Einfach niedrig

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7963 (2022) Diesen Artikel zitieren

1713 Zugriffe

Details zu den Metriken

Die additive Fertigung komplexer volumetrischer Strukturen eröffnete in vielen Technologiebereichen neue Grenzen und verwandelte bisher unvorstellbare Designs in die praktische Realität. Elektromagnetische Komponenten, einschließlich Antennen- und Wellenleiterelemente, können von der Erforschung der dritten Dimension profitieren. Während FDM-Polymerdrucker (Fused Deposition Modeling) allgemein zugänglich werden, stellen sie im Vergleich zu Metallen Strukturen mit mäßig niedrigen elektromagnetischen Permittivitäten her. Allerdings sind Metall-3D-Drucker, die in der Lage sind, komplexe volumetrische Konstruktionen herzustellen, nach wie vor äußerst teure und schwer zu wartende Geräte, die für High-End-Marktanwendungen geeignet sind. Hier entwickeln wir eine neue Metalldrucktechnik, die auf einem kostengünstigen und einfachen FDM-Gerät und anschließender elektrochemischer Abscheidung basiert. Um die neue Methode zu testen, stellten wir mehrere Antennengeräte her und verglichen ihre Leistung mit standardmäßigen gedruckten, auf FeCl3-geätzten Platinen basierenden Gegenstücken, was klare Vorteile der neuen Technik demonstrierte. Unser neuer Metalldruck kann zur Herstellung elektromagnetischer Geräte sowie metallischer Strukturen für andere Anwendungen eingesetzt werden.

Die additive Fertigung ermöglicht die Erforschung komplexer volumetrischer Strukturen in verschiedenen grundlegenden und angewandten Disziplinen1. Die Bandbreite an neuen Fähigkeiten ermöglicht es, konventionelle Ansätze in der Mechanik2,3,4, dem Wärmemanagement5, der Medizin6, der Robotik7, der Elektronik8,9 und vielen anderen Anwendungsbereichen zu überdenken, z. B.10,11 wo neuartige Architekturen und Materialplattformen jemals vorhergesehene Fähigkeiten bieten können.

Auch Hardwarekomponenten, die drahtlose Kommunikationsverbindungen unterstützen, können von der Erforschung volumetrischer Geometrien profitieren. Traditionell werden planare Architekturen von Hochfrequenzkomponenten (RF), einschließlich Wellenleitern und Antennen, in gedruckte elektronische Schaltkreise integriert. Dieser Ansatz ist aufgrund der gut etablierten schichtweisen lithografischen Herstellung günstig. Der funktionale 3D-Druck ermöglicht jedoch die Erforschung konzeptionell unterschiedlicher Designs mit potenziell besseren elektromagnetischen Leistungen. Während das Oberflächenäquivalenzprinzip die Möglichkeit nahelegt, eine volumetrische Realisierung durch eine Impedanzoberfläche zu ersetzen, die das Volumen der ursprünglichen Struktur umschließt12, spielen praktische Aspekte eine Rolle13 und unterstreichen die tatsächlichen Vorteile volumetrischer Designs. Kürzlich wurden mehrere additive Fertigungstechniken entwickelt, um hochwertige HF-Geräte herzustellen14. CNC-Fräsen15,16, Laserdirektstrukturierung17,18,19, konformes Drucken von Metalltinten20,21, Ultraschall-Drahtgeflechteinbettung22 und Metallabscheidung durch eine Maske auf gekrümmten Oberflächen23,24 gehören zu einer Reihe der entwickelten Methoden. Trotz der nachgewiesenen Leistung der zuvor genannten Techniken sind diese für eine bestimmte Aufgabe konzipiert und können dennoch als ultimative Lösung auf diesem Gebiet angesehen werden. Andererseits werden FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) verfügbar und sind äußerst kostengünstig, was sie zur ersten Wahl macht, wenn ein schnelles Prototyping volumetrischer Strukturen erforderlich ist. FDM-Drucker sind mit einer Vielzahl von Polymermaterialien kompatibel, darunter Polymilchsäure (PLA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG), verschiedene Legierungen, Polymer-Nanostruktur-Mischungen und viele andere. Diese Kunststoffe waren bereits in Antennengeräten integriert (z. B.25,26). Darüber hinaus können während der Herstellung innerhalb einer einzigen Sitzung mehrere Polymermaterialien parallel gedruckt werden27,28. Allerdings handelt es sich bei Kunststoffen um Dielektrika mit einem relativ geringen elektromagnetischen Kontrast. Typischerweise liegt die Permittivität im 1–10-GHz-Band zwischen 2,5 und 3,5 mit einem Verlustfaktor von 10–3–10–1 für PLA28. Diese Zahlen hängen jedoch von den Herstellungsparametern ab, hauptsächlich vom Polymerfüllfaktor in einer Volumeneinheit. Elektromagnetische Verluste werden dramatisch hoch, wenn leitfähige Materialien, z. B. Graphenflocken, in Polymerfilamente eingemischt werden. Hier kann sich der Verlustfaktor dem Wert Eins nähern, wodurch diese Materialien für die Verwendung in drahtlosen Kommunikationsgeräten nahezu irrelevant werden. Eine ultimative Lösung für die Herstellung volumetrischer HF-Geräte ist der Metalldruck, z. B. durch direktes Lasersintern von Metall29. Allerdings sind Metalldrucker, obwohl sie hochqualitative eigenständige HF-Kontrast-Metallstrukturen liefern, weiterhin extrem teuer, was die Entwicklung anderer Ansätze motiviert.

