Dron to wymagające środowisko dla elektroniki: liczy się każdy gram, układy pracują w drganiach i na mrozie, a konstrukcje zmieniają się bardzo szybko. W tym artykule pokazujemy dwa rozwiązania, które pomagają w tym wyścigu. Pierwsze to cienkie, grafenowe folie grzewcze BLACKHEATER, które chronią baterie przed zimnem i powierzchnie przed oblodzeniem. Drugie to drukarki Voltera V-One i NOVA, które skracają drogę od pomysłu do działającego prototypu płytki. Na końcu krótko piszemy o tym, że podobne technologie interesują też sektor lotniczy i obronny.
Dlaczego elektronika do dronów jest tak wymagająca
Konstruktor drona walczy jednocześnie z masą, miejscem i zasilaniem. Każdy dodatkowy element skraca czas lotu, a każda nowa funkcja (kamera, czujnik, łączność) oznacza nową płytkę drukowaną lub zmianę istniejącej. Z perspektywy materiałów i narzędzi widzimy dwa obszary, w których można zyskać najwięcej: zarządzanie ciepłem w niskich temperaturach oraz czas potrzebny na zbudowanie i sprawdzenie prototypu.
Zimno i lód: problem, którego nie widać w specyfikacji
Baterie litowo-jonowe w niskich temperaturach oddają mniej energii i gorzej radzą sobie z dużymi obciążeniami prądowymi. To dobrze znane zjawisko, dlatego producenci baterii podają dopuszczalne zakresy temperatur pracy. Osobnym problemem jest oblodzenie: lód na śmigłach, skrzydłach, sondach i czujnikach zmienia masę oraz opływ i może zasłonić optykę.
Rozwiązanie takiego problemu musi być lekkie, cienkie i dopasowane do kształtu. Tradycyjne przewody grzejne i maty są zwykle cięższe i sztywniejsze, dlatego rośnie zainteresowanie elastycznymi elementami grzewczymi w postaci folii.
BLACKHEATER: grafenowe folie grzewcze od BlackLeaf
Grafenowe folie grzewcze BLACKHEATER produkuje francuska firma BlackLeaf, a Chemikonics jest oficjalnym dystrybutorem materiałów grafenowych Blackleaf w Polsce. Według danych producenta dostępnych na naszej stronie folie mają następujące cechy ogólne:
- praca do 200°C,
- gęstość mocy od 0,01 do 6 W/cm²,
- promień gięcia maksymalnie 2 mm,
- materiał nośny: PET.
Gotowe elementy z serii GPAD różnią się wymiarami, napięciem i mocą. W poniższej tabeli zestawiliśmy cały zakres:
| Model | Wymiary | Zasilanie | Moc nominalna | Masa | Grubość | Temp. otoczenia |
|---|---|---|---|---|---|---|
| GPAD 10+ | 150×100 mm | 5 V DC | 8 W | 16 g | 400 µm | −40…+120°C |
| GPAD 11+ | 150×100 mm | 5 V DC | 8 W | 16 g | 400 µm | −40…+120°C |
| GPAD 20+ | 500×50 mm | 12 V DC | 20 W | 15 g | 295 µm | −40…+120°C |
| GPAD 30+ | 100×100 mm | 12 V DC | 4 W | 2,13 g | 185 µm | −40…+100°C |
| GPAD 40+ | 330×330 mm | 48 V DC | 77 W | 78 g | 370 µm | −40…+100°C |
Źródło: strona produktowa Chemikonics. Temperatura powierzchni przy mocy nominalnej: ok. 58°C (8 W), ok. 95°C (20 W), ok. 60°C (4 W oraz 77 W).
Najlżejszy element z gamy, GPAD 30+, waży 2,13 g. GPAD 10+ i 11+ są przeznaczone do zastosowań mobilnych i można je zasilać na przykład z power banku (GPAD 10+ ma złącze USB-C). GPAD 20+ to pasek, który można przyciąć i przykleić, a GPAD 40+ to większy element grzewczy.
Jak folie grzewcze mogą pracować w dronach
Na stronie BLACKHEATER wśród zastosowań dla dronów i UAV wymieniamy dwa kierunki: ochronę baterii przed zimnem oraz ochronę przeciwoblodzeniową. W lotnictwie producent wskazuje ponadto m.in. krawędzie natarcia, sondy, gondole i silniki. Cienka folia może być przyklejona do obudowy baterii albo do powierzchni, którą trzeba utrzymać wolną od lodu.
