Простой низкий

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 7963 (2022) Цитировать эту статью

1713 Доступов

Подробности о метриках

Аддитивное производство сложных объемных конструкций открыло новые горизонты во многих технологических областях, превратив ранее немыслимые конструкции в практическую реальность. Электромагнитные компоненты, включая антенны и волноводные элементы, могут извлечь выгоду из исследования третьего измерения. Хотя полимерные принтеры для моделирования методом наплавления (FDM) становятся широко доступными, они производят структуры с умеренно низкой электромагнитной проницаемостью по сравнению с металлами. Однако металлические 3D-принтеры, способные создавать сложные объемные конструкции, остаются чрезвычайно дорогими и сложными в обслуживании устройствами, пригодными для применения на рынке высокого класса. Здесь мы разрабатываем новую технику печати металлом, основанную на недорогом и простом устройстве FDM и последующем электрохимическом осаждении. Для тестирования нового метода мы изготовили несколько антенных устройств и сравнили их характеристики со стандартными печатными аналогами на основе травленых плат FeCl3, продемонстрировав явные преимущества нового метода. Наша новая печать металлом может применяться для изготовления электромагнитных устройств, а также металлических конструкций для других целей.

Аддитивное производство позволяет исследовать сложные объемные структуры в различных фундаментальных и прикладных дисциплинах1. Диапазон новых возможностей позволяет пересмотреть традиционные подходы в механике2,3,4, терморегулировании5, медицине6, робототехнике7, электронике8,9 и многих других прикладных областях, например10,11, где новые архитектуры и материальные платформы могут предоставить когда-либо предвиденные возможности.

Аппаратные компоненты, поддерживающие беспроводные каналы связи, также могут извлечь выгоду из исследования объемной геометрии. Традиционно планарные конструкции радиочастотных (РЧ) компонентов, включая волноводы и антенны, интегрируются в печатные электронные схемы. Этот подход выгоден благодаря налаженной технологии послойной литографии. Однако функциональная 3D-печать позволяет исследовать концептуально разные конструкции с потенциально лучшими электромагнитными характеристиками. Хотя принцип поверхностной эквивалентности предполагает возможность замены объемной реализации импедансной поверхностью, охватывающей объем исходной структуры12, практические аспекты играют роль13, подчеркивая реальные преимущества объемных конструкций. Недавно было разработано несколько технологий аддитивного производства для создания высококачественных радиочастотных устройств14. Фрезерование с ЧПУ15,16, прямое лазерное структурирование17,18,19, конформная печать металлическими красками20,21, встраивание ультразвуковой проволочной сетки22 и нанесение металла через маску на изогнутые поверхности23,24 относятся к серии разработанных методов. Несмотря на доказанную эффективность ранее упомянутых методов, они разработаны для решения конкретной задачи и, тем не менее, могут рассматриваться как оптимальное решение в этой области. С другой стороны, принтеры для моделирования методом наплавления (FDM) становятся доступными и имеют чрезвычайно низкую стоимость, что делает их первым выбором в тех случаях, когда необходимо быстрое прототипирование объемных структур. Принтеры FDM совместимы с различными полимерными материалами, включая полимолочную кислоту (PLA), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), полиэтилентерефталатгликоль (PETG), различные сплавы, смеси полимеров и наноструктур и многие другие. Эти пластмассы уже были интегрированы в антенные устройства (например, 25,26). Кроме того, несколько полимерных материалов можно печатать параллельно во время производства за один сеанс27,28. Однако пластмассы являются диэлектриками с относительно низким электромагнитным контрастом. Обычно диэлектрическая проницаемость находится в диапазоне от 2,5 до 3,5 в диапазоне 1–10 ГГц с тангенса угла потерь 10–3–10–1 для PLA28. Однако эти цифры зависят от параметров изготовления, главным образом от коэффициента наполнения полимером в единице объема. Электромагнитные потери становятся чрезвычайно высокими, если проводящие материалы, например, чешуйки графена, смешиваются с полимерными нитями. Здесь тангенс потерь может приближаться к единице, что делает эти материалы практически ненужными для использования в устройствах беспроводной связи. Окончательным решением для изготовления объемных ВЧ-устройств является печать на металле, например, выполняемая с помощью прямого лазерного спекания металла29. Однако металлические принтеры, несмотря на то, что они обеспечивают высококачественные автономные RF-контрастные металлические конструкции, остаются чрезвычайно дорогими, что мотивирует развитие других подходов.