Hier demonstrieren wir einen einfachen und kostengünstigen Metalldruck, der auf einer minderwertigen FDM-Technik basiert. Zuerst wird die neue Methode beschrieben und dann folgt eine Demonstration mehrerer effizienter elektromagnetischer Geräte, die nachweislich ihre herkömmlichen Gegenstücke auf Leiterplatten (PCB) übertreffen.

Metalle mit hoher HF-Leitfähigkeit ermöglichen die Erzielung überlegener elektromagnetischer Leistungen. Allerdings bestimmt nur eine dünne Metallschicht mit einer Dicke von mehreren Hauttiefen die Wechselwirkung30. Normalerweise reichen mehrere Mikrometer Kupfer für den Frequenzbereich von 1–10 GHz aus. Es ist erwähnenswert, dass die stromlose Beschichtung zur Beschichtung nichtleitender Polymere verwendet werden kann, obwohl dieser Ansatz recht umfangreiche chemische Verarbeitungsschritte erfordert31,32. Eine weitere Technik ist das Galvanisieren, bei dem eine elektrochemische Abscheidung auf Materialien mit ausreichender Niederfrequenzleitfähigkeit erfolgt. In unserem Fall dient das 3D-gedruckte Skelett einer Struktur als Kathode. Zu diesem Zweck sollen zunächst isolierende Polymere leitfähig werden, was durch das Einbringen kleiner Partikel geschieht. Dabei kommen Filamente aus PLA, gemischt mit Graphenflocken (GPLA), zum Einsatz. Der Gleichstromwiderstand dieses im Handel erhältlichen Materials (leitfähiges PLA, 2,85 mm Durchmesser, „Proto-Pasta“) beträgt etwa 0,1275 Ω m. Es ist anzumerken, dass die HF-Leitfähigkeit dieses Materials für praktische Anwendungen nicht ausreicht. Die Permittivität von GPLA-Varianten liegt im Frequenzbereich von 1–10 GHz zwischen 52 und 15, während der Verlustfaktor 0,75–0,8733 beträgt. Allerdings können GPLA-Skelette als Kathoden bei der Galvanisierung dienen. Mikro- bis millimeterdicke Metallschichten können auf FDM-gedruckten Strukturen abgeschieden werden und für elektromagnetische Anwendungen im GHz-Bereich genutzt werden. Allerdings verbleibt elektrochemisch metallisiertes GPLA als Substrat und verursacht aufgrund seiner relativ hohen Permittivität eine hohe Feldkonzentration in seinem Volumen, was zu mäßig hohen Verlusten führt. Diese Verluste beeinträchtigen die Leistung von Antennen und Wellenleitern erheblich und machen die Rentabilität dieses Ansatzes fraglich. Folglich kann die Entfernung von GPLA-Skeletten nach ihrer Galvanisierung die Leistung 3D-gedruckter elektromagnetischer Geräte drastisch steigern. Nach Durchführung dieses letzten Schritts der Skelettentfernung erhält man freistehende Metallstrukturen. Diese neue Methode wird als nächstes beschrieben.

