Die Vorteile flexibler Schaltungen in Raumfahrtanwendungen

Manchmal fragen mich Leute, warum die Raumfahrt wichtig ist. Jede Nacht, wenn ich schlafen gehe, erscheint mir die Antwort ziemlich offensichtlich: Mein Kissen ist aus Memory-Schaum, der von der NASA entwickelt wurde. Ihre Forschungsarbeit im Rahmen der Weltraumerkundung hat zu einer Reihe weiterer wichtiger Entdeckungen und Gadgets geführt, von denen wir heute alle profitieren. Eine weitere nützliche Technologie, die ursprünglich für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt wurde, sind flexible Schaltungen. Wenn es darum geht, um die Erde und weit darüber hinaus zu fliegen, haben Rigid-Flex- und voll flexible PCBs gegenüber herkömmlichen PCBs zahlreiche Vorteile. Faktoren wie ein reduziertes Gewicht und Volumen, eine höhere Zuverlässigkeit und ein innovativeres Design machen flexible Schaltungen zu einer hervorragenden Wahl für die Unendlichkeit und darüber hinaus. Ein Material, an dem all diese Vorteile deutlich werden, ist Kapton^®.

Leicht und mit geringem Volumen

Vielleicht denken Sie, dass mit Blick auf die Weltraumforschung Gewicht keine wirkliche Rolle spielt. Schließlich ist dort oben alles schwerelos, oder? Leider sind Raketen und deren Nutzlast beim Start nach wie vor der Schwerkraft ausgesetzt. Etwas von der Erde in den Orbit zu transportieren, ist einer der energieintensivsten Aspekte des gesamten Vorgangs. Flexible Schaltungen haben eine geringe Masse und nehmen weniger Platz als traditionelle PCBs in Anspruch, was sie perfekt für die Raumfahrt macht.

Flexible Schaltungen sind naturgemäß leichter als eine normale Platine. Anstatt ein dickes und starres Trägermaterial zu verwenden, sind sie auf einer dünnen Folie aufgebracht. Einsparungen beim Trägermaterial multiplizieren sich mit jeder zusätzlichen Lage, was wiederum zu einer Gewichtsreduktion von bis zu 75 % führen kann. Dies mag auf den ersten Blick unwesentlich erscheinen. Wenn Sie jedoch Ihren Raketentreibstoff bezahlen müssen, zählt jedes Gramm.

Flexible Schaltungen sind nicht nur leichter, sondern auch kleiner. Eine dünne Folie nimmt natürlich weniger Platz ein als ein dickes Trägermaterial. Die größte Volumeneinsparung resultiert jedoch aus der Flexibilität. Während eine klassische Platine einen ausreichend großen dreidimensionalen Raum benötigt, kann ein flexibles PCB in die kleinsten Ecken und Winkel eingepasst werden. Sie lassen sich auch in einzigartige dreidimensionale Formen biegen und können ansonsten ungenutzten Raum ausfüllen. Mit genügend Kreativität können Sie im Vergleich zu normalen Platinen so bis zu 60 % Platz einsparen. Größe spielt hier in der Tat eine Rolle, denn eine größere Nutzlast bedingt auch eine größere und schwerere Trägerrakete.

^{Niemand möchte beim Start unnützes Gewicht transportieren.}

Zuverlässigkeit

Bei der Konzeptionen von Platinen für die Raumfahrt ist die Zuverlässigkeit von enormer Wichtigkeit. Die NASA hat Ihren Voyager One vor 36 Jahren ins Weltall geschickt und er fliegt immer noch. Seine Schaltungen müssen ziemlich vertrauenswürdig sein, wenn sie 36 Jahre lang durch das Weltall fliegen sollen. Flexible Platinen können dynamischen Kräften besser standhalten als eine klassische Platine und außerdem Verbindungspunkte mit hoher Ausfallrate beseitigen.

Raumschiffe sind vielfältigen dynamischen Kräften ausgesetzt, und dies vor allem während des Startvorgangs. Mit Vibrationen, die für bis zu 20 % der Ausfälle verantwortlich sind, stellen dynamische Kräfte den Fluch klassischer Platinen dar. Flexible und Rigid-Flex-Platinen sind so konzipiert, dass sie sich während des Betriebs verdrehen können. Sie können sich Tausende Male verbiegen, bevor ein Fehler auftritt. Anstatt zu brechen, biegen sich flexible Platinen also und können somit auch unter rauen Bedingungen funktionieren.

