

La decisione di Boeing arriva a seguito di un’analisi onnicomprensiva delle diverse soluzioni presenti sul mercato, tenendo conto sia della varietà di necessità tipiche dell’aerospazio, sia del bisogno di avere la giusta flessibilità in vista dei possibili cambiamenti futuri. L’accordo a lungo temine darà a Siemens gli strumenti software necessari in tre aree chiave: electrical systems design; progettazione del prodotto elettronico; analisi meccanica.

L’accordo voluto dall’azienda leader nell’aerospazio riguarda in particolare gli strumenti del portfolio Siemens che derivano dall’acquisizione di Mentor Graphics, col fine di creare per Boeing una piattaforma comune e standardizzata a livello enterprise che comprenderà:

  • progettazione e verifica dei semiconduttori;
  • progettazione e realizzazione di PCB;
  • progettazione e realizzazione di sistemi elettrici (compresi wire harness);
  • analisi termica e fluido-dinamica per la progettazione meccanica.

Dunque si tratta di applicazioni in parte comuni a tutto il mondo dell’elettronica e in parte tipiche dell’aerospazio, dove coesistono sistemi elettrici e impianti di vario tipo, sia destinati alla navigazione, sia al comfort dei passeggeri, con un’enfasi particolare sulla sicurezza.

“La partnership con Siemens-Mentor ci consentirà di combinare i migliori tool esistenti per la progettazione elettrica con la vasta esperienza e conoscenza di Boeing nell’ambito del nostro progetto di trasformazione 2CES della progettazione”, ha dichiarato John Harnagel, Engineering Director di Boeing Defense and Space.

Dal canto suo Tony Hemmelgarn, president e CEO di  Siemens PLM Software ha detto: “L’abilità di supportare i clienti nel realizzare la digitalizzazione e implementare l’innovazione è uno dei nostri punti di forza. Questa partnership dà la misura di quanto Boeing creda in Siemens per consentirle di realizzare la propria visione, e noi di Siemens non vediamo l’ora che ciò avvenga realmente!”

I tool di Siemens-Mentor per l’aerospazio

(clicca sull’immagine per ingrandirla)

Progettazione elettrica ed elettronica

(clicca sull’immagine per ingrandirla)

Analisi meccanica e CFD

  • FloEFD (analisi CFD integrata coi sistemi di CAD meccanico)
  • FloTHERM (analisi termica e simulazione per la prototipazione virtuale)
  • FloMASTER (modellazione termofluidodinamica monodimensionale)
  • Power Tester 1500A (Test termici per i componenti elettronici)

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Stefano Morlacchi

Da oltre 10 anni lavora nel campo delle analisi computazionali FEM e CFD nei campi della biomeccanica, automotive e oil&gas. Esperto nel training, nell’assistenza tecnica di pre-vendita e di post-vendita per prodotti software CAE. In Cadlog ricopre il ruolo di Solution Specialist per i software della divisione di analisi termica e fluidodinamica (FloTHERM, FloEFD, FloMASTER).

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