Der Herstellungsprozess ist in mehrere Hauptschritte unterteilt. Die erste Möglichkeit besteht darin, ein Skelett zu drucken. Zum Einsatz kam der BCN3D Sigmax-Drucker. Für das Prototyping wurde BCN3D Cura 3.4.0 zum Schneiden des Modells verwendet (Abb. 1A). Nach der Herstellung des Modells erfolgt im nächsten Schritt die Nachbearbeitung. Die Struktur wurde mit einem Lappen behandelt, der mit Aceton oder möglicherweise mit einem anderen Lösungsmittel (z. B. 1,2-Dichlorethan, Dichlormethan und anderen) befeuchtet war. Dieser Schritt ermöglicht das Glätten von Rauheiten, die während des Druckprozesses auftreten, bis hin zur endlichen Dicke der FDM-Düsen, hier wurde 0,4 mm verwendet. Allerdings können nur kleine Mängel, z. B. Risse und Blasen, mit einer Größe von weniger als 0,5 mm effizient verringert werden (Abb. 1B). Der nächste Schritt ist die Galvanisierung. Nach der Lösungsmittelvorbereitung wurde der elektrisch leitende Teil des Modells mit Kupfersulfatlösung aktiviert. Dadurch wird die Modelloberfläche aufgrund der erhöhten Ionenadhäsion empfindlicher für den weiteren Galvanisierungsprozess34. Um eine gleichmäßige Ablagerung von Metallionen auf einer Oberfläche zu erreichen, sollte diese auf einem nahezu gleichmäßigen elektrischen Potential gehalten werden. Während typische Kathoden mit anfänglich hoher Gleichstromleitfähigkeit keine besonderen Herausforderungen mit sich bringen, weisen GPLA-Gerippe mit mäßig hohem spezifischem Widerstand einen erheblichen Spannungsabfall zwischen benachbarten Elektroden auf. Um in diesem Fall die Gleichmäßigkeit des elektrischen Potentials zu verbessern, haben wir mehrere Elektroden entlang der Probe verteilt. Diese Elektroden (Kupferdrähte) wurden von der Lösung isoliert, da sonst die elektrochemische Abscheidung hauptsächlich auf den Kontakten erfolgt und das GPLA-Gerüst unbedeckt bleibt. Nach Durchführung dieser technisch unkomplizierten Schritte wurden Hilfselektroden der Struktur an den Minuspol einer Stromquelle (MATRIX MPS-3003L-3) angeschlossen. An den Pluspol wurde eine Kupferplatte angeschlossen, die als Ionenquelle diente. Das galvanische Bad enthielt 70:10:1 Wasser: Cu2SO4: Schwefelsäure. Der Strom im galvanischen Kreis wurde anhand des empirischen Verhältnisses von 100 mA pro dm2 elektrisch leitender Modelloberfläche berechnet, was einen Kompromiss zwischen der Abscheidungsqualität und der Abscheidungsrate darstellt. Die Abscheidungszeit wird durch eine erforderliche Metalldicke definiert. Die Probe wurde aus dem galvanischen Bad entnommen und am Ende des Prozesses unter fließendem kaltem Wasser gewaschen (Abb. 1C). Nachdem das GPLA-Gerüst metallisiert ist, besteht der letzte Schritt darin, das Substrat zu entfernen. Der Schmelzpunkt typischer Polymere, die beim FDM-Druck verwendet werden, liegt bei etwa 180–230 °C. Elektrochemisch abgeschiedenes Metall hält diesen Temperaturen jedoch stand. Daher kann das Skelett in einem Ofen entfernt werden, obwohl bei Verwendung einer Luftumgebung eine geringfügige Oxidation der Kupferoberflächen beobachtet werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kunststoff chemisch zu entfernen oder den Kunststoff einfach mit einem Gasstrahl zu verbrennen, was wir hier als einfachste Option verwendet haben (Abb. 1D). Dadurch wird das Polymergerüst geschmolzen, während die Metallkonstruktion eigenständig bleibt – das ist unser vorgeschlagener Metalldruck.

Der vorgeschlagene Metalldruck – die Sequenz eines freistehenden Metall-Coronavirus-Prototypings. (A) 3D-Modellierung und Schneiden. (B) FDM-3D-Druck eines leitfähigen PLA (GPLA)-Skeletts. (C) Galvanisieren der Oberfläche des Prototyps. (D) Entfernung des Kunststoffskeletts.

Die Eigenschaften des resultierenden Modells sind wie folgt: Die Dicke der Metallschicht beträgt mindestens 0,5 mm, wodurch das Modell nach der Entfernung des Skeletts freistehend bleiben kann. Die Gesamtgröße der Struktur kann in jeder Richtung mehrere Dutzend Zentimeter erreichen (z. B Bei unserem Modell liegt das Maximum bei 11,8 cm), die Oberflächenrauheit ist kleiner als 0,1 mm und die Oberflächenbedeckung ist in allen Bereichen recht gleichmäßig. Der Herstellungszyklus besteht aus Drucken (normalerweise 3–8 Stunden), Nachbearbeitung (0,5–1 Stunden) und Galvanisieren (24–48 Stunden).

