Ученые предложили бюджетный способ изготовления высокоточных антенн связи
Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) разработали новую технику печати, основанную на применении недорогого и простого устройстве FDM, — технологию 3D-печати наплавлением с последующим электрохимическим покрытием формы металлом. Такая техника позволяет создавать сложные объемные конструкции, актуальные при производстве высокоточных устройств, например, антенн. Новый экономичный способ создания антенн поможет обеспечить качественной связью поколений 5G и 6G. Описанные учеными методы и подходы могут быть реализованы с использованием полностью отечественных материалов и приборов.
Последовательность прототипирования металлической модели коронавируса. (A) 3D-моделирование, (B) FDM 3D-печать пластикового каркаса, ( C ) гальваническое покрытие поверхности прототипа, (D) удаление пластикового каркаса.
Особенность производства антенн состоит в том, что по ним должен течь электрический ток. Для этого требуется использование специальных 3D-принтеров, печатающих металлом, но они дороги и сложны в обслуживании. Ближайший аналог — фотополимерные и FDM-принтеры, печатающие пластиком. Стоимость такого производства ниже на несколько порядков, однако структуры, созданные по такой технологии, не проводят электрический ток. И ученые МФТИ нашли оптимальное решение этого вопроса, взяв за основу лучшие качества обеих технологий.
Важность разработки заключается в возможности обеспечении качественной и однородной связи для бесперебойной работы сложного промышленного и логистического оборудования. Во избежание образования мертвых зон необходимо устанавливать несколько Wi-Fi-роутеров либо создавать специализированные под конкретную задачу антенны, производство которых осложняется их нетривиальной конфигурацией. Возникает вопрос: из чего сделать такие антенны? Недорогие пластмассовые модели совместимы с различными сплавами, и их использование несет большой потенциал. В свою очередь, металлы с высокой проводимостью позволяют достичь превосходных электромагнитных характеристик — обычно для диапазона частот 1-10 ГГц достаточно нескольких микрон меди. Таким образом, с помощью тончайшего металлического слоя на пластмассовой конструкции можно получить высокоточную антенну, себестоимость которой намного ниже стандартной 3D-печати на металле.
Бюджетный метод изготовления сложных антенн с помощью FDM-печати, который предлагают исследователи из МФТИ, состоит из пяти этапов: печать заготовки с помощью проводящего полимера, обработка поверхности для улучшения гладкости, размещение вспомогательных электродов на заготовке, гальваническое покрытие и удаление заготовки. Температура плавления типичных полимеров, используемых в FDM-печати, составляет около 180-230ºC, и электрохимически осажденный металл выдерживает эти температуры.
Эксперименты показали, что на частотах выше 5 ГГц негативное влияние пластика на излучательную характеристику антенн существенно повышается. Преимущество удаления пластиковой подложки было проанализировано численно и экспериментально и показало, что металлические антенны без подложки, изготовленные с помощью нового процесса печати, превосходят стандартные реализации, которые также страдают от потерь на высоких частотах, если используются пластиковые подложки. Таким образом, новый способ создания антенн сможет обеспечить качественной связью 5G и 6G.
При создании высокоточной антенны первичным является заказ — именно массово-габаритные характеристики помещения закладываются в алгоритм численного моделирования, с помощью которого рассчитывается форма устройства. Обычно это довольно причудливая форма, которую трудно создать руками, но вполне возможно с помощью 3D-принтера. Также добиться четкого сигнала возможно с помощью фазированных антенных решеток — массива из одинаковых антенн, на которые подается необходимая электронная фаза и из этого определяется диаграмма направленности. Используя наш подход, можно убрать некоторые элементы управления — путем заданного алгоритма рассчитать нужную форму, которая сразу обеспечит необходимую направленность под целевые функции. Хотя наш новый метод не может полноценно конкурировать по производительности с прямой металлической печатью, он может обеспечить производство надежных конструкций при чрезвычайно низкой стоимости
Дальнейшее развитие этой технологии может позволить создавать более сложные формы и раскрыть их преимущества в электромагнитных приложениях. Кроме того, предпринимается немало усилий по 3D-печати электронных схем — как активных компонентов (контролирующих поток электричества), так и пассивных (не требующих внешнего источника питания). При усовершенствовании разработки станет возможным послойное наращивание антенны вместе с настраиваемой электроникой. Общая стоимость производства в этом случае может значительно снизиться.
Работа опубликована в научном журнале Scientific Reports, на изобретение получен патент.
Подпишитесь на наш канал, чтобы не упускать новости науки. Важная информация есть в нашем Telegram.
Хм, странно что FDM, а не фотополимерный принтер. У него и разрешение выше будет (меньше постобработки) и токопроводящие добавки в смолу добавляются проще.