Dwie uwagi praktyczne. Po pierwsze, moc grzania trzeba wpisać w budżet energetyczny drona: GPAD 10+ ma moc nominalną 8 W i w małej konstrukcji jest to wartość, którą warto policzyć. Po drugie, nie publikujemy tu wyników testów odladzania w konkretnych konstrukcjach, bo zależą od mocy, rozmieszczenia elementu, izolacji i warunków zewnętrznych. Dla własnej konstrukcji elementy dobiera się projektowo. Służy do tego usługa Lab Design Service: od projektu, przez prototyp i partię pilotażową, po produkcję przemysłową. Dostępne są też formulacje farb dopasowane do klienta (BLACKSTREAM).
Własne grzałki i czujniki: farby grafenowe NEOBLACK
Jeśli gotowa folia nie pasuje do geometrii konstrukcji, można wydrukować własny element. Farby NEOBLACK to grafenowe farby przewodzące na bazie wodnej, dostępne w wersji do sitodruku (SP1, SP2) i natrysku (SC1B, SC2B, SC3B). Według danych producenta:
- nadają się do podłoży takich jak papier, PET, poliimid (Kapton), TPU, PEI i tekstylia,
- utwardzają się termicznie w 120–150°C przez 3–5 minut,
- osiągają przyczepność do 5B (ISO 2409) i promień gięcia do 1 mm,
- NEOBLACK SP1 po dwóch warstwach (35 µm) ma rezystywność 20 Ω/sq i zachowuje stabilność rezystancyjną do 150°C.
Producent wymienia też ekranowanie EMI wśród kierunków zastosowań grafenowych farb przewodzących. Nie każdy wariant ma jednak potwierdzoną każdą funkcję, dlatego szczegóły należy sprawdzić w kartach technicznych konkretnej farby.
Elektronika dronów zmienia się szybko: prototypuj w godziny, nie w tygodnie
Każda nowa wersja drona to nowe czujniki, kontrolery i zasilanie. Zlecanie każdej płytki na zewnątrz oznacza czekanie i koszty, a w szybko zmieniającej się branży liczy się liczba iteracji, które zespół zdąży sprawdzić. Dlatego coraz więcej zespołów R&D wprowadza do pracowni własne narzędzia do prototypowania. Szerzej opisaliśmy to w artykule o drukarkach do prototypowania oraz produkcji elektroniki.
Voltera V-One: płytki FR4 w pracowni
Voltera V-One to kompaktowa drukarka PCB typu 4w1: drukuje ścieżki farbą przewodzącą, wierci otwory, dozuje pastę lutowniczą i wykonuje reflow. Producent podaje, że pierwszy prototyp może być gotowy tego samego dnia, a czas druku wynosi poniżej godziny. Najważniejsze parametry: minimalna szerokość ścieżki 0,2 mm, obszar roboczy 128×116×3 mm, płytki jedno- i dwustronne, podłoża FR1 i FR4 o grubości 1–3 mm.
Voltera NOVA: elastyczne i nietypowe podłoża
Voltera NOVA to zautomatyzowana platforma do bezpośredniego dozowania materiałów funkcjonalnych (Direct Ink Write). Pracuje na podłożach sztywnych, elastycznych i nietypowych, w tym na szkle, poliimidzie, PET, TPU, papierze i tkaninach. Producent wymienia wśród zastosowań elastyczne obwody, czujniki, anteny i elementy grzewcze na tekstyliach. Dla zespołów budujących lekką elektronikę to droga do obwodów, których nie da się wykonać na klasycznym laminacie.