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Fertigungstechnik zu testen, wurde Radiofrequenzidentifikation (RFID) als Anwendung ausgewählt. Die rasante Entwicklung des Internets der Dinge (IoT)35 und ein aufkommendes Konzept des Internets der kleinen Dinge – IoT (z. B. 36) motivieren zur Entwicklung neuer Miniatur-Tags mit großer Reichweite und omnidirektionalen Reaktionen (z. B. 37, 38, 39). Hier sind effiziente, kostengünstige Designs für den Betrieb dieser Anwendung unerlässlich. RFID-Tags bestehen aus einem integrierten Schaltkreis und einer Antenne, die in vielen Fällen die Leistung steuert. Die Untersuchung volumetrischer Geometrien kann gegenüber herkömmlichen 2D-Designs Vorteile bieten.

Im Folgenden werden wir die Auswirkungen der GPLA-Entfernung auf die Antennenleistung bewerten. Für die Untersuchungen wird eine eher generische Geometrie verwendet, die in40 (Abb. 2A, Einschub, Tafel D) beschrieben wird. Die Struktur ist ein Dipol, betrachtet im Frequenzbereich von 750 MHz bis 10 GHz, der sowohl den Hauptresonanzbereich (ca. 850 MHz, für den die Struktur ursprünglich entworfen wurde) als auch eine nichtresonante Zone (1 bis 10) einfängt GHz), bei denen die Antenne ein komplexeres Strahlungsmuster aufweist und nicht unbedingt impedanzangepasst ist. Zur Bewertung der Leistung der neuen Fertigungsmethode im Vergleich zu bestehenden Standards wurde das eher bekannte Design gewählt. Für die Analyse wurde CST Microwave Studio verwendet. Die Dicke des GPLA-Substrats wurde als gleichmäßig und antennenkonform mit 2 mm angenommen. Abbildung 2A zeigt die absorbierte Leistung innerhalb der Struktur mit und ohne GPLA-Gerüst. Dieser Parameter wurde als Gleichgewicht zwischen vier Kanälen berechnet: Leistung (i), die in den Antennenanschluss eingespeist wird, (ii) insgesamt abgestrahlt wird, (iii) aufgrund der Impedanzfehlanpassung zum Anschluss zurückreflektiert wird und (iv) absorbiert wird. Es ist offensichtlich, dass die GPLA-Entfernung die Absorption im gesamten Frequenzbereich deutlich reduziert. Der Unterschied ist bei höheren Frequenzen stärker ausgeprägt. In Bezug auf Strahlungsmuster zeigen beide Konfigurationen eine klar definierte dipolare Emission bei niedrigeren Frequenzen (z. B. 850 MHz, Abb. 2B und 1,5 GHz, Abb. 2C). Bei höheren Frequenzen (7 GHz, Abb. 2E) weist die verlustarme freistehende Metallantenne jedoch ein quadrupolartiges Strahlungsmuster auf, während das GPLA-Skelett die Strahlung deutlich dämpft. Da die Nahfeldlokalisierung mit zunehmender Multipolzahl zunimmt (z. B. 41,42), ist der sehr ausgeprägte Unterschied zwischen den Strahlungsmustern bei hohen Frequenzen zu beobachten, wo das GPLA-Substrat eine starke Absorption zeigt. Obwohl die Struktur nicht resonant ist, weist sie dennoch erhebliche interne Verluste auf und kann nicht als Strahlungselement verwendet werden, was den klaren Vorteil der Entfernung des GPLA-Substrats unterstreicht. Dieser allgemeine Trend lässt sich beim Vergleich der Panels (F), (G) und (H) noch deutlicher erkennen, wobei jeder horizontale Schnitt der Farbkarte dem unverpackten Strahlungsmuster entspricht. Das GPLA-Gerüst führt zu einer deutlichen Unschärfe bei höheren Frequenzen. Die maximale Verstärkung erreicht 4 auf der linearen Skala.

Numerischer Vergleich zwischen 2 Antennen – mit und ohne GPLA-Substrat. (A) Normalisierte absorbierte Leistung innerhalb des Geräts (in %) – grüne Linie – mit GPLA, lila – ohne GPLA. (B), (C) und (E) Strahlungsmuster bei 850 MHz, 1,5 GHz bzw. 7 GHz. (D) Antennenlayout. (F), (G) und (H) Farbkarten von unverpackten Strahlungsmustern (lineare Skala). Horizontale und vertikale Achsen – Winkel- bzw. Frequenzabhängigkeiten. Der Antennengewinn wird durch Farbe im linearen Maßstab dargestellt.

