CC BY
3ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ 3Д ПЕЧАТИ Фархутдинов М.М.1, Фетисов Л.В.2
Фархутдинов Мансур Мудаллифович - студент магистратуры, 2Фетисов Леонид Валерьевич - кандидат технических наук, доцент кафедра электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский
государственный энергетический университет», г. Казань
Аннотация: в статье рассматривается применение технологии 3D печати для проектирования электротехнических устройств. Обсуждаются особенности использования 3D печати для создания сложных геометрических структур и компонентов в электронике и энергетике. Рассмотрены различные методы 3D печати, включая струйную печать и аэрозольное нанесение, а также их применение для изготовления проводящих рисунков, корпусов устройств и деталей механических компонентов. Приведены примеры успешного использования 3D печати компаниями в производстве электроники и энергетических устройств с использованием различных материалов
Ключевые слова: 3d печать, электротехнические устройства, струйная печать, аэрозольное нанесение, печатные платы, токопроводящие чернила.
УДК 655.3.004
В наше время технология 3D печати стала одним из ключевых инновационных направлений в области проектирования и производства. Эта технология не только преобразует традиционные методы изготовления, но и открывает новые перспективы для создания сложных электротехнических устройств. Одним из основных вызовов в сфере электротехники является не только разработка эффективных устройств, но и их оптимизация в производственных процессах. Технология 3D печати предоставляет инженерам возможность создавать сложные геометрические формы и структуры, которые трудно или невозможно реализовать с использованием традиционных методов производства. Это открывает двери к новым инженерным решениям и повышению эффективности производства электротехнических устройств.
3D-печать в энергетике представляет собой перспективную технологию, позволяющую создавать индивидуальные детали и устройства с улучшенными характеристиками. Новые материалы и методы, используемые при 3D-печати, способствуют повышению эффективности энергетических компонентов. Например, компания из Дубая применила 3D-печать для проекта Smart Palm, создавая станции с современным дизайном, собирающие солнечную энергию и изготовленные из армированного пластика, что снижает вес конструкции [1]. В Австралии CSIRO использует 3D-печать для производства солнечных элементов с эффективностью до 20% выше стандартных, изготовленных из эластичного пластика. Компания Simusolar в Танзании применяет 3D-печать для создания компактных экологичных решений солнечной энергии для фермеров и рыбаков. Они производят кастомизированное оборудование, работающее от солнечной электроэнергии. RCAM Technologies разрабатывает большие ветроэлектростанции (ВЭС) с использованием 3D-печати, повышая эффективность энергетических систем, прототипы ВЭС печатаются с использованием робота-манипулятора для оптимизации деталей. Технология 3D-печати также применяется в газовой отрасли: Siemens UK использует 3D-печать для производства лопаток газовых турбин, сокращая время производства на 90% и улучшая характеристики компонентов [1]. Эти лопатки обладают высокой устойчивостью к высоким температурам и скоростям, что значительно повышает эффективность энергетических систем.
Электроника в сравнении с крупногабаритными изделиями для объектов энергетики требует большей точности и использования разнотипных материалов для производства сложных компонентов. Применение 3D-печати в этой области дает значительные преимущества перед традиционными методами, несмотря на свою относительную новизну — первый 3D-принтер для электроники появился лишь в 2015 году [2]. Исследования в области 3D-печати для электроники начались задолго до ее популяризации. В 1992 году начались эксперименты с термическим напылением для создания проводящих рисунков на подложках с пескоструйной обработкой. Результаты этих исследований были описаны в работе "Manufacturing mechatronics using thermal spray shape deposition". В 2009 году ученые из университета Иллинойса разработали токопроводящие чернила на основе наночастиц серебра для создания проводящих рисунков методом робокастинга. Эти чернила экструдировались из микросопла на полимерную подложку и нагревались до 150 °C для обеспечения проводимости. В 2011 году те же исследователи использовали проводящие чернила с 72% содержанием наночастиц серебра для 3D-печати миниатюрных антенн [2]. Печать проводилась методом конформной 3D-печати на поверхности полусферы с временем печати от 0,5 до 3 часов. Для улучшения проводимости антенны подвергались термической обработке при 550 °C. Этот
метод также применяется для создания межсоединений на печатных платах, что ускоряет процесс разработки электроники.
В 2020 году появился принтер DragonFly 2020 Pro, способный печатать как проводящий рисунок печатной платы, так и ее основу из диэлектрической смолы, подобной стеклотекстолиту FR4 [3]. Технология струйной печати обеспечивает высокую точность производства. Компания Optomec разработала технологию аэрозольного нанесения (Aerosol Jet) для печати электронных компонентов, включая резисторы, конденсаторы и антенны [4]. Эта методика позволяет контролировать характеристики через параметры печати на различных поверхностях: пластике, керамике и металле, а также практически любой формы, включая корпусы мобильных телефонов. Метод аэрозольного нанесения использует распыление чернил в виде мелких частиц размером 1 -5 мкм и нанесение на подложку с помощью потока газа-носителя, что напоминает лазерное наплавление. Для создания корпусов и механических компонентов электроники применяются стандартные методы 3D-печати: FDM, SLS и SLA. Компания Gemecod применяет 3D-печать для производства деталей дверных замков Ikilock с использованием различных технологий в зависимости от размера и качества поверхности. Кроме того, 3D-печать применяется для создания легких и прочных фюзеляжей беспилотных летательных аппаратов. Компания Nano-racing применяет технологию SLS для изготовления дронов. Для корпусов электроники выбирают материалы с защитой от электростатического разряда (ESD-Safe), такие как PLA, ABS, PETG, Ultem, PPS, PVDF, PC и POM [5].
Таким образом, технология 3D печати предоставляет значительные преимущества для проектирования и производства электротехнических устройств. Она позволяет создавать сложные геометрические формы и структуры, оптимизируя производственные процессы. В энергетике и электронике 3D печать демонстрирует высокий потенциал, позволяя улучшить эффективность и производительность компонентов. Применение 3D печати в данной области активно развивается, и результаты исследований становятся основой для разработки инновационных технологий производства. Компании, такие как Optomec, Gemecod и Nano-racing, демонстрируют успешные примеры использования 3D печати для создания эффективных и устойчивых к различным воздействиям электротехнических устройств и компонентов.
Список литературы
1. Добрынин С.П. Применение 3D-печати для создания высокоэффективных электронных компонентов // Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ». - 2024. - Т. 1. - № 1 (70). С. 238-247.
2. Титков А.И. Селективное лазерное спекание токопроводящих чернил для струйной печати на основе композиции наночастиц и органической соли серебра / А.И. Титков, Р.М. Гадиров, С.Ю. Никонов, А.В. Одод и др. // Известия высших учебных заведений. - 2017. - Т. 60. - №. 10. - С. 24-29.
3. БесединаК.С. Применение аддитивных технологий при получении изделий из полимерных материалов (обзор) / К.С. Беседина, Н.А. Лавров, В.В. Барсков // Химия и технология высокомолекулярных соединений Известия СПбГТИ(ТУ). - 2018. - №44. - С. 56-63.
4. Wu S.Y. 3D-printed microelectronics for integrated circuitry and passive wireless sensors / S.Y. Wu, C. Yang, W. Hsu, L. Lin // J. Microsystems & Nanoengineering. - 2015. - V.1. - N.1. - P. 1-9
5. Gu D. Laser Additive Manufacturing of High Performance Materials Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2015. XVII, 311 p.