Porównanie obu urządzeń według danych producenta:
| Parametr | Voltera V-One | Voltera NOVA |
|---|---|---|
| Technologia | druk farby przewodzącej, dozowanie pasty, wiercenie, reflow | bezpośrednie dozowanie (Direct Ink Write), zamknięta pętla ciśnienia |
| Obszar roboczy | 128 × 116 × 3 mm | 220 × 300 × 40 mm |
| Minimalna szerokość linii | 0,2 mm | od 100 µm (zależnie od materiału i dyszy) |
| Podłoża | FR1, FR4 (1–3 mm) | szkło, PI, PET, TPU, papier, tkaniny |
| Warstwy | jedno- i dwustronne | do 4 warstw w stack-upie |
| Najlepsze zastosowanie | prototypy klasycznych płytek PCB | elastyczne obwody, czujniki, anteny, elementy grzewcze |
Źródło: strony produktowe Chemikonics. Producent podaje też, że NOVA skraca iterację projektów nawet o 90% i ogranicza zużycie materiału w fazie R&D nawet o 96% (dane producenta, nie nasze testy).
Od CubeSatów do czujników: skąd te narzędzia znają lotnictwo
Voltera publikuje historie klientów z sektora kosmicznego. Studenci Princeton University wykorzystują V-One do budowy CubeSatów (miniaturowych satelitów), co opisano w historii Empowering Space Exploration with V-One PCB Printer. Według strony V-One drukowano też na poliamidzie (Kapton) czujniki CO₂ dla NASA. Nasz wniosek: model pracy „własna płytka w godzinę” dobrze pasuje do zespołów budujących elektronikę dla dronów i innych statków powietrznych.
Ważne zastrzeżenie: V-One i NOVA to narzędzia do prototypowania i badań. Kwalifikacja elektroniki do zastosowań lotniczych to osobny proces po stronie producenta urządzenia.
Co wybrać: krótki przewodnik
| Potrzeba | Rozwiązanie | Gdzie szukać |
|---|---|---|
| Ogrzać baterię lub małą powierzchnię (5 V, USB-C) | BLACKHEATER GPAD 10+ lub 11+ | strona produktu |
| Pokryć większą powierzchnię (48 V) | BLACKHEATER GPAD 40+ | strona produktu |
| Własny kształt grzałki lub czujnika | farby NEOBLACK + Lab Design Service | farby grafenowe |
| Szybkie prototypy płytek FR4 | Voltera V-One | Voltera V-One |
| Elastyczne obwody, czujniki, anteny | Voltera NOVA | Voltera NOVA |
Lotnictwo i obronność: krótka uwaga
Podobne technologie interesują także sektor lotniczy i obronny. Na stronie BLACKHEATER wśród zastosowań w kategorii „Wojsko i obronność” wymieniamy ochronę przeciwoblodzeniową dronów i UAV, ochronę baterii przed zimnem oraz wabik termiczny, a w lotnictwie ochronę krawędzi natarcia, sond, gondoli i silników oraz ogrzewanie kabiny. O kierunkach rozwoju technologii kosmicznych i obronnych pisaliśmy też w relacji z SpaceShield Summit w Stalowej Woli. Projekty specjalne omawiamy indywidualnie.
Najczęstsze pytania
Czy folię BLACKHEATER można zasilać z baterii drona?
Zależy od konstrukcji. GPAD 10+ i 11+ pracują przy 5 V i mają moc nominalną 8 W, więc ich pobór trzeba wpisać w budżet energetyczny drona. Dobór mocy i rozmieszczenia elementu najlepiej omówić na etapie projektu.
Czy Voltera V-One nadaje się do elektroniki lotniczej?
To narzędzie do szybkiego prototypowania i badań, używane m.in. przy budowie CubeSatów na Princeton University. Kwalifikacja gotowego urządzenia do zastosowań lotniczych to osobny proces.
Na jakich podłożach mogę drukować elastyczne obwody?
Voltera NOVA pracuje na szkle, poliimidzie (PI), PET, TPU, papierze i tkaninach, a farby NEOBLACK nadają się m.in. do papieru, PET, Kaptonu, TPU, PEI i tekstyliów.
Ile to kosztuje?
Ceny przygotowujemy indywidualnie, zależnie od produktu i ilości. Wystarczy wysłać zapytanie.
Porozmawiajmy o Twoim projekcie
Budujesz drona, system bezzałogowy albo elektronikę lotniczą i szukasz sposobu na zimno, lód lub dłuższe iteracje prototypu? Opisz nam swoje wymagania, a dobierzemy rozwiązanie. Napisz przez formularz kontaktowy, na adres sales@chemikonics.com albo zadzwoń: +48 573 678 608.