Verbindungen wie Lötstellen, Klemmen, etc. stellen ebenfalls ein erhebliches Ausfallrisiko dar. Durch dynamische Kräfte können auch diese Befestigungen beschädigt werden. Flexible Schaltungen vermeiden dieses Risiko, indem sie Verbindungen eliminieren. Die meisten Verbindungen auf flexiblen Platinen werden innerhalb des Substrats hergestellt. Damit eine solche Verbindung ausfällt, müsste daher schon das gesamte PCB funktionsuntüchtig werden. Flexible Schaltkreise beseitigen somit fast komplett eine Ausfallursache Ihrer Platine.

^{Flexible Schaltkreise eignen sich perfekt für einsatzfähige Teile.}

Vielseitigkeit

Das Vakuum des Weltraums birgt zahllose Herausforderungen. Ingenieure benötigen vielseitige Bauteile, um diese überwinden zu können. Flexible Schaltungen bieten eine physische Anpassungsfähigkeit, die es Designern erlaubt, ungewöhnliche Formen und ausfahrbare Teile beim Bau ihres Raumfahrzeugs einzusetzen.

Manchmal ist es nicht gerade praktisch, in einem Raumfahrzeug ein großes und starres Rechteck in einen engen Raum zu quetschen. Flexible Schaltungen können sich dagegen an jede Oberfläche anpassen, auf die sie montiert werden. Das bedeutet, dass sie sich überall dort montieren lassen, wo sie gebraucht werden. Anstatt also Kabel von einer zentralen Einheit zu weit entfernten Sensor-Arrays zu verlegen, könnten Sie Ihre Schaltung direkt neben den entsprechenden Arrays platzieren.

Flexibilität ist zudem sehr praktisch, wenn es um die Implementierung ausfahrbarer Teile geht. Wir alle haben schon einmal Dinge wie ausfahrbare Solarkollektoren auf Satelliten gesehen. Ebenso wie dynamische Kräfte und Vibrationen klassische Platinen schwächen können, können aus- und einfahrbare Teile Verschleiß an konventionellen Kabeln und PCBs verursachen. Normalerweise würde man bei der Verwendung solcher Apparaturen also ein gewisses Risiko eingehen. Da flexible Schaltungen aber für genau diese Art von Bewegungen geschaffen wurden, können Sie ausfahrbare Ausrüstungsteile ohne Sorgen einsetzen.

Kapton^®

Flexible Schaltungen bestehen aus vielen Materialien. Im Bereich der Weltraumanwendungen ist jedoch ein ganz bestimmter Werkstoff besonders verbreitet: Kapton^® ist eine dünne Polyimidfolie, die bereits für alles mögliche verwendet wurde – von Heizungen bis hin zu Solarzellen auf vielen Weltraummissionen.

Ein Grund, weshalb Kapton^® so häufig gewählt wird, ist das geringe Gewicht. Dies hat das Material zur ersten Wahl für alles von Kabelisolierungen in Raketen bis zu Heizungen in Raumfahrzeugen gemacht. Kapton^® wird ebenso aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und Vibrationsbeständigkeit verwendet. Diese beiden Eigenschaften helfen dabei, Dinge wie Solarkollektoren und optische Sensoren während des Betriebs zu schützen. Das Material weist alle Qualitäten auf, die flexible Schaltungen so nützlich für die Raumfahrt machen. Deshalb ist es auch nicht verwunderlich, dass es für so viele Weltraummissionen verwendet wird.

Ob Ihre Fracht nun bis zum Mars oder an einen näher gelegenen Ort wie die Internationalen Raumstation ISS gesendet werden soll – Sie möchten sicher gehen, dass alles unbeschadet am Bestimmungsort ankommt. Flexible Schaltungen werden helfen, die Größe Ihres Raumfahrzeugs zu minimieren und es leichter abheben zu lassen. Zusätzlich wird eine größere Zuverlässigkeit gewährleistet, während Ihnen gleichzeitig mehr Optionen in puncto Design zur Verfügung stehen.

Nachdem Sie nun wissen, weshalb Sie flexible Schaltungen verwenden sollten, benötigen Sie eine PCB-Design-Software, die Sie bei deren Erstellung unterstützt. Glücklicherweise verfügt Altium Designer über Tools, die das flexible Design einfach machen können. Altium hilft Ihnen also, Ihr Raumschiff in kürzester Zeit abheben zu lassen.

Haben Sie weitere Fragen zu flexiblen Schaltungen? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.