Um die zuvor gemachten Behauptungen und Einschätzungen zu überprüfen, wurden experimentelle Studien durchgeführt. Um ein Referenzmuster zu erhalten, wurden Standard-PCB-Design und -Herstellung durchgeführt. Abbildung 3 zeigt die Geräte – PCB-Referenz (Panel A), 3D-gedruckte Antenne mit GPLA-Skelett (Panel B) und eigenständige Metallstruktur, die nach der Entfernung des GPLA erhalten wurde (Panel C). Die Antenneneigenschaften wurden in einer schalltoten Kammer erfasst (Abb. 3H). Die Antennen wurden über ein Koaxialkabel mit dem Vektornetzwerkanalysator (VNA) RTO1024 von Rohde & Schwarz verbunden und auf einem Azimut-Drehtisch gegenüber der Messhornantenne (ebenfalls an denselben VNA angeschlossen) montiert. Es wurden Polystyrolträger verwendet, die für GHz-Wellen transparent sind. Der Tisch wurde in 1°-Schritten zwischen 0° und 360° gedreht. Für den gesamten Frequenzbereich und für jeden Winkel wurden komplexe Transmissionskoeffizienten (S12) ermittelt. Die Farbkarten (Abb. 3D–F) fassen die experimentellen Ergebnisse zusammen – horizontale Linien sind abgewickelte Winkelstrahlungsmuster bei den Wobbelfrequenzen. Vertikale Linien stellen die Entwicklung des Strahlungsmusters mit der Frequenz dar. Die freistehende Metallantenne weist im Vergleich zu beiden Referenzen die besten Leistungen auf. Der Vorteil ist bei höheren Frequenzen ausgeprägter, wo sowohl GPLA als auch FR4 (PCB-Material) höhere Verluste aufweisen. Die Gesamtstrahlungseffizienz der Proben wurde gemessen und die Ergebnisse sind in Abb. 3G dargestellt. Metallantennen übertreffen ihre Gegenstücke bei allen Frequenzen innerhalb des Bandes, mit Ausnahme einiger Punkte, an denen die Ergebnisse aufgrund parasitärer Reflexionen vom Messgerät schwankten.

Darstellung experimenteller Daten. Vergleich zwischen (A) PCB-basierten, (B) GPLA-Substrat und (C) freistehenden Metallantennen. (D–F) Farbkarten von unverpackten Strahlungsmustern (lineare Skala). Horizontale und vertikale Achsen – Winkel- bzw. Frequenzabhängigkeiten. Die empfangene Energie wird in linearen, willkürlichen Einheiten dargestellt. (G) Strahlungseffizienz als Funktion der Frequenz. PCB-basierte Antenne – orange Linie, GPLA-basierte Antenne – grün und Metallantenne – lila. (H) Foto des Versuchsaufbaus in einer schalltoten Kammer.

Es wurde ein neuer einfacher und kostengünstiger Metalldruckansatz entwickelt und seine Vorteile im Bereich additiv gefertigter elektromagnetischer Geräte demonstriert. Unsere Methode basiert auf dem FDM-Druck von Skeletten mit anschließender Reihe relativ einfacher Nachbearbeitungsvorgänge. Der Prozess lässt sich in den folgenden fünf Schritten zusammenfassen: (i) 3D-Druck eines Skeletts mit einem leitfähigen Polymer, (ii) Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Glätte, (iii) Verteilung der Hilfselektroden auf dem Skelett, (iv) Galvanisieren und (v ) Skelettentfernung. Als Ergebnis des Prozesses können freistehende Metallkonstruktionen erhalten werden. Der Vorteil der Substratentfernung wurde numerisch und experimentell analysiert und zeigte eine signifikante Verbesserung der Antenneneigenschaften. Insbesondere wurden die Hochfrequenzverluste im Vergleich zu Proben, bei denen ein leitfähiges Polymerskelett vorhanden war, um Größenordnungen reduziert. Die Unterschiede sind bei höheren Frequenzen viel ausgeprägter, wo leitfähige Polymere eine schlechtere Leistung erbringen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass freistehende Metallantennen, die mit unserem neuen Druckverfahren hergestellt wurden, Standard-PCB-basierte Realisierungen übertreffen, die bei Verwendung von FR4-Substraten ebenfalls unter Verlusten bei Frequenzen über 5 GHz leiden.

Obwohl es offensichtlich ist, dass unser neues Verfahren hinsichtlich der Leistung nicht mit dem direkten Metalldruck, der beispielsweise auf Lasersintern basiert, mithalten kann, kann es ausreichende Lösungen zu äußerst niedrigen Kosten bieten. Es ist erwähnenswert, dass die hergestellten Strukturen eine offene Geometrie aufweisen mussten, damit das geschmolzene Polymer ausfließen konnte. Die weitere Weiterentwicklung dieser Technologie kann die Schaffung komplexerer Formen ermöglichen und deren Vorteile in elektromagnetischen Anwendungen offenbaren. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Versuche, elektronische Schaltkreise – sowohl passive als auch aktive Elemente – in 3D zu drucken. Mit dieser entwickelten Fähigkeit wird die additive Fertigung einer Antenne zusammen mit abstimmbarer Elektronik möglich. Die Gesamtproduktionskosten können in diesem Fall erheblich sinken, sodass die additive Fertigung von HF-Geräten die erste Wahl ist.

Gibson, I., Rosen, D. & Stucker, B. Additive Fertigungstechnologien: 3D-Druck, Rapid Prototyping und Direct Digital Manufacturing (Springer-Verlag, 2015).

Buchen Sie Google Scholar

Yang, Y. et al. Elektrisch unterstützter 3D-Druck von Perlmutt-inspirierten Strukturen mit Selbsterkennungsfähigkeit. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/SCIADV.AAU9490 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Ge, Q. et al. 3D-Druck von hochdehnbarem Hydrogel mit verschiedenen UV-härtbaren Polymeren. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/SCIADV.ABA4261 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

van Manen, T., Janbaz, S., Jansen, KMB & Zadpoor, AA 4D-Druck rekonfigurierbarer Metamaterialien und Geräte. Komm. Mater. 2021 21 2(1), 1–8. https://doi.org/10.1038/s43246-021-00165-8 (2021).

Artikel Google Scholar

Kim, F. et al. Direktes Tintenschreiben dreidimensionaler thermoelektrischer Mikroarchitekturen. Nat. Elektron. 2021 48 4(8), 579–587. https://doi.org/10.1038/s41928-021-00622-9 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Paunović, N. et al. Digitaler 3D-Lichtdruck von maßgeschneiderten bioresorbierbaren Atemwegsstents mit Elastomereigenschaften. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/SCIADV.ABE9499 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Keneth, ES, Kamyshny, A., Totaro, M., Beccai, L. & Magdassi, S. 3D-Druckmaterialien für Soft Robotics. Adv. Mater. 33(19), 2003387. https://doi.org/10.1002/ADMA.202003387 (2021).

Artikel Google Scholar

Carvalho Fernandes, DC, Lynch, D. & Berry, V. 3D-gedruckte Graphen/Polymer-Strukturen für auf Elektronentunneln basierende Geräte. Wissenschaft. Rep. 2020 101 10(1), 1–8. https://doi.org/10.1038/s41598-020-68288-5 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Pandey, R. et al. Hochleitfähiger Kupferfilm auf tintenstrahlgedrucktem porösem Silberkeim für flexible Elektronik. J. Elektrochem. Soc. 165(5), D236. https://doi.org/10.1149/2.1331805JES (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Maurya, D. et al. 3D-gedruckte, auf Graphen basierende, energieautarke Dehnungssensoren für intelligente Reifen in autonomen Fahrzeugen. Nat. Komm. 2020 111 11(1), 1–10. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19088-y (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Blutinger, JD et al. Präzises Garen bedruckter Lebensmittel mittels Multiwellenlängenlasern. npj Sci. Essen 2021 51 5(1), 1–9. https://doi.org/10.1038/s41538-021-00107-1 (2021).

Artikel Google Scholar

Balanis, CA Advanced Engineering Electromagnetics (Wiley, 1989).

Google Scholar

Kosulnikov, S., Filonov, D., Boag, A. & Ginzburg, P. Volumetrische Metamaterialien versus Impedanzoberflächen in Streuanwendungen. Wissenschaft. Rep. 11(1), 9571. https://doi.org/10.1038/s41598-021-88421-2 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liang, M., Wu, J. & Yu, X. 3D-Drucktechnologie für HF- und THz-Antennen. IEEE 2, 536–537 (2016).

Google Scholar

Ferrando-Rocher, M., Herranz, JI, Valero-Nogueira, A. & Bernardo, B. Leistungsbewertung von Gap-Wellenleiter-Array-Antennen: CNC-Fräsen vs. 3D-Druck. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2833740 (2018).

Artikel Google Scholar

Al-Tarifi, MA & Filipovic, DS Über den Entwurf und die Herstellung von doppelt polarisierten W-Band-Hornantennen mit stabilisiertem Muster mit DMLS und CNC. IET Microw. Antennenpropag. 11(14), 1930–1935. https://doi.org/10.1049/iet-map.2017.0167 (2017).

Artikel Google Scholar

Sonnerat, F., Pilard, R., Gianesello, F., Le Pennec, F., Person, C. & Gloria, D. Innovative LDS-Antenne für 4G-Anwendungen. In IEEE, nein. Eucap, 2696–2699 (2013).

Friedrich, A., Fengler, M., Geck, B. & Manteuffel, D. 60 GHz integrierte 3D-Wellenleiter-gespeiste Antennen mit Laser-Direktstrukturierungstechnologie. Im Jahr 2017 11. Europäische Konferenz über Antennen und Ausbreitung, EUCAP 2017 2507–2510 (2017). https://doi.org/10.23919/EuCAP.2017.7928511

Friedrich, A. & Geck, B. Über den Entwurf einer 3D-LTE-Antenne für Automobilanwendungen auf Basis der MID-Technologie. EUR. Mikrowelle. Konf. https://doi.org/10.23919/EuMC.2013.6686737 (2013).

Artikel Google Scholar

Adams, JJ et al. Vergleich von sphärischen Antennen, die durch konformes Drucken hergestellt wurden: Helix-, Mäanderlinien- und Hybriddesigns. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 10, 1425–1428. https://doi.org/10.1109/LAWP.2011.2178999 (2011).

Artikel ADS Google Scholar

Ahmadloo, M. Design und Herstellung geometrisch komplizierter Multiband-Mikrowellengeräte unter Verwendung einer neuartigen integrierten 3D-Drucktechnik. Im Jahr 2013 IEEE 22nd Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems 29–32 (2013). https://doi.org/10.1109/EPEPS.2013.6703460

Liang, M., Shemelya, C., MacDonald, E., Wicker, R. & Xin, H. 3D-gedruckte Mikrowellen-Patchantenne mittels Schmelzabscheidungsverfahren und Ultraschall-Drahtgeflecht-Einbettungstechnik. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 14, 1346–1349. https://doi.org/10.1109/LAWP.2015.2405054 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Ehrenberg, I., Sarma, S., Steffeny, T. & Wuy, B.-I. Herstellung eines X-Band-konformen Antennenarrays auf einem additiv gefertigten Substrat. Im Jahr 2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting 609–610 (2015). https://doi.org/10.1109/APS.2015.7304691

Wu, B. -I. & Ehrenberg, I. Ultrakonformes Patch-Antennen-Array auf einer doppelt gekrümmten Oberfläche. Im Jahr 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology 792–798 (2013). https://doi.org/10.1109/ARRAY.2013.6731929

Mirzaee, M., Noghanian, S. & Chang, I. Low-Profile-Bowtie-Antenne mit 3D-gedrucktem Substrat. Mikrowelle. Opt. Technol. Lette. 59(3), 706–710. https://doi.org/10.1002/mop.30379 (2017).

Artikel Google Scholar

Shemelya, C. et al. Mehrschichtige archimedische Spiralantenne, hergestellt im Polymerextrusions-3D-Druck. Mikrowelle. Opt. Technol. Lette. 58(7), 1662–1666. https://doi.org/10.1002/mop.29881 (2016).

Artikel Google Scholar

Parsons, P., Mirotznik, M., Pa, P. & Larimore, Z. Multimaterial-Additive Fertigung eingebetteter Low-Profile-Antennen. Elektron. Lette. 51(20), 1561–1562. https://doi.org/10.1049/el.2015.2186 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Filonov, D. et al. Volumetrische 3D-gedruckte Antennen, hergestellt durch selektive Polymermetallisierung. Physik. Status Solidi Rapid Res. Lette. https://doi.org/10.1002/pssr.201800668 (2019).

Artikel Google Scholar

Gupta, M. 3D-Druck von Metallen. MDPI AG (2017).

Jackson, JD Classical Electrodynamics 3. Aufl. (Wiley, 1998).

MATH Google Scholar

Dubin, VM, Shacham-Diamand, Y., Zhao, B., Vasudev, PK & Ting, CH Selektive und flächendeckende stromlose Kupferabscheidung für die Integration im ultragroßen Maßstab. J. Elektrochem. Soc. 144(3), 898. https://doi.org/10.1149/1.1837505 (1997).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Filonov, D. et al. Flexible metallisierte Rohre für die elektromagnetische Wellenleitung. J. Quant. Spektroskopie Strahlen. Transf. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.05.008 (2019).

Artikel Google Scholar

Filonov, D., Kolen, S., Shmidt, A., Shacham-Diamand, Y., Boag, A. & Ginzburg, P. Selektive Metallisierung von Polymeren auf Graphenbasis für volumetrische 3D-gedruckte Antennen. Im Jahr 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS) 1–5 (2019). https://doi.org/10.1109/COMCAS44984.2019.8958413

MH F., Galvanische Beschichtungen von Dielektrika. Minsk: Verlag „Belarus“, (1987).

Da Xu, L., He, W. & Li, S. Internet der Dinge in der Industrie: Eine Umfrage. IEEE Trans. Ind. Informieren. 10(4), 2233–2243. https://doi.org/10.1109/TII.2014.2300753 (2014).

Artikel Google Scholar

Mikhailovskaya, A. et al. Omnidirektionaler Miniatur-RFID-Tag. Appl. Physik. Lette. 119(3), 033503. https://doi.org/10.1063/5.0054740 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Choudhary, A., Sood, D. & Tripathi, CC Breitbandiges, strahlungseffizientes kompaktes UHF-RFID-Tag mit großer Reichweite. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 17(10), 1755–1759. https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2844249 (2018).

Artikel ADS Google Scholar

Byondi, FK & Chung, Y. UHF-RFID-Sensor-Tag-Antenne mit der größten Reichweite für das IoT, angewendet auf Metall- und Nichtmetallobjekte. Sensoren 19(24), 5460. https://doi.org/10.3390/s19245460 (2019).

Artikel ADS PubMed Central Google Scholar

Dobrykh, D. et al. Miniaturisierte Keramik-RFID-Tags mit großer Reichweite. IEEE Trans. Antennenpropag. 69(6), 3125–3131. https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3037663 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Yang, L., Zhang, R., Staiculescu, D., Wong, CP & Tentzeris, MM Ein neuartiges konformes RFID-fähiges Modul, das tintenstrahlgedruckte Antennen und Kohlenstoffnanoröhren für Gasdetektionsanwendungen nutzt. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 8, 653–656. https://doi.org/10.1109/LAWP.2009.2024104 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

Hansen, RC Elektrisch kleine, superdirektive und supraleitende Antennen (Wiley-Interscience, 2006).

Buchen Sie Google Scholar

Vovchuk, D., Kosulnikov, S., Noskov, RERE & Ginzburg, P. Drahtresonator als Breitband-Huygens-Superstreuer. Physik. Rev. B https://doi.org/10.1103/physrevb.102.094304 (2020).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Forschung wurde teilweise vom föderalen akademischen Führungsprogramm Priority 2030 und vom israelischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie (Projekt „Integrierter 2D- und 3D-Funktionsdruck von Batterien mit Metamaterialien und Antennen“) unterstützt. Die Autoren danken Prof. Yosi Shacham-Diamand, Universität Tel Aviv, für Diskussionen.

Zentrum für Photonik und 2D-Materialien, Moskauer Institut für Physik und Technologie, Dolgoprudny, Russland, 141700

Vladimir D. Burtsev, Tatyana S. Vosheva und Dmitry S. Filonov

Forschungs- und Entwicklungszentrum für Telekommunikation, Moskauer Institut für Physik und Technologie, Dolgoprudny, Russland, 141700

Anton A. Khudykin

Fakultät für Elektrotechnik, Universität Tel Aviv, 69978, Tel Aviv, Israel

Pavel Ginzburg

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

VB und PG verfassten den Haupttext des Manuskripts und führten eine Literaturrecherche durch. VB, PG und DF vorbereitete Abb. 1, 2 und 3. VB, TV und AK führten numerische Simulationen durch. PG und DF ermittelten die theoretischen Voraussetzungen und führten die Supervision durch. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Vladimir D. Burtsev.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Burtsev, VD, Vosheva, TS, Khudykin, AA et al. Einfacher, kostengünstiger 3D-Metalldruck durch Brennen eines Kunststoffskeletts. Sci Rep 12, 7963 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11430-2

Zitat herunterladen

Eingegangen: 3. Februar 2022

Angenommen: 13. April 2022

Veröffentlicht: 13. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11430-2

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.